Влияние электрофизических воздействий на сорбционно-десорбционные процессы в системе твердое тело - газ тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.21 ВАК РФ

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.

2.1. Обзор ассортимента адсорбентов.

2.2. Области применения адсорбционных процессов.

2.3. Виды электромагнитных полей и их воздействие на процессы массопереноса.

2.3.1. Основные характеристики магнитного поля.

2.3.2. Количественные характеристики магнитного поля.

2.3.3. Электростатическое поле.

2.3.4. Электромагнитное взаимодействие.

2.3.5. Электромагнитные взаимодействия в среде.

2.4. Методы применения электрофизических воздействий в * адсорбционных и смежных с ними процессах.

2.4.1. Изменение свойств водных систем после магнитной обработки.

2.4.1.1. Гидратация ионов.i.

2.4.1.2. Магнитная восприимчивость.i.

2.4.1.3. Электропроводность.

2.4.1.4. Вязкость.

2.4.1.5. Химические реакции.

2.4.1.6. Поверхностное натяжение и адсорбция.

2.4.1.7. Кристаллизация.

2.4.1.8. Смачивание.

2.4.1.9. Коагуляция.

2.4.1.10. Испарение - замораживание.

2.4.1.11. Ионный обмен и отмывка сорбентов.

2.4.2. Диффузия пара в неоднородном электрическом поле.

2.5. Возможные механизмы влияния ЭМП на водные системы.

2.5.1. Изменение структуры водных растворов воздействием на ионы.

2.5.2. Роль газов, растворенных в воде.

2.5.3. Воздействие полей на ионы в водном растворе.

2.6. Возможные механизмы влияния ЭФВ на процессы массопереноса в пористых телах.

2.7. Применения электромагнитных воздействий в науке и технике.

2.8. Выводы из аналитического обзора.

2.9. Цель и задачи работы.

2. МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ И ФИЗЖО-ХИМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1. Технические характеристики используемых сорбентов.

2.1.1. Параметры пористой структуры активных углей.

2.1.2. Свойства использованных минеральных сорбентов.

2.1.3. Состав примесей в силикагелях КСМ-6 и КСМГ.

2.1.4. Методика подготовки образцов.

2.1.5. Импрегнирование образцов.

2.2. Изотермы адсорбции.

2.3. Кинетика адсорбции.

2.3.1. Кинетика адсорбции в статических условиях.

2.3.2. Кинетика адсорбции в динамических условиях.

2.4. Кинетика десорбции.

2.5. Динамика адсорбции.

2.6. Динамика десорбции.

2.7. Масштабирование динамики сорбции и десорбции.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗОТЕРМ СОРБЦИИ ПАРОВ БЕНЗОЛА НА АКТИВНЫХ УГЛЯХ.

3.1. Расчет характеристической энергии адсорбции по изотермам сорбции паров бензола на АГ-3, А-ЗП, СКТ-3, СКТ-6А, ПАУ и ФАС.

3.2. Исследование влияния МП на изотермы сорбции паров бензола на ПАУиФАС.

3.3. Выводы по главе.

4. КИНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ.

4.1. Исследование кинетики адсорбции паров бензола углями АГ-3 и СКТ-3 и паров воды КСМГ и ОСГ в МП, в условиях естественной конвекции.

4.2. Кинетика регенерации ОСГ в МП.

4.3 . Исследование однородности пористого состава промышленных активных углей АГ-3, АГ-ЗП, СКТ-3, СКТ-6А.

4.4. Исследование влияния МП на кинетику поглощения паров бензола в условиях принудительной конвекции углями АГ-3, АГ-ЗП, СКТ-3, СКТ-6А - «первая методика».

4.5. Разработка методики кинетических исследований адсорбции паров на единой навеске - «вторая методика».

4.6. Исследование влияния МП на кинетику поглощения паров бензола в условиях принудительной конвекции углями СКТ-6А, ПАУ, ФАС

- «вторая методика».

4.7. Исследование влияния МП на кинетику поглощения паров спирта в условиях принудительной конвекции углями ПАУ и ФАС.

4.8. Исследование влияния МП на кинетику поглощения паров спирта в условиях принудительной конвекции сорбентами на угольной основе с ферромагнитными добавками.

4.9. Выводы по главе.

5. ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ.

5.1. Исследование динамики адсорбции паров воды силикагелями

КСМГ, КСМ-6, КСК-2 в МП.

