НПК «Наука» → Остаточное содержание влаги в воздухе, осушенном силикагелем

В.С. Морозов, Е.В. Морозов
ЗАО «Научно-техническое агентство «Наука», ул. Сельскохозяйственная, 12, г. Москва, 129226, РФ
e-mail: nauca@nauca.ru

С.В. Вихрова, О.Л. Рутенберг, Ш.Р. Фаткудинова
Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы, ул. Озёрная, д.46, г. Москва, 119361, РФ
e-mail: analyt-vm@vniims.ru

ОСТАТОЧНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ВЛАГИ В ВОЗДУХЕ, ОСУШЕННОМ СИЛИКАГЕЛЕМ

В результате исследований экспериментальным и экспериментально-расчетным методами установлено, что остаточное содержание влаги в воздухе, осушенном силикагелем промышленной марки, может быть в тысячи раз меньшим, чем известные литературные данные.

Ключевые слова: влага, силикагель, осушка.

As a result research experimental and experimental-calculated it was established that residual moisture residual in air dried by silicagel can be in the thousand times less, then well-know literary data.

I. ВВЕДЕНИЕ

Сведения, о наличии некоторого предела глубины осушки газов силикагелем, приводятся в различных справочных изданиях и научно-технической литературе. Так в [1], например, указывается, что с применением силикагеля можно осушить воздух только до остаточного содержания влаги 30 ppmᵥ. В монографии [2] на стр. 307 приводится буквально следующее: «остаточное влагосодержание по мере повышения температуры регенерации асимптотически стремится к некоторому предельному значению 10 ррm_v. Это значение концентрации влаги в паровой фазе, видимо, отвечает полному удалению физически адсорбированной воды из пор силикагеля». Подобное излагается и в монографии [3].

Поскольку вопрос о действительно возможной глубине осушки газов именно силикагелем является практически весьма важным, авторы провели следующие относительно простые экспериментальные исследования.

II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСТАТОЧНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В ОСУШЕННОМ ВОЗДУХЕ

Исследуемый силикагель технический марки «АСМК» по ГОСТ 3956-76 отмыли дистиллированной водой, осушили от капельной влаги и загрузили в вертикальный адсорбционный аппарат цилиндрической формы. Диаметр аппарата 60 мм, высота 700 мм. Аппарат поместили в термостат, обеспечивающий регулирование температуры в диапазоне от 55°С до 200°С с погрешностью не более 1 град. Трубки подачи газа в аппарат и его выхода из аппарата имели тепловой контакт, образуя рекуперативный теплообменник.

В качестве осушаемого газа использовали атмосферный воздух, сжатый до избыточного давления 6,0 кгс/см² безмаслянным компрессором. Линия нагнетания компрессора была снабжена отделителем капельной влаги, редуктором и регулировочным вентилем.

При проведении опыта через адсорбционный аппарат с открытой выходной трубкой устанавливали расход воздуха приблизительно 4 дм³/мин. Аппарат нагревали до температуры 200°С, при этом происходила регенерация силикагеля, сопровождавшаяся выделением капельной влаги. Через 3 часа после окончания выделения влаги выходную трубку аппарата заглушали, а входную открывали для сообщения с атмосферой. После этого аппарат охлаждали до температуры 21°С.

К выходной трубке аппарата параллельно подсоединили сорбционно-ёмкостной гигрометр «Ива-9» и кулонометрический гигрометр «Байкал-5Ц», исп.3. Последний для повышения чувствительности был снабжен микроамперметром, что обеспечило определение объемной доли влаги в соответствии с законом Фарадея по результатам измерений тока электролиза влаги в ячейке гигрометра и расхода через неё анализируемого газа.

К наблюдениям за показаниями гигрометров приступали после плавного повышения избыточного давления воздуха в адсорбционном аппарате до 4,5 кГс/см² и установления рабочих расходов воздуха через гигрометры. Характер изменения показаний гигрометров во времени соответствовал обычно наблюдаемому процессу их отдувки от влаги сухим газом при первичном включении в работу. Однако показания, соответствующие первому из упомянутых выше «пределов» остаточного содержания влаги 30 ррm_v [1], наблюдали приблизительно через 20 минут от момента включения гигрометров в работу. Второму «пределу» 10 ррm_v [2] - показания соответствовали приблизительно через 40 минут. Показания гигрометров продолжали уменьшаться и приблизительно через 70 часов непрерывной работы установились фоновые значения показаний гигрометра «Байкал-5Ц», соответствующие объёмной доле влаги 0,10 ррm_v (ток электролиза 1,3 мкА). При этом близкие к фоновым значениям были и показания гигрометра «Ива-9», соответствующие объёмной доле влаги 0,027 ррm_v («точка росы» минус 96,5°С при атмосферном давлении).

