CC BY
16
9. Robin B. /., Brit. Chem. Eng., 2002, v. 4, N 6, p. 351—354.
10. Бляхер И. Г., Живайкин Л. Я. и др. Хим. пром., 1996, № 3, с. 178—181; 2000, № 9, с. 678—680.
11. Стабников В. Я., Николаев А. П. Труды Киев, технол. ин-та пищевой пром., 1990, вып. 22, с. 171—178.
12. Родионов А.И. Труды ХТИ им. Д. И. Менделеева, 1993, вып. 40, с. 66—69.
13. Аэров М. Э., Быстрова Т. А. и др. Хим. и технол. топлив и масел, 1999, № 1, с. 37—41.
14. Mailer H. M., Othmer D. F., Ind. Eng. Chem., 1999, v. 51, N 5, p. 625—632.
-□ □-
Наведено результати eKcnepuMeHmie з видалення дюксиду сульфуру i3 азоту на 5А цеолтах. Проведено математичне моде-лювання та побудован Kp^i поглинання. Визначено оптимальн умови, що забезпечу-ють найдовший час поглинання
Ключовi слова: цеолти, адсорбщя, дюк-
сид сульфуру
□-□
Приведены результаты экспериментов по удалению диоксида серы с азота на 5А цеолитах. Проведено математическое моделирование и построены кривые поглощения. Определены оптимальные условия, обеспечивающие наибольшее время поглощения
Ключевые слова: цеолиты, адсорбция,
диоксид серы
□-□
The results of experiments for the removal of sulfur-dioxide in nitrogen by 5A zeolites were showed. The mathematical modeling was carried out and breakthrough curves were simulated. The optimal conditions for the longest breakthrough time were determined
Key words: zeolites, adsorption, sulfur-dioxide
-□ □-
УДК 544.723
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ПОГЛИНАННЯ Д1ОКСИДУ СУЛЬФУРУ НА ЦЕОЛ1ТАХ
А.М. Меренгер
Мапстр*
E-mail: anna.merenger@gmail.com
Ю.О. Безносик
Кандидат техычних наук, доцент* E-mail: yu_beznosyk@ukr.net
Г.О. Статюха
Доктор техшчних наук, профессор, завщуючий
кафедрою*
Директор Центрально-схщного шституту сталого
розвитку
E-mail: gen.statyukha@mail.ru *Кафедра мбернетики хiмiко-технологiчних процеав
НТУУ «КП1»
просп. Перемоги, корп. 4, м. КиТв, 37, 03056 Контактний тел.: 8 (044) 241-76-12
Вступ
Проблема захисту атмосфери вщ викидiв дюксиду сульфуру, що викликае утворення кислотних дошдв, е одшею з найактуальшших. Основними джерелами ви-кидiв дюксиду сульфуру в атмосферу е тдприемства енергетики, металургп та вупльно! промисловосп,
транспорт, нафтохiмiя. Одним з напрямюв в очищенш димових газiв е сорбцшш методи, засноваш на погли-нанш дюксиду сульфуру рiзними сорбентами. На ввд-мшу вщ шших сорбенпв, адсорбщя оксидiв сульфуру на цеолггах - альтернативний метод, який особливо ефективний для видалення SO2 низьких концентра-цш (до 1%). Моделювання такого процесу дозволить
встановити оптимальш умови проведення поглинання та стане основою при проектуванш технолопчного обладнання.
Постановка задачi
Вид1ляють два типи твердих (ад)сорбент1в, що широко застосовуються для контролю розповсюдження SO2: регенеративний та нерегенеративний. Загальним прикладом нерегенеративного е СаО та MgO, отримаш з р1зних джерел, таких як гвдроксид, карбонат чи ацетат. До шшого типу ввдносяться цеолгги, силжагель та активоване вуплля. Використанню нерегенеративних титв сорбент1в присвячено багато дослщжень. Вони стосуються теоретичного анал1зу, описують мехатзм та кшетику сорбцшних процеав, винайдення нових ма-тер1ал1в, що мають ввдносно вищу реактившсть до SO2, та вдосконалення модел1 контакту тверде т1ло - газ. Не дивлячись на суттевий прогрес у використанш матер1а-л1в нерегенеративного типу, досягнутий в останш роки, передчасне закшчення сорбцшних процеав внаслщок блокування пор шарами сульфатних продукт1в - зали-шилось невщ'емною перешкодою для використання цих матер1ал1в. Х1м1чш реакцп е необоротними, комерцшна юльюсть витрачених матер1ал1в е часто обмеженою.
Найб1льш прийнятними адсорбентами в даному випадку можна розглядати синтетичш цеолгги, що волод1ють дуже розвинутою внутр1шньою поверхнею
1 здатш виб1рково сорбувати молекули з газово! сум1-шг Перевагами використання цеолтв е !х здатшсть до наступно! регенерацп та особлив1 властивост1, що дозволяють вид1ляти шк1длив1 речовини з багатоком-понентних сумшей.
