Устройство адсорбера: Абсорбционная и адсорбционная очистка газов: отличия, принцип работы

Содержание

6.2. Устройство и принцип действия адсорберов

Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента. Наибольшее распространение в промышленности находят вертикальные и горизонтальные адсорбционные аппараты с неподвижным слоем.

Адсорберы с неподвижным слоем адсорбента являются аппаратами периодического действия. Вертикальный и горизонтальный адсорберы имеют корпус 1 со слоем адсорбента, находящимся на опорно-распределительной решетке 2. Исходная газовая смесь проходит через слой адсорбента сверху вниз. При десорбции водяным паром его подают через нижний штуцер, конденсат отводится через штуцер в днище, а пар вместе с десорбированным веществом уходит через штуцер в крышке. Загрузка и выгрузка адсорбента производятся через люки 4 и 3.

Вертикальные адсорберы применяют для адсорбции газов в случае малой и средней производительности. Для обработки больших объемов газов (порядка 30000 м3/ч и выше) используют горизонтальные и кольцевые (здесь не представлены) адсорберы, обладающие незначительным гидравлическим сопротивлением.

Несмотря на периодичность работы аппаратов с неподвижным слоем, адсорбционные установки работают непрерывно, в них включают несколько адсорберов, причем их число определяется в соответствии с продолжительностью адсорбционно-десорбционного цикла.

Исходную газовую смесь подают в адсорбер У, заполненный активным углем. После насыщения слоя в адсорбере 1 его переключают на стадию десорбции, а исходную смесь направляют в адсорбер 2. Адсорбент регенерируют острым динамическим водяным паром, подаваемым в нижнюю часть адсорбера. Динамический нар уносит пары адсорбата в конденсатор 3. Конденсат адсорбата в смеси с водой идет далее на разделение. Сушку адсорбента производят горячим воздухом, подаваемым в адсорбер через калорифер 4. Охлаждают адсорбент атмосферным воздухом, подаваемым по обводной линии.

Число стадий цикла работы адсорбционной установки может составить четыре (адсорбция, десорбция, сушка, охлаждение), три (адсорбция, десорбция, сушка или охлаждение) или две (адсорбция, десорбция).

Двух стадийными являются короткоцикловые безнагревные адсорбционные установки, служащие для очистки и разделения газов.

Газовая смесь поступает под небольшим давлением в адсорбер 1, где в течение нескольких минут происходит преимущественная адсорбция одного из компонентов. После этого из адсорбера 1 под вакуумом десорбируют и откачивают поглощенный компонент, в то время как адсорбер 2 работает на стадии адсорбции.

Когютеошшловые адсорбционные установки отличаются компактностью и малой энергоемкостью, поскольку отсутствует подвод теплоты на стадии десорбции. Применение таких установок ограничено системами, в которых адсорбционное равновесие характеризуется пологими изотермами адсорбции.

Адсорберы с псевдоожиженным и плотно движущимся слоем адсорбента. Периодичность работы каждого адсорбера в установках, включающих аппараты с неподвижным слоем, делает их громоздкими (за исключением короткоцикловых) и создает трудности при их автоматизации. Этих недостатков лишены адсорберы непрерывного действия с псевдоожиженным и плотным движущимся слоем адсорбента.

Внедрение этих установок в промышленность сдерживается из-за недостаточной прочности адсорбентов, подвергающихся в псевдоожиженном и движущемся слоях интенсивному измельчению.

Аппараты с псевдоожиженным слоем адсорбента в целях снижения продольного перемешивания секционированы по высоте. Их устройство аналогично барботажным тарельчатым колоннам.

Многоступенчатый адсорбер с псевдоожиженным слоем состоит из ряда секции, расположенных в цилиндрическом корпусе 7. Секции разделены распределителями и решетками 2. Адсорбент входит в аппарат через верхнюю трубу и далее по переточным трубам 3 движется противотоком по отношению к сплошной фазе, подаваемой снизу и отводимой сверху. Отвод твердой фазы из аппарата производится с помощью затвора-регулятора 4.

