Экспериментальное и теоретическое обоснование процессов электрогенерации зернистых слоев активированного угля: На примере рекуперации галогензамещенных углеводородов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.01, кандидат технических наук Сущев, Сергей Владимирович

• Сущев, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сущев, Сергей Владимирович

Содержание стр.

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Электрорегенерация как стадия углеадсорбционного процесса

1.1.1. Идея электрорегенерации

1.1.2. Электрорегенерация в углеадсорбционных циклах рекуперации

1.1.3. Принципиальные сложности в реализации электрорегенерации

1.2. Электропроводность активированных углей

1.2.1. Активированные угли как г!редставители углеродных адсорбентов

1.2.2. Электропроводящие свойства углеродных материалов

1.3. Электропроводность полупроводников как модель электропроводности зернистых углеродных систем

1.3.1. Электропроводящие свойства полупроводниковых материалов

1.3.2. Поверхностные и контактные явления в зернистых полупроводниковых средах

1.4. Общие подходы к изучению электропроводности неоднородных систем

1.4.1. Концентрационный метод

1.4.2. Метод элементарной ячейки

1.4.3. Перколяционный метод

1.5. Выводы из литературного обзора

Обозначения

Глава 2. Электропроводность зернистого слоя активированного угля

2.1. Активированные угли, использованные в работе

2.1.1 Общие свойства 3

2.1.2. Адсорбционные свойства

2.2. Методика и результаты экспериментов

2.2.1. Влияние размеров аппарата и уплотняющего усилия на электросопротивление АУ

2.2.2. Влияние температуры на электросопротивление АУ

2.2.3. Влияние частоты переменного тока на

сопротивление АУ

2.2.4. Влияние механических, электрических и химических воздействий на сопротивление АУ

2.2.5. Влияние силы тока на сопротивление АУ

2.3. Математическое моделирование электропроводности зернистого слоя ,

2.3.1. Электросопротивление идеализированного зернистого

слоя

2.3.2. Электросопротивление реального зернистого слоя

2.4. Обсуждение результатов 63 Обозначения

Глава 3. Теплопередача в зернистом слое активированного угля в ходе электронагрева

3.1. Методика экспериментов

3.2. Результаты экспериментов

3 .3. Математическое моделирование теплопередачи в зернистом слое активированного угля

3.3.1. Стационарный режим

3.3.2. Нестационарный режим

3.4. Прогнозирование теплопередачи в реальных зернистых

слоях

3.5. Резюме 98 Обозначения

Глава 4. Технология адсорбционных процессов с электрорегенерацией адсорбента

4.1. Технология рекуперации тетрахлоруглерода из газовых

сдувок производства тетрахлоруглерода и перхлорэтилена

4.1.1. Технологическая схема

4.1.2. Конструкция адсорбера

4.2. Технологический расчет рекуперации тетрахлоруглерода

4.3. Параметры оборудования и расходные коэффициенты 113 Обозначения

Выводы

Литература '

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное и теоретическое обоснование процессов электрогенерации зернистых слоев активированного угля: На примере рекуперации галогензамещенных углеводородов»

Введение

Электрорегенерация является перспективным экологически чистым способом регенерации отработанного адсорбента, который может применяться в углеадсорбционных циклах рекуперации негорючих веществ. К ее преимуществам относятся: высокая интенсивность нагрева адсорбционного слоя, возможность получения чистого концентрированного продукта, относительная технологическая простота. Метод основан на пропускании электрического тока через зернистый слой электропроводящего материала, в частности, активированного угля (АУ). За счет эффекта Джоуля в слое выделяется определенное количество теплоты, достаточное для десорбции поглощенного компонента. Десорбированный продукт собирают и используют повторно.

В научно-технической литературе приводятся описания различных вариантов технологических схем с использованием метода электрорегенерации. В большинстве случаев в этих схемах применяют аппараты с перемещающимся адсорбентом (движущийся слой, вращающийся адсорбер и т. п.). Данные о промышленной реализации метода в неподвижном слое отсутствуют, при этом известны случаи отказа опытных электрорегенерационных аппаратов по причине отклонения реальных технологических параметров процесса от расчетных значений.

Таким образом, электрорегенерация в неподвижном слое является эффективным, но сложным и малоизученным процессом. Актуальность его изучения в последние годы продиктована также ужесточением международного законодательства в отношении выбросов галогензамещенных углеводородов, в частности, фреонов. Многие из этих веществ термостабильны и негорючи, поэтому в случае их адсорбционной рекуперации применение электрорегенерации предпочтительно.

