CC BY
25
AZ9RBAYCAN KIMYA JURNALI № 4 2016
95
УДК 66.074.7
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА АДСОРБЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ
А.С.Байрамова, Ф.В.Юсубов
Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности
aygun. Ь 74@ma.il. ги Поступила в редакцию 20.06.2016
Работа посвящена определению диффузионных параметров адсорбционной очистки природных газов. Разработана математическая модель процесса, которая состоит из дифференциальных уравнений частных производных. На основе математической модели определены диффузионные параметры процесса. Установлено, что численные значения коэффициента диффузии увеличиваются в следующей последовательности: N0*, С02, И28.
Ключевые слова: природный газ, адсорбционная очистка, диффузионные параметры, цеолит ЫаХ.
Введение
Представители 195 стран поддержали новое рамочное климатическое соглашение ООН, которое закрепляет основные принципы и архитектуру глобальных действий на период с 2020 г. Указанное соглашение требует внедрение работ в промышленные предприятия, и в первую очередь отчетность о выбросах парниковых газов и внедрение наилучших доступных технологий [1, 2].
В свете сказанного особая роль отводится процессам очистки природных газов, в частности, адсорбционным процессам в неподвижном слое адсорбента. Важным показателем адсорбционного процесса является высота работающего слоя [3]. Увеличение скорости потока, исходной концентрации адсорбтива, температуры процесса и диаметра зерен сопровождается возрастанием высоты работающего слоя [4]. Высота слоя адсорбента лимитируется его сопротивлением и прочностью гранул адсорбента [5]. Увеличение высоты слоя адсорбента улучшает показатели установки. Однако до определенного предела - при высоте слоя более 10 м растет гидравлическое сопротивление.
Данная работа посвящена определению диффузионных параметров адсорбционной очистки природных газов. Для очистки природного газа применяются более 20 разновидностей процессов. Среди них особую актуальность приобретает поглощение И2Б, СО2 и N0* адсорбентами (цеолитами), основанное на физической адсорбции.
Экспериментальная часть
При движении смеси веществ через адсорбер, заполненный адсорбентом, образуются фронты концентрации каждого компонента смеси. Разделение веществ осуществляется за счет различия во времени удерживания молекул смеси в неподвижной фазе. Характер движения и размывания фронтов зависит от изотермы адсорбции и от факторов неидеальности процесса, т.е. от конечной скорости установления равновесия между веществом в подвижной и неподвижной фазах (кинетическое торможение).
Перепад давления слоя [5] определяется по формуле:
2 (1)
л GLr
Ар = ~сТ
иэ V
770 ц + 10.6 G
К Р ) ё где Ар - перепад давления в слое адсорбента, Па; й?э - эквивалентный диаметр частиц; р -плотность газа, кг/м3; Ь - длина слоя, м; G - массовая скорость газа, кг/с; | - вязкость газа, Пуаз.
Нами определены оптимальные значения перепада давления в слое адсорбента. Оптимальное значение перепада давления Ар, гарантирующего полное поглощение И2Б, С02 и N0^ изменяется в пределах 17.64-19.81 кРа. На основе математической модели [3] определены также высоты работающего слоя по формуле:
5 = и 2Ь + С01п СР-с
в Co
C
где и - линейная скорость потока, м/с; Р -суммарная константа скорости внешней и внутренней диффузии сорбирующего вещества, м/с; С0 - начальная концентрация ад-сорбтива, ммоль/г; С - концентрация веще-
ства у поверхности адсорбента (регистрируемая как проскок), ммоль/г.
Расчет по модели [3] с использованием полученной нами экспериментальной изотермы адсорбции и кинетики на синтетическом цеолите №А показал, что высота слоя адсорбента равна 5.37 м, диаметр адсорбера - 3.69 м, работающего слоя адсорбента - 142 см. Эти значения гарантируют полное поглощение И28, СО2 и N0*.
6
теплообмена адсорбируемого вещества
1,м
Рис. 1. Кривая распределения поглощенного вещества по высоте слоя адсорбента.
Рис. 2. Выходная кривая процесса адсорбционной очистки природного газа.
Нами на основе наших экспериментальных данных и теоретических предпосылок разработана математическая модель процесса тонкой адсорбционной очистки природных газов.
Модель включает в себя следующие уравнения:
массообмена адсорбируемого вещества
X 1( 2дТЛ дг у
дТ _ дт Са г кинетики адсорбции
1 да1 _ 1 д л дг
да
до
дт
Д дт г'
V
дг
(4)
у
Здесь - коэффициент диффузии, см /мин; q - теплота адсорбции, Дж; аа -объемный коэффициент теплоты,
Вт/м3К;
X - коэффициент теплопередачи, Вт/м2К; Т -температура, Са - теплоемкость адсорбента, г - радиус зерна адсорбента, м; С - концентрация адсорбтива, мас.%; а - концентрация адсорбата, мас.%; 9 - текущая температура, С; т - время, мин.
При проведении расчетов, оптимизации и проектирования адсорбционных процессов важную роль играют значения коэффициентов диффузии, которые определяются по закону Фика:
дХ
т = -Д.^р-
дт
(5)
где р - плотность, Х - концентрация адсорбата, Г - поверхность пор адсорбента.
Численные значения коэффициента диффузии В1 в зависимости от времени приведены в табл. 1.
Таблица 1. Зависимость коэффициента диффузии Di от времени
т, мин СО2 N0.
