CC BY
13В.В.Самонин, М.Л.Подвязников, А.Ю.Шевкина, М.С.Ченцов, Ю.Ю. Ивачев
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССАМИ СОРБЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ ЭНЕРГИИ
Приводятся сведения о конструкции сорбционных элементов, представляющих собой блочные сорбирующие материалы, в состав которых введены устройства для подвода и отведения энергии в различных формах. Иллюстрируется возможность применения данных конструкций в сорбционных процессах, управляемых тепловым, электромагнитным и световым воздействием на сорбирующие материалы различной природы.
Интенсификация технологических процессов, использующих сорбционные приемы, сопровождается постоянным поиском новых сорбирующих материалов и технологий их применения. При этом отмечается определенная тенденция в эволюции способов применения сорбирующих материалов и конструкционной организации последних.
Первым этапом развития сорбционной техники и, на сегодняшний день, самым распространенным методом применения сорбирующих материалов, является использование, так называемых, сорбционных систем первого поколения, к которым относятся адсорберы, снаряженные дроблеными, гранулированными и порошкообразными сорбентами [1]. Использование сорбентов в виде насыпной шихты имеет ряд негативных сторон, таких, как истираемость и пыление при эксплуатации, что приводит к необходимости введения в адсорберы дополнительных поддерживающих и поджимных устройств. Регенерация насыпной шихты сорбента тормозится низкой теплопередачей между гранулами сорбента друг с другом и поверхностью адсорбера через воздух, заполняющий пустоты или через точечные контакты.
Следующим шагом в модернизации методов применения сорбирующих материалов стало формование блоков, пластин, таблеток матричной структуры [2, 3] с помощью различных связующих материалов. Данный прием позволил упростить конструкцию адсорберов и выдерживать большие механические нагрузки на сорбирующий материал без разрушений и пыления. Использование блочного сорбирующего изделия вместо насыпной шихты, дает возможность интенсифицировать процесс регенерации, за счет снижения порозности слоя и трансформации точечных контактов в «шейки», соединяющие гранулы. Однако, блочные изделия, особенно, при значительных габаритах, недостаточно хорошо регенерируются. Для них, как для насыпной шихты, практически невозможным является управление процессами сорбции - десорбции.
Последним на сегодняшний день уровнем эволюции в разработке сорбционных процессов, является создание принципиально новых сорбционно-активных изделий, так называемых сорбционных систем третьего поколения. Они представляют собой блочные сорбирующие изделия, с введенным в объем материала устройством, для подведения энергии с целью управления сорбционно-десорб-ционными процессами. Принципиальная схема подобных сорбционных изделий представлена на рис. 1.
Для управления процессами сорбции-десорбции представляется возможным использование энергии в различных ее формах: от традиционной - тепловой, до нетрадиционной - акустической. Проводя чисто теоретические расчеты возможности применения различных форм энергии для управления сорбционными процессами, нужно не забывать о практическом воплощении этой идеи. При рассмотрении возможности применения различных форм энергии для этой цели, необходимо обращать внимание на следующий ряд вопросов практического использования:
- способ получения данного вида энергии;
- возможность доставки до регенерируемого материала;
- безопасность и экологичность процессов регенерации и сопутствующих процессов;
- есть ли разрушающее, изменяющее структуру при воздействии на сорбент;
- конструкционное исполнение;
- влияние на сопутствующие процессы иустройст-ва;
- экономическая сторона сорбционного процесса при использовании различных форм энергии (стоимость данного вида энергии);
- потери при подведении энергии;
- возможность осуществления циклического процесса.
Рис. 1. Принципиальная конструкция сорбционного изделия с элементом для подведения энергии.
С использованием конструкционного изделия, изображенного на рис. 1, разрабатываются варианты применения тепловой, электрической, световой и энергии электромагнитного поля для управления сорбционными процессами.
Использование тепловой энергии.
