ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Очистка из "Техника низких температур" Термин очистка используется здесь для названия процесса удаления небольших количеств нежелательных примесей из перерабатываемого газа, например для процесса удаления из воздуха перед его ожижением паров воды и углекислоты. [c.107] Процессы очистки ввиду их специфичности целесообразно рассматривать отдельно от процессов получения чистых веществ в разделительных колоннах, описанных ранее. Для точности терминологии условимся называть очисткой процесс удаления нежелательных составляющих смеси, а разделением — процесс концентрации нужных нам составляющих. [c.107] Химическая очистка. Хотя очистка химическими методами производится не при низких температурах, ею часто пользуются для получения чистых газов перед их ожижением. Вода может быть удалена путем пропускания очищаемого газа через вещество, которое поглощает влагу в виде кристаллизационной воды. Однако этот метод осушки в крупных установках в настоящее время применяется редко. Его вытеснила осушка физической адсорбцией, а также низкотемпературными методами. Обычным способом удаления из воздуха углекислоты является противоточная промывка воздуха в скрубберах раствором каустика (едкий натр). Время от времени раствор каустика необходимо обновлять, так как в результате реакции с СОг образуется углекислый натрий и концентрация активной щелочи уменьшается. Такой способ применяется еще довольно широко, хотя во многих современных установках используются низкотемпературные методы очистки, преимуществом которых является отсутствие необходимости обновления химических поглотителей. [c.107] Низкотемпературные методы очистки. Весьма надежным устройством удаления из газа перед ожижением легко конденсирующихся примесей (пары воды и масла) является низкотемпературный очиститель, построен-Ф и г. 2.11. Очиститель-вымораживатель ожи- цый Джиоком. На фиг. жителя водорода Национального бюро стан- 2.11 представлена схема дзрхов. [c.108] НОМ случае очиститель соединен с силикагелевым адсорбером с целью использования азота, испаряющегося при охлаждении силикагеля, для охлаждения очистителя. Сжатый водород, содержащий пары влаги и масла, подается в нижнюю часть хорошо теплоизолированной трубы Л], В которой он проходит по зазору между трубками (теплообменник типа Гэмпсона). Газ поднимается вверх, а влага и масло по мере подъема конденсируются на все более холодной поверхности трубок теплообменника. Скорость газа поддерживается достаточно низкой для возможности удаления конденсирующихся жидкостей за счет их стекания под действием силы тяжести. [c.108] На определенном уровне температура газа становится равной температуре замерзания содержащейся в нем влаги. На этом и вышележащих уровнях вода начинает конденсироваться в виде льда. Отложения льда достигают наибольшей толщины, разумеется, на том уровне, где температура газа равна температуре вымерзания влаги, так как равновесное количество водяных паров в водороде быстро уменьшается при понижении температуры. Из верхней части очистителя (при температуре около —110° С) водород поступает в теплообменник Ви где подвергается дальнейшему охлаждению, и наконец проходит через силикагелевый адсорбер, где удаляются азот и, вероятно, другие летучие примеси. Возвращающийся чистый водород высокого давления проходит через теплообменник охлаждая водород, идущий на очистку, и поступает в трубки малого диаметра теплообменника Ль обеспечивая конденсацию влаги и масла на наружной поверхности трубок. Холодные пары азота из адсорбера проходят по третьей секции теплообменника Ви а затем по трубкам, навитым снаружи очистителя. Следует сказать, что вместо пропускания газа через теплообменник й и адсорбер такой очиститель в верхней части может быть снабжен холодильной машиной для охлаждения водорода. [c.109] После некоторого времени работы (обычно несколько часов) накопление льда приводит к забивке проходов между трубками и вызывает увеличение гидравлического сопротивления очистителя. В этом случае можно направить поток водорода через второй очиститель, а первый отогревать, пока лед полностью не оттает и образовавшаяся жидкость не стечет вниз. Было обнаружено, что время работы одного очистителя может быть значительно увеличено при помощи весьма простого средства. Для этого после появления заметного сопротивления нужно пропускать часть возвращающегося чистого водорода в обход очистителя (байпассировать), что приведет к меньшему охлаждению поступающего газа. Поэтому уровень, на котором достигается температура замерзания влаги, повысится, а значительная часть ранее замерзшей воды растает и стечет вниз. Следует только позаботиться об обеспечении необходимого времени для стока воды, так как при ее повторном замерзании может возникнуть давление, достаточное, чтобы сплющить медные трубки. [c.109] На фиг. 2.12 приведена схема использования реверсивных теплообменников для очистки от последних следов примеси, которая при более высоких концентрациях может быть удалена химическими методами. Для простоты на представленной схеме изображен ожижитель обычного дроссельного типа. Первая фаза показана на фиг. 2.12, а. Примеси из охлаждающегося газа высокого давления отлагаются на поверхности теплообмена секции / реверсивного теплообменника. На фиг. 2.12,6 