Моделирование кинетики и динамики тепломассообменных процессов адсорбционной сепарации атмосферного воздуха неподвижным слоем гранулированных цеолитов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Викулин Андрей Сергеевич

• Викулин Андрей Сергеевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Викулин Андрей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ЗАКОНОМЕРНОСТИ МАССООБМЕНА И ТЕПЛОВЫХ

ЭФФЕКТОВ ФИЗИЧЕСКОЙ СОРБЦИИ ГАЗОВ

1.1 Ретроспектива и терминология сорбционных процессов

1.2 Предметно-ориентированные приложения

1.3 Пористые адсорбенты

1.4 Адсорбционное равновесие

1.4.1 Соотношение равновесия

1.4.2 Адсорбционные изотермы

1.4.3 Теплота сорбции

1.4.3.1 Теплота адсорбции

1.4.3.2 Регенерация насыщенного адсорбента

1.4.3.3 Адсорбционные изотермы для многокомпонентных систем

1.5 Массоперенос при адсорбции в неподвижном пористом слое гранул

1.6 Динамика процесса адсорбции в неподвижном слое гранул адсорбента

1.7 Тепломассообмен физической сорбции в стационарном пористом слое гранулированного адсорбента

1.7.1 Тепловые эффекты адсорбции

1.7.1.1 Однотемпературная модель

1.7.1.2 Простейшая двухтемпературная модель

1.7.1.3 Осредненная модель теплообмена

1.7.2 Регенерация (десорбция) адсорбентов

1.7.2.1 Кинетика процесса десорбции

1.7.2.2 Динамика процесса термодесорбции в газовой фазе

1.8 Адсорбционный блок комплексной очистки

1.8.1 Общая характеристика проблемы

1.8.2 Технико-технологическая характеристика блока комплексной

очистки

1.9 Выводы

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СОРБЦИОННЫХ

ПРОЦЕССОВ В БЛОКЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ

ВОЗДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

2.1 Оценка неоднородности поля скоростей несущей среды в адсорбере

с неподвижным дисперсным слоем гранулированного адсорбента

2.1.1 Методика оценки радиальной и аксиальной неоднородностей

2.1.2 Анализ стационарного режима

2.1.3 Анализ нестационарного режима

2.2 Массоперенос в вертикальном цилиндрическом инертном зернистом

слое при аксиальном вводе потока

2.2.1 Обоснование выбора модели

2.2.2 Формализация постановки задачи

2.2.3 Неоднородное поле концентрации и верификация условий на входе

в зернистый слой

2.2.4 Анализ результатов вычислительного эксперимента

2.3 Внутригранулярный тепломассообмен

2.3.1 Диффузия в порах адсорбента

2.3.2 Многокомпонентные изотермы примесей

2.3.3 Внутригранулярный тепломассообмен в линейном приближении

2.3.4 Теплота адсорбции примесей

2.3.5 Вычислительный эксперимент

2.4 Макродинамика процесса адсорбции

2.4.1 Основные допущения синтеза математической модели

2.4.2 Уравнение материального баланса в несущей среде

2.4.3 Изотермический режим

2.4.4 Неизотермический режим

2.4.5 Влияние входной температуры на изотермическую очистку газа

от монопримеси

2.4.5.1 Математическая модель

2.4.5.2 Прогнозирование результатов очистки

2.5 Выводы

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

СОРБЦИИ В БЛОКЕ КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ

3.1 Экспериментальное оборудование

3.1.1 Общее описание установки

3.1.2 Контрольно-измерительное оборудование

3.1.3 Методика проведения экспериментов и предварительный анализ результатов

3.1.4 Анализ результатов

3.2 Методика обработки экспериментальных данных

3.2.1 Синтез модели десорбции на основе неизотермической модели адсорбционного процесса