Использование тепловой энергии можно считать традиционным методом управления процессами сорбции десорбции. Например, термическая десорбция осуществляется путем нагревания слоя адсорбента при пропускании через него десорбирующего теплового агента (насыщенный или перегретый водяной пар, горячий воздух, инертный в данных условиях газ) или контактным нагревом слоя адсорбента (через стенку аппарата) с отдув-кой небольшим количеством инертного газа (например, азота). В результате этого, происходит выделение поглощенного компонента из адсорбента. Возможен также контактный, конвективный нагрев материалов, путем подвода энергии через жидкие теплоносители, характеризующиеся гораздо более высокой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплопроводности, что обеспечивает протекание процессов с меньшими энергетическими затратами.
Другим вариантом метода контактного нагрева сорбента через стенку теплообменника является передача тепловой энергии через теплопроводящий элемент, один конец которого обогревается теплоносителем, а второй отдает энергию сорбирующему материалу. Применение подобных конструкционных сорбирующих элементов может в значительной степени интенсифицировать процесс десорбции при отсутствии прямого контакта адсорбента и традиционного теплоносителя (газа или жидкости). В качестве источников тепла для регенерации возможно использование любых, не утилизируемых тепловых выбросов (например, газов и охлаждающих жидкостей двигателей внутреннего сгорания).
В ряде работ [4, 5] исследуются возможности конструирования и применения сорбирующих изделий натеп-лопроводящих элементах, а также анализируется влияние замены насыпной шихты на блочный сорбент, представленный композиционным сорбирующим материалом (КСМ) [2, 3]. При этом, наблюдается увеличение коэффициента теплопередачи и, как следствие, скорости и температуры разогрева сорбента, что объясняется повышением объемного коэффициента теплопроводности и является следствием меньшей порозности слоя сорбента и большей поверхности теплообмена между гранулами в изделии. Воздух, распределенный между частицами насыпной шихты, имеет низкий коэффициент теплопередачи, тогда как в блочном материале это пространство сведено к минимуму. Показано [6], что закрепление сорбирующих изделий натеплопроводящем элементе позволяет не только существенно упростить конструкцию, но и ускорить разогрев материала и увеличить температуру в слое сорбента в среднем на 16 %. За счет этого равновесная степень десорбции возрастает в среднем на 12 %.
Для подвода, передачи, распределения в объеме сорбирующего материала данного вида энергии могут использоваться различные элементы в виде пластин, стержней, разветвленных систем, изготовленных из таких металлов с большим коэффициентом теплопроводности и теплоотдачи, как алюминий и медь. Подобные конструкционные сорбирующие элементы могут в значительной степени интенсифицировать процесс десорбции при отсутствии прямого контакта адсорбента и теплоносителя, а также процессы адсорбции, при отведении тепла, выделяющегося при поглощении сорбата сорбентом.
Конструкция подобного сорбционного узла, с помощью которого моделировались различные условия протекания данного процесса, приведена на рис.2.
Исследование характеристик подобной конструкции было проведено при использовании в качестве пористого наполнителя КСМ силикагеля марки КСК-2,5; связующий материал - золь кремневой кислоты; адсорбат - вода. Теплопроводящее устройство изготовлено из меди.
Следующий пример иллюстрирует применение двух вариантов теплопроводящих устройств: стержня круглого сечения и плоской прямоугольной пластины, что позволило определить лимитирующую стадию передачи тепла от теплоносителя сорбенту. В табл. 1 приведены массога-баритные характеристики элементов и шихты сорбента, регенерируемой с их использованием.
Таким образом, табл. 1 иллюстрирует геометрическую разницу между теплопроводящими устройствами. Теплопроводящий, круглый стержень характеризуется от-
оа1 е1 а1 е ]
Рис. 2. Схема сорбционного элемента для управления процессами сорбции с использованием теплового воздействия.
