Процес адсорбції. Поглинання парів метанолу нерухомим шаром активованого вугілля - Производство и технологии курсовая работа

Главная

Производство и технологии
Процес адсорбції. Поглинання парів метанолу нерухомим шаром активованого вугілля

Теоретичні основи адсорбції. Адсорбери періодичної дії та безперервної дії з рухомим шаром адсорбенту. Характеристика продукції, сировини, допоміжних матеріалів. Порівняльна характеристика і вибір технологічної схеми установки і основного обладнання.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.


С писок умовних позначень та скорочень
C -- концентрація речовини в рідині (газі),;
С s -- гранична концентрація в газовій фазі за даних умов,;
d e --еквівалентний діаметр частини сорбенту, м;
D e -- коефіцієнт ефективної дифузії, ;
D y --коефіцієнт дифузії в рідині (газі), ;
K p --константа рівноваги іонного обміну;
K y -- коефіцієнт масопередачі, м/с ;
N 0y --загальне число одиниць переносу в рідкій фазі;
Р -- парціальний тиск, Па або мм рт. ст.;
S -- площа поперечного перетину апарату, ;
W u -- константа рівняння Дубініна, ;
X --концентрація речовини в сорбенті, ;
X* -- рівноважна концентрація в сорбенті, ;
z--координата по висоті шару сорбенту, м;
в прод. --фіктивний коефіцієнт масовіддачі, що враховує повздовжнє перемішування, м/с;
в x --коефіцієнт внутрішньої масовіддачі, м/с;
в c , в y -- коефіцієнт зовнішньої масовіддачі, м/с;
с нас. --насипна щільність сорбенту, ;
с л -- щільність частки сорбенту, ;
с ф --щільність розподілу часток іоніту за часом перебування, ;
Nu' -- масообмінний критерій Нуссельта;
Адсорбція з розчинів на поверхні твердих тіл є основою для багатьох фізико-хімічних процесів. З кожним роком розширюється коло науковотехнічних завдань, пов'язаних з використанням адсорбційних процесів.
Адсорбційне розділення та очистка речовин досить давно застосовується в різноманітних галузях хімічної, нафтохімічної, газової, фармацевтичної та харчової промисловості . Велике практичне значення процес адсорбції має в цукровій галузі. Якість білого кристалічного цукру, зокрема його чистота та забарвленість, залежать від того, наскільки якісно проведена адсорбційна очистка цукрових соків та сиропів.
Дослідження процесів адсорбції барвних речовин із цукрових розчинів та підбір ефективних вітчизняних природних сорбентів для їх видалення є актуальним, оскільки забарвленість цукру, який виробляється в Україні, досить висока і не відповідає нормам Міжнародних стандартів якості .
Адсорбційний метод є з найпоширеніших засобів захисту повітряного басейну від забруднень. Основними промисловими адсорбентами є активовані вугілля, складні оксиди імпрегнування сорбента. Активоване вугілля (АУ) нейтральний стосовно полярним інеполярним молекулам адсорбованих сполук. Він менш селективне, ніж багатьох інших сорбенти, і одна із небагатьох, придатних до роботи у вологих газових потоках. Активоване вугілля використовують, зокрема, очищення газів від смердючих речовин, рекуперації розчинників тощо.
1.1 Теоретичні основи процесу адсорбції
Адсорбцією   називається концентрування газоподібної або розчиненої речовини на поверхні розділу фаз. Газ або розчинену речовину прийнято називати в цьому випадку  адсорбтивом , а рідина або тверде тіло, що адсорбувало їх, --  адсорбентом.
Адсорбцію газів вугіллям спостерігав ще в XVIII в. Шеєле. На явище адсорбції речовин з розчину вперше звернув увагу в 1785 р. російський академік Т. Е. Ловіц. Французький учений Соссюр в 1814 р. знайшов, що всі пористі тіла, тобто тіла з великою поверхнею, здатні адсорбувати гази і що при цьому зазвичай виділяється тепло. Соссюр зробив також дуже важливе спостереження, що адсорбція йде тим краще, чим легше зріджується газ. В кінці XIX в. Гіббс розробив загальну термодинамічну теорію адсорбції. У XX в. явище адсорбції детально досліджували Ленгмюр, Поляні, Брунауер, Де Бур.