3.2.2 Алгоритм интегрирования уравнений модели термической

десорбции

3.2.3 Сравнительный анализ результатов вычислительного и натурного экспериментов

3.3 Выводы

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АДСОРБЕРОВ БЛОКА КОМПЛЕКСНОЙ ОЧИСТКИ ВОЗ-

ДУХОРАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК

4.1 Техническое решение по модернизации блока комплексной очистки воздуха

4.2 Техническое решение по нивелированию теплоты адсорбции в адсорберах блоков комплексной очистки воздуха

4.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А Код MAPLE - программы численного интегрирования

уравнений математической модели изотермического режима адсорбционной очистки воздуха с графическим

интерфейсом

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Код MAPLE - программы численного интегрирования

уравнений математической модели неизотермического режима адсорбционной очистки воздуха с графическим

интерфейсом

ПРИЛОЖЕНИЕ В Код MAPLE - программы численного интегрирования

уравнений математической модели термической

десорбции цеолита с графическим интерфейсом

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Акты реализации результатов диссертационной работы 145 ПРИЛОЖЕНИЕ Д Патенты РФ на изобретения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование кинетики и динамики тепломассообменных процессов адсорбционной сепарации атмосферного воздуха неподвижным слоем гранулированных цеолитов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эффективность функционирования воздухоразде-лительных установок (ВРУ) определяется длительностью периода безотогревного режима работы и взрывопожаробезопасностью из-за возможного концентрирования отвержденных примесей на смоченных поверхностях. Важнейшая составляющая ВРУ - блок комплексной очистки (БКО), от которого зависит величина «проскоковых» концентраций примесей. Принцип работы БКО основан на применение физической адсорбции в плотном гранулированном слое адсорбента. Прогнозирование работы БКО необходимо для параметрической идентификации технологических режимов способствующих снижению примесей из атмосферного воздуха. Проблема состоит в том, что в процессе адсорбционной очистки атмосферного воздуха возникают тепловые эффекты при поглощении примесей адсорбентом. Следовательно, процесс адсорбции является неизотермическим и необходимо иметь информацию о динамической неоднородности в адсорбере и способах ее нивелирования. Это позволит увеличить время безотогревного режима работы БКО ВРУ и снизить возникновение нештатных ситуаций из-за накопления отвер-жденных примесей.

Основной вклад в изучение явлений переноса в неподвижных пористых структурах и физико-химических процессах кинетики сорбции внесли отечественные и зарубежные ученые: Архаров А.М., Архаров И.А., Беляков В.П., Дубинин М.М., Кельцев Н.В., Товбин Ю.К., Файнштейн В.И., Ягодовский В.Д., Brunauer S., Gregg S.J., Sing К.S., Strauss W., Ruthven D.M., Suzuki M., Tien C., Toth J., YangR.T. и другие. Однако, вопросу особенности закономерностей тепловых эффектов при адсорбции в БКО ВРУ было уделено недостаточно внимания.

Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательской работы ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж) по теме: «Разработка исходных тактико-технических данных проектирования мобильных воздухоразде-лительных систем нового поколения для ВКС РФ на основе модернизации теплооб-менных устройств» (2019, № г.р. 1611447).

Цель работы: установление закономерностей кинетики и динамики сорб-ционных процессов в блоке комплексной очистки воздухоразделительных установок с учетом тепловых эффектов для повышения эффективности адсорбционной очистки атмосферного воздуха в плотном гранулированном слое адсорбента.

Задачи исследования:

- анализ современных подходов параметрического описания сорбционных процессов в плотном гранулированном неподвижном слое адсорбента в условиях генерации (поглощение теплоты);

- оценка неравномерностей гидротермических полей в объеме адсорбера;

- идентификация сорбционных изотерм компонентов примесей атмосферного воздуха при различных температурах и разработка на их основе микрокинетики диффузионного поглощения в бидисперсных адсорбентах (цеолитах);

- разработка математических моделей сорбционных процессов с учетом тепловых эффектов; проведение вычислительных и натурных экспериментов по верификации геометрических, физико-химических и теплофизических параметров в блоке комплексной очистки воздухоразделительных установок;

- разработка технических рекомендаций нивелирования теплоты адсорбции и повышение эффективности функционирования блока комплексной очистки воз-духоразделительных установок.

