СПОСОБ РЕАКТИВАЦИИ ТВЕРДОГО АДСОРБЕНТА Российский патент 2004 года по МПК B01J20/34 

Изобретение может найти применение в химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающих отраслях промышленности, в частности на тех производствах, где используются адсорбенты и требуется их реактивация.

Адсорбенты широко используются при очистке газов и жидкостей от примесей и в процессе их эксплуатации требуется периодическая регенерация - удаление из пор адсорбированных веществ. Например, в производстве хлора и каустической соды применяется электрохимический процесс разложении амальгамы натрия на углеродсодержащей насадке с развитой поверхностью (“гратон” - ТУ 48-20-152-90, ТУ 48-20132-86). В этом процессе насадка служит катодом, а амальгама натрия - анодом.

Степень заполнения материала насадки адсорбированными конечными и промежуточными продуктами электрохимической реакции зависит от состояния электропроводящей поверхности. Для качественного протекания процесса разложения амальгамы натрия, являющегося адсорбционным и каталитическим процессом, необходима развитая адсорбирующая поверхность насадки. Величина тока обмена со временем уменьшается вследствие того, что адсорбированные молекулы поверхностных отложений экранируют часть поверхности насадки. Доля каталитически активной поверхности может составлять небольшую часть от всей адсорбирующей реагирующие вещества поверхности и даже незначительное количество каталитических ядов может подавлять активность поверхности, при этом лишь незначительно снижая его адсорбционную способность (Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. - М.: Химия, 1974, с.427-429).

Следовательно, в случае графитовой насадки (типа “гратон”, “графилит”) для поддержания ее электрокаталитической активности наряду с недопущением блокирования активных центров необходимо сохранение пористости.

Таким образом, для реактивации такого катализатора-адсорбента, как графитовая насадка “гратон”, необходима десорбция продуктов реакции из пор. Для этого в настоящее время используются в основном экстракционные и термические способы.

Известна термическая реактивация активного угля АГ-5, насыщенного элементарной серой в процессе окисления сероводорода сернистым ангидридом (процесс Клауса) на катализаторе - активном угле (Лукин В.Д., Анцыпович И.С. Регенерация адсорбентов. - Л.: Химия, 1983, с.134-136). Согласно результатам этой работы за 2 часа извлекается только 35% содержащейся в угле серы при температуре 200°С, за это же время при 300°С извлекается около 90% серы. Термическая реактивация осуществляется следующим образом. Отработанный уголь с температурой 150°С поступает в регенератор и с помощью перегретого пара, подаваемого снизу регенератора, переводится во взвешенное состояние. Пар перед регенератором подогревается до температуры 500°С в печи - пароперегревателе (Лукин В.Д., Анцыпович И.С. Регенерация адсорбентов. - Л.: Химия, 1983, с.140). В результате такого нагрева из пор отработанного угля выделяются продукты реакции и примеси.

Недостатками этого способа реактивации адсорбента являются неэффективный способ подвода энергии паром посредством конвективного теплообмена, высокие затраты энергии на нагрев пара до 500°С, образование газовых выбросов - токсичных продуктов сгорания топлива в пароперегревателе, а также сточных вод (сконденсировавшийся водяной пар), загрязненных десорбированными продуктами реакции.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению являются способ и устройство для термической обработки жидкой среды, содержащей радиоактивные вещества (частицы) (патент США №4400604 от 23.08.83. Метод термической обработки и аппараты, использующие микроволны). Термическое воздействие с целью обезвреживания жидкой среды (например, воды) производится следующим образом. В емкость предварительно загружают твердое гранулированное вещество (гранулы сферической формы), проницаемое воздействию электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, которое располагается на решетке, установленной в нижней части емкости. Затем в слой вещества подают жидкую среду, загрязненную радиоактивными веществами, или распыляют ее над слоем гранулированного вещества. В емкость через технологический штуцер (волновод) вводят электромагнитное излучение, которое вызывает преимущественно нагрев твердого гранулированного материала. Радиоактивные частицы, содержащиеся в жидкости, осаждаются на поверхности сферических гранул, а жидкость испаряется и в газовой фазе удаляется из емкости. Таким образом, осуществляется обезвреживание жидкости от радиоактивных веществ. При этом температура в емкости не будет превышать температуру кипения жидкой среды, например для обезвреживания воды температура в емкости при атмосферном давлении составит не более 100°С.

Основными недостатками известного изобретения являются: температура процесса ограничена и не может превышать температуру кипения обрабатываемой жидкой среды; в разработке не предусмотрена технология регенерации твердого гранулированного вещества; унос тепла нагретой жидкостью и ее парами значительно повышает энергопотребление процесса.

Изобретение позволяет решить техническую задачу повышения активности адсорбента, эффективности, экологической безопасности процесса реактивации адсорбента, увеличения срока службы адсорбента и длительности межрегенерационной работы.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом способе реактивации адсорбентов, включающем сверхвысокочастотный электромагнитный нагрев (ν=2450 МГц) адсорбента в движущейся среде инертного газа (азота), согласно изобретению нагрев адсорбента, восстанавливающий адсорбционно-активные центры, осуществляют совместно с веществом, инертным к адсорбенту и эффективно преобразующим энергию СВЧ-поля в тепловую, с размером частиц 3-5 мм, имеющим следующий состав: С 69-84%, TiC 16-30%, Ti 0-0,8%, Мо 0-0,2 мас.%.