5.2. Исследование динамики адсорбции паров воды сорбентами на основе АО А, импрегнированными гигроскопичными хлоридами Li,

Са и Fe, и ОСВ в МП.

5.3. Исследование динамики адсорбции паров воды силикагелями КСК

2, ОСВ (основа), КСМ-6 и КСМГ в ЭП плоского конденсатора.

5.4. Исследование динамики десорбции паров воды на силикагелях КСМ-Г и КСМ-6, и импрегнированном осушителе ОСГ.

5.4.1. Динамика регенерации КСМГ и КСМ-6 в МП.

5.4.2. Динамика регенерации ОСГ в МП.

5.4.3. Динамика регенерации ОСГ в ЭП.

5.5. Выводы по главе.

6. МАСШТАБИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ СОРБЦИИ И ДЕСОРБЦИИ.

6.1. Масштабирование процесса регенерации осушителя ОСГ в динамических условиях в МП.

6.2. Масштабирование динамики сорбции паров воды на ОСГ в неоднородном ЭП.

6.3. Масштабирование процессов адсорбции и десорбции паров воды на осушителе ОСГ при циклической работе сорбционной установки с использованием неоднородного ЭП.

6.4. Выводы по главе.

В современной химической, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности, адсорбционный метод широко используют для глубокой очистки и осушки газов от паров воды и различных органических растворителей. Для этих целей широко применяются различные адсорбенты, такие, как силикагели, алюмогели, активные угли, цеолиты и т. д.

Следует отметить, что сорбционные процессы неразрывно связаны с де-сорбционными, протекающими при регенерации адсорбентов. Успешное внедрение непрерывных адсорбционно-десорбционных установок в промышленную практику в значительной степени зависит от способности сорбентов к регенерации (восстановлению их адсорбционной активности), правильного выбора способа регенерации и совершенства проведения всех стадий регенерации. Увеличение срока службы адсорбентов и снижение в связи с этим капитальных и эксплуатационных затрат на очистку газов и жидкостей неразрывно связаны с внедрением эффективных способов регенерации адсорбентов, обладающих значительно высокой надежностью. Применение рациональных способов регенерации адсорбентов дает возможность улучшить технико-экономические показатели адсорбционных установок, а также обеспечить защиту атмосферы и водного пространства от загрязнения.

Роль природы и свойства поверхности сорбентов, в том числе и активных углей, обусловливаются тем, что поверхностные атомы углерода находятся в ином, чем в объеме, энергетическом состоянии. Сорбционные явления, как и все физико-химические взаимодействия, сопровождаются энергетическими переходами. Добавление энергии извне, или отведение ее из зоны реакции, может существенным образом сказываться на ходе процесса. Одним из возможных приемов энергетического управления физико-химическими процессами является использование электромагнитного воздействия на систему сорбент - сорбат.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Показана и научно обоснована возможность и перспективность применения внешних электромагнитных воздействий на основе токов промышленной частоты для интенсификации сорбционно-десорбционных процессов в газовой фазе.

Разработана методика исследования и проведения сорбционно - десорб-ционных процессов в электромагнитных полях в условиях использования единичной гранулы и слоя адсорбентов с учетом неоднородности промышленных активных углей АГ-ЗП, АГ-3, СКТ-3 и СКТ-6А, характеризующихся дисперсией величины равновесной адсорбции 17, 15, 14 и 3 %, соответственно.

Показано, что в условии наложения переменного МП при снятии изотерм сорбции паров органических растворителей на активных углях, наблюдается возрастание характеристической энергии адсорбции на 10 - 17%. Эффективность воздействия МП возрастает с уменьшением линейного размера входа в микропоры. Предположительно, эффект воздействия МП основывается на изменении энергетической поверхности углеродного материала.

Иллюстрируется снижение положительного влияния МП на процессы сорбции паров органических соединений при возрастании количества примесей в угле, причем наличие ферромагнитных свойств примесей, способствующих коэрцитивному разогреву, ведет к отрицательному эффекту воздействия МП.

Показано, что ЭП и МП негативно влияют на сорбцию паров воды на пористых и импрегнированных гигроскопическими хлоридами силикагелях, причем увеличение количества примесей в кремнеземах и гигроскопических солей в ОСГ ведет к более значительному эффекту ослабления сорбции, что объясняется влиянием поля на примеси с изменением их способности к гидратации.

