Вакуумная установка для исследования процессов физической сорбции Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 621.51

Вакуумная установка для исследования процессов физической сорбции

© С.Н. Прудников МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 105005, Россия

В данной статье приведено описание экспериментальной установки. Установка позволяет проводить исследования процессов адсорбции в широком диапазоне температур и давлений. Температуры могут изменяться от криогенного уровня до 500 K. Установка является универсальной и позволяет проводить исследования на различных адсорбентах по различным газам с использованием как стационарных, так и динамических методов.

Ключевые слова: установка, адсорбент, уравнение адсорбции, поток газа, термопара, тепловой регулятор расхода газа, коэффициент регенерации, степень заполнения.

Установка предназначена для изучения характеристик адсорбентов, работающих в условиях вакуума. Существующие установки для исследования адсорбентов [5], созданные применительно к задачам очистки газов, разделения на фракции и т.п., не позволяют проводить исследования в условиях, близких к работе вакуумных криоадсорб-ционных насосов, которые функционируют в диапазоне температур от 63 до 473K и давлений от 100 000 до 0,0001 Па. С помощью предлагаемой установки можно решить эту задачу.

На рис. 1 представлена схема вакуумной установки для исследования физической сорбции. Она состоит из адсорбционного блока 1, спроектированного на базе адсорбционного насоса НКС-100 [8]. В состав установки, кроме адсорбционного блока, входит масляный механический пластинчато-роторный насос 2НВР-5ДМ 13, имеющий следующие откачные характеристики:

• быстрота действия в диапазоне давлений 100 000...133 Па — 5,06 л/с;

• остаточное давление — 2 • 10 Па;

• число ступеней — 2.

На входном патрубке адсорбционного насоса установлен измерительный колпак 4 с регулятором расхода газа типа РРГ-9 5 и датчиками давления. Давление измеряется образцовым вакуумметром стрелочного типа 9, тепловым вакуумметром 8 и ионизационным вакуумметром 7. Температура измеряется термопарой хромель-копель, которая располагается во внутреннем сосуде. Показания термопары

□

Рис. 1. Схема вакуумной установки: 1 — адсорбционный блок; 2 — исследуемый адсорбент; 3 — ТЭН; 4 — измерительный колпак; 5 — РРГ-9; 6 — вторичный измерительный прибор; 7 — ионизационный вакуумметр; 8 — тепловой вакуумметр; 9 — вакуумметр стрелочного типа; 10 — потенциометр; 11 — калиброванный объем; 12 — течеискатель гелиевый; 13 — вращательный пластинчато-роторный насос; 14 — проходной вентиль; 15 —

термопара

в градусах Цельсия фиксируются на жидкокристаллическом экране потенциометра 10. Подача газа в насос производится из калиброванного объема, в качестве которого используется 15-литровый сферический сосуд 11. Нагрев адсорбента осуществляется с помощью ТЭНа 3, вставленного в горловину насоса. Мощность ТЭНа можно изменять с помощью лабораторного трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена к ТЭНу, а первичная — к сетевому напряжению 220 В. Стенд оснащен гелиевым течеискателем ТИ-14 12.

Представляет интерес экспериментальное определение постоянных уравнения адсорбции. Известно, что удельная поглотительная способность зависит от вида и температуры адсорбента, рода поглощаемого газа (адсорбата) и давления над адсорбентом (рабочего давления в вакуумной полости) [1]. Удельная поглотительная способ-

ность для заданных условий может быть рассчитана по термическим уравнениям адсорбции и определена графическим способом по изотермам адсорбции.

Вид термического уравнения адсорбции, которое необходимо использовать в расчете, определяется степенью заполнения адсорбента газом при рабочих условиях адсорбционного устройства (рабочем давлении Рраб и температуре адсорбента Та).

Степень заполнения для /-го газа при рабочих условиях может быть определена по следующей зависимости:

V.

0 = —, (1)

V-

'шах

где — удельная поглотительная способность адсорбента по /-му газу (адсорбату) при рабочих давлении и температуре, м3 • Па/кг; V — максимальная поглотительная способность по /-му газу (ад-

'шах ^ ^ 4

сорбату), м3 • Па/кг.

Значения максимальной удельной поглотительной способности промышленных угольных адсорбентов по различным газам приведены в табл. 1.

