Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние в области разделения газовых смесей 10
1.1 Разделение газов с помощью методов газовой адсорбции 10
1.2 Основные подходы оптимизации процесса обогащения воздуха кислородом 22
1.3 Постановка целей и задач диссертационной работы 31
ГЛАВА 2. Гибридные мембранно-сорбционные технологии газоразделения 36
2.1 Описание процессов разделения в гибридных мембранно-сорбционных системах 36
2.2 Классификация гибридных мембранно-сорбционных систем
2.2.1 Гибридные системы без рецикла 45
2.2.2 Гибридные системы с сжимаемым рециклом 46
2.2.3 Гибридная система с рециклом без сжатия 47
2.3 Выводы к главе 2 47
ГЛАВА 3. Математическое моделирование процессов разделения в гибридных мембранно-сорбционных системах 49
3.1 Основные предположения и допущения математической модели 50
3.2 Разработка математической модели процессов разделения в гибридных мембранно-сорбционных системах 52
3.2.1 Основные закономерности селективного массопереноса в гибридныхмембранно-сорбционных системах 59
3.3 Выводы к главе 3 64
ГЛАВА 4. Математическое моделирование сорбционных процессов в гибридных системах с использованием эжекционного смесителя 66
4.1 Разработка математической модели процессов разделения в гибридных системах с
использованием эжекционного смесителя 66
4.1.1 Методика и алгоритм расчета эжекционного смесителя 70
4.1.2 Основные закономерности селективного массопереноса в гибридных системах с использованием эжекционного смесителя 74
4.2 Экспериментальные исследования 79
4.2.1 Методика и измерение свободного объёма 79
4.2.2 Определение параметров сорбентов 87
4.2.3 Методика и определение типа изотермы адсорбции 88
4.3 Выводы к главе 3 92
Основные выводы и результаты работы 93
Список использованных источников
- Основные подходы оптимизации процесса обогащения воздуха кислородом
- Гибридные системы без рецикла
- Разработка математической модели процессов разделения в гибридных мембранно-сорбционных системах
- Основные закономерности селективного массопереноса в гибридных системах с использованием эжекционного смесителя
Введение к работе
Актуальность темы
В современном мире широкое применение находят различные системы газоразделения. Достижения последних лет в области газоразделения связаны с проблемами повышения энергоэффективности разделительных процессов. В настоящее время для разделения газовых смесей используют в основном мембранные или сорбционные методы (метод коротко цикловой адсорбции - КЦА или PSA от английского "Pressure Swing Adsorption").
Каждый из методов обладает преимуществами, которые можно выгодно использовать при объединении этих методов в единую (гибридную) систему газоразделения. При этом возможно оптимальное сочетание преимуществ мембранного метода разделения (простота реализации, высокая степень извлечения) и адсорбционного (высокая степень обогащения).
Поэтому особым вниманием в последнее время пользуются гибридные мембранно-сорбционные методы разделения газовых смесей. Использование гибридных схем позволяет, с одной стороны, в полной мере использовать преимущества того и другого разделительных процессов, а с другой стороны, компенсировать их недостатки. Кроме того, гибридные мембранно-сорбционные системы могут быть использованы для уменьшения воздействия на окружающую среду и затрат на производственные процессы.
Нерешенной задачей в теории построения гибридных систем разделения газовых смесей остается вопрос описания закономерностей молекулярно-селективного массопереноса и поиска оптимальной схемы для получения обогащенных компонентов газовой смеси, которая должна обеспечить устойчивость процесса и минимальные энергозатраты при заданных значениях производительности и степени извлечения конечного продукта газовой смеси. Это определяет актуальность темы диссертационного исследования.