Заключение диссертации по теме «Технология неорганических веществ», Сущев, Сергей Владимирович

Выводы

1. Показаны преимущества процесса электрорегенерации (высокая скорость нагрева, чистота выделяемого компонента) для углеадсорбционкых циклов рекуперации галогензамещенных углеводородов. Основные сложности в реализации метода заключаются в необходимости точного прогнозирования электропроводности зернистого слоя и учета неоднородности распределения температур в аппарате.

2. Получены изотермы адсорбции фреонов на двух промышленных углях СКТ и ФАС и определены структурные характеристики этих углей. Обсуждены перспективы использования углеродных адсорбентов разных типов в данной технологии.

3. Исследовано влияние различных факторов (типа адсорбента, среды, температуры, размеров аппарата, различных способов предварительной обработки гранул, уплотняющего усилия, плотности и частоты электротока) на электропроводность зернистого слоя АУ. В значительной степени ее величина определяется величиной зазора в контактах между гранулами и изменяется при изменении качества поверхности материала, механическом уплотнении, а также под действием электромеханической (пондеромоторной) силы.

4. Представлена математическая модель электропроводности идеализированного (предельно упорядоченного) слоя, в которой его удельное электросопротивление рассматривается как аддитивная величина удельных сопротивлений гранул и зазора. Определены коэффициенты модели. Показано, что она удовлетворительно описывает влияние механического уплотнения.

5. Представлена скорректированная математическая модель электропроводности реального зернистого слоя, которая учитывает влияние всех технологических параметров. Определены ее коэффициенты.

Необходимость перехода от идеализированной к реальной системе связана с учетом эффектов бокового давления и пондеромоторного взаимодействия гранул.

6. Исследованы закономерности нагрева зернистого слоя АУ, содержащего и несодержащего фреоп-22, в аппаратах с тепловой изоляцией и в неизолированных аппаратах. Подтверждено, что наличие значительного радиального температурного распределения в слое обусловлено потерями тепла в окружающую среду.

7. Представлены математические модели стационарного и нестационарного (квазистационарного) нагрева, которые связывают температуру в различных точках слоя и время нагрева с подводимой мощностью электрического тока. Распределение температур по радиусу аппарата в любой момент времени описывается параболической функцией.

8. Решена обратная задача моделирования: определены коэффициенты теплопроводности слоя и теплопередачи (тепловых потерь) в окружающую среду, а также коэффициент, зависящий от теплоемкости системы и теплоты десорбции поглощенного вещества. Значения коэффициентов по порядку величин согласуются с литературными данными. Показано, что причиной расхождения расчетных и литературных значений является неоднородность в радиальном распределении плотности тока, обусловленная наличием температурной зависимости электропроводности.

9. Разработаны схема рекуперации четыреххлористого углерода со стадией электрорегенерации и конструкция адсорбера. Результаты технологического расчета свидетельствуют об экономической и экологической целесообразности метода.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сущев, Сергей Владимирович, 1998 год

Литература

1. Пат. 2659869 Франция, МКИ В O l D 53/04, В 01 D 15/00. Устройство для обработки потоков с помощью элемента, состоящего из нескольких слоев, разделенных зазорами, и регенерируемого с использованием эффекта Джоуля. - Опубл. 27.09.91

2. А. с. 899097 СССР, МКИ В 01 D 53/02. Способ рекуперации органического растворителя из газовых выбросов. - Опубл. 1982

3. Кунибэ Сусуму. Характеристики активированного угля (как адсорбента) и хлорированных углеводородов с точки зрения охраны окружающей среды // РРМ,- 1982,- Т. 13, №8,- С.64-72

4. Лященко Л.В., Бачерикова И.В., Зажигалов В.А. Удаление HF и фреонов из технологических газов // Экотехнол. и ресурсосбережение. -1994,-№5 -6.-С. 46-50

5. Пат. 391424 Австрия, МКИ В 01 D 53/02. Способ регенерации филыров с активированным углем. - Опубл. 10.10.90

6. Пат. 4946479 США, МКИ В 01 D 53/06. Аппарат для рекуперации растворителей. - Опубл. 07.08.90

7. Заявка 3644126 ФРГ, МКИ В 01D 46/30, В 01 D 46/42. Способ очистки отходящего воздуха от паров растворителей и их регенерации. -Опубл. 07.07.88

