CC BY
3
УДК 661.183.2:66.092-97
Зо Е Наинг, Нистратов А.В., Клушин В.Н.
ПОГЛОЩЕНИЕ ПАРОВ Н-БУТАНОЛА ИЗ ПОТОКА ВОЗДУХА АКТИВНЫМ УГЛЕМ НА БАЗЕ ИСКОПАЕМОГО СЫРЬЯ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ТИДЖИТ
Зо Е Найнг - к.т.н., докторант, e-mail:zawye7@mail.ru. Нистратов Алексей Викторович - к.т.н., доцент, Клушин Виталий Николаевич - д.т.н., профессор.
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, 125047, Москва, Миусская пл., д. 9.
В статье раскрываются результаты аналитических исследований ископаемого угля месторождения Тиджит (Мьянма). Раскрываются результаты исследований процесса пиролиза данного сырья и активации водяным паром. Охарактеризованы побочные продукты названных стадий, кинетика и равновесие адсорбции полученными активными углями н-бутанола из его паровоздушных смесей. Ключевые слова: ископаемый уголь, пиролиз, активация паром, технические характеристики.
ABSORPTION OF N-BUTANOL VAPORS FROM THE AIR STREAM BY ACTIVATED CARBON BASED ON FOSSIL RAW MATERIALS OF THE TIGYIT DEPOSIT
Zaw Ye Naing. Alexey Viktorovich Nistratov, Vitaly Nikolaevich Klushin. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia. Moscow. Russia.
The article reveals the results of analytical studies of the fossil coal of the Tigyit deposit (Myanmar). The results of studies of the pyrolysis process of this raw material and activation by water vapor are disclosed. The by-products of these stages. the kinetics and the equilibrium of adsorption by the obtained active carbons of n-butanol from its vapor-air mixtures are characterized.
Keywords: fossil coal, pyrolysis, activation by steam, technical specifications.
Введение
Республика Союз Мьянма в настоящее время практически не располагает собственным производством активных углей [1], хотя ансамбль технологических и экологических проблем ее интенсивно развивающейся экономики
обусловливает все возрастающую необходимость их использования. Доступность же этих адсорбентов существенно ограничена их значительными ценами на мировом рынке [2], что в условиях развивающихся стран вызывает целесообразность изыскания решения проблемы путем вовлечения в их производство собственных сырьевых источников в виде ископаемых углей и широкой номенклатуры крупнотоннажных растительных отходов
деревообрабатывающих, сельскохозяйственных и пищевых производств [3].
Исследованиями авторов показана, в частности, возможность использования с названной целью добываемого в Мьянме открытым способом ископаемого угля месторождения Тиджит одним из наиболее традиционных путей переработки подобного сырья, заключающемся в дроблении его представительного образца, отсеве из продукта измельчения определенной фракции, ее пиролизе и активации водяным паром полученного карбонизированного материала [4]. Ряд структурно-адсорбционных и технических показателей целевых продуктов обеих термических операций охарактеризован в работах [5].
Эксплуатационные свойства полученного активного угля в прикладных областях его возможного применения требуют
экспериментальной оценки. Одной из таких областей
является широкая сфера глубокой газоочистки [6], в рамках которой данным адсорбентам принадлежит ведущая роль в решении, в частности, задач рекуперационного извлечения из газовых потоков и выбросов паров летучих органических растворителей (ЛОР) [7]. В этой связи в лабораторных условиях на проточной установке с пружинными весами Мак Бена [8] с использованием относительно безопасных паровоздушных смесей (ПВС) н-бутанола при комнатной температуре изучены кинетика и равновесие их поглощения образцом целевого продукта, полученного из названного сырья Мьянмы.
Указанный образец приготовлен пиролизом данного ископаемого угля (зерна фракции 3-5 мм, интенсивность нагревания 15 °С/мин до 800 °С, время изотермической выдержки при этой температуре 60 мин), активацией его карбонизата водяным паром (удельный расход пара 10 г на 1 г целевого продукта, интенсивность нагревания 10 °С/мин до 900 °С, длительность изотермической выдержки 30 мин) и высевом товарного продукта в виде зерен фракции 1 -2 мм.
