Регенерация адсорбентов (десорбция поглощенных примесей)

Для достижения значительного эффекта в непрерывных адсорбционных процессах необходимо, чтобы адсорбенты, обладающие большой адсорбционной и селективной способностью по отношению к целевому компоненту, также обладали способностью быстрого восстановления их адсорбционных свойств, то есть регенерации.

Основной стадией в регенерационном комплексе операций является десорбция, на проведение ее приходится от 40 до 70 % затрат на осуществление адсорбционной очистки газовых потоков в целом. К числу основных методов проведения десорбции при очистке газов относятся:

1) термическая десорбция при повышении температуры слоя адсорбента до 100–200 ⁰C (200–400 ⁰C – высокотемпературная десорбция);

2) вытеснительная («холодная») десорбция;

3) вакуумная десорбция;

4) десорбция за счет перепада давления;

5) десорбция комбинированным способом.

Термическая десорбция осуществляется путем контактного нагревания слоя адсорбента при пропускании через него горячего (острый пар) десорбирующего агента (насыщенный или перегретый водяной пар, горячий воздух, инертный в данных условиях газ) или бесконтактным нагревом (глухой пар) слоя адсорбента (через стенку аппарата) с отдувкой небольшим количеством инертного газа, например, азотом. В результате происходит выделение поглощенного компонента из адсорбента. Процесс может осуществляться при давлении выше, ниже и равном атмосферному. Определяющим параметром является минимальный температурный уровень, обеспечивающий интенсивное выделение сорбата.

При температуре 100–200 ⁰C осуществляют десорбцию поглощенных веществ из активных углей, силикагелей и алюмогелей. В качестве десорбирующего агента при этом применяют водяной (насыщенный и перегретый) пар, горячий воздух или инертный газ.

При температуре 200–400 ⁰C осуществляют десорбцию поглощенных веществ из цеолитов (синтетических и природных), обладающих строго упорядоченной структурой пор и значительными адсорбционными силами. В качестве десорбирующего агента при этом используют горячий воздух или инертный газ (чаще всего азот).

Повышение температуры процесса способствует уменьшению удельного расхода пара, необходимого для достижения одной степени десорбции.

Максимальный расход пара на десорбцию определяют из соотношения:

G_ад / G_пара = у / х

где G_ад – количество адсорбента, кг/с;

G_пара – количество перегретого пара, кг/с;

у – концентрация адсорбируемого вещества в парагазовой смеси при

выходе из десорбера, кг/кг;

х – концентрация адсорбируемого вещества в поступающем на десорбцию адсорбенте, равновесная по отношению к составу перегретого пара, кг вещества на кг адсорбента.

Для десорбции легколетучих веществ расход пара равен 2,5–3 кг/кг вещества, для десорбции высококипящих веществ – в 5–10 раз больше.

Вытеснительная или холодная десорбция осуществляется путем вытеснения из адсорбента поглощенного вещества (адсорбата) другим компонентом – вытеснителем (или так называемым десорбентом).

1) хорошая сорбируемость и высокая способность замещать поглощенный компонент в адсорбенте;

2) должен сам обладать способностью легко десорбироваться;

3) пожаро- и взрывоопасность;

4) низкая себестоимость.

В качестве десорбента органических веществ из адсорбента может применяться ряд органических веществ, а также аммиак, диоксид углерода, вода и т.д. Иногда в качестве десорбента используют хуже адсорбирующееся вещество. В этом случае десорбент выполняет роль динамического агента, понижая парциальное давление адсорбата.

Вакуумная десорбция обычно проводится с одновременным нагревом адсорбента. Применение вакуума позволяет снизить температуру десорбции по сравнению с режимом обычной термической десорбции. Применение вакуумной десорбции требует дополнительных затрат энергии на создание вакуума и обеспечение надежной герметичности всех узлов установки, последнее обстоятельство ограничивает область применения данного метода десорбции.

Безнагревная десорбция реализуется в сочетании с адсорбцией, протекающей при повышенном давлении (более 0,3 МПа). Снижение давления до атмосферного позволяет осуществить десорбцию без нагрева.

Этот способ десорбции обычно применяют тогда, когда в системе адсорбтив – адсорбент изотерма адсорбции имеет пологий характер.