99

6. Проиллюстрирована возможность снижения времени регенерации сили-кагелей на 30% и понижения температуры от 150° С до 120° С при регенерации осушителя ОСГ на основе крупнопористого силикагеля, импрегнированного хлоридами кальция и лития, при условии наложения ЭП и МП, что значительно снижает энергетические затраты на проведение процесса.

7. Показано воздействие неоднородного ЭП на диффузионные свойства сор-бата, находящегося в виде раствора на поверхности оплывших гранул ОСГ, стимулирующее дополнительное распределение сорбата в поперечном срезе широкой шихты, что нивелирует пристеночные эффекты при сорбции и регенерации, и тем самым позволяет повысить эффективность сорбционно-десорбционного цикла на 20 %.

8. Отмечена возможность масштабирования сорбционно - десорбционных процессов осушки воздушных потоков на импрегнированных сорбентах в условиях наложения внешних электромагнитных воздействий с повышел нием объема адсорбера до 4,6 дм и сохранением величины эффекта.

1. Кольцов С. И., Алексеевский В. Б. Силикагель, его строение, химические свойства. - Л.: Госхимиздат, 1963. - 96с.

2. Неймарк И. Е., Штейнфайн Р. Ю. Силикагель. Его получение, свойства и применение. Киев: Наукова думка, 1973. - 200с.

3. Белоцерковский Г. М., Колосенцев С. Д. Получение формованной активной окиси алюминия экструзионным способом.: Уч. пос. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1978. - 16с.

4. Белоцерковский Г. М., Власов Е. А. Получение активного оксида алюминия методом жидкостного формования: Мет. ук. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1979. -13с.

5. Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение: пер. с нем. Л.: Химия, 1984. - 216с.

6. Линеен Б. Г. Строение и свойства адсорбентов и катализаторов. М.: Мир, 1973.-624с.

7. Челищев Н. Ф., Б. Г. Беренштейн, В. Ф. Володин. Цеолиты новый тип минерального сырья. - М.: Мир, 1987. - 176с.

8. Брек Д. Цеолитовые молекулярные сита. М.: Мир, 1976. - 781с.

9. Стайлз Э. Б. Носители и нанесенные катализаторы. М.: Химия, 1991. -230с.

10. И. А. Тарковская, С. С. Ставицкая, В. В. Стрелко и др. Сорбционные и каталитические свойства модифицированных углеродных материалов// Адсорбция и адсорбенты. 1983. - Вып. 11. - С. 68 - 76.

11. П.Маринов С., Лазаров Л. Проблемы изучения химической структуры углей. М.: НИИТЭХИМ, 1983. 35с.

12. Тарковская И. А. Окисленный уголь. Киев: Наук, думка, 1981.- 200 с.

13. Белоцерковский Г. М., Колосенцев С. Д. Получение силикагеля.: Уч. пос. -Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1975. 39с.

14. Колосенцев С. Д. Получение силикагелей способами ионного обмена и формования; изучение их пористой структуры и адсорбционных свойств: Авто-реф. канд. дисс. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1971. - 16с.

15. Самонин В. В., Бабкин О. Э. Синтез цеолитов А и X и изучение их свойств: Уч. пос. Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1991. - 19с.

16. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. 592 с.

17. Неймарк И. Е.Синтетические минеральные адсорбенты и носители катализаторов Киев: Наук, думка, 1982. - 216 с.

18. Татур Т. А. Основы теории электромагнитного поля. М.: Высш. шк., 1989. -271с.

19. Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение./ Под ред. Ф. Херлака. -М.: Мир, 1988. 456 с.

20. Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. М.: Мир, 1983. - 520с., ил.

21. Классен В. И. Омагничивание водных систем. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Химия, 1982. - 296 е., ил.

22. Акустическая и магнитная обработка веществ. Сборник Новочеркасского политехнического института/ под ред. Д.П. Семченко. Новочеркасск: Новочеркасский Политехнический институт им. С. Орджоникидзе, 1966. - 138 с.

23. Bordi S., Vannel F., Papeschi G. Electrical conductance and sedimentation potential of H20 from ice and from steam// Analytica chimica acta 1963 - V. 53, №7. -P. 934-942

24. Классен В. И., Кущенко А.Д., Миллер Э.В., Певницкий Л.Д. Аномальное изменение электропроводности в покоящейся и движущейся воде// Новые методы повышения эффективности обогащения полезных ископаемых. М., Наука, 1968,- С. 57-63.

25. Lielmezs J., Aleman Н. Weak transverse magnetic field effect on the viscosity of Nicel (II) nitrate water solution// Thermochimica acta - 1977. - V. 21, №2.- P. 233-236.