показана вторая фаза работы. Газ высокого давления проходит по секции II, в которой отлагаются примеси, а в это время примеси, ранее вымерзшие в секции I, сублимируются и уносятся обратным потоком низкого давления. На теплом конце теплообменника концентрация примесей поддерживается достаточно низкой за счет химической очистки, благодаря которой из газа удаляется излишек примесей при возвращении в компрессор. [c.110] Увеличение давления паров примеси при сжатии основного газа. При расчете оборудования для низкотемпературной очистки от конденсирующихся примесей следует иметь в виду, что давления паров примесей нельзя принимать равными экспериментальным данным по чистому веществу примеси. [c.111] Очистка за счет физической адсорбции. Процесс, известный под названием адсорбция , характеризуется конденсацией молекулярных слоев газа на поверхности твердого тела. Механизм этого явления объясняют силами притяжения (силами Ван-дер-Вааль-са), действующими между молекулами газа и молекулами твердого тела. Поэтому молекулы, расположенные в первом слое, притягиваются сильнее, чем молекулы верхних слоев. Адсорбированное количество газа значительно увеличивается по мере понижения температуры и приближения ее к температуре конденсации при нормальном давлении. Теплота адсорбции для молекул первого слоя обычно гораздо больше, чем теплота конденсации. При больнюм числе адсорбированных слоев теплота адсорбции имеет такой же порядок величины, как и теплота конденсации. Вещество с гладкой поверхностью (например, металл или стекло) способно адсорбировать лишь очень небольшое количество газа. Имеется, однако, ряд веществ, например силикагель, алюмогель, активированный уголь, которые обладают чрезвычайно пористой структурой. Поры этих веществ имеют микроскопическую величину, вследствие чего их эффективная поверхность очень велика — несколько сот квадратных метров на грамм. Количество данного газа, которое может быть адсорбировано при определенных температурах и давлениях, зависит как от размера пор, так и от общей величины пористой поверхности. [c.111] Мы рассмотрели здесь уравнение Брунауэра — Эмметта — Теллера, так как оно хорошо описывает процесс физической адсорбции при относительно высоких давлениях. Наш анализ поневоле был очень кратким. По этому вопросу имеется обширная литература, к которой читатель может обратиться для лучшего понимания процесса адсорбции. В некоторых трудах [П]—[13] адсорбция рассмотрена особенно систематически ). [c.114] В качестве примера применения физической адсорбции для очистки газов было бы поучительно рассмотреть частный случай удаление азота из водорода перед ожижением последнего. В качестве еще более конкретного примера рассмотрим адсорбционную очистку водорода в ожижителе криогенной лаборатории Национального бюро стандартов. Адсорбер состоит из нержавеющей трубы внутренним диаметром 85,5 мм и толщиной стенки 8,5 мм. Эта труба общей длиной 15,2 м свита в змеевик наружным диаметром 710 мм (см. фиг. 2.11). Труба содержит 63,5 кг (ПО дм ) адсорбента, в качестве которого был выбран силикагель, так как, по имеющимся в настоящее время данным, адсорбционная способность на единицу объема силикагеля с сильно развитой поверхностью выше, чем у активированного угля, хотя адсорбционная способность на единицу массы у активированного угля выше, чем у силикагеля. Адсорбер погружен в жидкий азот с температурой —65° К. О выгодности применения возможно более низкой температуры легко судить по изотермам адсорбции (см. фиг. 2.13). [c.114] Большое отношение длины адсорбера к его диаметру было выбрано с той целью, чтобы при насыщении адсорбента, расположенного в верхней части трубы, нижележащие слои адсорбента оставались еще в основном незагрязненными и поэтому были способны поглощать малейшие следы азота. Кроме того, относительно малый диаметр трубы способствует лучшей передаче теплоты адсорбции к окружающему змеевик жидкому азоту. [c.114] Возникает, естественно, вопрос о влиянии больших количеств проходящего по адсорберу водорода на процесс адсорбции азота. Сам факт работоспособности очистителя доказывает, что водород не поглощается адсорбентом и поэтому не мешает процессу адсорбции азота. Причиной этого является, вероятно, гораздо большая величина теплоты адсорбции азота. При замещении азотом ранее адсорбированного водорода общая энергия системы значительно уменьшается. [c.114] Некоторые данные об экспериментах с этим адсорбционным очистителем, опубликованные Джонсоном [14], могут оказаться полезными при проектировании других очистителей такого типа. [c.115] В этих опытах скорость водорода при его циркуляции через очиститель была известна, а концентрация азота на входе в адсорбер поддерживалась постоянной за счет добавления небольших количеств азота в водород низкого давления перед всасыванием его в компрессоры. Концентрация азота измерялась на входе газа в очиститель в трех точках по его длине, расположенных на равных расстояниях друг от друга, и на выходе. Общее количество азота, необходимое для насыщения, определялось для нескольких различных условий. Полученные данные представлены на фиг. 2.16 в виде изотерм адсорбции, изображающих зависимость действительной адсорбционной способности от концентрации азота в водороде при разных полных давлениях газа. [c.115] Вернуться к основной статье