CC BY
121
УДК 662.74+661.183
А.В. Нистратов*, В.Н. Клушин, С.А. Несмелов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ), Москва, Россия 125047, г. Москва, Миусская пл., д. 9 *e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ АДСОРБЦИИ БЕНЗОЛА ИЗ ПАРОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ ТОРФОПОЛИМЕРНЫМ АКТИВНЫМ УГЛЁМ
Предмет работы - моделирование адсорбции бензола из паровоздушного потока экспериментальным активным углём, направленное на предотвращение выброса растворителя в атмосферу. Определены значения ёмкости адсорбента по бензолу в различных условиях, получены зависимости адсорбции бензола от концентрации его пара и времени процесса, предложен эффективный способ десорбции и проведены циклические испытания в лабораторной установке.
Ключевые слова: пар бензола; адсорбция; активный уголь.
Общеизвестна незаменимая роль активных углей в процессах рекуперации паров растворителей из паровоздушных
технологических смесей. Образование и выброс таких потоков имеют место в целом ряде масштабных процессов, связанных с хранением и перемещением летучих органических
растворителей, нефтепродуктов и других органических жидкостей, в ансамбле процессов, реализуемых на предприятиях коксохимического, резинотехнического, лакокрасочного и электротехнического профиля, при получении искусственных волокон, сигаретных фильтров и многих видов других продуктов. Концентрация паров растворителей в очищаемом воздухе редко превышает 10 %, обычно составляя менее 1 %. Благодаря высокому сродству активных углей к летучим органическим соединениям (что проявляется в крутых изотермах адсорбции), улавливание их паров при низких концентрациях обычно является весьма эффективным. Кроме того, гидрофобные по своей природе углеродные адсорбенты позволяют избирательно поглощать растворители из влажных потоков [1]. Реализация адсорбционной очистки оправдана как экономически за счёт рецикла уловленных растворителей, так и экологически благодаря глубокой очистке газовых выбросов.
Несмотря на широкий ассортимент рекуперационных активных углей [2], предназначенных специально для газоочистки, продолжаются, в частности в РХТУ им. Д.И. Менделеева, разработки альтернативных более дешёвых адсорбентов, в частности, получаемых на основе полимерных отходов [3]. Подтверждение их конкурентоспособности требует проведения модельных испытаний, выполненных в данной работе применительно к актуальной задаче рекуперации бензола из паровоздушного потока, образующегося в конденсаторах цеха обработки газа одного из коксохимических заводов.
Активный уголь, изготовленный из торфа, полимерных текстильных отходов и серной кислоты согласно [3] имеет наиболее развитые микропоры при степени обгара 40%, поэтому выбран для планируемых испытаний. Процессы адсорбции/десорбции бензола из паровоздушного потока неподвижным слоем адсорбента моделировали в лабораторной установке (рис. 1). Через трубку с навеской активного угля пропускали воздух с расходом 10-158 дм3/ч (удельный расход 0,027-0,425 дм3/см2 мин) и относительным давлением паров бензола P/PS = 0,2-1 (соответствует концентрации 78-390 г/м3).
Рис. 1. Установка для исследования адсорбции паров бензола из паровоздушной смеси и его десорбции из торфополимерного активного угля
Варьирование концентрации бензола в потоке обеспечивали изменением расхода воздуха через барботер в интервале P/Ps = 0,6-1 и разбавлением потока в интервале P/Ps = 0,2-0,6. Текущую адсорбцию бензола определяли по изменению массы активного угля, вызывающему растяжение или сжатие пружины, которое контролировали визуально посредством
катетометра (оптического прибора для дистанционного измерения смещения объекта). Нагрев воздушного потока при десорбции осуществляли внешней электрической печью.
Представление об адсорбционных свойствах торфополимерного активного угля дают его суммарный объём пор VI и объёмы сорбирующих пор VS плюс статическая активность СА по стандартным веществам, определённые эксикаторным методом (табл. 1).
Таблица 1
Показатели пористой структуры торфополимерного ___активного угля
Адсорбтив Vz, см3/г Vs, см3/г СА, г/г
1 сутки 7 суток
H2O 1,13 0,10 0,25 0,25
CeHe 0,17 0,29 0,26
CCl4 0,74 0,76 1,2
С увеличением концентрации паров C6H6 закономерно возрастают время достижения равновесия и максимальная величина адсорбции, которые при P/PS = 1 составляют 180 мин и 0,12 г/г соответственно. Этот результат достигается при удельном расходе смеси 0,027 дм3/(см2мин), что в практике газовой адсорбции не гарантирует устранения внешнедиффузионного торможения. Следовательно, скорость поглощения бензола в названных условиях может лимитироваться как внешней, так и внутренней диффузией. Сравнение максимальной адсорбционной активности в динамических условиях со статической активностью (табл. 1) указывает лишь на 50 %-ное использование ёмкости адсорбента, т.е. истинное равновесие здесь не достигается. Предназначенный для рекуперационной газоочистки активный уголь АГ-3 отечественного производства в аналогичном опыте продемонстрировал при времени насыщения 60 мин динамическую активность 0,29 г/г, что является его явным преимуществом.