8. Wakamatsu N., lida Y. Industrial application of low-temperature steam-desorption system for solvent recovery by activated carbon // 4th lilt. Conf. Fundain. Adsorp., Kyoto, May 17-22,1992,- Extend. Abstr.- P. 234-236

9. Пат. 4919692 США, МКИ В 01 D 53/04. Способ очистки воздуха от паров растворителей и других загрязнений,- Опубл. 24.04.90

10. Streeb Rudolf. Chlorierte Kohlenwasserstoffe aus der Luft eliminieren mittels Adsorptionsanlagen // Maschinenmarkt.- 1982,- 88, N95,- S. 2040-2041

11. Пат. 4963168 США, МКИ В Ol D 53/04, В 01 D 19/00. Ус гаповка для рекуперации растворителя из потока промышленного воздуха.-Опубл. 16.10.90

12. Шумяцкий Ю.И., Афанасьев Ю.М. Адсорбция: процесс с неограниченными возможностями. - М., 1998,- 78 с.

13. Шумяцкий Ю.И. Производство фреонов и защита озонового слоя // Проблемы окружающей среды и природных ресурсов,- 1990.- №1.- С. 52-65

14. Starr D. Protecting the ozone layer // Earth Sei.- 1988.- V. 11, N3,- P. 18-20

15. MacKenzie D. Industry develops ozone-friendly processes // New Sei.- 1988,-V. 120, N1639,-P. 30-31

16. Пат 4139489 США. Метод регенерации использованного активированного угля путем пропускания электротока. - Опубл. 02.79

17. Пат 4149023 США, МКИ F 27 В 1/08. Метод регенерации использованного активированного угля. - Опубл. 10.04.79

18. Заявка 58-208115 Япония, МКИ С 01 В 31/08, В 01 J 20/34. Аппаратура для регенерации активированного угля. - Опубл. 03.12.83

19. Заявка 51-135896 Япония, МКИ С 01В 31/08. Регенерация активированного угля со сниженными тепловыми затратами. -Опубл. 25.11.76

20. Заявка 4023477 ФРГ, МКИ DO 1 J 20/34. Способ и аппаратура для десорбции загрязнителей в электрическом поле. - Опубл. 06.02.92

21. Petrovska M., Tondeur D., Grevillot G., Granger J., Mitrovic M. // Separ. Sei. and Technol.-1991.-V. 26, N3.- P. 425-444

22. A. c. 1491563, СССР. Способ регенерации слоя гранулированного адсорбента. - Опубл. 07.07.89

23. Stankiewicz Z., Schreiner H. Directe electrische erwärmung der aktivkohle // Chemikier-Zeitung.- 1990,- B.l 14, N12.- S. 379-380

24. Гурвич О.С., Ляхин Ю.П., Соболев С.Н. Высокотемпературные электропечи с графитовыми элементами,- М., 1974,- 104 с.

25. ГОСТ 4668-75. Материалы углеродистые. Метод определения удельного электрического сопротивления порошка

26. Гальнерн В.В., Обуховский Я.М. Исследование удельного электросопротивления порошков кокса, полукокса, термоантрацита и графита двухзондовым методом // ХТТ,- 1973,- №2,- С. 121-128

27. Чалых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов,- М., 1963,- 304 с.

28. Левит P.M. Электропроводящие химические волокна,- М., 1986,- 200 с.

29. Шелыгин А.Л., Корольков U.M. Исследование изменения электрического сопротивления слоя адсорбента в адсорбционно-десорбционном цикле // ЖПХ,- 1981,- Т.54, №4,- С. 822-825

30. Кудрин С.А., Сметанина В.Л. Регенерация углеродных сорбентов,- Перм. политех, ин-тут, Пермь.- Рукопись деп. в ОНИИТЭхим, г. Черкассы, 18.11.85, №1123-хп

ЗГСубатиев В.К., Тушевич В.М. Интерпретация результатов измерений неоднородных сопротивлений на разных частотах // ЖТФ.- 1947,- Т. 17, №2,-С. 177-194

32. Тарковская И.А., Козуб Г.М., Гоба В.Е., Ставицкая С.С. Влияние проводимости на катионообмеиные и каталитические свойства окисленных углей // Украинский хим. журнал. - 1978,- Т. 44, №5,- 489-493

33. Кингле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. Л., 1984.-216с.

34. Тарковская И.А. Окисленный уголь. - Киев, 1981. -200 с.

35. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. - М., 1984,- 592 с.

