СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ СОРБЕНТОВ НЕТЕПЛОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА
METHOD OF SORBENT RECOVERY BY NON-THERMAL EFFECTS OF SUPERHIGH-FREQUENCY ELECTROMAGNETIC RADIATION

Изобретение относится к способу регенерации сорбентов с помощью электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона и может быть использовано в химической отрасли, в сельском хозяйстве, машиностроении, в пищевой и нефтеперерабатывающей промышленности, там, где используют процесс сорбции.
2
Известен способ регенерации адсорбента (патент РФ №2168360, кл. B01J 20/34, B01D 53/26, публик. 10.06.2001), при котором регенерация адсорбента, содержащегося в адсорбере блока осушки сжатого газа, осуществляется при нагреве адсорбента электромагнитным полем СВЧ диапазона и последующим удалением десорбированных компонентов, при этом перед нагревом проводят разгрузку адсорбера до давления, на 2-5 кгс/см превышающего атмосферное давление, нагрев адсорбента ведут до 200-250°С в течение 1-5 мин, десорбированные компоненты удаляют в течение 10-30 с при сообщении адсорбера с атмосферой.
Недостатками известного способа являются значительные энергозатраты на проведение регенерации, сложность проведения технологического процесса, для которого необходимо применять специальные устройства и механизмы для поддержания режимов давления и температуры. Так же существенным недостатком является нагрев сорбента, что в свою очередь вызывает в нем температурные превращения, ведущие к модификации его свойств с последующей потерей технологических характеристик - сорбционной емкости.
Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. уменьшение энергозатрат, упрощение технологического процесса, исключение специальных устройств и механизмов для поддержания давления и температурных режимов, а также исключение нагрева сорбента, что в свою очередь ведет к сохранению его свойств и увеличению срока службы.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе регенерации сорбента с помощью электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона особенностью является то, что регенерацию осуществляют в условиях резонанса системы, подводя мощность электромагнитного излучения, минимально необходимую и достаточную для разрыва межмолекулярных связей сорбента и сорбата при взаимодействии электромагнитного излучения с этими веществами в резонансной камере, при этом подвод энергии электромагнитного излучения во время регенерации осуществляют с минимально необходимой мощностью, для исключения термического нагрева веществ в резонансной камере и регенерацию осуществляют с допуском незначительного расхода энергии электромагнитного излучения на нагрев веществ в резонансной камере, причем при регенерации сорбента, находящегося в жидкой фазе, используют насадку - поверхностнообразующий материал, - минимально поглощающую энергию электромагнитного излучения и химически инертную по отношению к сорбенту, а при регенерации сорбента, находящегося в твердой фазе, используют сорбент с малым тангенсом угла диэлектрических потерь, при этом вывод сорбата из объема резонансной камеры осуществляют посредством образовавшегося в ходе реакции избыточного давления.
Способ осуществляют следующим образом.
После заполнения сорбентом резонансной камеры, согласованной с Источником электромагнитного поля сверхвысокочастотного диапазона, в систему подводят электромагнитное излучение минимальной мощности, необходимой для разрыва межмолекулярных связей сорбата и сорбента. Сорбент, находящийся в резонансной камере, является частью резонансной системы, являясь активным сопротивлением для источника электромагнитного излучения. Проведение регенерации сорбента с помощью электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона в резонансном режиме позволяет уменьшить мощность излучения и избежать как нагрева сорбента, так и нагрева всей системы в целом.
Сорбенты в жидкой фазе, как правило, являются дипольными или полярными диэлектриками, на поверхности сорбентов в твердой фазе отсутствуют родственные соседи, поэтому они взаимодействуют с молекулами сопряженной объемной фазы за счет частично поляризованной поверхности. Наличие поляризованных частиц позволяет эффективно передавать энергию микроволнового излучения к сорбенту в любом фазовом состоянии, воздействуя, в первую очередь, на кинетику сорбции. При взаимодействии электромагнитного излучения с дипольными диэлектриками диполи веществ постоянно меняют ориентацию в пространстве по направлению линий электрического поля, и при этом испытывают напряжение вдоль магнитных линий, вследствие чего уменьшаются межмолекулярные силы.