Объект и предмет исследования.

Объект исследования - процесс адсорбционной очистки атмосферного воздуха неподвижным слоем гранулированных адсорбентов.

Предмет исследования - блок комплексной очистки атмосферного воздуха в воздухоразделительных установках.

Научная новизна исследования.

Математическая модель физической адсорбционной очистки атмосферного воздуха, отличающаяся одновременным учетом Ленгмюровской кинетики процесса в бидисперсных гранулах адсорбента и тепловым эффектом при поглощении примесей.

Математическая модель термической десорбции, отличающаяся учетом сопряженности тепловых и массовых потоков примесей из гранулированного адсорбента.

Критерии гидро- и тепломассообменной неравномерности распределения адсорбатов в объеме адсорберов с гранулированным плотным слоем адсорбента, отличающиеся учетом зависимости их от условий входа атмосферного воздуха в адсорбер.

Зависимости изотерм адсорбатов (водяной пар, диоксид углерода, ацетилен) от температур проведения сорбционных процессов в БКО ВРУ и значения микро-кинетическиех коэффициентов поглощения примесей бидисперными гранулами цеолита ЫаХ, отличающиеся использованием принципа суперпозиций при построении структуры Ленгмюровских изотерм и закономерностей внутриграну-лярного тепломассообмена.

Результаты вычислительных и натурных экспериментов процессов сорбции обосновывают адекватность представленных моделей сорбции, и впервые, подтверждают влияние теплоты адсорбции на эффективность сепарации примесей атмосферного воздуха в БКО ВРУ.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработан инструментарий в виде математических моделей неизотермических сорбционных процессов многокомпонентных смесей в неподвижных гранулированных слоях би-дисперсных адсорбентов, используемый для оценки эффективности сепарации атмосферного воздуха в БКО ВРУ. Практическая значимость заключается в разработке подходов нивелирования влияния теплоты адсорбции на эффективность функционирования БКО ВРУ. Предложенные инструментарий, устройства и способ для модернизации БКО ВРУ прошли апробацию на предприятиях: ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ» г. Москва; АО «УКЗ» г. Екатеринбург; 929 ГЛИЦ МО РФ имени В.П. Чкалова г. Ахтубинск.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель физической адсорбционной очистки атмосферного воздуха;

- математическая модель термической десорбции;

- критерии гидро- и тепломассообменной неравномерности распределения адсорбатов в объеме адсорберов с гранулированным плотным слоем адсорбента;

- зависимости изотерм адсорбатов (водяной пар, диоксид углерода, ацетилен) от температур проведения сорбционных процессов в БКО ВРУ и значения микрокинетическиех коэффициентов поглощения примесей бидисперными гранулами цеолита ЫаХ;

- результаты вычислительных и натурных экспериментов процессов сорбции.

Обоснованность и достоверность научных результатов подтверждается

использованием фундаментальных законов явлений переноса при построении математических моделей физической сорбции, классических принципов построения изотерм и идентификации кинетических параметров поглощения в гранулах ад-сорбата, подтвержденными в ходе проведенных вычислительных и натурных экспериментов, а также результатами сравнительного анализа с данными научной литературы.

Апробация результатов исследований. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: XI Международной теплофизиче-ской школе «Информационно-сенсорные системы в теплофизических исследованиях» (г. Тамбов, 2018), VI Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективные направления развития комплексов авиационного оборудования» (г. Воронеж, 2018), IV Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления и актуальные проблемы развития средств наземного обслуживания общего применения» (г. Воронеж, 2020), II Международной научно-практической конференция «Альтернативная и интеллектуальная энергетика» (г. Воронеж, 2020), III Международной конференции «Современные проблемы теплофизики и энергетики» (г. Москва, 2020), XXI Международной научно-технической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов «Авиакосмические технологии» (г. Воронеж, 2020), VI Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Современные проблемы физико-математических наук» (г. Орёл, 2020).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в т.ч. 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 - в изданиях, индексируемых в WoS и SCOPUS, 3 патента РФ на изобретения.