36. Гаручава Н.В. Исследование процесса равновесной адсорбции фреонов на активных углях. - Дипломная работа, МХТИ им. Д.И. Менделеева. -М., 1991

37. Puri B.R., Kaistha B.C., Xasho Vardhan, Majahan O.P. // Carbon.- 1973.-Nll.-P. 329-.

38. Barton S.S. Gillspie P., Harrison P.H. // Carbon.- 1973,- N11,- P. 64939. Boehm H.P. Chemical identification of surface groups.- Adv. Catal. and Retal.

Subj.- 1966.-16.-P. 179-274

40. Кузин И.А. Мироненко В.M. Исследование продуктов окисления активного угля азотной кислотой // ЖПХ,- 1969,- Т. 42, №2,- С. 833-838

41. Harker H., Jackson С., Wynnc-Jonesw F.K. Electron shin resonance in carbons: The effect of surface oxide formation. // Proc. Roy. Soc. A.- 1961,- V. 262, N1310.-P. 328-339

42. Гутман Ф., Лайонс Л. Органические полупроводники. - M.,1970.- 696 с.

43. Шулепов С. В. Физика углеграфитовых материалов. -М., 1972. -245 с.

44. Mrozowski S. Semiconductivity and diamagnetism of poly crystalline graphite and condensed ring systems // Phys. Rev.- 1952,- V. 85, N4. P. 609-620

45. Pacault A., Marshand A. Propriétés électroniques des carbons pregraphitiquels //J. Chem. Phys. et Phys. Chem. Biol.- I960,- V. 57, N10,- P. 873-891

46. Wilk M. Halbleiter-Ei genschaften aromatischer Kohlenwasserstoffe // Zeitschrift für Electrochemie.- 1960,- B. 64, N7.-P. 930-936

47. Хрепкова T.M., Касаточкин В.И. Электрофизические свойства переходных форм углерода.- Структурная химия углерода и углей, ред. В.И. Касаточкина,- М., 1969,- С. 88- 98

48. Стражеско Д.Н. Электрофизические свойства активных углей и механизм процессов, проходящих на их поверхности // Адсорбция и адсорбенты.-1976,-Вып. 4,-С. 3-14

49. Алехина М.Б., Шумяцкий Ю.И., Скубак Е.А, Савченко С.Г. Взаимосвязь электрофизических свойств и параметров пористой структуры активного угля СКТ // ЖПХ,- 1993,- Т. 66, №8,- С. 1811

50. Алехина M.Б., Шумяцкий Ю.И. Влияние электрического тока па электропроводящие свойства и текстуру активированного угля // ЖФХ,-1995,- Т. 69, №5,- С. 944-946

51. Справочник по электротехническим материалам. - Ред. Корицкого Ю.В.-М., 1986,-В 3 т.

52. Ерофеевич В.Г., Курбатов Л.Н. Температурная зависимость проводимости слоев сульфида свинца на частоте 1010 Гц // ФТТ,- 1961,- Т. 3, №2.-С. 595-598

53. Юнович А.Е. Об определении времен релаксации поверхностных состояний в германии // ЖТФ,- 1957,- Т. 27, №8,- С. 1707-1712

54. Ерофеевич В.Г., Курбатов Л.Н. Электропроводность и диэлектрическая проницаемость слоев сульфида свинца на частоте 10И) Гц // ФТТ: Сб. ст,-М.-Л.- 1959.-Т. Г-С. 133-143

55. Юнович А.Е. О зависимости эффекта поля в полупроводниках от частоты // ЖТФ.- 1958.-Т. 28, №4.- С. 689-693

56. Ляшенко В.И., Литовченко В.Г., Степко И.И. и др. Электронные явления на поверхности полупроводников,- Киев, 1968,- 400 с.

57. Goodman R.M., Somorjai G.A. Low-energy diffraction studies of surface melting and freezing of lead, bismuth, and tin single-cristal surfaces // J. Chem.Phys.- 1970.-V. 52, N12.- P. 6325-6331

58. Estrup P.J., McRae E.G. Surface studies byelectron diffraction // Surface Science.-1971.- V. 25, N1,- P. 1-52

59. Slater J.C. Theory of photoconduotivity of lead sulfide // Phys. Rev. -1956,- V. 104, N6,-P. 1631-1644

60. Petritz R.L. Theory of photoconduotivity in semiconductor films // Phys.Rev.-1956,-V. 104, №6,-P. 1508-1516

61. Моррисон С. Рой. Роль поверхностного барьера в адсорбции на примере окиси цинка // Катализ .Электронные явления: Сб.ст.- М., 1958,- С. 288-333

62. Сюше Ж.П. Физическая химия полупроводников,- М., 1964,- 196 с.

