Расчет адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

В данной курсовой работе были проведены расчеты адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента, а так же определили изотерму адсорбции паров метанола на активном угле, диаметр и высота адсорбера, коэффициент массопередачи, продолжительность адсорбции, выходная кривая, профиль концентрации в слое адсорбента, материальный баланс и вспомогательные стадии цикла.

Ключевые слова: адсорбция, адсорбент, десорбция, вытеснение, испарение, сушка, охлаждение, аппарат-адсорбер,

Расчётно-пояснительная записка: 5рис., 12таблиц, 6 источников, 2приложения.

Содержание

Аннотация

Содержание

Нормативные ссылки

Определение, обозначения и сокращения

Введение

1. Литературный обзор

2. Описание технологической схемы

3. Расчет основного аппарата

3.1 Изотерма адсорбции паров метанола на активном угле

3.2 Диаметр и высота адсорбера

3.3 Коэффициент массопередачи

3.4 Продолжительность адсорбции. Выходная кривая. Профиль концентрации в слое адсорбента

3.5 Материальный баланс

3.6 Вспомогательные стадии цикла

Заключение

Список используемой литературы

Нормативные ссылки

При выполнении чертежа были соблюдены правила, установленные общими требованиями к данным видам документов.

ГОСТ 12.2.003-74 «Оборудование производственное. Общие требования безопасности»;

ОСТ 26.291-79 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования».

ГОСТ 5632-72 Материал аппарата - сталь Х18Н10Т,

ГОСТ 380-71 Материал опоры - сталь в Ст.3сп,

ГОСТ 481-80 Материал прокладок - паронит ПОН -1.

Определения, обозначения и сокращения

а - удельная поверхность сорбента, ;

В - константа уравнения Дубинина, ;

С - концентрация вещества в жидкости (газе), ;

предельная концентрация в газовой фазе в данных условиях, ;

D - диаметр аппарата, м;

эквивалентный диаметр частицы сорбента, м;

коэффициент эффективной диффузии, ;

коэффициент диффузии в жидкости (газе), ;

G - массовый расход фазы, кг/с;

Н - высота, м;

константа равновесия ионного обмена;

К_y - коэффициент массопередачи, м/с;

n_oy - общее число единиц переноса в жидкой (газовой) фазе;

Р - парциальное давление, Па или мм рт. ст.;

R - радиус частицы, м;

S - площадь поперечного сечения аппарата, м²;

Т - безразмерное время;

V - объемный расход жидкости (газа), м³/с;

V₀ - удельный объем ионита, см³/с;

V_x - объемный расход сорбента, м³/с;

скорость жидкости (газа), м/с;

W_o - константа уравнения Дубинина, см³/г;

X - концентрация вещества в сорбенте, кг/кг;

X^* - равновесная концентрация в сорбенте, кг/кг;

z - координата по высоте слоя сорбента, м;

коэффициент аффиности;

фиктивный коэффициент массоотдачи, учитывающий продольное перемешивание, м/с;

коэффициент внутренней массоотдачи, м/с;

коэффициент внешней массоотдачи, м/с;

порозность слоя сорбента, кг/м³;

вязкость жидкости (газа), Па*с;

насыпная плотность сорбента, кг/м³;

плотность жидкости (газа), кг/м³;

плотность частицы сорбента, кг/м³;

плотность распределения частиц ионита по времени пребывания, с^-1;

время, с;

Ar - критерий Архимеда;

Bi^/ - массообменный критерий Био;

Re - критерий Рейнольдца.

Введение

Процессы адсорбции и ионного обмена широко применяется в химической промышленности, биотехнологии и ряде других отраслей. Типичными примерами адсорбции является рекуперация растворителей, разделение смесей углеводородов, очистка и осушка газов, очистка сточных вод, деминерализация воды, выделение металлов из растворов их солей.

Процессы адсорбции проводят в аппаратах с неподвижным, псевдо- ожиженным и плотным движущимся слоем адсорбента. В данной работе рассматривается расчет адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента. Основной целью при расчете адсорбционной установки является определение равновесных зависимостей, расчет кинетических характеристик сорбции и определение основных размеров аппарата на основе уравнений динамики процесса.

