ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕТИКИ АДСОРБЦИИ (ДЕСОРБЦИИ) ПАРОВ ВОДЫ

Полезная модель относится к устройствам для оценки водопоглощающей способности адсорбентов-осушителей и предназначена для изучения кинетики адсорбции паров воды на поверхности адсорбентов по изменению веса адсорбента во времени, определяемого с помощью кварцевых пружинных весов.
°
Известно устройство [1], состоящее из цилиндрической стеклянной емкости, герметично закрывающейся деревянной крышкой. В крышке предусмотрено отверстие для резиновой пробки, имеющей маленькое отверстие для нити, на которой подвешена пластмассовая чашечка с образцом адсорбента (глинозема). Образец глинозема за нить подвешивался к аналитическим весам, показания которых во времени снимались с помощью видеокамеры и видеомагнитофона. Необходимая относительная влажность воздуха создавалась с помощью насыщенных растворов различных солей, которые в зависимости от температуры обеспечивают заданное давление паров воды. Контроль относительной влажности осуществлялся гигрометром. Температура эксперимента специально не регулировалась и определялась температурой, установившейся в лаборатории. Образцы глиноземов перед каждым экспериментом предварительно готовились прогреванием в электропечи в течение 5 часов при температуре 150С. Данное устройство позволяет  проводить измерения кинетики адсорбции влаги в интервале относительной влажности от 12 до 85 %, но требует серьезной предварительной подготовки к проведению измерений (приготовление растворов солей, расчет величины относительных давлений паров воды для каждой соли, необходимость вынимать из устройства адсорбент после каждого эксперимента для последующей тренировки в электрической печи). Отсутствие термостатирования устройства снижает точность проведения измерений и возможности устройства для оценки влагоемкости при других температурах.
Известна установка [2], для измерения кинетики адсорбции (десорбции) индивидуальных веществ на единичных гранулах адсорбента в интервале температур 20-400°С. Основной частью установки является измерительная ячейка, представляющая собой стеклянную трубку, теплоизолированную в верхней части асбестом. Нижняя более узкая часть помещается в электрическую печь. Верхняя часть трубки снабжена притертой крышкой с крючком, к которому подвешивается тонкая спираль из предварительно отожженной в водороде вольфрамовой или молибденовой проволоки. К нижнему концу спирали подвешивается кварцевая штанга, к крючку которой крепятся зерна исследуемого адсорбента. Внутри электропечи находится кварцевый змеевик. Печь имеет по высоте строго определенную зону изотермичности, в которой находятся гранулы адсорбента в ходе опыта. Газ из баллона при проведении адсорбции проходит последовательно блок очистки, реометр, «гусек» с адсорбатом, кварцевый змеевик, где прогревается до температуры опыта и затем поступает в нижнюю часть сорбционной трубки. Изменение положения спирали при адсорбции (десорбции) фиксируется катетометром через узкое окошко в верхней части трубки. Температура внутри печи задается с помощью регулятора ПСР-1-01 и контролируется термопарой, расположенной внутри печи. На входе газа в адсорбционную часть колонки имеется карман, в котором находится вторая термопара, предназначенная для контроля температуры прогрева газа. Для проведения опыта одно или несколько зерен адсорбента крепят к концу кварцевой штанги, подбирая ее длину так, чтобы адсорбент не выходил из зоны изотермичности при колебаниях спирали под напором газа. Предварительная регенерация адсорбента проводится при заданной и автоматически поддерживаемой температуре в потоке инертного газа до прекращения уменьшения массы адсорбента. Затем адсорбент охлаждается до температуры опыта. Сразу после проведения процесса адсорбции проводится процесс десорбции. Газ, минуя «гусек», через змеевиковый подогреватель направляют в адсорбционную трубку, и через определенные промежутки времени измеряют катетометром положение спирали.