В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: разработка математических моделей сорбционных процессов БКО ВРУ; оценка внутригранулярного тепломассообмена; проведение вычислительных и натурных экспериментов и обработка результатов; технические решения по модернизации БКО ВРУ.

Области исследований в соответствии с паспортом специальности 01.04.14 - «Теплофизика и теоретическая теплотехника» в части формулы специальности: «...процессам переноса тепла и массы в сплошных и разреженных, гомогенных и гетерогенных средах», в части области исследования специальности по пунктам: 6 «Экспериментальные исследования, физическое и численное моделирование процессов переноса массы, импульса и энергии в многофазных системах и при фазовых превращениях»; 7 «Экспериментальные и теоретические исследования процессов совместного переноса тепла и массы в бинарных и многокомпонентных смесях веществ, включая химически реагирующие смеси».

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, включающего 158 наименований. Работа иллюстрирована 55 рисунками и 8 таблицами, имеет 5 приложений.

Глава 1 ЗАКОНОМЕРНОСТИ МАССООБМЕНА И ТЕПЛОВЫХ ЭФФЕКТОВ ФИЗИЧЕСКОЙ СОРБЦИИ ГАЗОВ

1.1 Ретроспектива и терминология сорбционных процессов

Способность поглощения отвержденными пористыми средами газообразных веществ и растворенных в жидкостях примесей известна давно [1], начиная с опытов по поглощению газов углем Шееле и Фонтана (1773) и примесей из растворов Ловиц (1791). Но по праву первенство по систематическому исследованию поглощения принадлежит Соссюру (1814), который выдвинул гипотезу сгущения молекул газа на поглощаемой твердой поверхности. Созданная Гиббсом (1878) теория поверхностных явлений послужила для Ленгмюра базой для оценки степени заполнения адсорбционного мономолекулярного слоя, что было распространено на случай полидисперсности Полини. Таким образом, теории Ленгмюра и По-лини стали, по-существу, базовыми, которые в дальнейшем модифицировались и модернизировались.

Согласно [2], под адсорбцией понимается поглощение компонентов сред (газовых, жидкостных) фазовой поверхностью (жидкой, твердой). Эти поглощаемые компоненты называются адсорбатами, а поверхности, на которых концентрируются адсорбаты - адсорбентами. Адсорбция, как двухфазовая система, классифицируется на газ - твердое тело, газ - жидкость, жидкость - твердое тело, жидкость - жидкость (отметим, что в данном исследовании рассматриваются в основном газ - твердое тело).

Если взаимодействие адсорбата с адсорбентом имеет только межмолекулярный характер, то такая адсорбция носит название физической адсорбции. Если во взаимодействии молекул лежит химизм, то адсорбция называется хемосорбци-ей [3] (также следует отметить, что предметом диссертационного исследования будет только физическая адсорбция).

Установлено [4], что физическая адсорбция характеризуется своей обратимостью, то есть количество поглощенных молекул адсорбентом равно числу мо-

лекул, покинувших адсорбент (этот процесс носит название десорбции). В связи с этим основной информацией о состоянии компонентов адсорбционного слоя является так называемая изотерма адсорбции а=Др), то есть функциональная связь между количеством адсорбата и равновесным давлением (концентрацией) в объемной фазе при постоянной температуре.

Аппаратурная реализация процесса адсорбции осуществляется в установках, называемых адсорберами [5]. По принципу действия адсорберы делятся на периодические и непрерывные.