Адсорбция -- всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда и везде, где есть поверхность раздела между фазами. Наибольшее практическое значение имеет адсорбция поверхностно-активных веществ и адсорбция примесей из газа либо жидкости специальными высокоэффективными адсорбентами. В качестве адсорбентов могут выступать разнообразные материалы с высокой удельной поверхностью: пористый углерод (наиболее распространённая форма -- активированный уголь), силикагели, цеолиты а также некоторые другие группы природных минералов и синтетических веществ.

1. Литературный обзор

К массообменным процессам с участием жидкой (газовой или паровой) и твердой фаз относят адсорбцию, ионный обмен, сушку, растворение, экстракцию из твердого тела, кристаллизация. К специфическим особенностям этих процессов следует отнести не стационарность массопереноса и многообразие элементарных механизмов переноса массы в твердой фазе.

В системах с твердой фазой основными стадиями массопереноса является перенос во внешней фазе (жидкости, газе или паре) и внутренней перенос(в твердой фазе).

Под адсорбцией понимается процесс поглощения одного или нескольких компонентов из газовой смеси или раствора твердым веществом-адсорбентом. Поглощаемое вещество носит название адсорбата, или адсорбтива. Процессы адсорбции (как и другие процессы массопередачи) избирательны и обычно обратимы. Благодаря их обратимости становится возможным выделение поглощенных веществ из адсорбента, или проведение процесса десорбции.

Механизм процесса адсорбции отличается от механизма абсорбции, вследствие того, что извлечение веществ осуществляется твердым, а не жидким поглотителем. Каждый из этих сорбционных процессов имеет свои области применения, где его использование дает больший технико-экономический эффект. Адсорбция применяется главным образом при небольших концентрациях поглощаемого вещества в исходной смеси, когда требуется достичь практически полного извлечения адсорбтива. В тех случаях, когда концентрация поглощаемого вещества в исходной смеси велика, обычно выгоднее использовать абсорбцию.

Процессы адсорбции широко применяются в промышленности при очистке и осушке газов, очистке и осветлении растворов, разделении смесей газов или паров, в частности при извлечении летучих растворителей из их смеси с воздухом или другими газами (рекуперация летучих растворителей) и т.д. Еще сравнительно недавно адсорбция применялась в основном для осветления растворов и очистки воздуха в противогазах; в настоящие время ее используют для очистки аммиака перед контактным окислением, осушки природного газа, выделения и очистки мономеров в производствах синтетического каучука, смол и пластических масс, выделения ароматических углеводородов из коксового газа и для многих других целей. В ряде случаев после адсорбции поглощенные вещества выделяют (десорбируют) из поглотителя. Процессы адсорбции часто сопутствуют гетерогенному катализу, когда исходные реагенты адсорбируются на катализаторе, а продукты реакции десорбируются, например, при каталитическом окислении двуокиси серы в трехокись на поверхности платинового катализатора и др.

Значение адсорбционных процессов сильно возросло за последние время вследствие расширения потребности в веществах высокой чистоты.

Различают физическую и химическую адсорбцию. Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул адсорбата и адсорбента под действием сил Ван-дер-Вальса и не сопровождается химическими взаимодействием адсорбируемого вещества с поглотителем. При химической адсорбции, или хемосорбции, в результате химической реакции между молекулами поглощенного вещества и поверхностными молекулами поглотителя возникает химическая связь.

При поглощении паров адсорбция иногда сопровождается заполнением пор адсорбента жидкостью, образующаяся в результате конденсации паров (капиллярная конденсация). Конденсация происходит в следствии понижения давления пара над вогнутым под действием сил поверхностного натяжения мениском жидкости в капиллярах.

1.2 Характеристики адсорбентов и их виды

В качестве адсорбентов применяются пористые твердые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Адсорбенты имеют различные по диаметру капиллярные каналы- поры, которые условно могут быть разделены на макропоры , переходные поры , микропоры . Характер процесса адсорбции определяется размером пор.

Удельная поверхность макропор относительно очень мала, поэтому на их стенках адсорбируется ничтожное количество вещества. Макропоры играют роль лишь транспортных каналов для адсорбируемых молекул.

