CC BY
24УДК 621.31
В.В. Самонин1, М.Л. Подвязников2, А.Ю. Шевкина3, А.А. Тарасова4
ВЛИЯНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ПРОЦЕСС СОРБЦИИ ПАРОВ ВОДЫ НА СИЛИКАГЕЛЕ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), 190013, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 26
В работе изучено влияние электромагнитных воздействий на сорбцию паров воды на насыпной шихте силикагеля в процессе осушки потока воздуха. На примере системы «силикагель - вода» рассмотрено влияние электромагнитного поля (ЭМП) соленоида на протекание сорбци-онного процесса, в значительной степени зависящее от исходной влажности воздуха. Показано, что при относительной влажности входящего потока воздуха до 27 %, наблюдается увеличение времени защитного действия слоя сорбента при использовании соленоидального ЭМП. При исходной влажности потока более 27 % отмечено отрицательное влияние поля, выраженное снижением времени защитного действия. Также показано, что зависимость изменения времени защитного действия слоя силикагеля от исходной влажности воздуха в ЭМП имеет экстремальный характер.
Ключевые слова: адсорбция, электромагнитное поле, соленоид, силикагель, влажность
Введение
Адсорбция является универсальным методом, позволяющим почти полностью извлекать различные примеси из газовых и жидких сред. Так адсорбционный метод осушки газовых сред от паров воды широко используются во многих отраслях промышленности [1]. Например, глубокая осушка природного газа с помощью адсорбентов устраняет образование пробок в газопроводах. Наиболее эффективная осушка воздуха перед его низкотемпературным разделением достигается помощи адсорбентов. Также адсорбенты используются для создания защитных атмосфер при сварке и термообработке ответственных изделий в машиностроении и приборостроении. Для осушки газовых сред могут применяться различные адсорбенты с развитой внутренней поверхностью: силикагели, цеолиты, активный оксид алюминия и т.д.
Развитие сорбционной технологии связано как с созданием новых сорбирующих материалов, так и с модернизацией существующих технологических процессов. Создание новых видов сорбирующих материалов заключается в получении новых материалов (переход от дисперсных монокомпонентных материалов к блочным - композиционным), а также в усовершенствовании конструкций изделий сорбционной техники. В этом случае отмечается тенденция перехода от насыпной шихты, представленной дроблеными, гранулированными или порошкообразными сорбентами, к блочным изделиям и далее к сорбционным устройствам, включающим в свой состав блочные изделия со встроенными устройствами для подведения энергии с целью управления процессами сорбции-десорбции [2, 3].
При проведении сорбционных процессов необходимо учитывать как особенности сорбента и поглощаемого вещества, так и возможность применения внешних воздействий, позволяющих управлять этими процессами. Для этих целей возможно использование энергии в различных формах: от тепловой до акустической. Ранее были проведены работы, в которых рассматривалась возможность применения таких форм энергии как световое излучение,
тепловая энергия и энергия ЭМП [2-4]. При выборе какой-либо формы энергии для управления сорбционно-десорб-ционными процессами необходимо оценить возможность воздействия различных видов энергии на связи в системе «сорбент - сорбат». Так тепловое воздействие ведет к изменению дисперсионного адсорбционного взаимодействия вследствие изменения характера теплового диффузионного движения молекул [1]. Энергия ЭМП оказывает влияние на специфическую связь между молекулами сорбента и сорбата, а также на особенность диффузионного переноса в пористой структуре адсорбента [5]. Световое излучение оказывает влияние лишь на ограниченное число сорбционных процессов, которые реализуются с применением, например, фуллеренсодержащих сорбирующих материалов [6].
Ранее были проведены работы по изучению влияния электромагнитных воздействий на сорбцию паров воды си-ликагелем при адсорбции на единичной грануле в статических условиях и в условиях проточного адсорбера [7]. Показано, что в том и в другом случае при низкой относительной влажности воздуха применение электромагнитного поля способствует увеличению сорбционной емкости силикагеля и снижению - при высокой влажности воздуха. В данной работе изучается влияние ЭМП соленоида на процесс осушки динамического потока воздуха силикаге-лем для уточнения зависимости изменения времени защитного действия слоя от исходной влажности воздуха.