Адсорберы со стационарным слоем адсорбента относятся к аппаратам периодического действия, которые бывают вертикального и горизонтального исполнения. Вертикальные адсорберы применяют в случае малой и средней производительности по газу, а для обработки больших объемов газов (свыше 3 104 м3/ч) используют горизонтальные. Аппараты со стационарным слоем адсорбента в промышленных условиях переводят в псевдонепрерывный режим включением в технологическую линию нескольких адсорберов, определяя их число в соответствии с адсорбционно-десорбционным циклом [6, 7]. На примере рекуперационной адсорбционной установки [8] можно продемонстрировать реализацию псевдонепрерывного режима (рис. 1.1).

Исходная смесь поступает в адсорбер 1, который заполнен адсорбентом. После стадии насыщения адсорбер 1 переключается на стадию десорбции, а исходная смесь перенаправляется в адсорбер 2. Регенерация адсорбента в адсорбере 1 осуществляется подогретой средой (в приведенной схеме острым водяным паром), который прокачивается через нижнюю часть адсорбера, отработанная де-сорбционная среда поступает в конденсатор 3. Досушка адсорбента проводится горячим воздухом, подогреваемом в калорифере 4. Последующее охлаждение адсорбента атмосферным воздухом осуществляется по обводной магистрали.

Отметим, что возможны следующие варианты стадий такого псевдонепрерывного функционирования: адсорбция - десорбция - сушка - охлаждение; адсорбция - десорбция - сушка или охлаждение; адсорбция - десорбция.

отработанный газ

Рисунок 1.1 - Схема рекуперационной адсорбционной установки: 1, 2 - адсорберы; 3 - конденсатор пара и паров десорбированного вещества;

4 - калорифер; 5 - конденсатоотводчик

На равновесные соотношения при адсорбции влияет большое число различных параметров, в связи, с чем процесс поглощения приводит к уменьшению давления и нагреву [9], а в соответствии с принципом Ле-Шателье [10] количество адсорбированного компонента повышается с уменьшением температуры и увеличением давления. Как правило, тепловая характеристика процесса адсорбции верифицируется экспериментально [11], а если такой возможности нет, то обычно построение изотермы осуществляется с использованием теоретических основ.

Адсорберы непрерывного режима адсорбции выполняются с псевдоожижением адсорбента или с плотно движущимся слоем адсорбента [8].

Процесс десорбции является обратным процессом для адсорбции, в результате которого адсорбент регенерируется (восстанавливается), как правило, путем интенсивного нагрева [12].

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что цикличный процесс адсорбция - десорбция газов является существенно сопряженным и тепломассообменным, и одновременно сепарационным процессом.

1.2 Предметно-ориентированные приложения

Сепарационные процессы относятся к совокупности операций, превращающих смесь веществ в два или более составляющих, которые отличаются друг от друга по составу [13], поэтому эти процессы имеют важное значение практически во всех технологических системах. С этой точки зрения большинство процессов разделения основанных на адсорбции, рассматриваются как процессы отделения из потока газа одного или нескольких адсорбатов. Поэтому процессы сепарации на основе адсорбции для разделения или очистки однородных потоков работают на принципе разности адсорбционного потенциала [14].

Таким образом, интегрально адсорбционные процессы с поверхностью раздела фаз «газ - твердое тело» применяются для улавливания вредных примесей, очистки воздуха, регулирования газового состава, поглощения влаги и других. Примеры конкретизации таковы. Адсорбция газов твердыми поверхностями применяются при очистке воздуха на различных производствах [15] от паров растворителей, вредных веществ и примесей (аммиака, сероводорода, диоксида серы, некоторых спиртов), а также в случае нейтрализации вредных примесей технологических газовых потоков. Следует отметить, что широкий спектр вредных веществ имеется в химической промышленности [16], а также в пищевой технологии [17], в частности, масложировой (например, в производстве маргарина) и в бродильной (например, в производстве дрожжей). Применяется адсорбция для регулирования газового состава хранилищ скоропортящихся продуктов, что позволяет существенным образом сократить потери и увеличить сроки хранения, уменьшив величину кислородосодержания.