На поверхности переходных пор, размеры которых обычно значительно превышают размеры адсорбируемых молекул, в процессе адсорбции образуются слои поглощенного вещества. Возможно образование слоев толщиной в одну молекулу (мономолекулярная адсорбция) и в несколько молекул (полимолекулярная адсорбция). Размеры микропор приближаются к размерам адсорбируемых молекул и адсорбция, в микропорах приводит к заполнению их объема. Вследствие этого предположения об образование слоев поглощенного вещества на поверхности микропор не имеет физического смысла. Обычно микропоры пересекаются макро- и переходными парами, что сокращает путь, проходимый адсорбируемыми молекулами, и приводит к ускорению адсорбции.

В больших порах диаметром более и малых порах, сравнимых с диаметром молекул поглощаемого вещества, явление капиллярной конденсации отсутствует. Адсорбенты характеризуются своей поглотительной, или адсорбционной, способностью, определяемой концентрацией адсорбтива в единице массы или объема адсорбента.

Поглотительная способность адсорбента по отношению к данному веществу зависит от температуры и давления, при которых производится адсорбция, и от концентрации поглощаемого вещества. Максимально возможная при данных условиях поглотительная способность адсорбента условно называется его равновесной активностью. В промышленности в качестве поглотителей применяют главным образом активные угли и минеральные адсорбенты (силикагель, цеолиты и др.), а также синтетические, ионообменные смолы (иониты).

Активные угли. Высокопористые активные угли получают путем сухой перегонки различных углеродосодержащих веществ (дерева, костей и др.), и активирование полученных углей для повышения их пористости. Активирование осуществляют прокаливанием, углы при температурах , а также другими способами, например удалением из пор угля смол и некоторых других продуктов сухой перегонки путем их экстрагирования органическими растворителями, окислением кислородом воздуха и др. Для повышения активности углей в них часто перед обугливанием вводят активирующие добавки (растворы хлористого цинка, кислот, щелочей и др.).

Удельная поверхность активных углей колеблется от 600 до 1700. Размер гранул некоторых стандартных марок активных углей для адсорбции газов и паров составляет 1-5мм (уголь БАУ) и 1,5-2,7мм (уголь СКТ). Насыпная плотность углей этих марок равна 350 и 380-450 соответственно. Применение углей того или иного вида зависит от разновидности процесса адсорбции, в котором они используются (поглощение газов, рекуперация летучих растворителей и т.д.). Активные угли лучше поглощают пары органических веществ, чем воды, однако с повышением содержания влаги в активных углях их способность поглощать пары органических веществ снижается. Они применяются обычно для рекуперации летучих растворителей. Недостатком активных углей является их горючесть.

Силикагели. Эти адсорбенты представляют собой продукты обезвоживания геля кремневой кислотой, получаемый путем обработки раствора силикатом натрия (растворимого стекла) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Удельная поверхность силикагеля изменяется от 400 до 770. Размер гранул колеблется от 0,2 до 7мм, насыпная плотность составляет 100-800. Силикагели применяются главным образом для осушки газов. Поглотительная способность силикагелей по отношению к парам органических веществ сильно снижается в присутствии влаги. Достоинством силикагелей является их негорючесть и большая механическая прочность, чем у активных угле.

Цеолиты. Эти адсорбенты представляют собой природные или синтетические минералы, которые являются водными алюмосиликатами катионов элементов первой и второй групп периодической системы Д.И.Менделеева. В качестве промышленных адсорбентов применяются главным образом искусственные (синтетические) цеолиты. Относительно недавно были получены цеолиты, обладающие весьма однородной структурой пор, размеры которых соизмеримы с размерами адсорбируемых молекул. Эти цеолиты проявляют молекулярно-ситовое действие, которое заключается в их способности не поглощать молекулы, диаметр которых больше диаметра пор. Молекулярно-ситовыми свойствами обладают также некоторые природные цеолиты, например натролит. Молекулярно-ситовое действие цеолитов часто используют в промышленной практике для разделения некоторых веществ, например нормальных и изопарафиновых углеводородов. Цеолиты отличаются высокой поглотительной способностью по отношению к воде и являются высокоэффективными адсорбентами для осушки и очистки газов и жидкостей, в частности для глубокой осушки газов, содержащие небольшое количество влаги. Размер гранул цеолита составляет от 2 до 5мм.