Цель научного исследования
Целью диссертационной работы явилось определение закономерностей массопереноса и условий эффективной организации процессов газоразделения в гибридных мембранно-сорбционных
системах и на этой основе поиск оптимальных условий селективного массопереноса, которые обеспечивают минимальные энергетические затраты при заданных значениях производительности и степени извлечения конечного продукта газовой смеси.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
проанализированы гибридные мембранно-сорбционные системы с позиции общей теории многомодульных разделительных систем с рециркуляционными связями;
на основе идеализированных моделей адсорбционной и мембранной ступеней разработана модель и методика расчета молекулярно-селективных массообменных процессов гибридной системы газоразделения;
определены основные закономерности селективных массообменных процессов в гибридных рециркуляционных мембранно-сорбционных системах;
на основе найденных закономерностей селективного массопереноса разработаны новые технические решения реализации эффективного процесса разделения.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
Разработана физическая модель массопереноса в гибридной мембранно-сорбционной системе, учитывающая обратные связи за счет рециклов.
Установлены закономерности селективного массопереноса в гибридной рециркуляционной мембранно-сорбционной системе.
Предложена новая гибридная рециркуляционная одноконтурная мембранно-сорбционная система с использованием газового эжектора, обеспечивающая заданную степень обогащения потока продукта при минимальных энергетических затратах.
Практическая ценность результатов исследования
Результаты работы позволяют выполнить оптимизацию энергетических показателей гибридной газоразделительной системы.
Предложенная гибридная система газоразделения может использоваться при разработке различных систем получения обогащенных газовых смесей, основанных на применении мембранных и адсорбционных технологий.
На основе анализа установленных закономерностей предложены новые технические решения организации стационарных процессов в гибридных рециркуляционных мембранно-сорбционных системах.
Анализ результатов моделирования молекулярно-селективного массопереноса в гибридной мембранно-сорбционной системе позволяет сделать вывод о возможности реализации подобных схем на практике для нужд специальных служб, МЧС, медицинских и экологических служб для обеспечения локальной дыхательной атмосферой заданного состава, оптимальной для жизнедеятельности человека.
Основные подходы оптимизации процесса обогащения воздуха кислородом
Установка включает два попеременно работающих адсорбера 1а и lb. На вход установки подается сжатая газовая смесь через клапан 2а или 2Ь. В рассматриваемый момент времени открыты клапаны 2а и 5Ь, все остальные клапаны закрыты. Сжатая газовая смесь через клапан 2а поступает в адсорбер 1а, заполненный адсорбентом (для осушки обычно используют силикагели). При контакте влажного газа с адсорбентом вода из потока переходит в адсорбент, а из установки через обратный клапан За выходит сжатый осушенный воздух. Сравнительно небольшая часть (15-20%) осушенного воздуха проходит через дроссель 4 и противоточно подается в адсорбер 16. Контактирование сухого газа с адсорбентом, увлажненным в течение предшествующей стадии осушки, приводит к десорбции воды и регенерации адсорбента. Через клапан 56 влажный газ сбрасывают в атмосферу. Через некоторое время клапаны переключаются, и адсорберы 1а и lb взаимно меняют свое назначение, повторяя циклы адсорбции и десорбции. Тем самым в установке протекает непрерывный процесс осушки воздуха [40].
Основные задачи сводились к определению минимального количества отбираемого продуктового газа, используемого для обратной продувки слоя адсорбента и минимального промежутка времени между переключением адсорберов.
Различная комбинация таких параметров как число адсорберов и фаз их работы дает возможность оптимизировать работу системы и настроить режим ее работы на очистку, выделение или полное разделение компонентов газовой смеси. Закономерности этих процессов широко исследуются в литературе [9, 40-47].
Главным преимуществом адсорбционного метода газоразделения является отсутствие стадий нагрева и охлаждения адсорберов, которые требуют больших энергетических затрат [8]. Энергия в основном расходуется на сжатие газа. В свою очередь стадии повышения и снижения давления в адсорбере осуществляются сравнительно быстро, что отражается на времени выхода системы на рабочий режим.
Таким образом, при оптимизации условий проведения процесса разделения необходимо учитывать следующие параметры системы, характеризующие качество технологической схемы: гидравлическое сопротивление слоя адсорбента, объем слоя адсорбента и величину продувочного потока в режиме регенерации [31, 48].
Гидравлическое сопротивление слоя определяет смещение друг относительно друга гранул адсорбента, что приводит к истиранию адсорбента и появлению значительных количеств пыли в продуктовом потоке [31].