В данной установке не предусмотрена возможность изменять (регулировать) концентрацию подаваемого на исследуемый адсорбент адсорбата. Кроме того, проведение экспериментов на отдельных зернах снижает точность определения адсорбционной способности по сравнению с проведением опытов со слоем адсорбента в одно зерно за счет маленькой массы исследуемого адсорбента. Спираль для пружинных весов при изучении адсорбции паров на данной установке предпочтительно изготавливать из кварца, поскольку вольфрам и молибден могут при повышенных температурах взаимодействовать с парами воды.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство, применяемое для исследования кинетики адсорбции из потока газа-носителя, впервые описанное К.В. Чмутовым и В.С. Фроловым [3]. Паровоздушная смесь заданной концентрации готовится в смесителе путем смешения чистого воздуха с потоком воздуха, прошедшим через испаритель и содержащим пары адсорбата, а затем подается в адсорбционную трубку. Скорость обоих потоков контролируется реометрами. Сорбционная трубка состоит из трех стеклянных частей, соединенных на шлифах. В верхней части трубки находится спираль, на которую подвешена стеклянная нить с чашечкой, содержащей на сетчатом дне сорбент. Нижняя часть трубки снабжена пришлифованным цилиндром с боковым отводом. Внутри цилиндра имеется тонкостенная резиновая трубка, закрепленная на концах цилиндра. Если боковой вход соединить с вакуумом, то резиновая трубка прилегает к стенкам цилиндра и чашечка свободно повисает на спирали. В это время отсчетным микроскопом производится измерение удлинения спирали, при этом во время отсчетов поток паровоздушной смеси переключается на атмосферу. Когда отсчет произведен, боковой отвод сообщается с атмосферой и резиновая трубка плотно сжимается, охватывая чашечку с адсорбентом.
В данном устройстве отсутствует возможность проведения экспериментов при различных температурах и не гарантирована стабильность температуры в ходе эксперимента. Кроме того, при освобождении чашечки возможны резкие колебания чашечки на спирали, которые могут привести смещению (повороту) спирали и изменению положения точки отсчета, либо к выбросу адсорбента из чашечки. Сорбционная трубка имеет сложную конструкцию, которая не позволяет проводить тренировку (регенерацию) адсорбента непосредственно в сорбционной трубке. Для проведения экспериментальных исследований дополнительно требуется вакуумный насос.
Технической задачей является устранение недостатков прототипа.
Поставленная задача решается с помощью стенда для исследования кинетики адсорбции (десорбции) паров воды из потока газа-носителя, содержащего реакционную часть в составе: реакционный сосуд с кварцевыми весами и чашкой для адсорбента, склянки-барботёры Дрекселя с дистиллированной водой, каплеотбойник, газовые линии, подходящие к этим сосудам, измерители расхода газа, а также регистрирующую часть в составе: программный ПИД-регулятор и электронный самописец с графическим дисплеем. Реакционный сосуд оборудован средством контроля температуры и оптически связан с катетометром. Отличительными признаками является то, что упомянутое оборудование смонтировано в суховоздушном термостате, причем реакционный сосуд оборудован съемной электропечью для регенерации адсорбента непосредственно в реакционном сосуде, размещенной таким образом, чтобы чашечка с адсорбентом находилась в изотермичной зоне нагрева.
Упомянутое средство контроля температуры может быть выполнено в виде термопары, расположенной в изотермичной зоне нагрева и подключенной к ПИД-регулятору и к графическому дисплею.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема стенда для исследования кинетики адсорбции (десорбции) паров воды. Здесь 1, 2 – контроллеры объемного расхода; 3 – склянки-барбатёры; 4 – каплеотбойник; 5 – реакционный сосуд; 6 – катетометр; 7 – суховоздушный термостат; 8 – термогигрометр; 9 – ПИД-регулятор с электронным самописцем; 10 – съемная печь; a, b, c, d – вентили.
На фиг. 2 показаны кинетические кривые адсорбции (десорбции) паров воды, полученные на стенде, описанном в формуле полезной модели.
Пример осуществления полезной модели.
°
В состав конкретного варианта стенда (фиг. 1) входят: 1, 2 – измерители объемного расхода, например, ротаметры LZB-3 (0,06-0,6 л/мин); 3 – склянки-барбатёры Дрекселя; 4 – каплеотбойник; 5 – реакционный сосуд с пружинными весами из кварца и чашечкой из фольги или стекла с образцом; 6 – катетометр для бесконтактного измерения вертикальных координат, например, типа В-630; 7 – суховоздушный термостат, например, ST700 (обеспечивает постоянное поддержание температуры внутри камеры в интервале от +3 до +70°С); 8 – термогигрометр для контроля влажности газового потока на выходе из реакционного сосуда, например, ИВТМ-7 К-Д; 9 – программный пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД-регулятор), подключенный к электронному самописцу с графическим дисплеем и со средством контроля температуры в реакционном сосуде, например, Термодат 19Е6 с термопарой; 10 – съемная печь для высокотемпературной тренировки адсорбента при температуре 200-450С и регенерации адсорбента непосредственно в реакционном сосуде.