Иониты. Эти адсорбенты представляют собой как природные, так и синтетические неорганические и органические вещества. К природным ионитам относится цеолиты, глинистые минералы, ископаемые угли. Синтетическими ионитами являются плавленые цеолиты и молекулярные сита (цеолиты с правильной кристаллической структурой), ионообменные смолы, активированные минералы и органические вещества. Иониты практически не растворимы в воде, а также в обычных растворителях и обладают подвижными ионами, способными обмениваться на эквивалентное количество ионов (с зарядом того же знак) из раствора электролита, с которым поглотитель взаимодействует. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными ионами, называются анионитами, а иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами - катионитами. Существуют также амфотерные иониты, способные к катионному и анионному обмену одновременно.

Типичные реакции - ионного обмена:

1.Реакция анионного обмена

где R-молекула ионита, связанная с подвижным ионом.

2.Реакция катионного обмена

Причем в обоих случаях выделены формулы вещества, составляющих твердую фазу.

Механизм ионного обмена обусловлен структурой и свойствами ионита. Так, например, иониты с кристаллической решеткой содержат в ее углах ионы, удерживаемые электростатическими силами; под действием этих сил и происходит в основном ионный обмен. Свойства многих ионитов связаны с их способностью к набуханию в водных растворах; набухание обычно сопровождается весьма значительным повышением давления. Ионообменные смолы обладают большой обменной емкостью, избирательностью к отдельным ионам, химической стойкостью и механической прочностью. Поэтому сейчас они являются наиболее распространенными ионитами, практически вытеснившими в промышленных условиях иониты других типов. Изменением состава активных групп при синтезе ионообменных смол, можно получить иониты с весьма разнообразными свойствами.

1.3 Устройство адсорберов и схемы адсорбционных установок

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно - в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента, а также в аппарате с неподвижным слоем - в установке из двух или большого числа адсорбента, в которых отдельные стадии процесса протекают не одновременно.

Адсорберы с не подвижным слоем поглотителя. Наиболее часто применяются цилиндрические адсорберы вертикального и горизонтального типов. Адсорберы со слоем поглотителя кольцевого сечения используются крайне редко. Периодические процессы адсорбции часто проводится четырехфазным способом, при котором процесс проходит в четыре стадии.

Первая стадия - собственно адсорбция, т.е. насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом. Паро-газовая подается в корпус 1 аппарата (рис 1 а) через штуцер 2 ,проходит через слой поглотителя и выходит через штуцер 3.

Вторая стадия - десорбция поглощенного компонента из поглотителя. Подача паро-газовой смеси прекращается, и в аппарат подается водяной пар через барботер 4 (рис.1а, б) или через штуцер3 (рис.1 в). Смесь паров десорбированного компонента и воды удаляются через штуцер5. Конденсатор пара отводится из аппарата после десорбции через штуцер 6 (рис.1 а, б) или 5 (рис.1 в).

Третья стадия - сушка поглотителя. Перекрывается вход и выход водяного пара, после чего влажный поглотитель сушится горячим воздухом, поступающий в аппарат через штуцер 2 и выходящим из аппарата через штуцер3.

Четвертая стадия - охлаждение поглотителя. Прекращается подача горячего воздуха, после чего поглотитель охлаждается холодным воздухом, поступающим в аппарат также через штуцер 2; отработанный воздух удаляется через штуцер 3. По окончании четвертой стадии цикл работы аппарата начинается снова. Загрузку и выгрузку поглотителя производят периодически через люки 7 и 8. В случае отсутствия одной из последних двух стадий (охлаждение угля или его осушка) метод проведения процесса будет называться трехфазным.

Рис. 1. Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем поглотителя: а -- вертикальный, б -- горизонтальный; в -- кольцевой. 1 -- корпус. 2 -- штуцер для подачи паро-газовой смеси (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении). 3 -- штуцер для отвода отработанного газа (при адсорбции) и воздуха (при сушке и охлаждении). 4 -- барботер для подачи острого пара при десорбции; 5 -- штуцер для отвода паров при десорбции; 6 -- штуцер для отвода конденсата; 7 -- люки для загрузки поглотителя; 8 -- люки для выгрузки поглотителя; 9 и 10 -- внутренняя и внешняя цилиндрические решетки.