Аппарат включает в себя адсорбционную I и ректификационную II зоны, где, происходит разделение подаваемой газовой смеси, и десорбционную зону Ш, лучшую для регенерации адсорбента. Зоны разделены распределительными решетками. Адсорбент непрерывно циркулирует в аппарате: сначала охлаждается холодилънике 2, затем проходит адсорбционную зону У, где он преимущественно поглощает тяжелые компоненты, обогащая газ легкой фракцией, которую отбирают из зоны. При прохождении адсорбентом ректификационной зоны частично поглощенная легкая фракция вытесняется парами тяжелой, выходящими из десорбционной зоны III. Тяжелую фракцию отбирают на выходе из десорбционной зоны II. Регенерированный в зоне III горячий адсорбент пневмотранспортом, С помощью газодувки J, направляют в бункер 3, откуда он снова поступает в холодильник.

Адсорбер в автомобиле: устройство и принцип работы

Топливный бак в автомобиле нуждается в вентиляции. Объём горючего изменяется, температура тоже колеблется в широких пределах, всё это приводит к тому, что давление насыщенных паров бензина может привести к раздуванию тонких пластиковых или металлических стенок. Причём если добавление воздуха для снижения разрежения в баке не вредит экологии, то выброс в атмосферу углеводородов прямо запрещён существующими нормами. Значит надо поддерживать давление по принципу замкнутой системы, утилизируя излишек бензинового пара. Для этого используется принцип адсорбирования с последующей продувкой и сбросом топлива в двигатель. Что такое адсорбер в автомобиле и для чего он нужен покажет детальное рассмотрение работы главного узла системы вентиляции.

Содержание

Назначение узла и его физическое устройство

Адсорбер применяется для удаления паров бензина из воздуха, выходящего наружу при вентилировании бензобака. Раньше эти пары сбрасывались наружу в лучшем случае через клапан, а то и просто через вентиляционное отверстие в пробке бензобака. С ужесточением экологических норм это стало недопустимым. Да и бензин таким образом расходовался хоть и медленно, но постоянно, что вело к непроизводительным потерям.

Идея адсорбера в том, чтобы отделить углеводороды от воздуха путём пропускания его через микропористую структуру, в роли которой выступает специально полученный уголь в виде порошка. Объём пор очень велик, они способны удержать значительное количество топлива. Но не бесконечное, поэтому прибор нуждается в периодической очистке. Для этого его продувают, а извлечённый бензин поступает в мотор, где и сгорает, производя полезную работу.

Устройство адсорбера

Узел состоит из следующих элементов, определяющих устройство и принцип работы адсорбера, а также некоторых вспомогательных деталей:

пластиковый корпус, снабжённый входным, выходным и воздушным патрубками;
угольный наполнитель;
продувочный клапан с электрическим разъёмом, установленный на корпусе, или удалённо;
магистральные шланги и дополнительные клапаны, которые непосредственно к прибору можно не относить, но они тоже участвуют в работе системы вентиляции.

Корпус устанавливается в удобном для монтажа месте, обычно в подкапотном пространстве. Шланги подсоединяются на быстросъёмных разъёмах или укреплены хомутами на патрубках. Выход воздушного шланга стараются разместить в наименее запылённом месте, поскольку через него в систему поступает забортный воздух, иногда этот шланг снабжён дополнительным воздушным фильтром.

Работа адсорбера

Воздух, насыщенный парами бензина, забирается из верхней части топливного бака. Тем не менее, в патрубок могут попадать жидкие фракции в виде брызг и пены, возникающие из-за ударов, раскачивания и тряски автомобиля. Поэтому на входе патрубка вентиляции ставится сепаратор, который отделяет газ и паровую фазу, а жидкость сливается обратно в бак.