Кинетику поглощения паров н-бутанола этим адсорбентом из потока ПВС, подаваемой в реактор с удельным расходом 2,5 л/(минсм2) с целью подавления влияния на процессы адсорбции фактора внешней диффузии [9]. Экспериментальная часть
Исследования процессов пиролиза сырья в виде зерен размером 3-5 мм выполнены на установке лабораторного масштаба, оснащенной стальным трубчатым реактором, размещенным в вертикальной цилиндрической электропечи, и средствами
контроля обеспечиваемой в нем температуры и управления ею, в области варьирования скоростей нагревания 5-20 °С/мин, предельных температур 650850 °С и времени выдержки при этих температурах 30-90 мин. Показатели карбонизированных продуктов оценены путем установления величин выхода, суммарной пористости по воде (Ух), объемов сорбирующих пор (Vs) по парам воды, тетрахлорида углерода и бензола, а также значений поглощения йода (12) и красителя метиленового голубого (МГ) из их растворов в зависимости от изменяемого параметра пиролиза при прочих идентичных условиях этого процесса. Совокупностью полученных результатов
констатировано, что целесообразное сочетание выхода и структурно-адсорбционных показателей целевого продукта обеспечивают интенсивность нагревания, конечная температура и длительность изотермической выдержки при ней, близкие 15 °С /мин, 800 °С и 60 мин, соответственно. Карбонизированный в этих условиях остаток характеризуют выход 39 %, величины V иVs по парам Н20,СС14,СбНб, поглощения 12 и МГ, составляющие соответственно 0,23, 0,12, 0,08, 0,07 см3/г, 311 и 260 мг/г.
При изучении описанным выше способом процесса активации такого карбонизированного остатка водяным паром в интервале удельных его расходов 5-15 г на 1 г целевого продукта, интенсивностей нагревания 5-15°С/мин, предельных температур 750-950 °С и времени выдержки при этих температурах 0-60 мин выявлено, что рациональное сочетание выхода и структурно-адсорбционных показателей целевого продукта обеспечивают удельный расход пара 10 г/г, интенсивность нагревания, конечная температура и длительность изотермической выдержки при ней, близкие 10
Таблица 1.
°С/мин, 900 °С и 30 мин, соответственно. Целевой продукт, образовавшийся в этих условиях, характеризуют выход к указанному карбонизату 52 %, величины V и Vs по парам Н2О, СС14, СбНб, поглощения 12 и МГ, составляющие соответственно 1,75, 0,27, 0,47, 0,39 см3/г, 610 и 263 мг/г.
Результаты изучения кинетики адсорбции паров н-бутанола из его паровоздушных смесей при 20 оС активным углем паровой активации характеризуют данные рис. 1._
-p/ps = 1 -p/ps ■ 0,8 -p/ps - 0,6 -p/ps ^0,5 -p/ps - iM -p/ps в 0.2
время, MIHI
Рис. 1. Кинетика адсорбции паров н-бутанола активным углем паровой активации из их ПВС различной концентрации
Данные рис. 1 указывают на технологически приемлемые показатели времени полного насыщения адсорбента в изученных системах и значительные его величины в области относительно низких р^.
Восходящие ветви охарактеризованных на рисунках 1 зависимостей, как и таковых, изученных в аналогичных условиях с использованием активных углей марок АГ-3 и СКО описывает формально привлекаемое уравнение а = А(1-е-Вт), значения коэффициентов А и В которого характеризует информация таблицы 1.
Величины коэффициентов А и В уравнения а = А(1-е-Вт)
Активный Значения коэффициентов А (числитель) и В (знаменатель) при Р/Рб
уголь 0,2 0,4 0,5 0,6 0,8 1
Активации 122,59/0,12 166/0,13 197/0,08 223/0,07 277,14/0,09 306,57/0,08
паром
АГ-3 168/0,20 - 254/0,21 - 263/0,22 279/0,22
СКО 80/0,05 139/0,04 157/0,04 167/0,04 197/0,05 208/0,05
Охарактеризованные сведения указывают, что интенсивность насыщения парами н-бутанола зерен сопоставленных активных углей указанной фракции закономерно зависит от их концентрации и качества адсорбента, в целом практически завершаясь в пределах 40 и 60 минут.