Другим важным примером применения адсорбции является генерация кислорода из воздуха путем так называемой «вакуумной короткоцикловой адсорбции» [18], схематически представленной на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Схема установки вакуумной короткоцикловой адсорбции: 1 - воздуходувка; 2 - воздухоподогреватель/охладитель; 3 - адсорбционные колонны с плотным слоем цеолитов; 4 - вакуумный насос; 5 - кислородный компрессор; 6 - охладитель

В начале процесса воздух фильтруется от пыли, затем он попадает в адсорбционную колонну с помощью нагнетателя атмосферного воздуха. Когда воздух проходит через колонну, адсорбент удаляет из воздуха азот, водяной пар и углекислый газ. Адсорбционный процесс продолжается до тех пор, пока колонна не насыщается. Отработанный цеолит регенерируется вакуумной десорбцией, колонна после этого вновь переключается на рабочий режим. Такая технология позволяет получить кислород 93 %-ной чистоты.

Для эффективной и безопасной работы воздухоразделительной установки (ВРУ) существенное значение имеет блок комплексной очистки (БКО), общая

Рисунок 1.3 - Схема блока комплексной очистки воздухоразделительной установки: 1, 2 - адсорберы; 3, 4 - фильтры;

5 - масловлагоотделитель;

6 - теплообменник; А, Б - магистрали

Два адсорбера 1 и 2 циклично функционируют в режиме адсорбции и десорбции. Воздух по магистрали А, который компримирован, минует масловлаго-отделитель 5 и поступает в один из адсорберов, после этого он фильтруется фильтрами 3 или 4, а затем транспортируется по линии Б для разделения. Регенерация адсорбента осуществляется продувкой нагретым в теплообменнике 6 азотом, отбираемого из разделительного элемента.

Из вышеизложенного следует, что практическая заинтересованность заключается, прежде всего, в анализе процесса адсорбции (десорбции) в контексте мас-сообмена не придавая, особого внимания тепловым эффектам, которые непосредственным образом могут оказывать воздействие на кинетику и динамику физической адсорбции.

1.3 Пористые адсорбенты

схема которого представлена на рисунке 1.3 [19].

Движущими силами физической адсорбции являются, главным образом, ван-дер-ваальсовские и электростатические силы взаимодействия между молекулами адсорбата и атомами поверхности адсорбента [20]. В связи с этим адсорбен-

ты должны удовлетворять таким свойствам как площадь поверхности и полярность. Большая удельная поверхность предпочтительна для обеспечения большей адсорбционной емкости, но создание большой внутренней площади поверхности в ограниченном объеме неизбежно приводит к появлению большого количества мелких пор. Размер микропор определяет доступность молекул адсорбата к адсорбционной поверхности, поэтому распределение пор по размерам является еще одним важным свойством для характеристики адсорбционной способности адсорбентов [21]. Кроме того, некоторые адсорбенты имеют более крупные поры в дополнение к микропорам, которые возникают в результате гранулирования тонких порошков или мелких кристаллов в гранулы, или возникают в текстуре сырья. Эти поры, называемые макропорами, имеют микронный размер и выполняют функционал доставки молекул адсорбата к микропорам. На примере адсорбентов цеолитовой группы показано характерное распределение пор (рис. 1.4).

Рисунок 1.4 - Распределение пор по размерам цеолита 5 А марок: А - Биндорлесс; В - Регьюл (производитель фирма «Davidson»)

Поверхностная полярность соответствует таким полярным веществам, например, как вода. К полярным адсорбентам называемые «гидрофильными» относятся алюмосиликаты [22]: цеолиты, пористый алюминий, силикагель, а неполярные адсорбенты носят название «гидрофобные».

В последнее время ведущую роль среди адсорбентов приобретают цеолиты из-за низкой энергии, необходимой для их регенерации и простоты эксплуатации [23-27], поэтому ниже более детально остановимся на их физико-химических характеристиках. Цеолит (от греческого слова 7еет - кипеть) - это алюмосиликат-

ный минерал, представленный в природе более чем тридцатью видами, многие из которых можно искусственно синтезировать в промышленных масштабах [28].

