CC BY
46
УДК 666.924.14
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ХЕМОСОРБЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА КОМПОЗИЦИОННЫМ ПОГЛОТИТЕЛЕМ В АППАРАТЕ ПРОТОЧНОГО ТИПА
Ю. А. Суворова1'2, Н. Ф. Гладышев2, Н. Ц. Гатапова1, Т. В. Гладышева3
Кафедра «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность» (1), ФГБОУВПО «ТГТУ»; ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов (2); syvorovaya@mail.ru; Научно-образовательный центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» - ОАО «Корпорация «Росхимзащита» (3)
Ключевые слова и фразы: аппарат проточного типа; диоксид углерода; кинетика хемосорбции; композиционный поглотитель; скорость поглощения; степень превращения.
Аннотация: Рассмотрена кинетика хемосорбции диоксида углерода СО2 композиционным поглотителем в аппарате проточного типа. Исследования проведены при содержании СО2 в потоке газа от 0,3 до 4 %. Экспериментально определены степени превращения композиционного поглотителя, скорости поглощения СО2. Кинетика гетерогенного процесса взаимодействия СО2 с композиционным поглотителем описана уравнением Таммана. Найдены зависимости констант уравнения Таммана от содержания СО2 в потоке газа. Показано, что отклонение расчетных кривых хемосорбции от экспериментальных составило не более 20 %.
Исследования по разработке принципиально новых поглотителей диоксида углерода выявили перспективность их получения и использования в виде композиционных материалов [1], содержащих в качестве упрочняющей и структурирующей добавки полимерное связующее. Новые композиционные материалы предполагается применять в системах жизнеобеспечения человека. Для прогнозирования характера и эффективности работы композиционных поглотителей необходимо знать основные закономерности процесса хемосорбции СО2, изучение которых является целью настоящей работы.
Кинетику хемосорбции композиционного материала исследовали в аппарате проточного типа [2]. Хемосорбент состоял из гидроксида кальция Са(ОН)2, поливинилового спирта в качестве полимерного связующего, гидроксида калия КОН и воды и представлял собой лист размером 38 х 120 мм толщиной (0,8 ± 0,1) мм массой (3 ± 0,3) г. Лист хемосорбента размещали в аппарате параллельно потоку газовоздушной смеси (ГВС).
Исследования проводили при следующих условиях:
- объемный расход ГВС (7,0 ± 0,3) дм3/мин;
- содержание СО2 в ГВС (0,6 ± 0,1), (1,0 ± 0,1), (2,0 ± 0,1), (3,0 ± 0,1) и (4,0 ± 0,1) % об.;
- температура ГВС (22 ± 1) °С;
- влажность ГВС (85 ± 5) %;
- время эксперимента - 5.. .50 мин.
Количество поглощенного СО2 V, дм /кг, оценивали химическим анализом образцов после испытаний.
На рисунке 1 представлены кривые поглощения диоксида углерода композиционным хемосорбентом. С увеличением содержания СО2 в ГВС увеличивается количество поглощенного СО2 образцами.
На рисунке 2 изображены экспериментальные кинетические кривые, характерные для процесса взаимодействия СО2 с композиционным поглотителем, на которых отсутствует индукционный период, реакция сначала идет с большой скоростью, а затем замедляется по мере накопления продукта.
V, дм /кг 140 120 100 80 60 40 20 о
0
10
20
30
40
50 т, мин
Рис. 1. Удельный объем V поглощенного СО2 образцами композиционного хемосорбента за время эксперимента т, определенное химическим анализом, при различном содержании СО2 в ГВС, % об.:
1 - 4,0; 2 - 3,0; 3 - 2,0; 4 - 1,0; 5 - 0,6
5
X 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
w, дм /мин
0
10
20
30
40
а)
10
20
30
40
б)
50 т, мин
50
Рис. 2. Зависимость степени превращения х (а) и скорости поглощения (б) от времени эксперимента т при различном содержании СО2 в ГВС, % об.:
1 - 4,0; 2 - 3,0; 3 - 2,0; 4 - 1,0; 5 - 0,6
5
0
, мин
Отмечено [2], что взаимодействие диоксида углерода с поглотителями на основе гидроксида кальция представляет собой гетерогенный процесс контактирования газовой и твердой фаз с протеканием ряда последовательных реакций, относящихся к типу топохимических.