Построенные по данным предельного насыщения для кинетических зависимостей рисунков 1 равновесные кривые сопоставлены на рисунке 2 с изученными кривыми адсорбционного равновесия для названных выше активных углей.
Рис. 2. Изотермы адсорбции при 20 оС паров н-бутанола из его смесей с воздухом для активных углей марок СКО (▲), АГ-3 (■) и полученных из ископаемого угля паровой активацией (♦)
Данные отображенные в таблице на рис.2 очевидно демонстрируют, что активный уголь, полученный паровой активацией ископаемого угля месторождения «Тиджит» по своим характеристикам близок к заводскому углю марки АГ-3 и значительно превосходит уголь марки СКО. Это позволяет сделать вывод о целесообразности применения такого метода поучения активного угля для решения поставленных задач.
Формальное описание изотермы рис. 2, иллюстрируемое данными рис. 3, возможно с использованием уравнения вида а = К(Р/Р8)п, значения коэффициентов К и п которого составляют 317 и 0,6057, соответственно.
у = 0,6057х +2,477
-
I-1-1-р-1-1-1-1-в-1
-0,8 -0,7 -0,6 -0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 о log P/Ps
Рис. 3. Изотерма адсорбции при 20 оС активным углем паров н-бутанола из его ПВС в координатах уравнения log a= log K +n log (P/Ps)
Величины коэффициентов уравнений, формально описывающих изотермы рисунка 3, представлены в табл. 2.
Таблица 2. Величины коэффициентов _уравнения а = K(P/Ps)n
Коэффициент Значение коэффи активного циента для угля:
СКО АГ-3 ИУ (Пар H2O)
K 222 289 317
n 0,608 0,28 0,606
Активный уголь паровой активации, поученный из ископаемого угля потенциально может представлять собой представлять собой эффективный и конкурентоспособный агент для решения задач защиты окружающей среды. Прежде всего, это касается задач очистки воздуха от опасных компонентов промышленных выбросов, а именно
задач рекуперации паров летучих органических
соединений.
Заключение
Описанные технологические аспекты
переработки ископаемого угля месторождения «Тиджит» с применением процесса пиролиза и активации водяным паром, и дальнейшее использование полученных активных углей при улавливании паров н-бутанола из их смесей с воздухом представляют собой практически значимую информацию для оценки
целесообразности организации производства этих адсорбентов в условиях Республики Союз Мьянма.
Список литературы
1. Shifeng Dai, Robert B Finkelman. The importance of minerals in coal as the hosts of chemical elements // Int. J. Coal Geol., Volume 212, 1 August 2019, pp. 103251.
2. Мухин В.М., Тарасов А.В., Клушин В.Н., Активные угли России. 2000, 352 С. 48.
3.Сырьевой комплекс зарубежных стран. Мьянма [Электронный ресурс], режим доступа: http://www.mineral.ru/facts/world/116/145/index.html (дата обращения: 15.02.2019).
4. Зо Е Найнг, Эпштейн С.А., Нистратов А.В., Клушин В.Н. Петрографическое исследование ископаемого угля месторождения Тиджит как сырья для получения активных углей // Материалы V всероссийской научных конференции ( с международными участием) «Актуальные проблемы теории и практики гетерогенных катализаторов и адсорбентов» 30 июня - 2 июля 2021 года. Иваново, «Серебряный Плес», С. 68 - 70.
5. Зо Е Наинг, Нистратов А.В., Клушин В.Н. Условия термических переделов технологии активных углей на базе ископаемого угля месторождения Тиджит // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. Тр. Том. XXXV, У78 № 13(247). -М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева. 2021. С. 69 -72.
6. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты газоочистки. : Учеб. пособие/ А.Г. Ветошкин. -Пенза.: ПГУ, 2006. - 297 с.
7. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М.: Химия, 1984. - 592 с.
8. Малкин А.Я.,Чалых А.Е. Диффузия и вязкость полимеров. Методы измерения. М.: Химия. 1979. 301с.
9. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. М.: Изд-во АН СССР, 1962 - 250 с.