После сепаратора через шланг, идущий от задней части автомобиля, где расположен бензобак, к подкапотному пространству под днищем, пары поступают на вход адсорбера. По пути они проходят через обратный клапан, препятствующий подсосу газов из адсорбера в бак. Вентиляция в случае создания разрежения в баке осуществляется не по этой магистрали, а через специальный двухходовой клапан. Он обладает двумя порогами давления, верхним и нижним. Верхний служит для аварийного сброса давления, если штатная аппаратура по каким-то причинам не в состоянии справиться. Нижний срабатывает при появлении разрежения, грозящего сплющить стенки бака и препятствующего нормальной работе бензонасоса.

Пары под избыточным давлением проходят через угольную массу в корпусе, очищаются от бензина, а газ уходит через воздушный патрубок в атмосферу. Так поддерживается небольшое постоянное давление, если бак нагревается, а расход над этим не преобладает. Если же температура небольшая, газ в баке не расширяется, а топливо вырабатывается, то сработает двухходовой клапан и в бак попадёт новая порция воздуха.

Бесконечно заполнять уголь бензином невозможно, поэтому при работающем двигателе включается режим продувки. Открывается клапан, с одной стороны подсоединённый к выходному штуцеру адсорбера, а с другой — к впускному коллектору двигателя. Задроссельное пространство коллектора обладает разрежением, и пары будут попадать на впуск системы питания мотора. Исключение будут составлять турбированные моторы, где воздух в цилиндры поступает с избыточным давлением наддува. Там применяется дополнительное коммутирующее устройство, выбирающее зону минимального давления, которое может быть как на выходе турбины, так и на входе, смотря где меньше поток.

Электромагнитный клапан срабатывает от модуля контроля двигателя, который принимает решение на продувку в зависимости от соблюдения ряда условий:

двигатель прогрет до пороговой температуры;
обороты превышают установленную величину, чтобы не влиять на режим холостого хода, нарушая его стабильность;
система впрыска адекватно реагирует на появление дополнительного воздуха и топлива, нет необходимости переходить в аварийный режим.

На современных автомобилях клапан не работает в релейном режиме, когда магистраль открывается и остаётся в таком состоянии до окончания процедуры. Регулирование происходит плавно, методом широтно-импульсного модулирования, когда клапан вибрирует с определённой частотой, а его производительность зависит от скважности заполнения, то есть соотношения времён пребывания в открытом и закрытом состоянии. Так продувка адаптируется к текущему режиму работы мотора. Одновременно блок управления по своим датчикам следит за реакцией двигателя, осуществляя обратную связь.

Жертвовать одним фактором экологии во имя другого смысла нет.

Во время продувки воздушный канал реверсируется, то есть воздух через него уже не выходит из корпуса, а входит для продувания угольного фильтра. Возможна установка дополнительных пороговых клапанов для обеспечения нужного соотношения между забором газа из бака или из атмосферы. Алгоритмы работы системы продувки очень индивидуальны для каждого автомобиля, общим можно считать только базовый принцип, как работает адсорбер. Например, встречаются такие, которые могут работать и на оборотах холостого хода.

Читайте также: Что такое коробка передач DSG

Неисправности, проверка и ремонт

Система вентиляции очень надёжна, но проблемы встречаются и здесь. В основном они связаны со старением деталей, может нарушаться герметичность магистралей, корпуса или происходить нарушения в работе клапана продувки. При этом наблюдаются как внешние признаки неисправности адсорбера, так и замеченные системой изнутри, с высвечиванием сигнала ошибки на приборной панели, запоминанием её кода и переходом в аварийный режим.

Как правило, первым проявлением становится нестабильная работа двигателя после прогрева, когда должна начаться продувка, но этого по каким-то причинам не происходит. Возникает либо подсос дополнительного воздуха, что ведёт к увеличению оборотов, поскольку этот воздух не учтён расходомером, либо наоборот, система предполагает выдачу смеси со стороны клапана в коллектор, но его нет, двигатель не реагирует как ожидалось.
Изменение состава смеси вызовет провалы в работе двигателя, особенно в момент перехода от холостых оборотов к средним. Эти же нарушения приводят к тому, что почти всегда сопровождает проблемы с системой питания — падает тяга, и увеличивается расход. Причём диагносты часто забывают про адсорбер и пытаются искать неисправность в другом месте.
Для уточнения причин блок управления выдаёт коды ошибок, они обычно сосредоточены в диапазоне от P0440 до P0455. Программа сканирования всегда расшифрует коды и намекнёт, где искать неисправность.