Величина продувочного потока в режиме регенерации влияет на степень обогащения продуктового газового потока. Как правило, продувка происходит в противотоке с газовым потоком в режиме адсорбции с целью вывести из слоя десорбирующие примеси [10]. Стоит отметить, что для повышения эффективности процесса разделения газовой смеси методом короткоцикловой адсорбции в некоторых случаях для понижения давления на стадии десорбции используют вакуумные насосы, что, несомненно, приводит к увеличению энергетических затрат. В работе [49] представлена принципиальная схема процесса КЦА с использованием дозвукового эжектора, приводящая к повышению чистоты продуктового газа за счет рекуперации энергии сбросового газа.
Также необходимо определять термодинамические и кинетические константы системы при варьируемых внешних параметрах (температура, давление) [50].
Для разделения газовых смесей методом КЦА в качестве адсорбента наиболее часто используются синтетические цеолиты и углеродные молекулярные сита (УМС) [8, 9, 40, 51-54]. Процесс сорбции на цеолитах отличается тем, что преимущественно происходит селективная адсорбция азота за счет взаимодействия квадруполя азота с катионами цеолита. Квадрупольный момент для азота составляет 0.43 хЮ15 Клм, а для кислорода 0.14хЮ15Клм. Благодаря высокому квадрупольному моменту азот лучше, чем кислород адсорбируется на адсорбентах, поверхность которых заряжена положительно или имеет локальные положительные заряды. При адсорбции на УМС происходит адсорбция кислорода, основанная на кинетическом эффекте в силу различия размеров молекул азота и кислорода. Согласно [55] значения констант Генри при адсорбции азота и кислорода на УМС фирмы "Bergbau Forschung GmbH" Равны 8.20 и 9.25, соответственно. Что соответствует практически линейной изотерме адсорбции. Для гранул УМС диаметром Змм кинетические коэффициенты адсорбции азота и кислорода составляют 1.17 10"4 и 3.7x10"3. Это показывает, что скорость адсорбции молекул азота в пористой структуре адсорбента значительно ниже, чем у молекул кислорода. Стоит отметить, что размер пор адсорбента не является постоянной величиной, т.к. он возрастает с увеличением температуры. В традиционном процесс разделения методом КЦА для получения газовой смеси, обогащенной кислородом, в качестве адсорбента зачастую используют гранулы цеолитов с диаметром 2-6 мм [56].
С точки зрения равновесной адсорбции, лучшими адсорбентами для получения кислорода являются цеолиты типа A: NaA и СаА. Однако скорость поглощения азота на цеолите NaA крайне низка и он не пригоден для использования в процессе получения кислорода методом короткоцикловой адсорбции. Цеолит СаА в качестве адсорбента рассматриваемого процесса применяется, но по совокупности факторов, в число которых входят величина равновесной активности и скорость адсорбции, в современной технике адсорбционного разделения воздуха преимущественно используют цеолит NaX [5, 31].
Известно, что на цеолитах с предварительно адсорбированным небольшим количеством воды адсорбция других компонентов значительно уменьшается, как, например, это имеет место в случае цеолитов NaX и СаА. [57]. В реальных условиях при температуре около 293 К и влажности сжатого воздуха порядка 10% равновесная адсорбция воды на цеолитах достигает величины порядка 10 ммоль/г цеолита, как это можно оценить исходя из данных для цеолитов NaX и NaA [58]. Однако из практики работы установок разделения воздуха на цеолитах по способу короткоцикловой адсорбции известно, что они во многих случаях работают без предварительной осушки воздуха, что объясняется частичным снижением влагосодержания цеолита до порогового значения за счет стадии сброса десорбирующегося газа.
Недостатком использования гранулированного адсорбента в процессе разделения газовой смеси методом короткоцикловой адсорбции является возможность истирания гранул, что негативно влияет на качество целевого компонента и может привести к выходу из строя технологического оборудования. В частности, для решения этой проблемы можно использовать цеолитовые адсорбенты в виде блочных изделий [31, 59-65].
