АДСОРБЕР

Предлагаемое техническое решение относится к сорбционным процессам с движущимся плотным или взвешенным слоем зерен адсорбента или гранул ионита и может найти применение в химической, нефтехимической, горноперерабатывающей, металлургической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также при водоподготовке и очистке сточных вод от ионов тяжелых металлов, радиоактивных изотопов, поглощении других вредных примесей в экологических процессах очистки воды и жидкостей.
Известна конструкция аппарата с плотным движущимся слоем активного угля или ионообменной смолы, представляющего собой колонну, заполненную целиком плотным слоем сорбента с верхней и нижней конусными частями, снабженными распределительными решетками, входными и выходными патрубками для подачи и отвода жидкости снизу вверх и сорбента сверху вниз. [Тимонин А.С. Инженерно-экологический справочник. Т.2 - Калуга: Изд-во Н.Бочкаревой, 2003, с.549-550].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая скорость массопереноса извлекаемых молекул или ионов из жидкости из-за малой скорости движения этих молекул или ионов к поверхности зерен или гранул сорбента.
Известна конструкция аппарата, содержащего вертикальный корпус с входом и выходом газового потока и жидкого абсорбента, опорную решетку, на которой размещена насадка, ионизатор, установленный на входе газового потока, и электрод, выполненный в виде перфорированного диска. При этом насадка состоит из секций равной высоты, каждая из которых разделена перфорированным диском так, что высота каждой секции определяется формулой
ΔH=U/E,
где ΔH - высота каждой секции, м; E - напряженность электрического поля, обеспечивающая заданную степень очистки газовой смеси от вредных примесей, В/м; U - допускаемое по технике безопасности напряжение в жидком абсорбенте, В. Перфорированные диски присоединены к противоположным полюсам источника постоянного тока, а корпус и насадка выполнены из диэлектрического материала (описание полезной модели к патенту №93034, B01J 19/32, B01D 3/32, 2009 г.).
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится невозможность использования известной конструкции в адсорберах непрерывного действия, т.к. опорная решетка и перфорированные диски препятствуют движению зерен адсорбента или гранул ионита сверху вниз под действием силы тяжести, что уменьшает скорость массопереноса и требует периодической остановки процесса адсорбции или ионного обмена для регенерации зерен адсорбента или гранул ионита.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к заявляемому объекту и принятому за прототип является адсорбер, включающий цилиндрический корпус и днища, внутренний и внешний перфорированные цилиндры, установленные внутри соосно с корпусом и между собой, непроницаемые перегородки, размещенные на торцах внешнего перфорированного цилиндра перпендикулярно оси адсорбера, которые образуют между собой полость, заполненную слоем адсорбента. Внутренний перфорированный цилиндр при этом выполнен сквозным по оси адсорбера и снабжен по концам штуцерами входа газа. Штуцера выхода газа расположены на обоих днищах адсорбера симметрично оси аппарата, причем свободное пространство в полости внутреннего цилиндра, а также полости между непроницаемыми перегородками, днищами адсорбера и внутренней перфорированной трубой заполнены адсорбентом или другим материалом [заявка на изобретение №98110742, Адсорбер и способ адсорбционной осушки газа, B01D 53/02, B01D 53/14, 2000 г.].
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится небольшая скорость массопереноса извлекаемых молекул или ионов из жидкости из-за малой скорости движения этих молекул или ионов к поверхности зерен или гранул сорбента. Кроме того, непроницаемые перегородки не позволяют использовать известную конструкцию адсорбера в режиме непрерывного действия, что также уменьшает скорость массопереноса.
Техническим результатом предлагаемой конструкции адсорбера является увеличение скорости массопереноса извлекаемых из очищаемой жидкости молекул или ионов под действием электрического поля и движения зерен или гранул сорбента сверху вниз под действием силы тяжести в непрерывном режиме.
Поставленный технический результат достигается тем, что в адсорбере, включающем цилиндрический корпус и днища, внутренний и внешний перфорированные цилиндры, установленные соосно с корпусом и между собой, заполненные адсорбентом или другим материалом, и штуцера входа и выхода, расположенные на обоих днищах адсорбера, при этом на верхнем днище установлены штуцера для подачи свежего адсорбента и отвода очищенной жидкости, на нижнем днище - штуцера для подачи очищаемой жидкости и отвода отработанного сорбента. Осесимметрично с корпусом и цилиндрами установлен стержень-электрод, причем корпус и внутренний цилиндр присоединены к отрицательному полюсу, внешний цилиндр и стержень-электрод - к положительному полюсу источника постоянного тока, а их диаметры определяются соотношением:
а
н
в
с
где D, D, D, D - соответственно диаметры корпуса, внешнего и внутреннего цилиндров и стержня-электрода, а корпус адсорбера установлен на диэлектрических опорах.
Установка на верхнем днище штуцеров для подачи свежего адсорбента и отвода очищенной жидкости, а также на нижнем днище штуцеров для подачи очищаемой жидкости и отвода отработанного сорбента позволяет вести процесс сорбции в непрерывном режиме, когда очищаемая жидкость обтекает зерна или гранулы сорбента, поднимаясь по корпусу вверх, а зерна и гранулы под действием силы тяжести опускаются вниз, что увеличивает скорость массопереноса и интенсифицирует процесс сорбции.