оа1 е1д д! ад.ауи ее уеа! а1 о
» 1 аеапои а1 оа
Конфигурация теплопроводящего устройства Теплопроводящее устройство Шихта Бэ/Пэ Бш/Бэ Пэ/Бш
Пэ, см2 Бэ, см2 Геометрические характеристики Бш, см2 см2/см2
Стержень (круглое сечение) 26,38 1,12 0 = 1,2 см 11,4 0,042 10,2 2,31
Пластина (прямоугольное сечение) 9,8 0,035 = 0,5 мм Ь2 = 7 мм 2,22 0,004 63,3 4,41
где Sэ - площадь сечения теплопередающего устройства, через которое передается необходимая для регенерации адсорбента тепловая энергия;
Пэ - площадь, через которую энергия передается к регенерируемой шихте;
Sш - площадь сечения сорбента;
Sш/Sэ - соотношение объема нагреваемой шихты адсорбента и объема используемого для этой цели нагревательного устройства (посредством сравнения соответствующих площадей сечения, так как длина теплопроводящего устройства и слоя адсорбента одинакова и равна 7 см).
носительно высоким значением Бэ/Пэ (0,042), что предполагает возможность передачи большого количества тепла по проводнику, при недостаточно неразвитой поверхности контакта с сорбентом (Пэ/Бш = 2,31). Соответственно, удельное количество регенерируемого сорбента на единицу поверхности сечения невелико (8ш/Бэ = 10,2).
Произведенные расчеты показывают, что коэффициент использования подводимого тепла для конструкции, в состав которой входит теплопередающее устройство в виде плоской пластины прямоугольного сечения характеризуется более высоким значением коэффициента использования подводимого тепла (0,78) по сравнению с аналогичным значением (0,59) для системы, в которой использован элемент круглого сечения. Это объясняется более значительными затратами энергии непосредственно на нагрев самого теплопроводящего устройства, по сравнению с элементом в виде пластины (табл. 2).
Полученные результаты позволяют говорить о целесообразности использования для данной цели теплопе-редающих конструкций минимального сечения, предпочтительно в виде плоских пластин малой толщины.
Также важным представляется определение оптимальной формы сорбента. Предварительная оценка показала наличие, так называемых, «мертвых зон» сорбента (рис. 2), т. е. областей, которые не прогреваются в достаточной степени, для протекания процесса десорбции. Практическое изучение распределения температур в слое сорбента при осуществлении тепловой десорбции подтвердило данный вывод. Найдено, что угол наклона изотермических линий в слое сорбента при установившемся тепловом режиме приближается к 45°, что позволяет давать рекомендации по изготовлению сорбирующего блока с сечением в виде треугольника с углами при основании 45° (рис. 3) [7].
Электромагнитное управление процессами сорбции-десорбции.
Другим способом управления процессом сорбции-десорбции является создание сорбирующих конструкций, составной частью которых является источник электромагнитного поля (ЭМП) различного рода. Для данной цели могут быть использованы поля соленоида, плос-
кого и искривленного конденсатора, постоянного магнита различной конфигурации и т. п. [8-11]. Примеры конструкций подобных изделий приведены на рис. 4.
Применение электромагнитных воздействий для ускорения различных химических, физических и физико-химических процессов широко известны и используются в различных областях промышленности, науки и техники. Известно, что взаимодействие сорбентов ссорбатами различной природы при адсорбции происходит за счет взаимодействия (универсального дисперсионного или специфического, например, электростатического) молекул адсорбата и активных центров сорбента, например, функциональных групп, обладающих тем или иным зарядом. В свою очередь, вещества - сорбтивы обладают собственными электрическими и магнитными параметрами. Исходя из этого, можно предположить наличие значительного влияния накладываемого внешнего электромагнитного поля на сорбционные процессы.
Ниже приведены примеры интенсификации десорб-ционных процессов путем воздействия электрического поля (ЭП) конденсатора на образец крупнопористого си-ликагеля, импрегнированного гигроскопическими хлоридами кальция и лития (промышленный сорбент ОСГ).
Полученные результаты представлены на рис. 5 в виде зависимостей степени регенерации сорбента от времени и температуры регенерирующего воздуха, продуваемого через шихту сорбирующего материала, в контрольных условиях и с использованием электрического поля (ЭП).