Индуцированные или постоянные диполи среды меняют свою ориентацию под действием переменного электромагнитного поля. В зависимости от частоты внешнего электромагнитного поля диполь может двигаться во времени со скоростью изменения поля, отставать от него или оставаться на месте. Т.к. движение диполей ограничено соседними атомами, в результате внутреннего взаимодействия диполей энергия их вращательного движения тратится на химические превращения или переходит в тепло. Если частота электромагнитного излучения максимально близка к частоте, с которой могут менять свою ориентацию молекулярные диполи среды (резонансная частота), то энергия излучения эффективно передается в первую очередь на энергию вращательного движения частиц.
Вклад в поглощение дает также ионная проводимость, но доминирующим механизмом поглощения является изменение ориентации дипольных молекул диэлектрика под действием переменного электрического поля. Для магнитных материалов, содержащих железо, никель, кобальт, необходимо также учитывать воздействие магнитной составляющей поля на вещество, которое может вносить определяющий вклад во взаимодействие веществ с переменным электромагнитным излучением.
Для увеличения скорости регенерации сорбента в жидкой фазе и равномерного заполнения сорбентом резонансной камеры используется насадка - поверхностнообразующий материал различной формы.
Главными требованиями, предъявляемыми к насадкам, являются прозрачность для электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне и химическая инертность по отношению к сорбенту и сорбату. Насадка может быть изготовлена из стекла, кварца, фторопласта, некоторых видов керамики. Такой поверхностнообразующий материал позволяет добиться равномерного распределения сорбента по всему объему резонансной камеры и уменьшения толщины слоя сорбента на насадке. Развитая поверхность способствует более полной регенерации сорбента и уменьшению затрат на проведение регенерации.
Молекулы внутри жидкости плотно упакованы и располагаются относительно друг друга симметрично. На поверхности жидкости, согласно рентгеноструктурному анализу, также наблюдается упорядоченное расположение молекул, причем упаковка молекул строго ориентирована относительно поверхности жидкости.
При воздействии на жидкий сорбент электромагнитного поля СВЧ-диапазона молекулы, находящиеся на поверхности жидкости, стремятся изменить ориентацию по направлению линий электрического поля. Т.к. движение молекул ограничено соседними молекулами, то при переориентации молекул наблюдается увеличение поверхностного натяжения в глубину жидкости. При этом у молекул на поверхности возникает крутильный момент, стремящийся развернуть молекулу жидкости. Скорость поворота частиц сорбента и сорбата не одинакова из-за различных диэлектрических свойств веществ. Вследствие этого межмолекулярное взаимодействие молекул сорбата и сорбента ослабевает, и молекулы сорбата переходят во внешнюю среду. В качестве сорбентов, находящихся в твердой фазе, используются вещества с большой активной площадью поверхности. Скорость регенерации твердых сорбентов зависит от мощности и частоты излучения, количества сорбата, способа вывода сорбата из реактора.
Сорбат при сорбции занимает свободные места в поверхности сорбента (сорбируется в поры) или свободные места в кристаллической решетке сорбента. Обычные способы регенерации твердых сорбентов основаны на подводе необходимой для регенерации энергии с помощью изменения давления, температуры системы и с помощью облучения ультрафиолетом. При замене облучения ультрафиолетом облучением электромагнитным полем СВЧ-диапазона возникает переориентация электронных оболочек молекул кристаллической решетки сорбента, молекулы сорбата перемещаются на поверхность сорбента и переходят во внешнюю среду.
В результате десорбции возникает избыточное парциальное давление сорбата внутри резонансной камеры, что позволяет удалять сорбат, образующийся при регенерации жидких и твердых сорбентов. Такой способ удаления из реакционной камеры сорбата устраняет необходимость установки дополнительных устройств, используемых для отвода сорбата из камеры. Проведение регенерации с помощью электромагнитного излучения сверхвысокочастотного диапазона позволяет сократить время, необходимое для регенерации сорбента, а также проводить регенерацию при значительно меньших температурах и без большого избыточного давления или вакуумирования. Это позволяет проводить регенерацию сорбентов с низкими температурами кипения и/или способных разлагаться при нагревании. Так же при этом уменьшаются невозвратимые потери сорбентов, увеличивается время жизни сорбентов и, следовательно, количество повторных использований регенерированных сорбентов.
Для выявления влияния СВЧ-излучения на сорбенты были проведены серии исследований.
Пример 1. Влияние электромагнитного излучения СВЧ-диапазона на регенерацию жидких сорбентов исследовали на процессе регенерации жидкого сорбента, насыщенного углекислым газом. В качестве жидкого сорбента использовался моноэтаноламин.