Гибридные системы без рецикла
Используя принцип увеличения степени разделения за счет смешения, во многих случаях (требуемое разделение не очень высоко) целесообразно использование систем с одним, максимум с двумя контурами рециркуляции. Это дает возможность уменьшить число единиц оборудования и упростить технологию реализации процесса разделения.
На основе сказанного выше, с точки зрения экономии энергозатрат представляют интерес так называемые гибридные мембранно-сорбционные системы, состоящие из мембранного модуля и модуля КЦА, массообмен в которых имеет обратные связи за счет рециркуляционного контура. Введение мембранного модуля позволяет отказаться от подмешивания продуктового потока в сорбционном модуле и тем самым перейти от одномодульной системы к двухмодульной, что должно быть выгодным за счет уменьшения термодинамических потерь на смешение.
Гибридные мембранно-сорбционные системы можно разделить на несколько групп: без рецикла (простой каскад), с сжимаемым рециклом, с рециклом без сжатия. Таким образом, можно проанализировать эффективность существующих гибридных схем, исходя из установленных принципов построения оптимальных разделительных систем.
Рассмотрим методы построения функций обогащения для мембранного и КЦА методов разделения.
Для расчета мембранного модуля используем систему уравнений, описывающую разделение многокомпонентной газовой смеси в предположении идеального вытеснения в полости высокого давления с перпендикулярным оттоком в полости низкого давления. Эта модель достаточно точно описывает процесс разделения в современных половолоконных и дисковых модулях, в которых используются ассиметричные мембраны.
Таким образом, коэффициент деления потоков в и функция обогащения 8(хр в) определяются с помощью уравнений (2.12) и (2.13).
Для определенности, в качестве адсорбционного разделительного модуля будем рассматривать вариант (рис. 9), предложенный американским изобретателем Ч. Скарстромом (Charles W.Skarstrom) в 1960 году.
Установка включает два попеременно работающих адсорбера 1а и lb. На вход установки подается сжатая газовая смесь через клапан 2а или 2Ь. В рассматриваемый момент времени открыты клапаны 2а и 5Ь, все остальные клапаны закрыты. Сжатая газовая смесь через клапан 2а поступает в адсорбер 1а, заполненный адсорбентом. При контакте газовой смеси с адсорбентом сорбируется более сорбируемый компонент (БСК), вследствие чего из установки через обратный клапан За выходит сжатая смесь, обогащенная менее сорбируемым компонентом (МСК). Часть разделяемой смеси проходит через дроссель 4 и подается в адсорбер lb. Через клапан 5Ьгаз сбрасывают в атмосферу. Через некоторое время клапаны переключаются, и адсорберы 1а и lb взаимно меняют свое назначение, повторяя циклы адсорбции и десорбции. Следует учесть, что клапаны 5 можно переключать с некоторой задержкой относительно клапанов 1 для повышения давления и заполнения адсорбера.
Для расчета адсорбционного блока КЦА используем систему уравнений математической модели сорбционных процессов для равновесной изотермической модели при линейной изотерме без учета продольного перемешивания [85], которая записывается следующим образом: где р - плотность адсорбента; є - коэффициент пористости адсорбента; сг; - константа Генри /-го компонента; q - молярная концентрация /-го компонента; т - время адсорбции; w - скорость газовой смеси; / - значение длины слоя адсорбента; pt - парциальное давление і-го компонента.
При линейных изотермах уравнение динамики давления имеет вид: 2 Е = F _ РоШ _ Щщда1 (2Л8) RT их psa ош Jo дт v где VQ - свободный объем адсорбера; R - универсальная газовая постоянная; Т - температура. В уравнении 2.18 потоки вычисляются с учетом расхода вещества проходящего через входные и выходные клапана, зависящие от площади проходного сечения, перепада давления на входе и выходе, коэффициента гидравлического сопротивления. Продуктовый поток, выходящий из адсорбера Pout, поток продукта Ppsa и часть продуктового потока, проходящая через дроссель Gpsa связаны уравнением:
Эффективность гибридных технологических схем существенно зависит от выбора сорбента и циклической организации процесса массообмена. Основной проблемой при этом является выбор точек возврата рециркуляционных потоков и согласования циклограмм работы сорбционного блока с режимом работы мембранного блока. Это означает, что граничные условия для дифференциальных уравнений сорбционного и мембранного блоков будут взаимосвязаны.