Методика, как проверить адсорбер, достаточно проста. Прежде всего, надо убедиться в герметичности корпуса, создавая разрежение последовательно на каждом из патрубков, перекрывая прочие. Затем исключается засорение воздушного шланга, который работает не в самых лучших условиях по пыли и грязи, особенно если он был сорван со своего штатного места.

Клапан продувки проверяется тем же методом, на разрежение. Обычно клапаны нормально закрыты, то есть они не должны пропускать воздух, если на него не подаётся питание. И наоборот, когда на разъёме есть сигнал, клапан открывается с характерным щелчком. При нормальной работе в режиме модулирования он должен издавать хорошо слышимый треск. Особенно удобно проверять клапан, подключив к диагностическому разъёму адаптер под управлением программы, позволяющей изменять частоту управляющего сигнала. Зависшие в одном положении и закисшие, или утратившие быстродействие из-за износа и загрязнения клапаны могут реагировать на одиночные срабатывания, но не работать со штатной частотой. Ремонтировать клапаны смысла нет, они недорого стоят, их проще и надёжней менять на новые.

Сам адсорбер обойдётся несколько дороже, особенно если это не простейшее изделие неизвестного производителя, а полноценный прибор со способностями оригинала. Но заменить его придётся, система вентиляции бака настолько глубоко интегрирована в питание автомобиля, что введение в неё изменений, всевозможных заглушек и обходов может обойтись значительно дороже. Куда спокойней установить новые детали, заменить клапан и шланги, после чего забыть о вентиляции на долгое время. К тому же всё, что касается системы питания, то есть бензина, обладает большой пожароопасностью, экономия тут недопустима. Разрушение «левого» адсорбера, наполненного концентрированными парами в горячем подкапотном пространстве, может уничтожить автомобиль.

Ответ на поставленный ранее вопрос, что такое адсорбер в автомобиле и для чего он нужен, можно дополнительно прояснить в приложении к конкретному автомобилю. Конструкции различаются значительно, возможно какие-то узлы в обзоре и не освещены. Но они имеют второстепенное значение, сами физические принципы, положенные в основу экологичности хранения запаса топлива в автомобиле, для всех машин примерно одинаковы.

Видео: Адсорбер. Зачем нужен, как работает, как проверить

Вам также будет интересно почитать:

Adsorbers – Visual Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment

Адсорбция включает отделение вещества от одной фазы, сопровождающееся накоплением этого вещества на поверхности другой фазы.

(Авторское право на водные технологии, бизнес-подразделение
Siemens Industry, Inc., Warrendale, PA)

Содержание

Теория адсорбции
Адсорбционные системы
- Контакт с колонкой
- Slurry Contact
- Swing давление
Адсорбционная среда
- Адсорбенты
Благодарности
Ссылки
Разработчики

Теория адсорбции

. Этот анимация приводит к основному процессу. Материал из жидкой фазы концентрируется на поверхности твердого тела.

Адсорбирующая фаза, которая на анимации выше является твердой, называется адсорбентом, а материал, адсорбируемый на поверхности этой фазы, называется адсорбатом. Обратите внимание, что адсорбция отличается от абсорбции, процесса, который включает взаимопроникновение одного материала в объем другого.

Возможны два типа адсорбции. Первый, физическая сорбция, представляет собой физический процесс, протекающий при температуре ниже 200°С. Как показано на анимации ниже, материал адсорбируется за счет молекулярных взаимодействий между адсорбентом и адсорбатом. Типичная теплота физической сорбции составляет 5 – 10 ккал/моль.