Коэффициент диффузии D1 10-15, см2/мин
20 240 178 31
40 202 144 28
60 189 116 22
80 173 94 19
100 154 88 16
120 126 57 15
140 99 42 13
160 68 36 11
180 35 25 8
200 12 7 3
дО (г, т) __1_ д
дт г2 дг
г = 1,3,
г 2к ( Сг)
дСг (г, т) дг
(2)
А.С.БАЙРАМОВА, Ф.В.ЮСУБОВ
97
Таблица 2. Численные значения коэффициентов диффузии Б, при различных значениях высоты слоя адсорбента (для И28)_
х, мин 50 100 150
Высота работающего слоя, см, Д--10"15, см2/мин
20 135 240 336
40 117 202 314
60 97 189 298
80 81 173 267
100 69 154 230
120 54 126 206
140 38 99 171
160 24 68 114
180 11 35 52
200 4 12 27
Из табл. 1 видно, что в зависимости от времени значения коэффициента диффузии Б, изменяются в широких пределах.
Определены также коэффициенты диффузии Б, при трех значениях высоты слоя адсорбента - 50, 100, 150 см. Численные значения коэффициентов диффузии Б, при указанных трех значениях высоты слоя адсорбента приведены в табл. 2. Из данных табл. 2 видно, что с увеличением высоты слоя адсорбента значение коэффициента диффузии Б, существенно возрастает.
Как видно из 3D рис. 3-5, численные значения коэффициента диффузии Б, изменяются в широких переделах (3-240 10-15, см /мин). На рис. 3-5 Х - время, У - высота работающего слоя адсорбента и Ъ - значения коэффициента диффузии Б,. Численные значения коэффициента диффузии Б, увеличиваются в следующей последовательности по компонентам смеси: N0*, СО2, И2Б. Самое высокое численное значение коэффициента диффузии БI имеет И2Б, а самое низкое -N0*. Следовательно, по высоте адсорбера также изменяются значения технологических параметров адсорбционной очистки природных газов, определяющих оптимальный режим процесса. Это, безусловно, необходимо учитывать при проектировании и оптимизации самого процесса.
3D Graph 1
^^В 0
I I 50
I I 100 I I 150 I I 200 I I 250 I I 300
Рис. 3. Численные значения коэффициента диффузии Б{ по ИД
3D Graph 2
| I 0
^^т 20
I I 40 I I 60 I I 80
I I 100
I I 160 I I 180 I I 200
Рис. 4. Численные значения коэффициента диффузии Бг по СО2.
3D Graph 3
200 180 160 140 120 3 100 80 60 40 20
2
I'D,
Рис. 5. Численные значения коэффициента диффузии Di по N0..
Результаты и их обсуждение
В результате проведения экспериментов были сделаны соответствующие выводы.
1. Разработана математическая модель адсорбционной очистки природных газов. Определены конструкционные параметры процесса (высота работающего слоя).
2. Найдены коэффициенты диффузии Di при различных значениях высоты слоя адсорбента. Показано, что с увеличением высоты слоя адсорбента значение коэффициента диффузии Di существенно возрастает. Численные значения коэффициента диффузии Di увеличиваются в следующей последовательности по компонентам смеси: N0., СО2, И2Б. Самое высокое численное значение коэффициента диффузии Di имеет И2Б, а самое низкое -Шх.
Список литературы
1. Конференция ООН по проблемам климата. Париж 12.12.2015.
2. Одум Ю. Основы экологии. М.: Наука, 1995. 477 с.
3. Юсубов Ф.В., Ахундов Е.А, Зейналов Р.И., Кулиева Л.Э. Математическое описание процесса адсорбции этилбензола из раствора с н-тетрадеканом // Изв. высших технических учебных заведений Азербайджана. 2005. № 3. С. 25-27.
4. Горбатенко Ю.А. Адсорбция примесей токсичного газа из загрязненного воздуха. Екатеринбург Уральск. гос. лесотехнич. Ун-т УГЛТУ. 2014. С. 47.
5. Владимиров А.И., Молоканов Ю.К., Скобло А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопе-реработки и нефтехимии. М.: Недра, 2000. 677 с.
TOBii QAZLARIN ADSORBSiYA iLO TOMiZLONMOSi PROSESiNiN DiFFUZiYA
PARAMETRLORiNiN TOYiNi
A.S.Bayramova, F.V.Yusubov
i§ tabii qazlann adsorbsiya usulu ila tamizlanmasi prosesinin diffuziya amsalinin tayin edilmasina hasr edilmi§dir. Tabii qazlann adsorbsiyasi prosesinin riyazi modeli yaradilmi§dir. Riyazi model xususi toramali diferensial tanliklardan ibaratdir. Yaradilmi§ riyazi model asasinda prosesin diffuziya parametrlari tapilmi§dir. Hamginin tayin edilmi§dir ki, diffuziya amsallarinin adadi qiymatlari Dt a§agidaki ardicilliqla artir: NOx, CO2, H2S.
Agar sozlar: tabii qaz, adsorbsiya tamizliyi, diffuziya parametribri, seolit NaX.
DETERMINATION OF DIFFUSIVE PARAMETERS OF THE PROCESS OF ADSORPTIVE PURIFICATION OF THE NATURAL GASES
A.S.Bayramova, F.V.Yusubov
The work is devoted to determination of diffusion parameters of adsorption purification of natural gases. The mathematical model of adsorption process of natural gases has been developed, which consists of differential equation of exceptional derivatives. On base of mathematical model diffusion parameters of the process have been determined. It established, that a numerical values of diffusion coefficients Dt increase in following sequence: NOx, CO2, H2S.
Keywords: natural gas, adsorption purification, diffusion parameters, zeolite NaX.