Гибридные системы разделения газовых смесей без рецикла, как правило, представляют собой двухступенчатые системы с последовательно подключенными мембранными и сорбционными блоками по схеме простого каскада [72, 86]. Обычно в таких системах происходит предварительное концентрирование целевого компонента из газовой смеси в одном из блоков разделения, а во втором происходит дополнительное обогащение и получение требуемого потока продукта. Недостатком такой схемы является то, что на второй ступени разделения выбрасывается часть потока Wm, обогащенного ценным компонентом на первой ступени, что существенно повышает энергозатраты.
Отличием гибридных систем с сжимаемым рециклом является наличие смешения рециркуляционного потока с потоком питания, которое помогает повысить степень обогащения разделяемой газовой смеси. Если технологическая схема требует повышения давления рециркуляционного потока, то это повышение можно осуществить либо путем его сжатия в отдельном компрессоре [87], либо вместе с потоком питания в едином компрессоре [75]. Последний вариант показан на рис. 11. wm,xWm P,XP мембрана КЦА , XF ЛІ У—-S. W Y„,rf p5a? -И р5а Рис. 11. Схема одноцикловой рециркуляционной гибридной системы. 2.2.3 Гибридная система с рециклом без сжатия
Наиболее перспективным вариантом гибридной рециркуляционной системы является гибридная система без сжатия рециркуляционного потока. Такую систему возможно получить благодаря тому, что в некоторых вариантах реализации процесса, например, при получении обогащенного кислорода, давления потока продукта первой ступени КЦА и сбросного потока второй мембранной ступени (рис. 12) слабо отличаются друг от друга. Это позволяет повысить обогащение ценного компонента и/или увеличить его степень извлечения фактически без дополнительных энергетических затрат. Подобный вариант является частным случаем системы, предложенной в патенте [77].
Разработка математической модели процессов разделения в гибридных мембранно-сорбционных системах
В главе 3 были рассмотрены способы повышения энергоэффективности гибридных мембранно-сорбционных систем за счет применения рециркуляционного контура. Гибридная одноконтурная мембранно-сорбционная система с рециркуляционным контуром по типу противоточного каскада может быть реализована с применением газового эжектора в узле смешения рециркуляционного потока ретентата мембранной ступени с потоком питания гибридной системы газоразделения [95]. Особенностью такой системы является то, что не требуется сжатия рециркуляционного потока, и, соответственно, дополнительных энергетических затрат.
В данной главе основной целью является изучение разделительных характеристик гибридных систем при эжекторном смешении рециркуляционного потока и потока питания на выходе единого компрессора.
Разработка математической модели процессов разделения в гибридных системах с использованием эжекционного смесителя
Принципиальная схема гибридной мембранно-сорбционной системы изображена на рис. Принципиальная схема эжекторной гибридной системы: 1 воздушный компрессор; 2 - эжектор; 3,4 - адсорберы; 5 - мембранный модуль; 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 - регулируемые клапаны.
Предполагали, что процесс разделения в ступени короткоцикловой адсорбции (КЦА) содержит следующие стадии: десорбция за счет сброса давления, заполнение адсорбера в двух вариантах: потоком с компрессора Ffiu (тип F) и потоком с выхода эжекционного смесителя Gfiu, (тип G), адсорбция и вытеснение продукта потоком с выхода эжекционного смесителя Gpsa. Поскольку потери давления в ступени КЦА и в полости высокого давления мембранной ступени невелики, потери давления в эжекторе тоже можно сделать достаточно малыми. Возможность изменения состава потока питания ступени КЦА за счет смешения в эжекторе дает возможность уменьшить энергозатраты на получение продукта требуемой чистоты. Сравнение эффективности проводили с гибридной схемой, в которой заполнение проводили потоком ретентата мембранной ступени (тип R), при одних и тех же концентрациях кислорода в потоке продукта. Параметры адсорберов и адсорбентов в обоих случаях выбирались одинаковыми.