Розрізняють фізичну, або ван-дер-ваальсову адсорбцію і хімічну адсорбцію, або хемосорбцію. У першому випадку адсорбційні сили мають ту ж природу, що і міжмолекулярні, або ван-дер-ваальсові, сили. Фізична адсорбція завжди зворотня. При хімічній адсорбції адсорбційні сили мають хімічну природу. Хемосорбція зазвичай незворотня. При хімічній адсорбції молекули адсорбтива, пов'язані з адсорбентом міцними хімічними силами, й не можуть переміщуватися по поверхні останнього. На відміну від цього при фізичній адсорбції можуть мати місце як нелокалізована адсорбція, коли молекули адсорбтива здатні пересуватися по поверхні адсорбенту, так і локалізована адсорбція, коли молекули адсорбтива не можуть переміщатися по поверхні. Локалізована фізична адсорбція пояснюється тим, що поверхня адсорбенту складається з різних атомів, іонів або молекул, які по різному взаємодіють з молекулами адсорбенту. Щоб молекули адсорбтива могли пересуватися по поверхні адсорбенту, очевидно, вони повинні долати певні потенційні бар'єри. Проте дуже часто подолання таких бар'єрів, якщо вони достатньо великі, неможливе. Зрозуміло, що з підвищенням температури локалізована фізична адсорбція може переходити в нелокалізовану унаслідок зростання кінетичної енергії молекул і їх здатності долати потенційний бар'єр.
Фізична адсорбція протікає мимоволі. Адсорбтив прагне зайняти всю поверхню адсорбенту, але цьому перешкоджає процес, зворотній адсорбції -- десорбція, викликана, як і дифузія, прагненням до рівномірного розподілу речовини унаслідок теплового руху. Для кожної концентрації адсорбтива в навколишньому середовищу існує стан адсорбційної рівноваги, аналогічний рівновазі між конденсацією і випаровуванням. Зрозуміло, що чим вище концентрація адсорбтива, тим більше адсорбція. Також ясно, що чим вище температура, тим менше фізична адсорбція. Для кожної температури також існує свій стан рівноваги. Вплив температури на фізичну адсорбцію цілком узгоджується з принципом Ле Шателье -- Брауна, оскільки десорбція як процес, зворотний адсорбції, супроводжується поглинанням тепла.
Для визначення кількості адсорбованої речовини необхідно експериментально знайти тиск газу або концентрацію адсорбтива в судині, в якій відбувається адсорбція, до і після адсорбції. Дуже часто кількість адсорбованої речовини визначають по збільшенню ваги адсорбенту. Слід відмітити, що визначення кількості адсорбованої речовини викликає часто великі труднощі, що завжди мають місце, коли мала величина є різницею двох великих. Аби зменшити помилку вимірювань, визначення зазвичай проводять, застосовуючи як адсорбент пористі тіла з великою питомою поверхнею, що зв'язують велику кількість адсорбтива. Проте це у свою чергу має той недолік, що на адсорбції може позначатися діаметр пір адсорбенту. Порівняно великі молекули адсорбтива не зможуть проникати у вузькі капіляри адсорбенту і досягнута межа адсорбції буде фіктивною величиною, що не характеризує адсорбційну взаємодію адсорбтива з адсорбентом. При малих радіусах пір може відбуватися зріджування адсорбтива (капілярна конденсація) і отримують завищені значення кількості адсорбованої речовини.
В основу процесів адсорбції покладені закони фізико-хімічної й дифузійної взаємодії молекул речовини з молекулами й поверхнею твердих тіл - адсорбентів. Характер міжмолекулярної взаємодії на межі розділу фаз визначає механізм процесу адсорбції .
Статика адсорбції. Сили притягання й взаємодії між молекулами компонентів газової фази та молекулами адсорбенту в основному бувають двох типів: фізичні й хімічні, відповідно розрізняють або фізичну, або хімічну адсорбцію.