Для описания кинетики реакций в диффузионной области превращения использовали, как и в [3], уравнения Таммана [4]:
X = к ln т + с; (1)
w = kilnт + ci, (2)
где к и ki - константы, зависящие от реагентов и условий процесса; т - время процесса; с и Ci - постоянные для данного процесса; w и х - скорость процесса и степень превращения, определяемая как отношение количества уже прореагировавшего твердого вещества к его общему количеству соответственно.
В таблице 1 приведены значения коэффициентов уравнений (1) и (2), рассчитанные по экспериментальным данным.
Для нахождения зависимости коэффициентов к, к1, с и с1 от концентрации СО2 выделим из уравнений (1) и (2) 1пт и приравняем правые части полученных уравнений [3]. После несложных преобразований получим
ск1 ~к~'
к1
w =— X + c1■ к
(3)
Обозначив а = — и Ь = С1 - —вычислим коэффициенты уравнения
к к
V = ах + Ь.
Коэффициенты а и Ь линейно зависят от содержания СО2 в ГВС:
а = кссо2 ;
(4)
(5)
(6)
Ь = гссо2,
где к = - 6,1 ± 0,7; г = 5,0 ± 0,4; ссо2 - содержание диоксида углерода в потоке газа, %.
Полученное из экспериментальных данных уравнение (4) описывает процесс хемосорбции диоксида углерода в аппарате проточного типа при постоянной концентрации СО2 в подаваемой газовой смеси. Однако в реальных условиях эксплуатации хемосорбент поглощает диоксид углерода из герметичных объектов, в которые СО2 поступает (выделяется людьми, находящимися в них) с постоянной подачей, например, обитаемые космические объекты.
Таблица1
Значения коэффициентов уравнений (1) и (2)
Содержание СО2 в ГВС, % к с кх с1
4,0 0,18 ± 0,01 0,04 ± 0,04 - 4,8 ± 0,5 21 ± 2
3,0 0,18 ± 0,02 - 0,06 ± 0,07 - 2,6 ± 0,5 13 ± 2
2,0 0,18 ± 0,02 - 0,11 ± 0,07 - 1,8 ± 0,5 10 ± 1
1,0 0,17 ± 0,02 - 0,16 ± 0,05 - 1,3 ± 0,2 7,4 ± 0,5
0,6 0,12 ± 0,01 - 0,12 ± 0,03 - 0,93 ± 0,07 5,2 ± 0,2
Рис. 3. Изменение содержания СО2 в герметичной камере объемом 24 м3:
1 - расчет; 2 - эксперимент
Для оценки применимости уравнения (4) к реальным условиям эксплуатации композиционного хемосорбента проведены расчет процесса хемосорбции и эксперимент в герметичной камере объемом 24 м3 при следующих условиях:
- масса хемосорбента в камере «1,4 кг;
- подача СО2 (0,49 ± 0,02) дм3/мин;
- начальная объемная доля СО2 (0,8 ± 0,09) % об.;
- температура в камере (20 ± 2)°С;
- влажность в камере (65 ± 5) %.
Объем поглощенного диоксида углерода выражается формулой
Vп = Vк (сн - ссо2)+VI, (7)
где Vк - объем герметичной камеры; сн - начальная концентрация СО2 в камере; ссо2 - текущая концентрация СО2; V - объем подаваемого СО2 в камеру; т - время.
Дифференцируя уравнение (7) по времени, получим
5V 5ссо
21п = w = V -V,,—(8)
5т 5т
Решая совместно уравнения (4) и (8), получим изменение содержания диоксида углерода в камере во времени (рис. 3). Отклонение расчетных значений скорости поглощения от экспериментальных не превышает 20 %.
Таким образом, доказано, что для кинетического описания процесса хемосорбции СО2 композиционным поглотителем применимо уравнение Таммана, при этом полученные отклонения от экспериментальных значений находятся в пределах ошибок эксперимента.
Список литературы
1. Композиционный материал для сорбции СО2 / Ю. А. Суворова [и др.] // Перспектив. материалы. - 2013. - № 10. - С. 34 - 40.
2. Известковые поглотители нового поколения / Н. Ф. Гладышев [и др.]. - М. : Спектр, 2012. - 136 с.
3. Исследование кинетики и математическая модель хемосорбции диоксида углерода листовым поглотителем / Н. Ф. Гладышев [и др.]. // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2012. - Т. 18, № 4. - С. 942 - 947.
4. Кутолин, С. А. Уравнения кинетики реакций в твердых телах / С. А. Куто-лин, Г. К. Храмцова. - М. : Электроника, 1968. - 102 с.
