Вопрос 2. Пожарная опасность процессов адсорбции и рекуперации паров летучих растворителей и меры пожарной безопасности. Виды адсорберов.

О способности твердых тел поглощать своей поверхностью газообразные, а жидкие вещества знали давно. Впервые изучил этот про­цесс и нашел ему практическое применение русский ученый Ловиц Т.Е. в 1785г. Первым адсорбентом, нашедшим практическое применение, стал уголь.

Уголь применили во флоте для очистки питьевой воды, на во­дочных заводах для очистки спирта, а затем и на сахарных заводах.

В 1915г. академик Зелинский Н.Д. создал первый универсаль­ный угольный противогаз для защиты органов дыхания от отравляю­щих веществ.

Зелинский Н.Д. впервые разработал способ активизации угля водяным паром и органическими веществами и впервые ввел термин «активированный уголь».

Адсорбция – процесс поглощения газов или паров твердыми поглотителями или поверхностным слоем жидких поглотителей.

Другими словами адсорбция – поглощение (концентрирование) веществ из растворов или газов на поверхности твердого тела.

Адсорбируемое вещество (то, которое получается в результате адсорбции) называется адсорбатом. Твердое вещество, на котором происходит адсорбция, – адсорбентом.

Адсорбция применяется для очистки воды, газов, в вакуумной технике и др.

Адсорбенты обладают избирательными свойствами и обратимостью, благодаря чему имеется возможность выделять поглощенные ими вещества путем десорбции.

Адсорбция широко используется в промышленности при очистке и осушке газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из смесей их с воздухом или другими газами.

Очень широко процесс адсорбции применяемся для улавливания паров летучих растворителей с целью повторного использования жидкостей в производстве. Экономичное и противопожарное значение этой проблемы видно из следующих приме­ров.

Так, при производстве ацетатного волокна расходуется до 3 кг ацетона на 1 кг готовой продукции, вискозного волокна - до 0,5 кг сероуглерода на 1 кг волокна, при производстве целлулоида – до 1 кг этилового спирта на 1 кг нитроклетчатки, искусственной кожи – до 1,5 кг бензина. В готовой продукции растворителя не содержится, он весь испаряется на конечных стадиях производства.

Выделение большого количества паров летучего растворителя в воздух приводит не только к потерям этого растворителя, но и к возможности образования горючих концентраций паровоздушной смеси или концентрации, превышающих допустимые пределы по санитарным нормам.

По сугубо ориентировочным данным в различных отраслях промышленности теряется за счет испарения более миллиона тонн растворителей.

Особенно большие потери в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, машиностроительной и некоторых других отраслях промышленности.

Поэтому не удивительно, что проблеме улавливания отработанного растворителя придается очень большое значение.

Сам процесс улавливания отработанного растворителя называется рекуперацией паров летучих растворителей.

Особое значение адсорбция имеет при решении проблемы улавливания отработанного растворителя и возвращения его в технологический цикл, то есть для осуществления процесса рекуперации.

Рекуперация – метод улавливания или выделения органических растворителей с целью их повторного использования.

Рекуперация обеспечивает сокращение безвозвратных потерь ценных растворителей; оздоровление условий труда; снижение уровня пожарной опасности производств

Поглотительная способность адсорбента зависит также от температуры и давления, при которых происходит процесс адсорбции, а также и от концентрации поглощаемого вещества.

Максимально возможная, при данных условиях, поглотительная способность адсорбента называется его равновесной активностью.

В качестве адсорбентов в промышленности используются активированные угли, силикагель, цеолиты, иониты.

Активированные угли – высокопористые вещества, полученные путем сухой перегонки углеродсодержащих веществ (дерева, бурого угля, и др.) и их активирования (для повышения пористости). Удельная поверхность активированных углей 600-1700 м²/кг; насыпная плотность 400-600 г/м³. Недостатком активированных углей является их способность гореть и самовозгораться. Применяются активированные угли в основном для рекуперации летучих растворителей.

Силикагель представляет собой микропористое тело, полученное прокаливанием геля поликремниевой кислоты. Состоит их двуокиси кремния SiO₂. Удельная поверхность 400- 770 м²/кг. Негорюч. Механически прочен. Применяется в основном для осушки газов.

Цеолиты (молекулярные сита) – природные минералы или искусственные соединения (алюмосиликаты). Имеют высокую избирательную способность. Применяются для осушки и очистки газов и жидкостей.