Рекуперационная очистка газового выброса от бензола подразумевает обязательную
Обычно в эксикаторном методе для достижения равновесия достаточно 1 суток, но для торфополимерного активного угля время насыщения его адсорбтивами достигает 7 суток -свидетельство медленной внутренней диффузии. Соотношение объёмов пор адсорбента, поглощающих разные по размеру молекулы (H2O<C6H6<CCЦ), указывает на преобладание супермикро- и мезопор, при этом объём сорбирующих бензол пор составляет 0,25 см3/г, что соответствует статической активности 0,26 г/г. Такие свойства допускают применение образца для газофазных адсорбционных процессов на одном уровне с традиционными активными углями.
Рис. 2 демонстрирует кинетику адсорбции бензола исследуемым торфополимерным активным углём (АУ) из паровоздушной смеси при переменной его концентрации и температуре 20±2 °С.
десорбцию его после насыщения адсорбента, которую для низкокипящих растворителей проводят обработкой водяным паром или нагретым воздухом. С учётом необходимости интенсивного испарения поглощённого бензола (температура кипения 80 °С) и обеспечения минимальных энергозатрат регенерацию отработанного АУ осуществляли подачей 0,027 дм3/(см2мин) воздуха с температурой 100 °С. При этом десорбция ОбШ протекала быстро (50 % за 2 мин) и полностью завершалась в течение 0,5 ч, что предопределяет возможность цикличного использования торфополимерного активного угля. В тех же условиях десорбция бензола из насыщенного активного угля АГ-3 - длительная стадия (50 % за 25 мин, 90 % за 90 мин), превышающая стадию адсорбции, что осложняет его цикличное использование.
Организация циклического процесса улавливания бензола в лабораторных условиях заключалась в чередовании стадий адсорбции его насыщенного пара ^^ = 1) и десорбции в указанном режиме. Диаграмма 6 циклов испытаний АУ представлена на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость адсорбции бензола торфополимерным активным углём от времени в цикличном процессе
Результаты моделирования цикличного процесса газоочистки выявляют снижение динамической активности АУ по бензолу в 3-х начальных циклах и стабилизацию её в 3-х последующих циклах на уровне 45 % от исходной величины (0,055 г/г). Наиболее вероятная причина этого характерного в названных условиях эксперимента явления - необратимая адсорбция СбНб в микропорах испытуемого адсорбента. При этом десорбция его в циклах 4-6 протекала полностью за 5 мин.
Проведённые испытания торфо-полимерного активного угля свидетельствуют о возможности и целесообразности его использования для рекуперационной очистки паровоздушных смесей от паров бензола, выделяющегося в ряде названных производств. Полученные данные могут служить основой для расчёта соответствующего газоочистного оборудования.
Нистратов Алексей Викторович, к.т.н., ассистент кафедры промышленной экологии РХТУ Клушин Виталий Николаевич, д.т.н., профессор кафедры промышленной экологии РХТУ Несмелое Святослав Алексеевич, студент кафедры промышленной экологии РХТУ
Литература
1. Кинле Х., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение: пер. с нем. - Л.: Химия, 1984. -216 с.
2. Активные угли. Эластичные сорбенты. Катализаторы, осушители и химические поглотители на их основе. Номенклатурный каталог под общ. ред. В.М. Мухина. - М.: Руда и металлы, 2003. - 280 с.
3. Нистратов А.В. Разработка технологии активных углей на торфополимерной основе с утилизацией побочных продуктов пиролиза. Автореферат дисс. ... канд. техн. наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013. - 16 с.
4. Коробчанский И.Е., Кузнецов М.Д. Расчёты аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования. - Изд-во «Металлургия», 1972. - 296 с.
Nistratov Alexey Viktorovich*, Klushin Vitaliy Nikolaevich, Nesmelov Svyatoslav Alexeevich D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *e-mail: [email protected]
INVESTIGATION OF ADSORBTION OF BENZENE FROM VAPOUR-AIR MIXTURE BY PEAT-POLYMER ACTIVE CARBON
Abstract
Subject of the work is modeling of adsorbtion of benzene from vapour-air flow by experimental active carbon, aimed to prevent exhaust of the solvent into atmosphere. Capacity of the adsorbent to benzene under different conditions is evaluated, correlations of benzene adsorbtion and concentration of its vapour and process time are found, efficient way of desorbtion is proposed and cyclic tests are realized in laboratory set.
Keywords: benzene vapour; adorbtion; active carbon.