Как хорошо видно, проведение регенерации при 120 0С без использования ЭП, дает возможность завершить процесс со степенью регенерации 100 % за 90 мин. Применение ЭП снижает время достижения данной степени регенерации до 60 мин, т. е. на 30 %. Для ряда технологических процессов не требуется достижение глубокой осушки воздуха, в связи с чем, регенерация сорбента может осуществляться до более низких величин, например, до 80%. В приведенном примере, достижение 80%-ной регенерации, при температуре 120 0С, без наложения ЭП, наблюдается при длительности процесса равной 50 мин. Использование жеЭП позволяет снизить продолжительность процесса до 27 мин, т. е. на 45 %. Данный график наглядно показывает, что кривая зависимости степени Таблица 2 - Удельный вклад затрат тепловой энергии в процесс регенерации адсорбента при использовании
теплопроводящих устройств различной конфигурации, кДж.
Конфигурация теплопроводящего устройства Рдес Рводы Рсорб Рэл-та Рпотерь Рпол Робщ ъ
Стержень (круглое сечение) 5,61 2,50 2,76 3,40 4,30 10,9 18,6 0,59
Пластина (прямоугольное сечение) 1,90 0,85 0,92 0,08 1,13 3,67 4,88 0,78
Рис. 3. Сорбционный элемент, с устройством для подведения тепловой энергии, с оптимальной формой сорбирующего изделия.
Рис. 4. Сорбционные элементы с источниками ЭМП: А - поле соленоида, Б - поле конденсатора.
100
80
60
40
20
■160
■140 ■120
-о--- 120(У1 )
100
Рис. 5. Выходные динамические кривые регенерации ОСГ в ЭП.
регенерации сорбента от времени при температуре 120 0С и наложении ЭП, расположена между аналогичными кривыми для температур 140 0С и 160 0С без использования ЭП, и практически соответствует зависимости степени регенерации сорбента при 150 0С без приложения ЭП. Таким образом, для данного примера выигрыш составил 30 градусов, что значительно снижает вероятность возгонки и попадания хлоридов гигроскопических солей в воздух, подающийся на регенерацию сорбента, а также дает определенные экономические выгоды.
Исследование динамики десорбции паров воды потоком нагретого воздуха в условиях наложения ЭМП соленоида проводилось насиликагелях КСМ-6 и КСМГ при различной высоте слоя L (табл. 3).
Характер зависимости достигаемого эффекта от напряженности внешнего электромагнитного поля носит экстремальный характер. Наибольшая эффективность процесса отмечалась при напряженности поля Н = 3 кА/м. Процесс десорбции при этом осуществлялся, по времени полной регенерации, на 17 - 44% быстрее. Однако на глубину регенерации силикагеля ЭМП соленоида не повлияло.
Совместное воздействие на процессы сорбции-десорбции тепла и электромагнитного поля.
Другим вариантом нагревательного устройства, внедренного в состав сорбционного элемента, является применение, например, нихромовой электронагревательной нити, встроенной в сорбирующее изделие. Для изучения процесса электротепловой регенерации был сконструирован сорбционный элемент, представленный на рис. 6.
Сорбционный элемент представлял собой параллелепипед, со сторонами 4x4x8 см. В качестве композиционного материала использовался крупнопористых сили-кагель марки КСКГ, организованный в изделие с помощью матрицы на основе полиакриламида (ПАА). Масса элемента в регенерированном состоянии составляла 40 г. Масса сорбированной воды равнялась 32 г. В качестве нагревательного элемента в данное сорбционное изделие была вмонтирована нихромовая спираль, диаметром 0,3 мм. Подбором параметров пропускаемого электрического тока в сорбционном элементе обеспечивалась температура 100 0С, при которой, через изделие осуществлялось пропускание воздуха с целью отвода де-сорбирующейся воды. Проведение процесса регенерации в течение 40 мин., позволило снизить содержание воды в изделии до 2 г. Для этого же сорбирующего изделия, продувка воздухом, с аналогичным влагосодержани-ем, стемпературой 100 0С, в течение 40 мин. привела к снижению содержания воды в материале только до 17 г. Эта разница, объясняется недостаточно интенсивным прогревом изделия, с использованием газооб-
0
Таблица 3 - Десорбция паров воды на силикагелях КСМ-6 и КСМГ в ЭМП соленоида.