При фізичній адсорбції молекули речовини, що поглинається, селективно адсорбуються на поверхні адсорбенту переважно з допомогою сил молекулярного притягання, утворюючи на поверхні адсорбенту шар поглиненої речовини товщиною в одну або декілька молекул, при цьому між молекулами адсорбтиву (газової фази) й адсорбенту (твердої фази) не відбувається хімічна взаємодія. Іноді фізичну адсорбцію розглядають як результат взаємодії вандерваальсових сил між молекулами адсорбату й адсорбенту. При адсорбції виділяється деяка кількість тепла, тобто процес адсорбції є екзотермічним, однак теплота адсорбції невелика й істотно не впливає на процес у цілому. За незмінної температури кількість адсорбованої речовини зростає з підвищенням тиску.
Зміна фізичних умов процесу впливає як на швидкість процесу, так і на кількість поглиненої речовини. Так, підвищення тиску й зниження температури сприяють збільшенню швидкості процесу адсорбції й кількості поглиненої речовини, зниження тиску й підвищення температури сприяють протіканню процесу у зворотному напрямку. Саме зниження тиску й підвищення температури використовують для проведення процесів десор-бції. Сили взаємодії між молекулами адсорбтиву й адсорбенту в процесах фізичної адсорбції менш міцні, ніж у процесах хемосорбції.
При хімічній адсорбції (хемосорбції) молекули адсорбтиву вступають у хімічну взаємодію з поверхнею адсорбенту, у результаті цього на поверхні адсорбенту утворюється плівка продуктів хімічної реакції. Процес хемосорбції супроводжується виділенням теплоти хімічної реакції, що перевищує теплоту фізичної адсорбції, і помітним підвищенням температури. Регенерація адсорбенту в процесах хемосорбції досить утруднена і протікає складніше.
Незалежно від природи адсорбційних сил на швидкість процесу адсорбції впливають фізико-хімічні властивості адсорбенту і речовини, що поглинається, концентрація адсорбтиву в газовій суміші та наявність домішок інших газів, а також тиск і температура.
Рушійною силою процесу адсорбції є різниця концентрацій (парціальних тисків) адсорбтиву в газовій фазі та рівноважної концентрації вилучаємої речовини на поверхні адсорбенту.
Отже, для розрахунків процесу адсорбції, необхідно встановити закономірності зміни рівноважних концентрацій речовини залежно від основних факторів процесу.
1.1.1 Апаратура для адсорбційних процесів
Використовуваний у процесах адсорбції адсорбент звичайно досить дорогий продукт і з метою зниження експлуатаційних витрат і повторного багаторазового застосування адсорбент періодично потрібно регенерувати - відновляти його поглинальну здатність, одночасно виділяючи з адсорбенту поглинену речовину в чистому вигляді.
Процес виділення поглиненої речовини з адсорбенту й регенерації його поглинальних властивостей називають десорбцією.
Десорбція є зворотним процесом щодо адсорбції й, отже, для її реалізації необхідно на десорбційній стадії створити умови, які різко знижують поглинальну здатність адсорбента й сприяють відновленню - регенерації його початкових поглинальних властивостей. Звичайно з цією метою використовують десорбційний цикл - певну послідовність технологічних процесів, що сприяють регенерації адсорбента.
Десорбційний цикл регенерації адсорбенту включає стадії термічної обробки (нагрівання відпрацьованого адсорбенту, відпарювання поглиненої речовини), просушку й охолодження адсорбента.
Основними способами регенерації адсорбентів є такі:
- термічна обробка, здійснювана безпосереднім нагріванням шару адсорбента гарячим газом або перегрітою водяною парою, супроводжувану підвищенням температури шару адсорбента й переходом поглиненої речовини в газову (або парогазову) фазу;
- зниження тиску в апараті над шаром адсорбента без підведення або з підведенням теплоти;
- продувка шару адсорбента перегрітою водяною парою (для виділення цінних компонентів), нагрітим газом або гарячим повітрям (при виділенні газів і пари води, що не представляють цінності);
- витиснення поглиненого компонента іншою речовиною, що має більш високу активність та яку затим видаляють допоміжною десорбцією з використанням вищеназваних способів.
Найбільша швидкість процесу десорбції досягається при використанні вакууму з одночасним підведенням тепла до адсорбента, що регенерується, хоча при цьому збільшуються експлуатаційні витрати й дещо ускладнюється технологічна схема установки.
Вибір способу десорбції визначається властивостями адсорбента й адсорбтива, техніко-економічними показниками, масштабом і характером організаційно-технічної структури виробництва.