В качестве начальных условий для расчета процесса задаются следующие параметры: V, c t , p s, pdes. Расчеты ступени КПД проводили в предположениях идеализированной модели линейной сорбции [50, 96].
Материальный баланс вещества на стадии десорбции имеет вид: к4ГУ = кіСШУ + wT psa, (4.1.1) В левой части уравнения начальное состояние - колонна заполнена смесью питания с давлением pads. Конечное состояние - после сброса смеси до давления pdes во внешний объем. Величины kt рассчитывались по формуле кг=є+аг(1-є). Молярные концентрации с -а кислорода (=1) и азота (=2) в равновесии с внешним объёмом связаны соотношением:
Из (4.1.1)-(4.1.2) можно определить концентрации с а и поток отвала Wvsa ступени КЦА. Эти же параметры являются внешними параметрами гибридных схем.
Уравнения, описывающие стадию заполнения, в случае, когда заполнение проводят потоком питания Ffiu имеют вид.
В случае заполнения адсорберов потоком с выхода эжекционного смесителя Gfjjj, с концентрациями c tsa уравнение (4.1.3) перепишется следующим образом: ktc V + Gmc%a = ktc aV, (4.1.5) Из уравнений (4.1.3), (4.1.4), либо (4.1.4), (4.1.5) определяются величины потоков заполнения Ffiu (или бші), а также молярные концентрации Cpt в конце стадии заполнения при давлении pa s Стадию вытеснения газа из колонки проводят потоком, поступающим с эжектора Gpsa при давлении padS. Из уравнения материального баланса вещества определяются потоки вытеснения питанием (6р5а) и продукта (Ppsa) ступени КЦА.
Расчет мембранной ступени в предположении идеального вытеснения в полости высокого давления с перпендикулярным оттоком в полости низкого давления проводили по методике работы [50, 97]. В результате расчета при заданном потоке питания Gm=Ppsa определялись величины потоков ретентата Wm и пермеата Рт, а также их составы х и Хр1]. Из рис.15 видно, что поток пермеата является потоком отбора продукта системы в целом, то есть выполняются равенства Рт=Р, хЩ=хРі. Пересчет потоков с объемных на мольные легко провести с использованием закона Клайперона-Менделеева, а
Рациональное проектирование эжектора сводится к выбору таких его характеристик, чтобы при заданных начальных условиях обеспечить наиболее эффективную работу гибридной системы. Характеристики потока на выходе из камеры смешения рассчитываются из законов сохранения массы, импульса и энергии. Предполагается, что теплопередача через стенки камеры невелика.
Эффективность энергопотребления определяет величина относительного отбора, которая для всех схем рассчитывается по формуле: Расчет предложенной гибридной системы проводился интервально-итерационными методами, которые аналогичны численному интегрированию дифференциальных уравнений баланса с изменяющимися в ходе каждой итерации граничными условиями.
В работе используется теория газового эжектора, описанная в монографии Г.Н. Абрамовича [98]. Рассмотрим смесительную камеру эжектора, которая имеет цилиндрическую геометрию (рис. 16). Рис. 16. Принципиальная схема эжектора: 1 - сопло эжектирующего газа; 2 - сопло эжектируемого газа; 3 - камера смешения; 4 - диффузор.
Рабочий процесс сводится к следующему. Высоконапорный поток с мольным расходом Gt (эжектирующий) газа, имеющий статическое давление рг и полное давление р\ подается компрессором в смесительную камеру. В эту камеру поступает также низконапорный (эжектируемый) поток с мольным расходом G2 и давлениями р2 и р 2. Площадь сечений, через которые подаются потоки, соответственно равны Ft и F2. Образующаяся после смешения однородная смесь движется по каналу с площадью поперечного сечения F3 = Ft + F2.