Полученные результаты во много раз меньше, указанных выше «пределов» глубины осушки воздуха силикагелем и могут быть ограниченны возможностями используемых в опыте гигрометров. Очевидно, фактические значения остаточного содержания влаги в осушенном силикагелем воздухе могут быть ещё меньше.

Для оценки фактического значения глубины осушки воздуха силикагелем провели следующие опыты, основу которых составили современные представления о физической сущности адсорбционного процесса осушки газов.

III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ В ОСУШЕННОМ СИЛИКАГЕЛЕМ ВОЗДУХЕ

В ходе экспериментально-расчетной оценки остаточного содержания влаги в воздухе, осушенном силикагелем, задействовали описанную выше аппаратуру с учетом следующего.

В соответствии с теорией и практикой динамики адсорбции (см., например, [4]) при осушке газа в аппарате с неподвижным слоем адсорбента процесс массообмена между исходным газом и адсорбентом протекает только в пределах определенного «работающего» слоя адсорбента. Если этот слой не выходит за линейные размеры аппарата, то за ним адсорбент и газовая фаза находятся в динамическом равновесии. Содержание влаги в газовой фазе над адсорбентом определяется значениями физических параметров реализованного равновесия. Соответственно, и на выходе из аппарата содержание влаги в газе будет однозначно определяться температурой аппарата при прочих одинаковых условиях. Более того, при данной температуре оно должно быть стабильным во времени и не зависеть от расхода газа через аппарат, что может служить критерием установления равновесных условий.

Исходя из изложенного, после операции регенерации адсорбента в аппарате, его охлаждения, повышения давления и вывода гигрометров на рабочий режим измерений, как это описано выше, наблюдали за их показаниями при различных постоянных температурах в термостате в диапазоне от 55°С до 130°С. Температуру измеряли ртутным термометром с погрешностью не более 1 градуса. При переходе от одной температуры к другой неизменные во времени показания термометра устанавливались в течение (1,5-3) ч. Отличия в показаниях разных гигрометров при одном и том же значении температуры не превышали 20% относительно общего среднего значения. Показания гигрометров оставались практически неизменными с течением времени до 10 часов, а также при изменении расхода газа приблизительно в 5 раз.

Средние арифметические значения результатов измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1

Зависимость равновесных содержаний влаги в воздухе над силикагелем марки «АСМК» от температуры

Температура, °С	Объёмная доля влаги, ррm_v	Температура, °С	Объёмная доля влаги, ррm_v
55	0,19	100	12,2
61	0,40	105	20,7
70	0,82	110	30,6
78	1,63	115	42,3
80	1,95	120	48,2
83	3,1	125	64,8
91	5,5	130	105

Полученные данные охватывают область содержаний влаги от 0,19 ррm_v до 105 ррm_v. Адсорбент регенерировали воздухом, содержание влаги в котором было приблизительно в 30 раз более высоким, чем указанное в таблице максимальное значение. Поэтому результаты измерений можно отнести к полученным при постоянной адсорбции влаги, т. е. к изостерическим. Однако, для изостеры адсорбции справедлива прямолинейная зависимость логарифма содержания влаги от абсолютной температуры [5].

Обработкой экспериментальных данных получили следующее уравнение:

Коэффициент корреляции составляет близкое к единице значение (R²=0,9961), что позволяет результаты измерений отнести к термодинамически согласованным, и которые достаточно хорошо описываются выбранной зависимостью. Соответственно, обоснованным может быть и использование полученного уравнения для экстраполяции данных в область более низких температур. Такая экстраполяция к практически легко реализуемому значению температуры, например, 20°С приводит к значению равновесного, следовательно остаточного, содержания влаги 0,0036 ррm_v. Это в тысячи раз меньше, упомянутых выше пределов глубины осушки воздуха силикагелем.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Распространенное в технической литературе и инженерной среде мнение о существовании «пределов» глубины осушки газов при использовании в качестве адсорбента силикагеля не выдерживает экспериментальной проверки. Практическая реализация осушки воздуха на обычном промышленном силикагеле в одном из простейших вариантов осуществления процесса (одноступенчатый с регенерацией прямотоком в среде влажного воздуха) приводит к остаточному содержанию влаги, которое в тысячи раз меньше, чем указанные «пределы».

1. Справочник по физико-техническим основам криогеники. Под ред. М.П. Малкова. Изд. 2-е прераб. И доп. – М.: Энергия, 1973, - 393 с.

2. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники.-М.: Химия, 1984, - 352 с.

3. Коуль А.Л., Ризенфельд Ф.С. Очистка газов. - М.: Недра, 1968, - 411 с.

4. Романков П.Г., Лепилин В.Н. Непрерывная адсорбция паров и газов. - Л.: Химия, 1968, - 228 с.

5. Стефан Брунауэр. Адсорбция газов и паров, том I, Физическая адсорбция, пер. с англ. Под редакцией М.М. Дубинина. - М.: ИЛ, 1948, - 783 с.