В установках періодичної дії десорбція здійснюється після стадії адсорбції безпосередньо в самому адсорбері після перемикання апарата в режим десорбції, подачею гріючої пари і відпаровуванням адсорбтива. Просушку адсорбента проводять перегрітою парою, гарячим повітрям або газовою сумішшю залежно від властивостей адсорбтива. Охолодження адсорбента звичайно здійснюють за допомогою повітря або частиною вихідного газу. Після цього апарат знову перемикають у режим адсорбції.
Відзначимо, що тривалість процесу десорбції звичайно менша тривалості стадії адсорбції, оскільки процес десорбції протікає при температурах значно більш високих, чим адсорбція.
Температура процесу при десорбції залежить від властивостей адсорбента й властивостей поглиненої речовини. Процес регенерації активного вугілля протікає при температурах 100 - 120оС, при регенерації силікагелів й алюмогелів використовують температури 150 - 250оС, при регенерації цеолітів припустимі температури 200 - 400оС.
В установках безперервної дії для десорбції й регенерації адсорбентів виділяють частину апарата, у якій насичений адсорбент безперервно рухається, нагрівається й відпаровується в трубках кожухотрубного теплообмінника.
Активність адсорбентів звичайно поступово знижується зі збільшенням кількості циклів регенерації приблизно на 20% і після 50- 100 циклів досягає практично постійної величини. Зменшення активності адсорбенту із часом називають старінням. Строк експлуатації адсорбента до повної його заміни звичайно становить 1 - 3 роки й залежить від його механічних властивостей, від забруднення й забивання пор домішками та від зниження активності внаслідок отруєння.
На газороздільних заводах (ГПЗ) широко використовують адсорбційні установки для глибокої осушки природного газу від вологи під тиском 3,5 - 10 МПа до температур точки роси мінус (60 - 90)оС.
Як адсорбенти застосовують цеоліт №А, тривалість контакту газу з адсорбентом вибирають у межах від 10 до 20 с, вологоємність цеоліта наприкінці терміну служби становить 9 % мас. Тривалість окремих стадій циклів становить: адсорбції 8 - 12 годин, регенерації 6 - 8 годин, охолодження - 2 години.
Десорбцію вологи із цеоліту проводять сирим газом, підігрітим до температури 250 - 350оС, вологоємність цеоліту після його регенерації звичайно становить 2,8 - 2,5 % мас. При температурі контакту 50оС цеоліт здатний осушувати газ до температури точки роси мінус (70 - 80)оС.
1. 1 . 2 Активоване вугілля. Характеристика та застосування
Активоване вугіллявиготовляють із різних вуглецевмісних матеріалів за допомогою їх високотемпературної термічної обробки без доступу повітря. Як сировину для одержання активованого вугілля використовують деревину різних сортів (сосну, березу, дуб та ін.), плодові кісточки, кам'яне й буре вугілля, кістки й кров тварин, цукор та ін. У результаті термічної обробки матеріалів відбувається їх обвуглювання й спучування, смолисті речовини випаровуються й вивітрюються, а кістякова структура вугілля стає досить пористою, утворюючи мікро- і макро- пори діаметром (5-200)10 -9 м . Отримане вугілля за цим піддають додатковій спеціальній обробці парогазовій (перегрітою парою, аміаком, двоокисом вуглецю та ін.) або хімічному активуванню солями, водно- сольовими розчинами й розчинами кислот.
Виготовляється активоване вугілля у вигляді порошків з розмірами часток 0,2-0,5 мм або у вигляді часток неправильної форми й гранул розміром 2-5 мм . Залежно від пористості й розміру пор питома поверхня активованого вугілля різних марок становить 600-1500 м 2 /г . При адсорбції молекули речовини, що поглинається, звичайно заповнюють мікропори, питомий об'єм мікропор становить (0,2 - 0,6)10 -3 м 3 /кг .
Сорти активних вугіль позначають марками, кожна з марок відбиває назву матеріалу, з якого приготовлене активоване вугілля, а також його основне призначення.
Широкого застосування набули вугілля таких марок: АВ - активне вугілля; БАВ - березове активне вугілля; АГ - активне гранульоване вугілля; АР - активне вугілля рекупераційне; КАВ - кісточкове активне вугілля; САВ - саранове активне вугілля, що приготовлене з полімеру сарана; СКТ - вугілля сернистокалієвого активування, торф'яне та ін.