Сорбент Ь, см Н, кА/м Длительность регенерации, мин
ЭМП Контрольный
КСМ-6 2,5 1,5 100 105
КСМ-6 2,5 3,0 90
КСМ-6 2,5 6,0 100
КСМГ 2,5 3,0 90 130
КСМГ 3,0 3,0 140 185
разного теплоносителя, по сравнению с процессом регенерации, с применением контактного нагрева спиралью.
В перспективе возможно совместное использование положительного влияния электромагнитного поля и теплового нагрева на процессы десорбции, созданием оптимальной конструкции сорбционного элемента, путем повышения количества витков нихромовой спирали (рис. 7), с целью увеличения напряженности создаваемого ЭМП и, следовательно, интенсификации протекающего процесса. Увеличивая количество витков электронагревательной нити, при пропускании меньшего количества тока, можно достичь лучшего результата, что является хорошим экономическим решением. Но применение таких систем не может осуществляться в чувствительных к раз-
9 9
Рис. 6. Схема сорбционного элемента с электронагревательным устройством.
личным слабым электромагнитным полям системах, например, в электронных блоках.
Воздействие на процессы сорбции-десорбции
световым излучением.
В настоящем разделе световое воздействие рассматривается отдельно от широкого спектра электромагнитных воздействий. Это специфически используемый вид энергии. В силу своего строения не на многие адсорбенты можно оказывать влияние в процессах сорбции-десорбции наложением света различных длин волн. Частным случаем сорбента, на котором возможно осуществлять направленное управление процессами сорбции-десорбции путем изменения длины волны облучающего их света, являются фуллеренсодержащие материалы (табл. 4) [12].
Снятие освещения приведет к десорбции при отсутствии соответствующего гистерезиса [13]. Такие свойства
Рис. 7. Схема сорбционного элемента для создания совместного теплового и электромагнитного воздействия
на сорбирующий материал.
фуллереновых сорбирующих материалов могут найти применение при создании сорбционных элементов для реализации управляемых процессов сорбции - десорбции путем изменения параметров воздействующих на сорбирующий материал световых потоков.
Для передачи энергии в световой форме, в сорбци-онном элементе должно использоваться светопроводя-щее устройство, представляющее собой световод различных конструкций. Конструкция подобного сорбционного элемента приведена на рис.8.
В данном случае в качестве наполнителя сорбирующего блочного изделия, нанесенного на светопроводя-щую пластину, использована фуллереновая сажа с содержанием фуллеренов 8,0 %, организованная в изделие с применением полимерного связующего фторопласта Ф-4. Световая энергия направлялась в сорбционную систему посредством пропускания света через световод, изготовленный из оптического стекла толщиной 2,9 мм. Сорбат - бензол.
Как видно из табл. 5, проведение процесса в условиях передачи световой энергии по световоду приводит к повышению сорбционной емкости материала в 1,6 -2,3 раза. Таким образом, изменением освещенности материала, можно управлять процессами сорбции - десорбции на углеродных материалах фуллероидного типа.
Выводы
Как следует из всех приведенных данных, использование сорбционных изделий, содержащих элементы для подвода энергии в различных формах, позволяет направленно регулировать течение сорбционно-десорбционных
Таблица 4 - Влияние света видимого спектра с различной длиной волны на сорбци-онную емкость
углеродсодержащих материалов по бензолу, г/г.
Образец Характеристика светового спектра
Без света Красный Фиолетовый Белый УФ
Фуллерены 0,03 0,12 0,22 0,30 0,35
Фуллереновая сажа 0,07 0,09 0,24 0,36 0,40
СКТ-6А 0,39 0,40 0,40 0,40 0,41
Таблица 5. Величина сорбционной емкости сорбирующих материалов в составе сорбционных элементов в различных условиях. Время эксперимента - 24 часа.
Условия проведения эксперимента Величина сорбции, г/г при толщине слоя сорбента:
0,5 мм 2,0 мм
Отсутствие освещения 0,32 0,21
Освещение 4 диодами 0,50 0,44
Рис. 8. Сорбционный элемент со встроенной светопроводящей пластиной.
процессов. При этом сорбционные блоки могут располагаться в трудно доступных местах систем, в условиях плотной компоновки оборудования.