Реакционная часть установки включает реакционный сосуд с кварцевыми весами и образцом сорбента, склянки-барбатёры 3 с дистиллированной водой, каплеотбойник 4, газовые линии с вентилями, соединяющие эти сосуды, термогигрометр 8, а также программный ПИД-регулятор и электронный самописец с графическим дисплеем (9). Реакционная часть смонтирована в суховоздушном термостате (7), что упрощает эксперимент и позволяет повысить точность и достоверность результатов, расширить температурный интервал проведения экспериментов до 70°С. Реакционный сосуд 5 состоит из двух стеклянных частей, соединенных на шлифах. Верхняя часть сосуда снабжена притертой крышкой с крючком, к которому подвешивается тонкая кварцевая спираль, на которую с помощью стеклянной нити прикреплена чашечка для образца сорбента. Парогазовая смесь заданной концентрации готовится путем смешения потока чистого газа (аргон Ar высокой чистоты по ТУ 6-21-12-94) с потоком влажного газа, прошедшего через две склянки Дрекселя 3 с дистиллированной водой и каплеотбойник 4 и подается в реакционный сосуд 5. Скорость подачи чистого и влажного аргона строго регулируются с помощью ротаметров 1 и 2, контроль влажности газа осуществляется с помощью термогигрометра 8. Для тренировки адсорбента в потоке инертного газа носителя используется съемная электропечь 10, которая крепится на реакционном сосуде 5 так, чтобы чашечка с адсорбентом находилась в зоне изотермичности. Температура нагрева задается с помощью регулятора Термодат (9) и контролируется термопарой, расположенной внутри реакционного сосуда недалеко от чашечки с адсорбентом. После проведения регенерации адсорбента печь 10 выключают и снимают её с реакционного сосуда 5. Включают термостат 7 и на его панели управления задают температуру проведения эксперимента. После достижения в реакционном сосуде 5 требуемой температуры и прекращения изменения положения чашечки с адсорбентом, которое фиксируют с помощью катетометра 6, в реакционный сосуд 5 подается парогазовая смесь и проводится изучение процесса адсорбции путем измерения растяжения спирали за определенные промежутки времени. После того, как адсорбция завершилась, подачу влажного воздуха перекрывают, на адсорбент подают чистый аргон. Кинетику десорбции также фиксируют с помощью катетометра 6. Установка расширяет возможности проведения экспериментов в диапазоне температур  от 20°С до 70°С и относительной влажности от 0 до 100 %.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении диапазона режимов изучения кинетики адсорбции (десорбции) паров воды и упрощении конструкции устройства.
воды
адсорбента
воды
адсорбента
воды
адсорбента
С помощью заявляемого стенда получили кинетические кривые адсорбции (десорбции) паров воды на исходном алюмооксидном адсорбенте ОА и на полученных с помощью его модификации катионами Na и K образцах ОА- Na и ОА- К: верхняя (зеленая) ОА- К; средняя (синяя) ОА- Na; нижняя (красная) ОА (фиг. 2). Величина адсорбционной емкости образца ОА составила 0,20 г /г, образца  ОА- Na – 0,28 г /г, ОА- Na – 0,29 г /г.
Использование заявляемого стенда не снижает точность получения кинетических кривых по сравнению с прототипом. В то же время он позволяет обойтись без использования сложных конструктивных элементов в реакционном сосуде с весами и проводить регенерацию адсорбента непосредственно в реакционном сосуде, благодаря чему данное устройство становится более простым и дешевым, что облегчает процесс исследования кинетики адсорбции влаги на разрабатываемых адсорбентах.
Литература
1. Патрахин И. Ю. Изучение механизма и кинетики адсорбции и десорбции влаги и фторсоединений на металлургических глиноземах с целью снижения потерь фтора в производстве алюминия : Дис. ... канд. техн. наук: 05.16.02 : Красноярск, 2004 139 c.
2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. 592 с.
3. Тимофеев Д.П. Кинетика адсорбции. М. Изд. Академии наук, 1962, 250 с.