Таблица 1

Адсорбент Максимальная удельная поглотительная способность, vt , м3 • Па/кг, при адсорбции газов 'max

Азот Кислород Аргон Метан

СКТ-4 2,9 • 104 3,5 • 104 3,5 • 104 2,6 • 104

КУТ-М 1,6 • 104 1,9 • 104 1,9 • 104 1,4 • 104

Адсорбент Диоксид углерода Неон Водород Гелий

СКТ-4 2,0 • 104 6,4 • 104 4,7 • 104 4,8 • 104

КУТ-М 1,1 • 104 3,5 • 104 2,3 • 104 2,6 • 104

В области малых заполнений (при степени заполнения 9 < 0,15) удельная поглотительная способность адсорбентов определяется по уравнению Генри [2]:

( „ \

V = BtPt exp

VRTa J

(2)

где Б1 — постоянная адсорбции, зависящая от рода газа (адсорбата) и вида адсорбента, м3/кг; Р/ — равновесное давление над адсорбентом

(принимается равным рабочему давлению в вакуумной полости), Па; аI — адсорбционный потенциал (теплота адсорбции), Дж/моль; Я — универсальная газовая постоянная, Я = 8,314 Дж/(моль • К).

Значения постоянной адсорбции и адсорбционного потенциала для промышленных угольных адсорбентов по различным газам (ад-сорбатам) при температурах ниже критических приведены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование показателя Адсорбат

Азот Кислород Аргон Метан Водород Гелий

Постоянная адсорбции В/, м3/кг 1,0 • 10-3 5,0 • 10-3 1,4 • 10-2 2,0 • 10-5 3,0 • 10-1 1,0 • 10-1

Адсорбционный потенциал аj, Дж/моль 12560 9900 9630 16300 5000 585

В области средних и больших заполнений (при степени заполнения 9 > 0,15) удельная поглотительная способность адсорбентов может быть определена по уравнению Дубинина—Радушкевича [2]:

^о

V = V*ехр

Т 2 (

- А-Г Р2

Л2

р

' у

(3)

3 *

где — предельный удельный объем адсорбента, м /кг; V — константа, определяемая видом адсорбата, Па 1; А — константа пористой структуры адсорбента, К 2; р — давление насыщенных паров /-го газа (адсорбата) при температуре адсорбента Та, Па; Р1 — коэффициент аффинности.

Значения предельного удельного объема адсорбционного пространства Жа и константы пористой структуры А для углеродных адсорбентов приведены в табл. 3.

Таблица 3

Наименование показателя Адсорбент

СКТ-4 КУТ-М

Предельный удельный объем адсорбционного пространства, Жо, м3/кг (4,0...5,0) • 10-4 (2,7.2,9) • 10-4

Константа пористой структуры, А, К 2 (5,0...6,0) • 10-7 (3,0.4,0) • 10-7

*

Значения константы пористой структуры адсорбента V и коэффициента аффинности Р1 для различных газов (адсорбатов) при температурах ниже критических приведены в табл. 4.

Таблица 4

Адсорбат Наименование показателя

* 1 Константа ¥1 , Па- Коэффициент аффинности Р1

Азот 1,72 • 10-8 1,00

Кислород 1,42 • 10-8 0,90

Аргон 1,44 • 10-8 0,87

Метан 1,91 • 10-8 —

Диоксид углерода 1,91 • 10-8 2,30

Водород 1,19 • 10-8 —

Гелий 1,04 • 10-8 —

Расчет удельной поглотительной способности адсорбента по термическим уравнениям адсорбции может быть проведен в следующей последовательности. По уравнению Генри определяем удельную поглотительную способность адсорбента по данному газу при рабочем давлении и средней температуре адсорбента. По рассчитанной удельной поглотительной способности адсорбента определяется степень заполнения.

При степени заполнения 9 < 0,15 рассчитанная удельная поглотительная способность соответствует искомой удельной поглотительной способности в рабочих условиях.

При степени заполнения 9 > 0,15 производится перерасчет удельной поглотительной способности по уравнению Дубинина — Радуш-кевича. Удельная поглотительная способность, рассчитанная в соответствии с этим уравнением, справедлива в случае идеальной регенерации адсорбента. Для режимов регенерации, реализуемых в промышленных адсорбционных устройствах, истинная удельная поглотительная способность отличается от рассчитанной.