Вугілля різних марок характеризуються насипною й істинною густиною, розміром пор, дисперсністю, активною питомою поверхнею, поглинальною здатністю.
У табл. 1.1 наведені характеристики деяких марок активного вугілля.
Основними недоліками активних вугіль є низька міцність, легка старанність, здатність до самозаймання при температурах понад 180°С.
Табл иця 1.1 Характеристика активованого вугілля деяких марок
Адсорбція газів і пари речовин, розділення вуглеводневих газів
Адсорбція й рекуперація пари розчинників
1.2. 3 Природні адсорбенти. Перспективи їх використання в Україні
На території України розташовані одні з найбільших в світі покладів нерудних копалин, Важливе місце в їх структурі займають природні адсорбенти і каталізатори ? алюмосилікатні сполуки, які зосереджені у більш як сорока родовищах, Ці речовини у природному стані або після найпростішої обробки'подрібнення, сушка тощо( придатні для очищення, відбілювання, зневоднення газових і рідинних середовищ, прискорення хімічних реакцій, розділення багатокомпонентних сумішей, змінювання іонного складу рідин[1, 2]
Використання таких природних сорбентів може бути ефективним і корисним в технології цукру при очистці цукрових соків і сиропів. На сьогоднішній день спроби отримання цукру високої якості та підвищення його виходу в основному здійснюються за рахунок надмірного використання вапна, а також різноманітних схем очистки соку-Але позитивного результату не завжди вдається досягти через значне підвищення кількості нецукрів в дифузійному соку. Вапно, як хімічний реагент, не дозволяє забезпечити отримання соків і сиропів високої якості. Як відомо, дві третини вапна використовується не на хімічні процеси видалення нецукрів, а на їх адсорбцію на поверхні карбонату кальцію[3]. Цей реагент має лімітовану адсорбційну ємність по видаленню з розчинів нецукрів. Тому актуальним завданням технології цукру є вивчення фізико-хімічних властивостей дешевих природних дисперсних мінералів з метою інтенсифікації процесів адсорбційної очистки напівпродуктів цукрового виробництва.
Серед промислово цінних видів мінералів можна назвати Монтморилоніт,сапоніт, палигорськіт,глауконіт,каолініт, гідрослюду тощо. Їх різноманітність, доступність, численні запаси (мільйони тон), високі Фільтрувальні, адсорбційні, каталітичні та іонообмінні властивості стають підґрунттям для дослідження ефективності їх використання в технології цукру.
Можливість застосування дисперсних мінералів в цукровому виробництві визначається різними параметрами-Одним з основних є вплив мінералів на реакцію середовища- Використання адсорбентів не повинно суттєво змінювати рН ні в водних розчинах, ні у вапняково-цукрових зі значенням рН 11,9 Результати проведених досліджень представлені в таблиці 1
Таблиця 1 Вплив мінеральних сорбентів на реакцію середовища води та вапняково-цукрових розчинів
Присутність мінералів дещо збільшує реакцію водного середовища.
Найбільше це явище проявляється для сапоніту, який викликає зростання рН на 2,3 монтморилоніту ? на 0,45 та опоки - на 0,4 одиниці. В присутності гідроксиду кальцію та сахарози сорбенти майже на впливають на зміну рН середовища. Отже їх можна застосовувати при очистці лужних соків цукрового виробництва.
Наступним етапом роботи було дослідження взаємодії природних мінералів з 5 % ними розчинами меляси, які моделювали напівпродукти цукрового виробництва, що містять нецукри, які не видаляються в ході технологічного процесу. Для ефективного проведення процесів очистки цукрових розчинів необхідно, щоб мінеральні сорбенти вилучали нецукри з розчинів, а також мали невисокий ступінь набухання і могли бути легко відокремлені від рідин шляхом фільтрування. Для досліджених систем визначали зміну рН модельних розчинів за рахунок внесення адсорбентів, здатність мінералів до набухання та фільтрувальні показники отриманих систем. Результати наведені в таблиці 2.
Таблиця 2 Технологічні показники розчинів меляси після контакту з мінералами
Результати таблиці1 дозволяють зробити висновки, що рН розчинів меляси при внесенні мінералів змінюється незначно. За ступенем набухання найбільші значення показали монтморилоніт, палигорськіт та глауконіт, практично не набухає в розчині меляси опока. Найкращі фільтрувальні показники показали розчини з додаванням опоки, трепелу, палигорськіту та глауконіту.