63. Чистяков В.В. Адсорбционный отклик электрофизических характеристик поликристаллических полупроводниковых адсорбентов: Авторсф. дис. канд. физ-мат. наук,- М., 1992,- 24 с.

64. Блатт Ф. Дж. Теория подвижности электронов в твердых телах,- М.-Л., 1963,-224 с.

65. Чистяков В.В., Сухарев В.Я., Мясников H.A. О влиянии адсорбции на степень беспорядка поли кристаллического полупроводника // ФТТ,- ¡987,-Т. 29, №8.- С. 2305-2308

66. Герасименко H.H., Двуреченский A.B. Парамагнитные центры на поверхности полупроводников // Элементарные физико-химические процессы на поверхности монокристаллических полупроводников: Сб.ст,-Новосибирск, 1975,- С. 73-82

67. Хейванг В. Аморфные и поликристаллические полупроводники,- М., 1987,- 160 с.

68. Митюшов Е.А., Гельд П.В., Адамеску P.A. Обобщенная проводимость и упругость макрооднородных гетерогенных материалов,- М., 1992,- 145 с.

69. Най Дж. Физические свойства кристаллов.- М., 1967.- 385 с.

70. Бородин С.Ф., Мезенцев А.Н. Об эффективных характеристиках сред, содержащих инородные включения // Известия вузов. Физика.- 1983 - Т. 26, №6,- С. 38-42

71. Бсрдичевский В.Л. Вариационные принципы механики сплошной среды.-М., 1983,- 448 с.

72. Бердичевский А.Л. Об эффективной теплопроводности сред с переодически расположенными включениями // Доклады АН СССР.- 1979.Т. 247, №6,- С. 1363-1367

73. Новиков В.В. Тепло- и электропроводность гетерогенных систем: Автореф. дис. канд. техн. наук.- Л., 1978,- 25 с.

74. Broadbent S.R., Hammersley J.M. Percolation processes I. Crystals and mazes 11 Proc. Camb. Phil. Soc.- 1957,- V.53, part 3,- P. 629-641

75. Шкловский Б.И., Эфрос А.А. Электронные свойства легированных полупроводников,-М., 1979,-416с.

76. Kirkpatrick S. Percolation and conduction // Rev. Mod. Phys.- 1973.-V. 45, №4.-P. 574-588

77. Elliott R.J. Krumhansl J.A., Leath P.L. The theory and properties of randomly disordered crystals and related physical system // Rev. Mod. Phys.- 1974,- V. 46, №3,-P. 465-543

78. Watson B.P., Leath P.L. Condactivity in the two-dimensional-site percolation problem // Phys. rev. В.- 1974,- V. 9, NIL- P. 4893-4896

79. Levinshtein M.E. Critical indexes of conductivity in two- dimensional percolation problems // J. Phys. C: Solid State Phys.- 1977.- V. 10, NIL- P. 1895-1901

80. Onizuka K. Computer experiment on a 3D site percolation model of porous materials — its connectivity and conductvity // J. Phys. Soc. Japan.- 1975, V. 39, N2,- P. 527-535

81. Челидзе Т.Л. Об аномально высокой тензочувствительности электропроводности неоднородных сред // ЖЭТФ,- 1984,- Т. 87, №2,- С. 635-638

82. Колышкин Д.А., Михайлова К.К. Активные угли. Свойства и методы испытаний. Справочник,- Л., 1972- 56 с.

83. Активные угли, эластичные сорбенты, катализаторы, осушители, химические поглотители / Под ред. Солопеевой,- Черкассы: НИИТЭХИМ, 1996

84. Томановская В.Ф., Колотова Б.Е. Фреоны. Свойства и применение,- Л., 1970.-182 с.

85. Зимон А.Д. Аутогезия сыпучих материалов,- М., 1978

86. Физическая энциклопедия. Т.1 / Гл. ред. Прохоров A.M.- М., 1988,- 704 с.

87. Флореа О., Смигельский О. Расчеты по процессам и аппаратам химической технологии. - М., 1971,- 448 с.

88. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. - JL, 1982,-592 с.

89. Сидоров А.И., Шумяцкий Ю.И. Адсорбционная осушка газов. - М., 1972

90. Охрана труда в химической промышленности. / Под ред. Макарова Г.В.-М., 1989

91.3евин М.Б., Парини Е.П. Справочник молодого электромонтера. - М., 1990,- 208 с.