На основ1 пор1вняльного дослвдження р1зних титв цеолиових молекулярних сит [1], в якому виявлено змен-шення адсорбцп SO2 в порядку цеолтв 5A>4A>AW300, прийнято ршення про використання 5А цеолтв для даного дослвдження.
Експериментальне дослщження
Адсорбщя SO2 на цеолиах проводилась в трубчатому реактор! експериментально! установки.
Сумш газ1в потр1бно! концентрацп була тдго-товлена зм1шуванням двох окремих потоюв в камер1 для зм1шування газ1в. Пот1к N2 був пропущений через силжагель для видалення вологи. Забезпечувалось байпасування газово! сум1ш1 прямо до аналиично! секцп для кал1бровки, а також для вим1рювання вх1д-но! концентрацп газово! сум1ш1, що надходить до реактора. На кшцях реактора приеднаний манометр для вим1рювання падшня тиску при проходженш через адсорбцшну насадку.
Цеолиовий матер1ал типу 5А взятий в форм1 сфе-ричних гранул, 1 мав включення трьох розм1р1в: 1,16; 0,80 та 0,16 мм. Для таких гранул вщношення внутрш-нього д1аметру реактора до !х розм1ру розраховано як 12:1, 35:1 та 280:1 вщповщно. Необхвдну юльюсть цеолтв було активовано при температур! 100° С протягом 4 годин у вакуумнш печ1 за тиску в 100 мм рт. ст.
Спочатку т1льки N був пропущений кр1зь реактор з необхвдною швидюстю потоку, що контролюеться
регулятором масово! витрати. Пот1м реактор був на-гр1тий до необхщно! температури реакцп, а дал1 утри-мувався при такш же температур1 протягом 2 годин так, щоб система була стабШзована, та температура в насадщ була однаковою.
В експериментах приведена газова швидюсть в трубчатому реактор! лежала в межах 0,04 м/с, ввдпо-ввдно до об'емно! газово! витрати 0,3 л/хв. Максимум перепаду тиску у випадку порошкопод1бного цеол1ту (0,16 мм в д1аметр1, з числом Рейнольдса близько 1, тобто в'язкий стан) був не б1льше шж 0,937 кПа.
Моделювання
Модель побудована на основ1 р1внянь матер1ального балансу в насадщ реактора, в об'ем1 макропор та м1-кропор. Зроблено ряд допущень: допущення 1зотерм1ч-ностг, залежшсть ступеня адсорбцп вщ молярно! дол1 речовини мае лшшний характер; перепад тиску вздовж реактора прийнято як несуттевий; кнуе миттева р1вно-вага м1ж газопод1бним SO2 в макропорах в'яжучо! речовини та адсорбованою речовиною всередиш кристал1в б1ля меж1 розд1лу зв'язуюча речовина - кристал; стала швидюсть руху газ1в у реакторг Також усереднено рад1-альш (г 1 Я) профШ концентрацш в межах пор твердого т1ла для зменшення юлькосп р1внянь до розрахунку.
Модель являе собою систему з двох р1внянь (1) [2]:
ЭС
дС 1 Э2С
дt ' дz Ре дz2 К ь
эс" — "эГ + 8(Сь -Ср) = 0
(1)
де Сь - концентращя реагуючого газу в газо-вш фаз1 насадки; t - час; z - осьова координата; Ре - критерш Пекле; Ср - усереднена концентращя реагуючого газу в макропорах гранул.
Коефщ1енти, що входять в модель, представлено формулою (2):
_ 0,3 Т_-ёЬ' Ре _ Яех8е"
0,5
3,8 Яех Sc
1 + -
15(1- eь)KmDpl
2 5Dn
еь R2pVг(Km ) %
(2)
8_-
aVz(K
5D„
т + ^^
)
27DcK(1 -а) ^р
Rr^
Rp
де еь - порист1сть насадки; Яе - критерш Рейнольдса; Sc - критерш Шмщта; Кт - коефщ1ент ма-сов1ддач1 в газов1й пл1вщ; Dp - коеф1ц1ент дифуз1!
в макропорах; 1 - довжина реактора; Кр - рад1ус гранули; ^ - швидк1сть газу в осьовому напрямку; DC
- коеф1ц1ент дифузп адсорбата в межах кристалу; К
- константа р1вноваги м1ж адсорбщею та десорбц1ею; а - ввдношення площ1 макропор до загально! плошд гранули; Яс - рад1ус кристалу.
Початков1 та граничн1 умови до системи (1) мають вигляд (3):
t = 0, Cb = 0, Cp = 0 t > 0, z = 0, Cb = Cb0
z = l, ^ = 0 dz
(3)
З допомогою моделi динамiчна адсорбщя SO2 була пояснена взаемним ефектом масообмшу в газовiй плiвцi, дифузiею в макропорах та дифузiею всередиш кристалiв цеолiтових гранул. Цей ефект був матема-тично представлений двома безрозмiрними змiнними, П та 8 в запропонованш моделi.