Для забезпечення високого виходу цукру важливо, щоб його втрати в осаді мінералів були мінімальними і не перевищували 1 % до маси вологого осаду [3] Тому було визначено гідрофільність сорбентів та вміст цукру в осаді мінералів після їх контакту з 15% розчином сахарози протягом 30 хвилин за методикою[4]. Оскільки в промислових умовах осад на вакуум, фільтрах промивається. було проаналізовано вміст цукру в осадах. Промитих дистильованою водою в кількості 110 % до маси осаду. Результати досліджень наведені в таблиці 3.
Таблиця 3 Гідрофільність та вміст цукру в осаді мінералів
Найбільшою є гідрофільність монтморилоніту, палигорськіту та Сапоніту. Всі досліджені мінерали показали близькі за значеннями результати вмісту цукру як в промитих, так і в непромитих осадах. Важливим є той факт, що вміст цукру в промитих осадах складає менше 1 % до маси вологого осаду. Отже, природні дисперсні мінерали можна застосовувати для видалення нецукрів, оскільки втрати цукру з осадом не перевищують відповідних показників для промислового фільтраційного осаду з вакуум, фільтрів.
В наступних дослідах в модельних розчинах меляси, оброблених природними дисперсними мінералами, визначили вміст цукру, сухих речовин, чистоту, забарвленість та кількість видалених аніонів кислот у вигляді солей кальцію (таблиця4). Встановлено, що використання більшості мінералів позитивно вплинуло на технологічні показники оброблених розчинів. Їх чистота зросла на 1-1,5 % забарвленість знизилася майже вдвічі у випадку використання палигорськіту, зменшився вміст солей кальцію.
Показники забарвленості і чистоти добре корелюють між собою. Отже, досліджені мінерали вилучають з розчинів певні нецукри, зокрема солі кальцію і барвні речовини, за рахунок чого зростає чистота модельних розчинів. Це вказує на ефективність використання природних дисперсних мінералів для очистки напівпродуктів цукрового виробництва. Найвищу адсорбційну здатність проявили палигорськіт, монтморилоніт та глауконіт.
Таблиця 3 Чистота, забарвленість та вміст солей кальцію в розчинах меляси після контакту з мінералами
На основі проведених досліджень встановлено, що для додаткової очистки напівпродуктів цукрового виробництва можна застосовуватиприродні дисперсні мінерали, поклади яких на території України величезні.
Вони практично не змінюють реакцію середовища, мають достатні фільтраційні показники, осад мінералів не накопичує цукор. За рахунок використання мінералів можна на 30-50% знизити забарвленість модельних розчинів меляси, на 0,5-1,5 % підвищити їх чистоту. Найбільш ефективними щодо видалення нецукрів виявилися палигорськіт, монтморилоніт та глауконіт. Використання цих природних дисперсних мінералів для адорбційної очистки в технології цукру дозволить розширити спектр застосування вітчизняних природних ресурсів для потреб різних галузей промисловості.
1.2.4 Метанол як альтернативний енергоносій
Добування водню з рідкого палива може усунути одну з найбільших перешкод водневої енергетики. Німецькі хіміки знайшли спосіб, як добути водень з метанолу - рідкого палива, - яке, на відміну від чистого водню, легко транспортується. На думку Матіаса Беллера (Mathias Beller), інженера-хіміка з Ростокського університету, розроблений ним метод можна застосовувати для живлення найрізноманітніших пристроїв - від автомобільних двигунів до мобільних телефонів.
Водень має високу енерговіддачу, а також він цілком екологічно чистий, адже при його спалюванні утворюється лише водяна пара. Природні запаси чистого водню порівняно невеликі, проте у майже необмеженій кількості він міститься у воді. Прихильники «водневої економіки» стверджують, що його можна добувати електролізом води, застосовуючти чисті джерела енергії (наприклад, сонце та вітер). На жаль, оскільки за нормальних умов водень - газ, зберігати та транспортувати його можна лише в стиснутому чи зрідженому стані, що викликає чимало труднощів. Багато хіміків витратили десятки років, б'ючись над проблемою, як краще застосовувати водень як паливо.