Методика проведения эксперимента
Процесс сорбции паров воды силикагелем под действием ЭМП изучался в динамических условиях. В качестве образцов для исследования использовался силикагель марки КСМГ. Опыты проводили в широком интервале влажностей входного потока паровоздушной смеси: от 5% до 90%. Поток воздуха с заданной влажностью пропускался через адсорбер, снаряженный насыпной шихтой силикагеля, представляющий
Самонин Вячеслав Викторович, д-р техн. наук, проф. каф. химии и технологии материалов и изделий сорбционной техники, декан факультета
защиты окружающей среды, e-mail: [email protected]
Подвязников Михаил Львович, канд. техн. наук., доц. СПбГТИ(ТУ), ген. дир. ОАО «Завод радиотехнического оборудования», 198103, Санкт-Петербург, Лермонтовский пр-т, 54, ген. дир. ОАО «ГОЗ Обуховский завод», 192012, Санкт-Петербург, пр. Обуховской обороны, д.120, e-mail: [email protected] Шевкина Анна Юрьевна, канд. техн. наук., мл. науч. сотр., каф. химии и технологии материалов и изделий сорбционной техники, e-mail: [email protected] Тарасова Александра Андреевна, студ.643 гр, СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected]
Дата поступления - 6 июля 2009 года
Т
собой обечайку, являющуюся основой соленоида. Через катушку соленоида пропускался переменный электрический ток с промышленной частотой 50 Гц. Напряженность ЭМП соленоида задавалась равной 3 кА/м, которая в предыдущих работах была определена как оптимальная [5]. Напряжение (и, В), необходимое для создания требуемого значения напряженности поля, определяли по формуле 1.
* = ^ (1)
п
где Н - напряженность поля равная 3 кА/м; к - сопротивление катушки соленоида 16,3 Ом; I - высота соленоида, составляющая 0,1 м; п - число витков медной проволоки равное 1000.
Динамические исследования процесса сорбции при различных влажностях входящего потока проводились на установке, схема которой приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Установка для изучения влияния ЭМП на динамику сорбции паров воды на силикагеле1 - компрессор, 2 - адсорбер с цеолитом, 3 - барботер, 4 - байпас, 5 - влагомеры, 6 -расходомеры, 7 - адсорбер с соленоидом, 8 - термопары, 9 -краны регулирующие
Компрессором (1) воздух подавался в установку. Задаваемая в опыте влажность входящего потока регулировалась с помощью системы воздухоподготовки, имеющей в своем составе увлажнитель в виде барбо-тажного сосуда (3), осушителя (2) и байпаса (4). До и после адсорбера с силикагелем измерялись влажность и расход воздуха. Для измерения влажности использовали термогигрометры ИВА-6Б (5), а для измерения расхода - масляные реометры (6). Регулирование задаваемого напряжения осуществлялось с помощью лабораторного автотрансформатора.
Высота слоя сорбента варьировалась в зависимости от условий проведения процесса и увеличивалась при повышении влажности и объемной скорости потока воздуха. Условия проведения эксперимента сведены в таблицу 1.
Таблица 1. Условия проведения эксперимента
N опы- Влаж- Ско- Высота Температура пото-
та ность рость потока, слоя сорбента, см ка. °С
входя- без с по-
щего л/мин. поля лем
потока,
%
1 5 2,8 7 14 16
2 10 0,5 3 20 20
3 15 2,8 10 15 18
4 25 2,8 10 13 17
5 30 0,9 5 20 20
6 30 4,0 10 18 18
7 40 4,0 7 18 19
8 60 2,8 10 20 20
9 75 2,8 10 19 20
10 85 2,8 10 12 12
11 90 1,6 10 20 20
Для различных влажностей входящего потока паровоздушной смеси были получены выходные кривые влажности воздуха после слоя силикагеля для опытов с использованием ЭМП и без него. По этим кривым определялось время защитного действия на момент проскока, который фиксировался при содержании влаги в воздушном потоке 0,1% отн.
На рисунке 2 приведены типичные выходные кривые влажности (при исходной влажности паровоздушной смеси 60% отн.) с использованием и без использования ЭМП.
Рис. 2. Выходные кривые влажности для процесса сорбции паров воды слоем силикагеля при входной влажности 60 %
Из рисунка 2 видно, что «проскок» для опыта без применения ЭМП происходит значительно позже, чем в опыте с использованием поля.
Для анализа влияния электромагнитных воздействий на данные сорбционные процессы, были определены величины изменения времени защитного действия при использовании поля по сравнению с контрольными опытами. Величина изменения рассчитывалась по формуле 2.
, 0 эмп 0 контр
А = -1- <2>
контр
где 0 контр - время защитного действия в контрольном опыте, мин.; 0 эмп - время защитного действия при воздействии ЭМП, мин. Полученные данные сведены в таблицу 2, из которой видно, что применение ЭМП значительно изменяет сорбционные характеристики процесса сорбции паров воды на силикагеле.
Таблица 2. Сводная таблица
N Влаж- Время защитного дей- Изменение
опыта ность ствия , мин. времени за-
входного щитного действия, %
без поля с полем
потока,
%
1 5 177 354 100
2 10 270 350 33
3 15 230 152 -34
4 25 74 100 35
5 30 190 170 -10
6 30 35 37 6
7 40 15 14 -7
8 60 29 14 -52
9 75 35 11 -69
10 85 54 44 -19
11 90 90 60 -30
Результаты и их обсуждение
Процесс сорбции паров воды силикагелем под действием ЭМП изучался в динамических условиях.