Десорбция при снижении давления используется в короткоцикловых безнагревных адсорбционных установках. Установки эти компактны и экономически эффективны и находят широкое применение, особенно тогда, когда применение повышенных температур недопустимо из-за термической нестойкости продуктов, либо по соображениям техники безопасности.

Десорбция комбинированными методами. Иногда десорбцию осуществляют, комбинируя, например, термическую десорбцию (на начальной стадии) с вытеснительной аппаратурой – в аппаратах с движущимся плотным слоем адсорбента. Вытеснительную десорбцию сменяют на завершающем этапе термической десорбцией с целью удаления из адсорбента вытеснителя – десорбирующего компонента. Вакуумную десорбцию осуществляют совместно с контактным нагреванием слоя адсорбента. Используют в практике и другие комбинации.

Применение того или иного из рассмотренных методов десорбции зависит от системы адсорбат – адсорбент, параметров процесса и технико–экономических показателей. В связи с этим решается также организация проведения стадии десорбции (в неподвижном слое адсорбента, в движущемся плотном слое или во взвешенном слое адсорбента).

Реактивация сорбентов

Применяемые в большинстве случаев методы регенерации адсорбентов в ряде случаев не обеспечивают полной регенерации. В результате длительной эксплуатации на установках рекуперации сероуглерода при очистке вентиляционного воздуха на активном угле происходит образование сернистых соединений: элементарной серы, серной кислоты и других сернистых соединений. При очистке газовых выбросов в производстве синтетических волокон происходит накопление таких веществ, n -толуиловый альдегид, n –толуиловая кислота, бензойная кислота, диметилтерефталат и др. Устойчиво дезактивируют уголь также пары ртутьорганических соединений диэтилртути и этилмеркурхлорида. В результате происходит изменение адсорбционной поверхности за счет уменьшения объема микропор, блокируемых, например, монолитом серы, отлагающейся в крупных и переходных порах. В этих случаях необходимо применять методы реактивации.

Метод термической реактивации применяют для восстановления активности углей, с поверхности которых при этом удаляются сернистые соединения. В реакторе реактивации из угля при высокой температуре отгоняются серная кислота и сера; сероуглерод восстанавливается до сероводорода и двуокиси углерода, которые также улетучиваются; сульфат натрия выводится из системы циркуляции с мелкодисперсной угольной пылью, уносимой из адсорбера очищенной газовоздушной смесью. На протекание процесса реактивации оказывает главное влияние температура. При температуре ниже 300 ⁰С реактивация активного угля протекает крайне медленно. Так, при 200 ⁰С за 2 часа извлекается только 35 % содержащейся в угле серы, а при 300 ⁰С за это же время извлекается до 90 % серы. Элементарная сера является наиболее трудно удаляемым компонентом из числа сернистых соединений. Время ее извлечения намного превышает время извлечения серной кислоты и сульфатов.

Методом экстракционной реактивации извлекают твердую фазу из пористого материала с нерегулярной структурой, обрабатывая последний жидкими реагентами. Извлекаемое вещество образует обычно частицы, одиночно расположенные внутри пористой структуры. При контакте с гранулой адсорбента жидкость проникает в его поры, достигает поверхности извлекаемого материала и растворяет его. Перешедшее в раствор вещество диффундирует к поверхности гранулы и проходит в основную массу жидкости.

Процесс извлечения серы из активного угля можно осуществлять экстракционным методом с помощью водного раствора сульфида аммония, жидкого сероуглерода и др. Применяются два варианта оформления – периодический процесс с выдержкой экстрагента в аппарате в течение определенного времени либо осуществляется непрерывная циркуляция свежего экстрагента. Выбор варианта определяют экономические показатели установок.

Комбинированный метод реактивации используется в особо трудных случаях, когда на поверхности угля оседают вещества плохо растворимые и с высокой температурой кипения, например, терефталевая кислота и ее производные. Для этих условий эффективным оказывается выдержка угля при температуре около 100 ⁰С в 10-15 % раствора щелочи.

Применение рациональных способов регенерации, а также реактивации адсорбентов дает возможность улучшить технико-экономические показатели адсорбционных установок, обеспечить лучшую защиту атмосферы от загрязнений и возвратить ценные вещества в производство.