Общая для всех цеолитов их кристаллическая структура состоит из тетраэд-рических блоков, в центре которых расположен атом кремния, окруженный четырьмя атомами кислорода. Из этих блоков строится, так называемая вторичная структура различной топологии, которая как раз и образует регулярную структуру цеолитов, характеризующаяся высокими адсорбционными параметрами. Атомы кремния в тетраэдрических блоках могут быть заменены ионами алюминия, что приводит к дефициту положительной валентности, требующей добавления катионов, как правило, щелочных щелочноземельных, соответствующих числу атомов алюминия. Эти катионы легко обмениваются, а размер и свойства цеолитов этих ионов изменяют адсорбционные свойства цеолитов, поскольку они влияют на расстояние между блоками. Основные области применения природного цеолита в качестве адсорбента - это сушильные агенты, дезодоранты, адсорбенты для разделения воздуха, ионообменники для очистки воды, особенно для удаления ионов алюминия и тяжелых металлов, а также для умягчения воды, улучшения почвы и т.д. [29].

В этой связи полезно привести теоретические поглощательные свойства некоторых, наиболее применяемых типов цеолитов (рис. 1.5) [18, 28].

Подбор типа цеолита непосредственно связан с его параметрами, среди которых - пористость, плотность, функция распределения пор по размерам, площадь поверхности массообмена. Главное достоинство цеолитов - это однородный размер микропор.

Рисунок 1.5 - Соотношения между эффективными размерами пор цеолитов типа А и Х и кинетическим диаметром Леннарда-Джонса некоторых веществ

1.4 Адсорбционное равновесие

На практике максимальная емкость адсорбата не достижима из-за эффектов массопереноса, связанных с реальными процессами контакта среды и твердой границы. Однако, для оценки не идеальности процесса заполнения емкости адсорбента необходимо, прежде всего, иметь информацию о равновесии адсорбции [30]. Затем проводится кинетический анализ скорости протекания поглощения ад-сорбата адсорбентом.

Поскольку адсорбционное равновесие является наиболее фундаментальным свойством, то было проведено большое число исследований по установлению сред, адсорбируемых при заданном наборе условий (концентрация и температура), и как собственно происходит селективная адсорбция, когда в среде имеются два или более адсорбируемых компонента [31].

1.4.1 Соотношение равновесия

Когда адсорбент находится в контакте со средой определенного состава, происходит адсорбция, и через достаточно длительное время адсорбент и окружающая среда достигают равновесия. В этом равновесном состоянии количество компонента, адсорбированного на поверхности преимущественно микропоры адсорбента, определяется по изотерме адсорбции (рис. 1.6) [32].

Рисунок 1.6 - Зависимость количества адсорбированного вещества q от концентрации (давления) при различных температурах Т1 и Т2 (изотермы адсорбции)

Соотношение между количеством адсорбируемого вещества q и концентрацией С или давлением р при температуре Т называется изотермой адсорбции при Т: q=q(С) при q=q(р). Отношение между концентрацией (давлением) и температурой при заданном количестве адсорбированного вещества q, называется адсорбционной изотермой (рис. 1.7): С=С(Т), р=р(Т).

Рисунок 1.7 - Зависимость концентрации (давления) от температуры при различных значениях адсорбированного количества вещества q (изотермы адсорбции)

Изотермы адсорбции описываются различными математическими выражениями, которые получены теоретически на основе упрощенных физических представлений о процессах адсорбции и десорбции, а другие получены эмпирическим путем и являются корреляциями экспериментальных данных с двумя или самое большее тремя эмпирическими параметрами. Но эмпирические уравнения, несвязанные физическим смыслом, не имеют практического значения, так как они не

допускают экстраполяции за пределы диапазона переменных, для которых были определены параметры.

Уравнения изотерм могут быть получены с использованием кинетического подхода, а также с помощью потенциальной теории и теории капиллярной конденсации [33], однако большую популярность получил так называемый термодинамический подход, базирующийся на адсорбционном уравнении Гиббса [34].