На основании рассчитанных значений (таблица 2) можно судить о влиянии ЭМП на сорбционные процессы при различных влажностях. Для удобства анализа и обобщения, полученные экспериментальные данные были представлены в графическом виде и дополнены линией тренда (рисунок 3).
s 0 2D 40 60 80 100
Влажность, %
Рис. 3. Зависимость изменения времени защитного действия слоя при использовании ЭМП от влажности входного потока
Из графика зависимости изменения времени защитного действия при использовании ЭМП и без воздействия поля (рисунок 3) можно отметить следующее. При низких влажностях входного потока паровоздушной смеси наблюдается положительный эффект влияния ЭМП, проявляющийся в увеличении времени защитного действия слоя силикагеля при использовании поля. При влажностях потока больше 27% отн. отмечено отрицательное влияние поля. Наряду с этим, представленный график показывает, что при относительной влажности входного потока 67% кривая имеет экстремум.
Подобное воздействие ЭМП можно объяснить следующим. В структуре силикагеля активными центрами, т.е. центрами адсорбции, являются гидроксиль-ные группировки. При использовании ЭМП происходит перераспределение электронной плотности между атомами кислорода и водорода. Электронная оболочка искажается, в результате чего энергия взаимодействия гидроксо-групп с молекулами воды увеличивается. При небольших влажностях воздуха происходит квази-мо-номолекулярное заполнение поверхности, обусловленное взаимодействием гидроксо-группы с единичной молекулой воды, что ведет к положительному эффекту воздействия поля.
При высоких значениях влажности реализуется объемное заполнение пор сорбента. В этом случае отрицательное влияние ЭМП можно объяснить уменьшением плотности конденсированной жидкости за счет ее структурирования [8], что приводит к уменьшению сорбционной емкости.
Точка пересечения (27%) линии тренда с осью абсцисс (рисунок 3), отличающаяся отсутствием результирующего влияния ЭМП на систему «сорбат-сор-бент», по всей вероятности обусловлена компенсацией положительного действия поля на прочность связи между молекулами воды и активной поверхностью силикагеля и отрицательно влияющего структурирования воды.
Выводы
Показано, что переменное ЭМП способствует увеличению времени защитного действия слоя силикагеля КСМГ при низких влажностях потока паровоздушной смеси в динамических условиях работы и уменьшению - при высоких. Так, при относительной влажности 5%, защитный ресурс адсорбента увеличивается в 2 раза, а при влажности потока 90% наблюдается его снижение на 30%.
Определена относительная влажность входящего потока равная 27%, при которой ЭМП не оказывает влияния на систему «силикагель-вода (пар)». Такой эффект можно объяснить компенсацией положительного действия поля на связь между молекулами воды и активными центрами силикагеля и отрицательного влияния структурирования сорбированной воды.
Литература
1. Кельцев Н.В. Основы сорбционной техники. М.: Химия, 1976. 512 с.
2. Самонин В.В., Подвязников М.Л., Никонова В.Ю., Спиридонова Е.А., Шевкина А.Ю. Сорбирующие материалы, изделия, устройства и процессы управляемой адсорбции. СПб: Наука, 2009, 271 с.
3. Самонин В. В., Подвязников М.Л., Шевкина А.Ю,, Ченцов М.С, Ивачев Ю.Ю. Управление процессами сорбции с использованием различных форм энергии // Известия СПбГТИ(ТУ). 2007. № 1(27). С. 63-68.
4. Подвязников М.Л., Самонин В.В., Шевкина
A.Ю,, Ченцов М.С, Ивачев Ю.Ю, Никонова
B.Ю. Интенсивные методы регенерации сорбирующих изделий. // Энергосбережение и водо-подготовка. 2007. № 4(48). С. 39-44.
5. Ченцов М.С. Влияние электрофизических воздействий на сорбционно-десорбционные процессы в системе твердое тело - газ: дис. ... канд. техн. наук. СПб: СПбГТИ(ТУ), 2002. 107 с.
6. Подвязников М.Л., Самонин В. В., Шевкина А.Ю. Применение различных форм энергии для управления сорбционными процессами // Химическая промышленность сегодня. 2008. № 9. С. 41-49.
7. Шевкина А.Ю. Создание сорбционных устройств для проведения сорбционных процессов, управляемых тепловым и электромагнитным воздействием: дисс. ... канд. техн. наук. СПб: СПбГТИ(ТУ). 2009. 129 с.
8. Мосин О.В.: О воздействии электромагнитных волн низкой интенсивности на воду и водные растворы // Все о воде: сб. статей. Дата обновления 11.03.2009. URL: http://www.o8ode.ru/article/energo/vozdeictvie_ na_vodu_elektromagnitnyh_voln.htm (дата обращения 13.12.2008)