Один з можливих варіантів - «замкнути» його у рідкій чи твердій речовині. Проте більшість сполук або містять надто мало водню, або ж утримують його так міцно, що для його відновлення потрібна недосяжна кількість енергії.
Подібною була ситуація і з метанолом (CH3OH) - найпростішим одноатомним спиртом, який розкладається на водень і моноксид вуглецю. Метанол містить відносно багато приєднаного водню (12,5% за масою), проте, щоб його виділити, метанол слід спершу нагріти до 200 °C під тиском 25-50 атмосфер.
У вчорашньому випуску журналу Nature Матіас Беллер повідомив, що знайшов розчинний каталізатор на основі рутенію, який дає змогу легко добувати водень з метанолу при всього лише 65-95 °C та під тиском в одну атмосферу. «Навіть складно припустити, скільки енергії буде збережено», - оптимістично стверджує автор. Він вважає, що в майбутньому метанол може стати альтернативним видом палива, який застосовуватиметься в елементах живлення найрізноманітніших пристроїв - від мобільних телефонів та портативних комп'ютерів до автомобілів.
Винайденим М. Беллером процес поки перебуває на лабораторному етапі, і пройдуть роки перш ніж він застосовуватиметься на практиці. З ним також пов'зано чимало труднощів, адже для руху автомобіля, наприклад, потрібно в середньому 24 літри водню за секунду. М. Беллеру вдалося отримати в лабораторії лише кілька мілілітрів водню за секунду. Крім того, щоб застосовуватися в комерційних цілях, каталізатор повинен залишатися в стабільному стані, як мінімум, кілька місяців. Каталізатор ж на основі рутенію залишається стабільним лише до трьох тижнів. Пітер Холл (Peter Hall), хімік з Шеффілдського університету (Сполучене Королівство), вважає, що навіть якщо ці проблеми вдасться подолати, енергетичного чуда все одно на станеться, адже «ті, хто всерйоз думає про використання воднево-метанолових паливних елементів у автомобілях, комп'ютерах чи мобільних телефонах, серйозно недооцінюють інженерні складнощі розроблення та мінітюаризації таких пристроїв». Проте хочеться вірити, що спрощення добування водню з метанолу стане черговим внеском у розроблення та впровадження екологічно чистих джерел енергії.
2.1 Розрахунок адсорбційної установки рекуперації з нерухомим шаром адсорбенту
2.1.1 Ізотерма адсорбції пари метанолу на активному вугіллі
Для активного вугілля АР-3, обладнаного біопористою структурою по теорії об'ємного заповнення пор рівноважної концентрації у твердому тілі зарівнянням Дубініна розрахували наступне:
Де - рівноважна концентрація в твердій фазі, моль/г ; W 01 ,B 1 , W 02 ,B 2 - константи, що характеризують адсорбент; W 01 = 0,19 см 3 /г , B 1 = 0,7410 -6 К -2 ; W 02 = 1,810 -1 см 3 /г ; B 2 = 3,4210 -6 К -2 ; = 0,4; - мольний об'єм поглиненого компоненту, см 3 /моль ; = 12800 Па - тиск насиченої пари метанолу; - парціальний тиск парів метанолу у газовій суміші.
Вихідна концентрація метанолу в газовій суміші відповідає частині ізотерми, близької до лінійної. Початкова ділянка ізотерми розглядається, як лінійна при умові (C/C s ) 6 = 0.17 (по бензолу)
Відношення / для бензолу, відповідає вихідній концентрації метанолу в суміші ( Сн= 1,810 -3 кг/м3 знайдено по рівнянню потенціальної теорії адсорбції):
Де - відношення парціальний тиску до тиску насиченої пари для бензолу.
Отриманий результат показує, що форма ізотерми на розглянутій ділянці лінійна.
Допустиму фіктивну швидкість газу розрахувализа формулою, отриманою на основі техніко-економічного аналізу роботи адсорберу:
Де = 2,010 -10 м ; = 550 кг/м 3 (для активованого угілля АР-3); густина повітря при 24 °С; = 1,189 кг/м 3 .