2
2
2
Взаимодействие моноэтаноламина RNH (где R - группа СНОН-СН) с углекислым газом может быть представлено следующими реакциями:
2
2
2
3
2
3
2RNH+HO+CO→(RNH)CO
3
3
2
2
3
3
+
(RNH)2CO+HO+CO→2RNHHCO+Н
Регенерация моноэтаноламина, насыщенного углекислым газом, может быть представлена реакцией:
3
3
2
2
2
RNHHCO→RNH+HO+CO
Для проведения экспериментов о выявлении влияния электромагнитного излучения на жидкие сорбенты была изготовлена резонансная камера для обработки жидких сред. Резонансная камера изготавливалась с учетом всех особенностей проведения процессов в жидкой фазе с использованием СВЧ-излучения: скорости и объемы поступающих веществ, использование поверхностно-образующего материала, вывод из реакционной камеры сорбата после регенерации сорбента, контроль уровня жидкости в камере и подвод СВЧ-излучения в резонансную камеру.
Для экспериментов использовался моноэтаноламин, насыщенный 10-15 об.% углекислого газа. Объем используемого моноэтаноламина 300-500 мл. В качестве поверхностно-образующего материала использовался розовый кварц фракцией 3-4 мм. После заполнения резонансной камеры насыщенным моноэтаноламином в камеру подавалось СВЧ-излучение мощностью 1 кВт. Через 5-8 минут мощность плавно снизили до 300 Вт. Общее время регенерации моноэтаноламина под воздействием СВЧ-излучения 20-35 минут. Процесс десорбции сорбента начался при температуре 30°С. Максимальная скорость десорбции достигалась при температуре 50-70°С.
После окончания проведения процесса регенерации газовые и жидкие фазы проверяли на наличие в них углекислого газа.
Без воздействия СВЧ-энергии процесс регенерации данного сорбента идет 1,5 часа при температуре 112-147°С.
Пример 2. Для определения возможности использования СВЧ-энергии для регенерации твердых сорбентов были проведены серии экспериментов регенерации цеолитов, насыщенных парами воды.
Для проведения экспериментов регенерации твердых сорбентов под воздействием СВЧ-энергии была изготовлена специальная резонансная камера с учетом особенностей проведения регенерации цеолитов (диэлектрических свойств цеолитов). Для эксперимента использовался цеолит марки NaX и NA массой 250-300 гр, тангенс угла диэлектрических потерь которого в 10 раз меньше тангенса угла диэлектрических потерь воды при 40°С. После заполнения резонансной камеры цеолитом, насыщенным 10-15% парами воды, в систему подавался воздух для удаления водяного пара, образующегося после регенерации цеолита. После настройки необходимых расходов воздуха в камеру подавалось СВЧ-излучение мощностью 1 кВт. Регенерацию цеолитов проводили при температуре 80-100°С 10-15 минут. Отгоняемый водяной пар охлаждали и собирали в колбу-приемник. После регенерации взвешивали регенерированный цеолит и воду и по массам до проведения процесса адсорбции воды цеолитом, перед началом и после регенерации определяли эффективность проведения регенерации цеолитов с помощью СВЧ-излучения.
Без воздействия СВЧ-излучения регенерация цеолита идет 70-75 минут при температуре 300°С.
В таблице 1 приведено сравнение изменений некоторых параметров регенерации сорбентов в электрической печи и в СВЧ-камере.
Таблица 1
Сравнение некоторых параметров регенерации сорбентов в электрической печи и в СВЧ-камере
Характеристики
Регенерация в электрической печи
Регенерация в СВЧ-камере
Масса пустого адсорбера, m<sub>1</sub> (кг)
0,14926
0,15154
Масса адсорбера с отожженным целлитом, m<sub>2</sub> (кг)
0,41431
0,42770
Масса цеолита, m<sub>ц</sub> (кг)
0,26505
0,27616
Масса адсорбера с цеолитом после адсорбции, m<sub>а</sub> (кг)
0,44405
0,457410
Масса сорбата в адсорбере, m<sub>с</sub> (кг)
0,02974
0,02971
Удельная энергия, затраченная на регенерацию, Q (кДж/кг)
19367
437
Время регенерации, τ (мин)
71,7
10,8
Все перечисленные выше блоки и элементы данного устройства могут быть выполнены по стандартным, опубликованным в литературе схемам. Предлагаемый способ позволяет проще, чем известный способ достичь результата регенерации сорбента. Он имеет высокую экономичность и надежность, длительный ресурс работы, упрощает конструкцию камеры регенерации и повышает надежность ее эксплуатации.