На фиг.1 представлена схема лабораторной СВЧ установки реактивации адсорбента.

На фиг.2 представлена зависимость количества выделившегося водорода от длительности разложения амальгамы натрия, которая является характеристикой электрокаталитической активности углеродной насадки.

Способ осуществляют следующим образом.

Графитовую насадку (гратон) прокаливают без предварительной промывки при температуре 300-380°С в течение 30-40 мин в слое графитовых частиц на лабораторной СВЧ-установке, представленной на фиг.1, согласно следующей методике.

1) В кварцевый реактор 4 загружают навеску исследуемого образца графитовой насадки вместе с добавкой - твердым веществом с более мелкими гранулами; 2) включают СВЧ печь, подачу инертного газа и начинают разогрев насадки, при этом наблюдают за показаниями потенциометра и при необходимости осуществляют регулировку температуры в реакторе изменением мощности СВЧ-излучения поворотом ручки регулятора мощности на пульте управления печью, регулирование температуры при этом осуществляют в пределах 300-380°С; 3) по завершении цикла термообработки печь отключают, при этом нагрев насадки прекращают и происходит его остывание в потоке инертного газа.

Технологический процесс проводят в реакторе 4 (фиг.1) под действием сверхвысокочастотного электромагнитного поля, вырабатываемого СВЧ-генератором (магнетроном) 11, потребляющим ток высокого напряжения от блока питания 10. Для поглощения обратного излучения электромагнитных волн в результате отражения от стенок резонатора 5 устанавливают согласующую нагрузку 6. Подачу воздуха на охлаждение магнетрона осуществляют посредством вентилятора, встроенного в корпус СВЧ печи. Питание блока осуществляют от двухфазной трехпроводной сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц. Подачу азота осуществляют из сети. Расход азота измеряют реометром поз. 1. На линии азота установлена ловушка 2 и осушительные колонки 3. Температуру термообработки измеряют с помощью термопары 8, помещенной в карман 7, и потенциометра 9.

Добавление в слой адсорбента (диаметр таблеток “гратона”: 10-15 мм) более мелких частиц твердого вещества (размером не более 5 мм), эффективно преобразующего энергию СВЧ поля в тепловую, например этого же адсорбента, приводит к увеличению насыпной плотности слоя адсорбента и повышению степени преобразования электромагнитной энергии в тепловую, так как практически в процессе микроволнового нагрева увеличение насыпной плотности в 1,7 раза приводит к увеличению температуры в 1,5 раза.

Результаты исследования по реактивации графитовой насадки - гратона в СВЧ поле представлены на фиг.2.

Как видно из фиг.2 при прокаливании отработанной насадки в СВЧ поле (кривая 3) на ней увеличивается скорость выделения водорода в отличие от насадки, реактивированной традиционным способом (кривая 2) и даже по сравнению с новой (неиспользованной) насадкой (кривая 1).

Процесс реактивации насадки заключается в следующем. Адсорбированные на поверхности насадки соли и основания при термической регенерации без доступа воздуха разлагаются и десорбируются.

Испаряясь, десорбированные вещества увеличивают пористость графитовой насадки, т.е. величину ее активной поверхности. При высоко интенсивном испарении десорбированных веществ, что наблюдается при воздействии на адсорбент СВЧ излучения, пористость графитовой насадки и соответственно активная поверхность увеличиваются значительнее.

Добавленное в слой насадки (гратона) твердое вещество, эффективно преобразующее энергию СВЧ-поля в тепловую, например графитовых частиц с более мелкими гранулами, выполняет функцию не только изолирующего материала, но и служит поглотителем выделяющихся веществ, так как наибольшей сорбционной способностью обладают порошкообразные вещества. В роли таких графитовых частиц может выступать в частности дробленый гратон (размером частиц 2-5 мм).

Использование разработанного способа реактивации позволит повысить активность графитовой насадки - гратона на 14,3%. Это, в свою очередь, приводит к повышению межрегенерационного срока работы адсорбента, снижению продолжительности цикла регенерации в 10-15 раз по сравнению с применяемым на производстве экстракционным способом (промывкой раствором хлористого водорода), повышению эффективности процесса, в котором используется таким образом реактивированная насадка.

Разработка может найти применение на предприятиях химии, нефтехимии и нефтепереработки в процессах, где используются адсорбенты и требуется их периодическая регенерация.

Изобретение относится к регенерации твердых адсорбентов, например, графитовой насадки для разложения амальгамы натрия в производстве хлора и каустической соды типа "гратон", нагревом в электромагнитном поле СВЧ-диапазона. Добавление в слой адсорбента (диаметр таблеток "гратона": 10-15 мм) более мелких частиц твердого вещества (размером не более 5 мм), эффективно преобразующего энергию СВЧ поля в тепловую, например этого же адсорбента, приводит к увеличению насыпной плотности слоя адсорбента и повышению степени преобразования электромагнитной энергии в тепловую. Изобретение позволяет повысить активность адсорбента. 2 ил.

Способ реактивации твердого адсорбента, включающий сверхвысокочастотный электромагнитный нагрев адсорбента в движущейся среде инертного газа (азота), отличающийся тем, что нагрев адсорбента осуществляют совместно с веществом, инертным к адсорбенту и эффективно преобразующим энергию СВЧ-поля в тепловую с размером частиц 2-5 мм, имеющим следующий состав, мас.%: С 69-84, TiC 16-30, Ti 0-0,8, Мо 0-0,2.