Chemisorption Kinetics of Carbon Dioxide by Composite Sorbent in a Flow Type Apparatus
Yu. A. Suvorova1,2, N. F. Gladyshev2, N. C. Gatapova1, T. V. Gladyseva3
Department "Technological Processes, Devices and Technosphere Safety", TSTU (1); JSC "Corporation "Roskhimzashchita", Tambov (2); syvorovaya@mail.ru; Research and Education Centre TSTU - JSC "Corporation "Roskhimzashchita" (3)
Key words and phrases: the absorption rate; carbon dioxide; composite sorbent; degree of conversion; flow type apparatus; kinetics chemisorptions.
Abstract: Chemisorption kinetics of carbon dioxide by composite sorbent in a flow type apparatus is investigated. The experimental research is made with the content of CO2 in the gas flow from 0,3 to 4 %. Degree of conversion of composite sorbent and absorption rate of CO2 are experimentally determined. Kinetics of heterogeneous process of CO2 interaction with composite sorbent is described by the Tamman's equation. Dependence of the Tamman's equation constants of content of CO2 in the gas flow is founded. The resulting equations that describe the kinetics of CO2 interaction with composite sorbent are applied to real process exploitation sorbent. The difference between the computed and experimental chemisorption curves was not more than 20 %.
References
1. Suvorova Yu.A., Gladyshev N.F., Gladysheva T.V., Putin S.B., Simanenkov E.I. Perspektivnyye materialy, 2013, no. 10, pp. 34-40.
2. Gladyshev N.F., Gladysheva T.V., Putin B.V., Putin S.B. Izvestkovyye poglotiteli novogo pokoleniya (Lime absorbers new generation), Moscow: Spektr, 2012, 136 p.
3. Gladyshev N.F., Vikhlyaeva M.P., S. Putin B., Dvoretskiy S.I., Suvorova Yu.A.
Transactions of the Tambov State Technical University, 2012, vol. 18, no. 4, pp. 942-947.
4. Kutolin S.A., Khramtsova G.K. Uravneniya kinetiki reaktsiy v tverdykh telakh (The equations of the kinetics of reactions in solids), Moscow: Elektronika, 1968, 102 p.
Untersuchung der Kinetik der Chimosorbtion des Dioxides des Kohlenstoffes vom Kompositionsabsorber im Apparat des fliessenden Typs
Zusammenfassung: Es ist die Kinetik der Chimosorbtion des Deoxides des Kohlenstoffes C02 vom Kompositionsabsorber im Apparat des fliessenden Typs betrachtet. Die Forschungen sind beim Inhalt C02 im Strom des Gases von 0,3 bis zu 4 % durchgeführt. Es sind die Stufen der Umwandlung des Kompositionsabsorbers, der Geschwindigkeit der Absorption C02 experimental bestimmt. Die Kinetik des
heterogenen Prozesses der Wechselwirkung C02 mit dem Kompositionsabsorber ist mit Hilfe der Angleichung Tammana beschrieben. Es sind die Abhängigkeiten der Konstanten der Angleichungen Tammana vom Inhalt C02 im Strom des Gases gefunden. Die bekommenen Angleichungen, die die Kinetik des Prozesses der Wechselwirkung C02 mit dem Kompositionsabsorber beschreiben, sind für den realen Prozess des Betriebes des Chemosorbens verwendet. Es ist vorgeführt, dass die Abweichung der Rechenkurven хемосор6цнн von den Experimentalen nicht mehr 20 % gebildet hat.
Etude de la cinétique de la chimisorption de dioxide de carbone avec l'absorbent de composition dans un appareil du type courant
Résumé: Est examiknée la cinétique de la chimisorption de dioxide de carbone C02 par un absorbent de composition dans un appareil du type courant. Sont définis les degrés de la transformation de l'absorbent de composition, les vitesses de l'absorption C02. Est décrite la cinétique du processus hétérogène de l'interaction de C02 avec l'absorbent de composition. Les équations reçues sont employées pour le réel processus de l'exploitation de l'absorbent chimique.
Авторы: Суворова Юлия Александровна - аспирант кафедры «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», ФГБОУ ВПО «ТГТУ», научный сотрудник отдела химии и новых химических технологий, ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов; Гатапова Наталья Цибиковна - доктор технических наук, профессор, заведующая кафедрой «Технологические процессы, аппараты и техносферная безопасность», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; Гладышев Николай Федорович - кандидат химических наук, заместитель начальника отдела химии и новых химических технологий, ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов; Гладышева Тамара Викторовна - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, Научно-образовательный центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» -ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов.
Рецензент: Килимник Александр Борисович - доктор химических наук, профессор кафедры «Химия и химические технологии», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