26. Lielmezs J., Aleman H. Weak transverse magnetic field effect on the viscosity of water at several temperatures// Thermochimica acta 1977. - V. 21, №2.- P. 225

27. Духанин В. С. Исследование влияния магнитного поля на гидратацию ионов в растворах электролитов и на скорость некоторых химических реакций: Автореферат диссертации канд. техн. наук: 02.00.04/ МШИ. М., 1973. - 20 с.

28. Миненко В. И. О влиянии магнитного поля на диспергирование жидкости.// Коллоидный журнал. 1976. - Т. 38, №4. - С. 821-823.

29. Классен В. И., Орел М. А. и др. Об улучшении флотации несульфидных минералов машитной обработкой водных растворов реагентов Изв. Вузов. Цветная металлургия. - 1968. - №1 - С. 6-9.

30. Комаров В. С., Дубницкая И. Б., Величко Н. И. Влияние магнитной обработки водных растворов на структуру получаемых адсорбентов// Коллоидный журнал. 1978. - Т. 40, №3. - С. 550-553.

31. Классен В. И. Обогащение руд (химического сырья): Учеб. пособие для ВУЗов по специальности «Обогащение полезных ископаемых». М.: Недра, 1979.-240 с.

32. ЗЗ.Заремба В. Г., Михневич Г. Л. Действие импульсного магнитного поля на структуру переохлажденного бетола вблизи поверхности стекла// Коллоидный журнал. 1962. - Т. 24, №4. - С. 491-493

33. Климишин Я, Д., Павлович С. А. К методике индикации магнитных свойств воды как среды для биологических объектов.//Совещание по изучению влияния магнитных полей на биологические объекты: Тезисы докладов. -М.: Изд-во АН СССР, 1966. С. 35-36.

34. Файзуллаев Д. Ф., Джурабенков С., Шакиров А.А., Абидов С. О новом эффекте магнитной обработки воды// ДАН УзССР 1969 - №8 - С. 10 -11.

35. Бантыш Л. А. Влияние магнитных полей на кристаллизацию воды.// Электронная обработка металлов 1979 - №3 - С. 22 - 24.

36. Н.В. Чураев Физикохимия процессов массопереноса в пористых телах М.: Химия, 1990.- 272с.

37. Классен В. И., Щербакова С. В. Структура воды и возможности изменения ее с помощью процессов обогащения// Новые исследования в области обогащения мелких классов углей и руд. М., Наука, 1965. С. 5 -13

38. Усатенко С. Т., Морозов В. И., Классен В. И. Влияние магнитных полей на вращательные ИК-спектры воды// Коллоидный журнал. 1977. - Т. 39, №5. -С. 1018-1020.

39. Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем. Сборник второго всесоюзного совещания. М., Цветметинформация, 1971 -316 с.

40. Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу воды. М., Наука, 1971.-256 с.

41. Романовский С. Г. Процессы термической обработки и сушки в электромагнитных установках. Минск, Наука и техника, 1969 346 с.

42. Романовский С. Г. Процессы термической обработки влажных материалов. М., Энергия, 1976 328 с.

43. Патент № 5262024 США, МКИ: В01J19/12. Method for effecting the desorption of ionic species from a soil matrix using wave energy/ Graves Richard; Lomasney Henry// http://espacenet.com

44. Патент № 5344533 США, МКИ: B01D57/02. Apparatus and method for removing liquid from liquid bearing material/ Candor James// http://espacenet.com

45. Патент № 97100393 Россия, МКИ: B01D65/02. Способ и устройство для извлечения компонентов, сорбированных в капиллярно-пористом теле/ Тихо-молова К.П., Цуканова В.Н., Шарова Н.Г.// БИ № 4,10.02.99. С.69

46. Патент № 2693383 Франция, МКИ: В01J20/34, B01D15/04. Новый способ регенерирования или извлечения абсорбентов и устройство для осуществления способа/MichelFlork//HCM 1995,11, №08.-С. 11

47. Патент № 4912070 США, МКИ: B01J20/18, B01J37/34. Continuously porous absorbent material possessing far infrared electromagnetic field/ Mitani Ya-sumasa// http://espacenet.com

48. Патент № 2691913 Франция, МКИ: B01D53/28, 53/06, B01J20/04, 20/34. Устройство для осушения газа/ Jean Morlec// ИСМ 1995,11, № 3 С. 7

49. Патент № 5263263 США, МКИ: F26B3/34. Вращающаяся сушилка с диэлектрическим обогревом для керамического ячеистого изделия// ИСМ 1995, 77, № 05 С. 8

50. Патент № 4231897 Германия, МКИ: F26B15/18. Способ и установка для комбинированной термической обработки посредством микроволн и конвекции продукта, в частности, сыпучего материала// ИСМ 1995, 77, № 09 С. 1.