Иониты. Неорганические иониты – природные и синтетические алюмосиликаты, гидроокиси и соли поливалентных металлов. Органические иониты – ионообменные смолы. Применяются для умягчения воды, извлечения из растворов следов металлов, очистки сахарных сиропов, лекарств и т.п.

На протекание процесса адсорбции оказывают влияние следующие факторы:

• Свойства адсорбента, его статическая и динамическая активность. Статическая активность – количество вещества, поглощенное единицей массы (или объема) адсорбента из неподвижной газовой смеси до установления состояния равновесия. Динамическая активность – количество вещества, поглощаемое единицей массы (или объема) адсорбента при движении через него газовой смеси до момента «проскока». Динамическая активность всегда меньше статической активности, так как в условиях движения газа не достигается равновесного состояния в системе газ - твердое тело.

• Температура газовой смеси, с повышением которой процесс адсорбции ухудшается. Адсорбцию следует проводить при сравнительно низких температурах. При повышенных температурах извлекают поглощенное вещество из адсорбента, т.е. ведут процесс десорбции.

• Давление газовой смеси, с повышением которого процесс адсорбции улучшается. Адсорбцию следует проводить при повышенном давлении. Понижение давления способствует процессу десорбции.

• Свойства поглощаемых веществ. Из смеси газов и паров в первую очередь и в большем количестве поглощается тот компонент, который имеет более высокую температуру кипения (меньшее давление насыщенного пара). Поэтому из паровоздушной смеси поглощаются пары растворителей (бензина, ацетона и др.), а не кислород или азот воздуха.

Адсорбция осуществляется в специальных аппаратах – адсорберах.

Адсорберы бывают непрерывного действия с движущимся или «кипящим» слоем адсорбента и периодического действия с неподвижным слоем адсорбента.

Адсорберы периодического действия бывают горизонтальные, вертикальные и кольцевые. Принцип их работы одинаков.

Некоторые виды адсорберов:

Рис.5. Адсорбер аксиального типа с неподвижным слоем адсорбента: 1-корпус; 2-опорная решетка; 3-перфорированный лист и два слоя решетки; 4-фарфоровые шары; 5-переточные трубы для загрузки (выгрузки) адсорбента; 6-слой цеолита; 7-слой алюмогеля; 8- решетка; 9- кран-укосина; 10-штуцер для загрузки адсорбента; 11- люк-лаз; 12- трубопровод для выгрузки адсорбента. Потоки: I-исходный газ; II- отработанный газ.

Рис.6. Адсорбер радиального типа с неподвижным слоем адсорбента:

а- несекционированный; б-секционированный; 1- собирающий коллектор; 2-корпус; 3-кольцевая решетка; 4-слой адсорбента; 5-штуцер для загрузки адсорбента; 6-центральный раздающий канал; 7-кольцевой собирающий канал; 8-разгрузочное устройство; 9-раздающий коллектор; 10- штуцер для выгрузки адсорбента; 11- штуцер для слива конденсата; 12- предохранительная разрывная мембрана; 13-секционирующая перегородка. Потоки: I-исходный газ; II-отработанный газ; III-водяной пар на десорбцию; IV-смесь паров воды и адсорбата.

Рис.7. Схема адсорбционной установки с двумя адсорберами: 1,2- адсорбер; 3-водоотделитель; 4- холодильник; 5- нагреватель. Потоки: I-исходный газ; II- воздух на сушку и охлаждение; III- водяной пар на десорбцию; IV-воздух из десорберов; V- сухой газ; VI-смесь паров воды и адсорбата; VII- адсорбат; VIII- вода.

Рис. 8. Адсорбер с движущимся слоем адсорбента для разделения газов:

1-питатель; 2-нагреватель; 3-зона ректификации; 4-распределительная тарелка; 5-зона адсорбции; 6-холодильник; 7- бункер; 8-пневмоподъемник; 9- реактиватор; 10-сборник; 11-регулирующая задвижка; 12-газодувка. Потоки: I-водяной пар; II-греющий агент; III-тяжелая фракция; IV-промежуточная фракция; V-исходный газ; VI-легкая фракция; VII-охлаждающая вода; VIII-продукты реактивации и водяной пар.

Рис.9. Схема адсорбера с псевдоожиженным слоем адсорбента:

1-корпус; 2-контактная тарелка; 3-переточное устройство; 4-циклон; 5-люк-лаз. Потоки: I-исходный газ; II- регенерированный адсорбент; III- отработанный газ; IV-отработанный адсорбент.