Истинная удельная поглотительная способность с учетом режима регенерации может быть определена по следующей зависимости:

Ч = Ррег Ч (4)

где Ррег — коэффициент регенерации для заданного режима регенерации.

Коэффициент регенерации определяется остаточным влагосо-держанием адсорбента.

При проектных расчетах коэффициент регенерации углеродных адсорбентов принимается следующим: при режиме регенерации, характеризуемом давлением менее 5 Па, температурой 80.100 °С и временем более 20 ч, значение коэффициента регенерации находится в диапазоне 0,94.0,96; при режиме регенерации, характеризуемом давлением менее 5 Па, температурой 20.60 °С и временем более 20 ч, значение коэффициента регенерации находится в диапазоне 0,8.0,9.

Для цеолитов, которые регенерируются значительно труднее углей, требуются более высокие температуры регенерации. Минимальной температурой регенерации для получения коэффициента регенерации на уровне 0,8 является 200 °С.

Для экспериментального определения постоянных, а именно, теплоты адсорбции и константы адсорбции, установка позволяет использовать два метода: постоянного объема [3] и постоянного потока [4]. Знание постоянных позволяет вычислить удельную поглотительную способность адсорбента — важнейшую характеристику, определяющую эффективность работы всего насоса. Приведенные выше значения относились к низким температурам, когда насос заливается жидким азотом. Для температур выше критических значения постоянных будут другими; они позволяют определять оптимальные значения температуры и давления при регенерации адсорбента.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Беляков В.П. Криогенная техника и технология. Москва, Энергоиздат, 1982, 272 с.

[2] Демихов К.Е., Панфилов Ю.В., ред. Вакуумная техника. Справочник. Москва, Машиностроение, 2009, 590 с.

[3] Брунауер С. Адсорбция газов и паров. Том 1. Физическая адсорбция. Москва, Гос. изд-во иностр. лит., 1948, 754 с.

[4] Цеолиты их синтез, свойства и применение. Сб. научных трудов 2-ого Всесоюзного совещания по цеолитам. Дубинин М.М., Плаченов Т.Г., ред. 1965, 396 с.

[5] Батраков Б.П., Гласов Б.В., Лавышев И.В. Автоматическое устройство для поддержания температуры и уровня жидкого азота. Вопросы атомной науки и техники. сер.: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент). 1989, вып. 3, с. 60-63.

[6] Исаев А.В., Кряковкин В.П. О бездренажном хранении криогенных жидкостей. Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология ООО НТЦ ТАТА. Саров, № 6, 2008.

[7] Исаев А.В., Куприянов В.И. Исследование взаимосвязи адсорбционных характеристик вакуумных цеолитов с температурой. Вопросы атомной науки и техники. Харьков, ХФТИ АН УССР, 1977, вып. 2 (8).

[8] Исаев А.В., Кряковкин В.П. Влияние встроенных адсорбционных насосов на оценку негерметичности. Проблемы криогенной техники. Сб. науч. тр. НПО Криогенмаш, 1988.

[9] Теория тепломассообмена. Леонтьев А.И., ред. Москва, Высшая школа, 1979, 495 с.

[10] Исаев А.В., Кряковкин В.П. К вопросу о расчете адсорбционных ловушек.

14 НТК «Вакуумная наука и техника». Москва, МИЭМ, 2007, с. 81-83.

[11] Батраков Б.П., Гласов Б.В., Лавышев И.В. Автоматическое устройство для поддержания температуры и уровня жидкого азота. Вопросы атомной науки и техники. сер.: Ядерно-физические исследования (теория и эксперимент), 1989, вып. 3, с. 60-63.

[12] Исаев А.В., Кряковкин В.П. О бездренажном хранении криогенных жидкостей. Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология ООО НТЦ ТАТА. Саров, № 6, 2008.

[13] Каганер М.Г. Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях. Москва, Энергия, 1979, 256 с.

Статья поступила в редакцию 31.05.2013

Ссылку на эту статью просим оформлять следующим образом: Прудников С.Н. Вакуумная установка для исследования процессов физической сорбции. Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 5. URL: http://engjournal.ru / catalog/machin/vacuum/752.html

Прудников Сергей Николаевич — канд. техн. наук, доцент кафедры «Вакуумная и компрессорная техника» МГТУ им. Н.Э. Баумана. e-mail: [email protected]