Осесимметричная установка стержня-электрода в корпусе и присоединение корпуса и внутреннего цилиндра к отрицательному полюсу, а внешнего цилиндра и стрежня-электрода - к положительному полюсу источника постоянного тока позволяет вести режим сорбции в электрическом поле, которое уменьшает за счет увеличения подвижности атомов и ионов в очищаемой жидкости толщину диффузионного пограничного слоя у поверхности зерен или гранул сорбента, а значит увеличивает скорость массопереноса извлекаемых из очищаемой жидкости молекул и ионов.
Выполнение диаметров корпуса, наружного и внутреннего цилиндров и стержня-электрода, удовлетворяющих соотношению (1), позволяет подавать на смежные боковые поверхности корпуса наружного и внутреннего цилиндров и стержня-электрода одинаковую разность потенциалов, допускаемую по технике безопасности при работе с электропроводящими жидкостями и обеспечить при этом высокую одинаковую плотность тока по объему зерен и гранул сорбента. Это позволяет вести процесс сорбции с большой скоростью массопереноса молекул или из очищаемой жидкости к поверхности зерен или гранул сорбента за счет максимального использования их динамической емкости.
а
н
в
с
На фиг. представлен общий вид предлагаемой конструкции адсорбера. Адсорбер состоит из цилиндрического корпуса 1 диаметром D, верхнего днища 2 со штуцером 3 для подачи свежего сорбента и штуцера 4 для отвода очищенной жидкости, нижнего днища 5 со штуцером 6 для отвода отработанного сорбента и штуцером 7 для подачи очищаемой жидкости. Внутри корпуса 1 соосно с ним и между собой установлены внешний перфорированный цилиндр 8 диаметром D, внутренний перфорированный цилиндр 9 диаметром D и стержень-электрод 10 диаметром D, при этом эти диаметры соответствуют соотношению (1).
Внутри корпуса 1 находятся зерна или гранулы сорбента 11. Адсорбер установлен на диэлектрических опорах 12, корпус и внутренний цилиндр подключены к отрицательному полюсу источника постоянного тока 13, а внешний цилиндр 8 и стержень-электрод 10 присоединены через диэлектрическую пробку 14 к положительному полюсу источника постоянного тока 13.
Адсорбер работает следующим образом. По штуцеру 3 подают зерна или гранулы сорбента 11, которым заполняют весь объем корпуса. Затем включают источник постоянного тока 13, и на боковые поверхности корпуса 1, внешнего 8 и внутреннего 9 цилиндров и стержня-электрода 10 подают напряжение, которое меньше допускаемого напряжения при работе с жидкостями. По штуцеру 7 подают очищаемую жидкость, которая поднимается снизу вверх и, обтекая зерна или гранулы сорбента, отдает им в процессе массопереноса молекулы или ионы извлекаемых веществ. Так как в радиальном направлении поперек движущихся сверху вниз зерен или гранул сорбента 11 и движущейся снизу вверх между ними очищаемой жидкости происходит движение атомов или ионов под действием разности потенциалов на поверхности корпуса 1, внешнего 8 и внутреннего 9 цилиндров и стержня-электрода 10, скорость массопереноса возрастает, что интенсифицирует процесс поглощения поверхностью зерен или гранул сорбента молекул или ионов извлекаемых веществ. Кроме того, при диаметрах корпуса 1, внешнего 8 и внутреннего 9 цилиндров и стержня-электрода 10, соответствующих соотношению (1) плотность тока, то есть число зарядов в единицу времени к единице поверхности зерен или гранул сорбента 11 по всему его объему будет одинаковым и все зерна или гранулы сорбента будут участвовать в массопереносе молекул или ионов извлекаемых из очищаемой жидкости веществ с одинаково большой скоростью. Это увеличивает степень использования динамической емкости сорбента, уменьшает его расход и способствует увеличению общей скорости массопереноса.
а
с
н
в
а
н
н
в
в
с
д
Например, при диаметре корпуса 1 D=400 мм и диаметре стержня-электрода 10 D=10 мм диаметр внешнего цилиндра 8 должен быть D=270 мм, а внутреннего цилиндра 9 D=140 мм, т.е D-D=D-D=D-D=130 мм, что соответствует формуле (1). Так как допускаемое напряжение при работе с жидкостями U=36 В, принимаем рабочее напряжение U=30 В. При очистке раствора КСl, имеющего удельное сопротивление при 20 С° ρ=7.82 Ом·м, плотность тока составит
а
н
2
j=U/[(D-D)ρ]≈30 А/м,
а напряженность электрического поля:
а
н
E=U/(D-D)≈230 В/м,
которые увеличивают скорость массопереноса по сравнению с массопереносом без электрического поля в 2.8 раза.
Таким образом, предлагаемая конструкция адсорбера позволяет вести процесс сорбции в непрерывном режиме в электрическом поле, что позволяет увеличить скорость массопереноса молекул или ионов, извлекаемых из очищаемой жидкости за счет снижения толщины диффузионного граничного слоя и увеличения подвижности этих атомов или ионов, а также увеличить степень использования емкости зерен или гранул сорбента за счет высокой плотности тока и напряженности электрического поля во всем объеме сорбента. Кроме того, переход на непрерывный режим адсорбции упрощает обслуживание адсорбера, уменьшает затраты времени на загрузку свежего и выгрузку отработанного сорбента, что также увеличивает общую производительность и скорость процесса сорбции.