51. Патент №4232069 Германия, МКИ: F26B23/08, B01J19/12. Устройство для микроволновой обработки, в частности сушки, материалов// ИСМ 1995, 77, № 09 С. 1

52. Патент №5315765 США, МКИ: F26B3/34. Высокочастотная сушилка для ткани// ИСМ 1995, 77, № 09-С. 5

53. Патент №97108407/06 Россия, МКИ: F26B3/347. Вакуумно электромагнитная сушка древесины// БИ № 13,10.05.99 -С. 380

54. Патент №2124684 Россия, МКИ: F26B15/04, 3/34. Сушильная камера/ Дерягин В.Н„ Дерягин Р.В.//БИ№ 1,10.01.99-С. 401

55. Дубинин М.М. Адсорбция и пористость. M.JBAX3, 1972. - 128 с.

56. Пулеревич М.Я., Плаченов Т.Г. Измерение изотерм адсорбции на адсорбци-онно вакуумной установке с пружинными микровесами: Методические указания - Л.: ЛТИ им. Ленсовета, 1977. - 43 с.

57. Самонин В.В., Далидович В.В. Исследование адсорбции паров воды. Кинетика влагопоглощения: Методические указания. СПб.: СПбГТЩТУ), 1997.19 с.

58. Лукин В.Д., Анцыпович И.С. Рекуперация летучих растворителей в химической промышленности. Л.: Химия, 1981. 76 с.

59. Алексашкина М.А., Самонин В.В. Изучение процессов регенерации сорбентов в электромагнитных полях: Тезисы доклада// Вестн. С-Пб. Гос. ун-та техн. и дизайна.- СПб: СПбГУТИ, 1999. С.77.

60. Чебыкин В.В., Васильев Н.П., Гордиенко В.И., Мухин В.М., Шевченко А.О. Активные угли. Эластичные сорбенты. Катализаторы. Осушители. Химические поглотители. Каталог. Черкассы: НИИТЭХИМ, 1996. - 124 с.

61. Масагутов P.M., Морозов Б.Ф., Кутепов Б.И. Регенерация катализаторов в нефтепереработке и нефтехимии. М.: Химия, 1987.- 144 с.

62. Леонов С.Б., Елшин В.В., Дударев В.И. и др. Углеродные сорбенты на основе ископаемых углей.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000.- 268с., ил.

63. Рандин О.И., Шишков В.Ф., Тутурина В.В. Структурные особенности сапропелитовых и бурых углей.- Иркутск: Иркутск, гос. техн. ун-т, 1994.- 86 с.

64. Аристов Б.Г., Давыдов В.Я., Карнаухов А.П., Киселев А.В. Адсорбция паров азота и четыреххлористого углерода на модельных сорбентах, полученных спрессовыванием аэросилов// ЖФХ.- 1962.- Т. 36, №12.- С. 2757-2763.

65. Комаров B.C., Дубницкая И.Б. Физико-химические основы регулирования пористой структуры адсорбентов и катализаторов. Мн.: Наука и техника, 1981.-336 с.

66. W России'* % V-А"|\\ В-.С. Евстишенков 2002 г.испытания способа проведение регенерации воздушным потокомс воздействием на шихту внешнего электроШгнйтного поля соленоида

67. Целью испытаний являлось подтверждение возможности интенсификации десорбционных процессов применением внешнего электрофизического воздействия.

68. Условия регенерации (десорбции):- абсолютная влажность потока С~5+6 мг/л;- температура воздушного потокана входе в адсорбер Т=54± Г°С;- объемная скорость потока v=0,3 л/мин- напряженность э/м поля №=3 кА/м;

69. Результаты испытаний по проведению регенерации шихты силикагеля нагретым воздушным потоком при воздействии электромагнитного поля соленоида и без него (контрольный опыт) представлены & приложении.

70. Начальник отдела 22, к.т.н. Н.В. Мальцева

71. Ведущий инженер-технолог ул, Т. А. Вишневская1. Исполнитель, аспирант1. М.С. Ченцов