Основные закономерности селективного массопереноса в гибридных системах с использованием эжекционного смесителя
Существуют три основных метода определения изотерм адсорбции: объемный, весовой и динамический. Наиболее распространенный объемный метод определения изотерм адсорбции состоит в следующем. В прибор с адсорбентом последовательно из калиброванной емкости адсорбционной установки, например газовой бюретки или пипетки, вводят определенные порции газа. После установления равновесия манометром измеряют давление газа в мертвом пространстве и по уравнению газового закона вычисляют количество газа, оставшегося в установке. Объем мертвого пространства должен быть измерен заранее. Величину адсорбции рассчитывают по разности между общим количеством введенного газа и количеством неадсорбировавшегося газа [99].
Для определения количества сорбированного на цеолите газа необходимо записать систему уравнений, состоящую из уравнений состояния газа (4.2.3) и закона сохранения количества вещества в системе ресивер-адсорбер.
Составлена система уравнений для определения количества адсорбированного вещества. Система базируется на уравнениях (4.2.3) и (4.2.4), но с предположением о сорбции любого газа цеолитом:
Таким образом, мы можем построить изотерму адсорбции в виде зависимости vaAC(P2). Аналогичным образом определяется количество сорбированного вещества при других значениях давления. В результате серии измерений количества адсорбированного газа на цеолите при разных давлениях может быть получена изотерма сорбции.
Получив изотерму адсорбции как зависимость количества поглощенного вещества от давления равновесия, необходимо обработать результаты и определить константы сорбции. Адсорбцию выразим числом молей адсорбата на единицу массы адсорбента. Равновесную концентрацию измеряем с помощью датчика (кислород), а также определим расчётным методом (используются газы 99.9% чистоты).
Для определения констант сорбции вначале определяется количество вещества в свободном объеме по формуле:
Зная свободный объём можно приступить к построению изотерм адсорбции чистых газов (кислород и азот 99,9% чистоты), определяя количество адсорбированного вещества по формуле (4.2.7). Изотермы адсорбции кислорода и азота на цеолите NaX в области низких давлений представлены на рисунке 24. і 1«
На исследуемых участках интервала равновесного давления зависимости являются практически линейными, подтверждая предположение о том, что изотермы носят линейный характер и поэтому допускается использование линеаризованных изотерм, которые описываются уравнением Генри.
Изотермы адсорбции азота и кислорода на цеолите NaX полученные на установке в области высоких давлений также имеют линейный характер (рис. 25), т.е. подчиняются закону Генри. Селективность сорбции азота и кислорода на исследованном цеолите оказывается недостаточной, чтобы использовать его в процессе получения кислорода.
На этом же рисунке приведена экспериментальная изотерма сорбции атмосферного воздуха (влажность около 20%), подаваемого в установку при помощи компрессора. Необходимо отметить, что расчетная изотерма сорбции воздуха как бинарной смеси в предположении независимой сорбции азота и кислорода в исследованном диапазоне давлений совпадает с экспериментальной. Это указывает с одной стороны, что сорбция азота и кислорода независимы, а с другой стороны указывает на возможность пренебрежения влиянием паров воды на сорбционные характеристики исследованного цеолита.
Достоверность полученных результатов подтверждается данными опубликованными ранее о сорбции азота на цеолите NaX в области высоких давлений [101]. Селективность и константы сорбции цеолита NaA, полученные на установке оказались значительно ниже аналогичных характеристик цеолита NaX, что соответствует имеющимся литературным данным. 4.3 Выводы к главе 3
Применение гибридных мембранно-сорбционных систем с использованием газового эжектора позволяет повысить энергоэффективность процесса и достигнуть наилучших индикаторных показателей рабочего цикла гибридной системы.
Установлены области наибольшей энергоэффективности различных гибридных систем. Показано, что эти области разделяются точкой «гибридного идеального каскада», в которой составы смешивающихся потоков равны составу потока питания системы. Проанализированы значения концентрации продукта и относительного отбора «идеального каскада» в зависимости от параметров ступени КПД и мембранной ступени.
Результаты проведенных экспериментальных исследований дали возможность предположить, что изотермы адсорбции имеют вид близкий к линейным, поэтому допускаем использование линеаризованных изотерм, которые описываются уравнением Генри. Другими словами отсутствуют нелинейные эффекты, связанные с объемной сорбцией. Предполагалось, что компоненты сорбируются независимо друг от друга с вероятностью, пропорциональной константам Генри.