1.4.2 Адсорбционные изотермы

Простейшей моделью адсорбции на поверхности является та, в которой адсорбция происходит на энергетически однородной поверхности без какого-либо взаимодействия между уже адсорбированными молекулами [35]. Применение термодинамического подхода продемонстрировано в [14]. Из адсорбционного уравнения Гиббса

\(п = Г<>£ - Ут )(р]Т=сошЪ С1.1)

где п - касательное давление в слое адсорбата на адсорбенте, Н/м; Г=п5/Л - поверхностная нагрузка адсорбента, моль/м2; п - число молей адсорбированного адсорбата, моль; А - площадь поверхности адсорбции, м2; р - давление адсорбата в газовой фазе, Па; ^ и Ут - молекулярные объемы адсорбата в газе и адсорбированной фазе, м3/моль; с учетом того, что ^ >> Ут и в предположении идеальности газа pvg = ЯТ, где Я - универсальная газовая постоянная, Дж/(мольК); Т -температура, К; из (1.1) следует

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Викулин Андрей Сергеевич, 2021 год

« // »

¿>s

2021г.

(фамилия и инициалы)

Микаелян Ф.А.

(фамилия и инициалы)

УТВЕРЖДАЮ

AK'.

об использовании результатов диссертационной работы Викулина Андрея Сергеевича на тему «Моделирование кинетики и динамики тепломассообменных процессов адсорбционной сепарации атмосферного воздуха неподвижным слоем гранулированных цеолитов», представленной на соискание ученой степени

кандидата технических наук.

Настоящий акт подтверждает то, что в АО «УКЗ» при модернизации блока комплексной очистки газодобывающей станции малой производительности были использованы рациональные соотношения для адсорбера между гидродинамическими, термодинамическими и геометрическими характеристиками, а также техническое решение позволяющее повысить эффективность работы блока комплексной очистки воздуха за счет использования адсорбера с неоднородной порозностью гранулированных молекулярных сит, являющиеся результатом диссертационной работы Викулина A.C. и позволяющие увеличить производительность и повысить безопасность функционирования воздухоразделительной установки.

Главный конструктор АО «УКЗ»

«<£?» апреля 2021 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Патенты РФ на изобретения

А /Жзо/

ЗО. Об. ¿02/

Форм» № 01 ИЗ-2014

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(РОСПАТЕНТ)

Бережковская наб., 30, корп. 1, Москва, Г-59, ГСП-3, 125993. Телефон [phone]. Факс [phone]-

18

На № - от -

Наш № 2021103679/04(007974)

При переписке просим ссылаться на номер заявки

Исходящая корреспонденция от 18.06.2021

|~ВУНЦ ВВС "ВВА", Центр ОНР и ПНПК ул. Старых Большевиков, 54А г. Воронеж 394064

И

РЕШЕНИЕ // 91

о выдаче патента на изобретение

(21) Заявка № 2021103679/04(007974)

(22) Дата подачи заявки 12.02.2021

В результате экспертизы заявки на изобретение по существу установлено, что заявленное изобретение

относится к объектам патентных прав, соответствует условиям патентоспособности, сущность заявленного изобретения (изобретений) в документах заявки раскрыта с полнотой, достаточной для осуществления изобретения (изобретений)*, в связи с чем принято решение о выдаче патента на изобретение.

Заключение по результатам экспертизы прилагается.

Приложение: на 6 л. в 1 экз.

Начальник Управления организации предоставления государственных услуг

Документ подписан электронной подписью

Сведения о сертификате ЭП

Сертификат 024В597С0071АСЕ482420002С8ЕР47Р77С Владелец Травников

Дмитрий Владимирович Срок действия с 12.11.2020 по 15.10.2035

Д. В. Травников

*Проверка достаточности раскрытия сущности заявленного изобретения проводится по заявкам на изобретения, поданным после 01.10.2014.