Був створений програмний проект для моделювання процесу поглинання дюксиду сульфуру на цеолiтах з допомогою модел^ покладено! в його основу. Розрахунок моделi виконувався з допомогою NAG Fortran Library. Схема взаемоди програмних iнструментiв, що викори-стовувались в даному проектi представлено на рис. 1.
Методи функцп D03RAF дозволяють вирiшити систему диференщальних рiвнянь в частинних по-хщних I та II порядку за часовою та просторовою змiнними.
Для використання функцп бiблiотеки було написано програму передачi вхiдних параметрiв для роз-рахунку та виведення отриманих результаив через ряд тдпрограм.
Передбачення по моделi були зроблеш для умов, за яких були проведет експерименти. Параметри моделi були або розраховаш, або взятi з довщниюв. Константа рiвноваги адсорбцп/десорбцп К корегувалась для пояснення характеристик поглинання SO2 на 5А цео-лiтах, що спостерiгались.
Перевiрка адекватност моделi об'екту дослщжен-ня за критерiем Фiшера встановила, що для у«х ви-падкiв, якi дослщжувались в данiй роботi, модель е адекватною.
Аналiз отриманих результатiв
Рис. 1. Схема взаемоди з NAG Fortran Library
Дослвджувався вплив трьох параметрiв на адсорб-цiйне поглинання SO2: температури в реакторi (рис. 2), дiаметру гранул цеолiту (рис. 3), концентрацп дюкси-ду сульфуру у вхвдному потоцi (рис. 4).
При експериментальному дослщженш за температури 80° С характеристики поглинання - поглиналь-ний та адсорбцшний час виявлеш як оптимальнi та становили 25 та 60 хвилин вщповвдно. При зб^ьшенш температури до 100° С вщбулось погiршення адсорб-цшних характеристик, що свiдчить про швидке наси-чення насадки.
30 40
Час, хв
Рис. 2. Вплив температури реакцп на поглинання SO2
Час, \в
Рис. 3. Вплив дiаметру гранул на поглинання
Дослiдження впливу концентрацп компоненту, що Поглинання SO2 за найменшого розмiру гранул
поглинаеться, показало доцiльнiсть використання це- було найтривалшим i становило близько 2 годин.
олтв типу 5А для концентрацш менше 1%. Найдо- Зб^ьшення часу поглинання у випадку найменших
вший час поглинання зафiксовано для концентрацп гранул був приписаний збшьшенню гранично! поверх-
0,2% (рис. 4.). нево! областi контакту.
_и1 А А
1 * / / м ▲ ; /* / ------------ Г '
! 1 • 1 1 А А /* / (
9 4 1 г / • * к * 1
$ / Експеримелталып даж та результата моделювання за р[зноУ концентрацп' 50,, % - ■ 1,00
Т А 1 9 4 * / ★ 1
Ф А / а 1 / / / ( ..... • и,/5 А 0,50 ------- ★ 0,20
1,0
0,6
0,6
№
1
ш 0,4 а 1
0,2
0,0
50 100 150 200
Час, хв
Рис. 4. Вплив вхщноТ концентрацп SO2 на поглинання
250
300
Подальший аналiз математично! моделi та ре-зультати моделювання встановили оптимальну тем-
пературу для максимального поглинання як 66° С (рис. 5).
■ .-J»
■ //, ж
■ / / / / * ; / i л •
Результати моделювання ■ .си за рпнмх температур в реактор!, С -■-60 А - 66 - 80
- / /, / / / f г ■ А
■ / у '
О 10 20 30 40 50 60 70
Час, хв
Рис. 5. Моделювання змши криво!' поглинання за температури 66° С
Таким чином, оптимальш умови для проведення процесу - 66° С на гранулах цеолггу з дiаметром 0,16 мм для концентрацш SO2 типово менших за 1%, визначеш як таю, що забезпечують найдовший час поглинання.
Висновки
В результат дослвдження, було визначено, що цеоль ти типу 5А забезпечують поглинання дюксиду сульфу-ру з 100% ефектившстю. Результати моделювання були вдало тдтверджеш експериментальними даним. Про-ведене математичне моделювання процесу поглинання дозволило встановити умови проведення для забезпе-чення максимально! адсорбцiï на даному типi цеолиу.
Лiтература
1. Kopac, T. Dynamic adsorption of SO2 on zeoilites molecular sieves [Text] / Turkan Kopac, Erdogan Kaymakci, Mehmet Kopac // Chemical Engineering Communications. - 1998. - 164. - PP. 99-109.
2. Примюька, С.О. Очистка викидних газ1в вщ шкщливих речовин на синтетичных цеол^ах [Текст] / С.О. Примюька, А.М. Меренгер, Ю.О. Безносик, В.П. Решеть ловський, Г.О. Статюха // Матер1али I М1жнародного Конгресу «Захист навколишнього середовища. Енерго-ощадшсть. Збалансоване природокористування», Льв1в, 28-29 травня 2009 р.: тези доповщей. - Льв1в, 2009.