Второй тип адсорбции, хемосорбция, представляет собой химический процесс, при котором адсорбент прилипает к адсорбату посредством химической связи. Как показывает анимация ниже, адсорбция происходит за счет образования химических соединений. Хемосорбционные связи могут быть слабыми, в пределах 15-40 ккал/моль, или сильными, которые могут превышать 50 ккал/моль.

Адсорбционные системы

Колоночный контакт

Колоночные контактные адсорберы используют слой адсорбента для очистки растворов. Показанные ниже колонны с насадочным слоем используются на установке по осушке природного газа.

Установка осушки природного газа – Silica Verfahrenstechnik GmbH
(Авторское право Bertsch Holding GmbH, Австрия)

Общая информация

Колонные контактные адсорберы могут работать как с неподвижным слоем, так и с подвижным или пульсирующим слоем.

Работа с неподвижным слоем, показанная ниже, является самой старой формой контактной адсорбции в колонке. Слой адсорбента удерживается внутри колонны, и обрабатываемый раствор течет по нему, через него и вокруг него. Кровать должна быть отключена для замены или регенерации отработанного адсорбента.

В адсорбере с подвижным или пульсирующим слоем необработанный раствор поступает в адсорбер снизу и течет вверх по колонне. В то же время свежий адсорбент поступает в адсорбер сверху колонны и выходит снизу. Израсходованный адсорбент постоянно удаляется, а новый постоянно добавляется, что обеспечивает более эффективную работу.

Конструкция оборудования

При работе с неподвижным слоем адсорбционные колонны могут быть расположены последовательно или параллельно и могут работать в режимах восходящего или нисходящего потока.

В контактном режиме последовательной колонны с неподвижным слоем стоки из первого слоя проходят во второй слой. При необходимости дополнительные кровати могут быть добавлены последовательно. Слой свинца удаляют для реактивации, когда адсорбент насыщается адсорбатом. Следующая по порядку грядка становится первой грядкой, а в последней позиции добавляется новая грядка.

В параллельных операциях с неподвижным слоем стоки всех колонн перед выпуском смешиваются. Адсорбционные слои параллельно выводятся из эксплуатации в шахматном порядке, так что система состоит из слоев, находящихся в разной степени истощения.

Работа с пульсирующим слоем ограничена режимом работы с восходящим потоком. Для переработки адсорбента требуется дополнительное оборудование, что позволяет повысить эффективность работы.

Адсорбенты меньшего размера имеют большую площадь поверхности и обеспечивают больший контакт между насадкой и абсорбатом, чем адсорбенты большего размера. Поэтому желательны небольшие адсорбенты, повышающие скорость адсорбции. Однако, если частицы адсорбента слишком малы, они могут ограничить надлежащий поток жидкости через колонку.

Примеры использования

Колонные контактные адсорберы используются в различных отраслях промышленности, таких как переработка сахара и нефтепереработка. Параллельные операции с неподвижным слоем используются в областях, где необходима высокая точность, например, при производстве фармацевтических препаратов или обработке сточных вод. Эта система также распространена для больших скоростей потока. Адсорбционная колонна, используемая для очистки газовых потоков в лабораторных условиях, показана ниже.

(Авторское право W.A. Hammond
Drierite Co., Ксения, Огайо)

Преимущества

Серия стационарных кроватей: свинцовая кровать вытягивается более полно, чем одна большая одинарная стационарная кровать.
Параллельные стационарные слои: могут обеспечить соответствие средней концентрации общего потока сточных вод требованиям по концентрации загрязняющих веществ в сбросе при неравномерной скорости подачи.
Импульсные слои: полная остановка колонки не требуется для замены или регенерации адсорбента.

Недостатки

Для пульсирующих кроватей требуется дополнительное оборудование.
Фиксированная параллельная работа неэффективна.
Стационарные слои требуют полного или частичного отключения для замены адсорбента.

Slurry Contact

В шламовых контактных адсорберах используется порошкообразная суспензия адсорбента для адсорбции желаемых материалов. Ниже показаны шламовые контактные адсорберы, используемые в производстве соляной кислоты.

(Авторское право Calgon Carbon Corporation,
Pittsburgh, PA)