Следует отметить, что данные работы находятся в постановочной стадии и полученные результаты, несомненно, далеко не являются предельными. Как показывает опыт работы с подобными материалами при прямом подведении и снятии светового воздействия, эффект изменения величины поглотительной емкости материалов может быть гораздо значительнее.
Библиография
1. Н. В. Кельцев Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. - 592 с.
2. В. В. Самонин, Л. В. Григорьева, В. В. Далидо-вич Композиционные сорбирующие материалы на основе неорганических адсорбентов и связующих. ЖПХ, 2001, т.74, вып.7, с.1084-1090.
3. В. В. Самонин, Н. Ф. Федоров К вопросу обоснования подбора исходных компонентов для получения композиционных сорбирующих материалов по технологии наполненных полимеров. ЖПХ, т.70, № 1, 1997, с.51-54.
4. В. В. Самонин, Ю. Ю. Ивачев Исследование сор-бционного теплопроводящего насоса испарительного водяного холодильника. // Химическая промышленность.-2003. - т. 80, № 11.- С. 574 - 580.
5. Ю. Ю. Ивачев, В. В. Самонин Разработка компо-
зиционного, сорбционно-активного изделия для адсорбционного водяного холодильника. // Экология. Экономика. Энергетика. Выпуск 7. Радиационная химическая и экономическая безопасность. Сборник научных трудов.
- СПб.: Изд. Менделеев, 2003. - с. 89-94.
6. Ю. Ю. Ивачев Разработка сорбирующего тепло-проводящего изделия на основе полимерной матрицы с неорганическим сорбентом- наполнителем. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 02.00.21 - Химия твердого тела, СПбГТИ (ТУ), С-Пб, 2006, 125 с.
7. В. В. Самонин, Ю. Ю. Ивачев, М. Л. Подвязников, А. Ю. Шевкина, Л. В. Григорьева. Исследование процессов регенерации сорбирующих материалов путем передачи энергии по теплопередающему элементу. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ. 2006. Вып. № 9, с. 30 - 35.
8. В. В. Самонин, М. С. Ченцов ''Влияние электромагнитных воздействий на процесс адсорбции паров воды на силикагелях». - Современные естественнонаучные основы в материаловедении и экологии: сборник научных трудов.- Санкт-Петербург: ПГУПС (ЛИИЖТ), 2000. - с. 130-137.
9. В. В. Самонин, М. С. Ченцов «Интенсификация адсорбционно-десорбционных процессов внешними электрофизическими воздействиями (ВЭФВ)».- Актуальные проблемы теории адсорбции, модифицирования поверхности и разделения веществ. Материалы VII Всероссийского симпозиума сучастием иностранных ученых. -Москва: РАН, 2002. с.79.
10. В. В. Самонин, М. С. Ченцов Исследование влияния электромагнитных воздействий на процесс адсорбции паров бензола на углях ПАУ и ФАС. // Экология. Экономика. Энергетика. Выпуск 5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. - СПб.: Изд. Менделеев, 2002. - с. 132-137.
11. В. В. Самонин, М. С. Ченцов Исследование влияния электрофизических воздействий на сорбционно-де-сорбционные процессы в газовой фазе - Материалы IV международной научно-технической конференции «Тех-нохимия-2002». - С-Пб:, 2002. с.19-20
12. В. Ю. Никонова, Е. А. Спиридонова, А. Ю. Шевкина Получение и применение высокоактивных адсорбентов на основе наноструктурированных углеродных кластеров. // Индустрия наносистем и материалы. Всероссийская конференция инновационных проектов аспирантов и студентов: Материалы конференции. - М.: МИЭТ, 2005
- с. 126-131.
13. М. Л. Подвязников, Самонин В.В, В. Ю. Никонова, Е. А. Спиридонова, А. Ю. Шевкина Перспективные направления применения сорбционных материалов на основе фуллеренов. Тезисы. // Х Международная конференция. Теоретические проблемы химии поверхности, адсорбции и хроматографии. 24 - 28 апреля 2006 года. М.
- Клязьма. - с. 69