Допустима швидкість газу в адсорбері:
Робочу швидкість газу в адсорбері приймаємо на 25% нижче допустимої; = 0,75 0,388 = 0,29 м/с
Висоту шару активного вугілля в апараті для забезпечення потрібного часу роботи адсорбера прийняли0,7 м. Повну висоту циліндричної частини складає1,7 м. Додаткова висота (під кришкою і над днищем) необхідна для розміщення розподільчого приладу для газу, штуцерів та датчиків контролно - вимірювальних приборів.
Знаходимо коефіцієнт дифузії в газовій фазі в системі метанол - повітря.
При t =0 °C та =98,1 кПа коефіцієнт дифузії дорівнює 0,133 см 2 /с. Коефіцієнт дифузії в умовах адсорбера
В'язкість газової фази (повітря) µ y = 1,810 -5 Пас.
Коефіцієнт масовіддачі в газовій фазі знайшлиза рівнянням:
де е - пористість шару (е = 0,375);
Nu` = 0.355 38.67 0.641 1.049 0.333 /0.375 = 9,84
Коефіцієнт зовнішньої масовіддачі дорівнює:
Коефіцієнт ефективної дифузії метанолу в адсорбенті знайшли по залежності D Е = ѓ(x), для випадку адсорбції метанолу на активному вугіллі, що наближається по внутрішній структурі до АУ марки АР-3 в інтервалі концентрацій X =0-3.3310 -2 кг/кг
Коефіцієнт масовіддачі в адсорбенті (коефіцієнт внутрішньої масовіддачі) знайшли за рівнянням:
Зниження рушійної сили масопереносу в результаті відхилення руху газу від режиму ідеального витіснення врахували введенням додаткового дифузійного опору поздовжнього перемішування. Коефіцієнт, що враховує поздовжнє перемішування, визначилиза рівнянням:
Коефіцієнт массопередачі з урахуванням поздовжнього перемішування:
2.1.4 Тривалість адсорбції. Вихідна крива. Профіль концентрації в шарі адсорбенту
Тривалість адсорбції метанолу встановилиза вихідною кривою, побудова якої провелиза рівнянням Томаса для безрозмірної концентрації в потоці:
де = az/щ загальна кількість одиниць переносу для шару висотою z;
Виразили ф через безрозмірний час Т:
Число одиниць переносу (див. Додаток 1)
Час досягнення концентрації метанолу в газі, що виходить з адсорбера знаходилася графічно (див. Додаток 3), вона становить 5% від початкової, тобто С/С н = 0,05.З графіка видно, при відношенні X/X* , що складає 0,013, z становить 0,63 м .
Тривалість стадії адсорбції аналогічно встановлювалась за графічними данними (див. Додаток 4). Відповідно до вихідної кривої тривалість стадії адсорбції становить 1,810 4 .
Побудова профілю концентрацій про
Процес адсорбції. Поглинання парів метанолу нерухомим шаром активованого вугілля курсовая работа. Производство и технологии.
Курсовая работа по теме Развитие социальной сферы муниципального образования
Новый Год Сочинение 5 Класс
Курсовая работа: Творчество и герои В.С. Маканина
Курсовые И Выпускные Квалификационные Работы Студентов
Контрольная работа по теме Сигналы бедствия. Обязанности матросов
Реферат: Палеогеография и методы восстановления условий накопления осадков
Решение Контрольная Работа 1
Доклад по теме Структура маркетинг плана брэнда
Сочинение по теме “Высокое косноязычие” Осипа Мандельштама
Реферат: Процес управління Сутність планування прогнозування як функції управління
Реферат: Культура и быт Древней Руси 3
Контрольная работа по теме Ответственность по гражданскому праву. Наследование по завещанию
Реферат: Терроризм 11
Реферат На Тему Перевариваемость И Усвоение Питательных Веществ Кормов
Контрольная Работа 4 Класса Фгос
Написать Эссе Россия На Постсоветском Пространстве
Ответ на вопрос по теме Табличные значения наиболее распространенных жидкостей
Реферат: Роберт Э. Свобода агхора II : кундалини
Реферат: Гробы. Скачать бесплатно и без регистрации
Моя Деревня Сочинение 2 Класс
Типи керівництва - Менеджмент и трудовые отношения курсовая работа
Организация стратегического анализа деятельности предприятия - Менеджмент и трудовые отношения реферат
Взаимосвязь СМИ и PR - Журналистика, издательское дело и СМИ контрольная работа