Существует также двухфазный метод, при котором в прошедший регенерацию водяным паром горячий и влажный уголь подаются последовательно горячая и холодная паро-воздушная смесь (первая стадия). При этом процессы сушки и охлаждения угля идут одновременно с процессом поглощения. По окончании первой стадии осуществляется десорбция поглощенных веществ водяным паром (вторая стадия).

Выбор метода работы производится на основании технико-экономических показателей.

Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду (при десорбции и сушке поглотителя) адсорберы покрывают тепловой изоляцией.

Установки для периодической адсорбции, помимо основного аппарат-адсорбера, включают вспомогательное оборудование. На рис. 2 приведена схема установки для улавливания паров органических веществ из их смеси с воздухом. Перед поступлением в адсорбер паро-воздушная смесь проходит через фильтр 1, где очищается от пыли. Это предотвращает засорение трубопроводов и быстрое снижение активности поглотителя. Смеси паров органических веществ с воздухом часто взрывоопасны (при определенных соотношениях паров и воздуха). Поэтому после фильтра смесь проходит огнепреградитель 2 -- емкость, заполненную материалом с высокой теплоемкостью (обычно гравием). В случае загорания смеси в этом аппарате поток охлаждается до температуры, значительно меньшей температуры ее воспламенения, и этим предотвращается распространение пламени внутри установки. Далее смесь проходит через предохранительное устройство 3, основной частью которого является обычно, мембрана, разрывающаяся при увеличении давления в трубопроводе сверх допустимого.

Выходящая из предохранительного устройства паро-воздушная смесь при адсорбции (первая стадия) вентилятором или газодувкой 4 подается в адсорбер 5. При десорбции (вторая стадия) выходящие из адсорбера пары конденсируются в конденсаторе 6. Получаемый конденсат (называемый рекуператом) разделяется ректификацией или путем расслаивания в сепараторе, если десорбируемый компонент не смешивается с водой. При сушке адсорбента (третья стадия) в адсорбер вентилятором 7 подается воздух, предварительно нагретый в калорифере 8. При охлаждении адсорбента (четвертая стадия) подаваемый в адсорбер вентилятором 7 воздух проходит по обводной линии 9, минуя калорифер.

Рис. 2 - Схема промышленной углеадсорбционной установки для улавливания (рекуперации) паров органических веществ из их смеси с воздухом: 7 -- фильтр; 2 -- гравийный огнепреградитель; 3 -- предохранительное устройство с разрывными мембранами; 4, 7 -- вентиляторы; 5 -- адсорбер; 6 -- конденсатор; 3 -- калорифер; 9 -- обводная линия.

Несмотря на то, что адсорбер в описанной установке работает периодически, вся установка в целом может работать непрерывно при наличии нескольких (минимально -- двух) адсорберов, включаемых поочередно и работающих со сдвигом стадий (например, при адсорбции в одном аппарате в другом может происходить десорбция).

1.4 Десорбция

адсорбент метанол изотерма пар

Извлечение адсорбированного вещества из твердого поглотителя (десорбция) является необходимой составной частью технологических процессов адсорбции, проводимых в замкнутом цикле. Стоимость десорбции оказывает большое влияние на общую экономичность проведения процессов разделения и очистки веществ адсорбционными методами.

К числу основных методов десорбции (регенерации адсорбента) относятся:

вытеснение из адсорбента поглощенных компонентов посредством агентов, обладающих более высокой адсорбционной способностью, чем поглощенные компоненты;

испарение поглощенных компонентов, обладающих относительно высокой летучестью, путем нагрева слоя адсорбента.

В некоторых случаях для удаления из адсорбента смолообразных и других продуктов, образующихся в результате побочных процессов, окончательную очистку адсорбента осуществляют выжиганием этих компонентов (окислительная регенерация адсорбента). В качестве десорбирующих компонентов используют острый насыщенный или перегретый водяной пар, пары органических веществ, а также инертные газы. После проведения процесса десорбции слой адсорбента обычно подвергают сушке и охлаждению. Процессы десорбции, подобно процессам собственно адсорбции, осуществляют не только в неподвижном, но также в движущемся и кипящем слоях адсорбента.

2. Описание технологической схемы

Схема рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента, работающей в четырехстадийном цикле, представлена на рисунке 3. Газ, содержащий рекуперируемый растворитель, воздуходувкой В1 подается в адсорбер А1, заполненный активным углем, предварительно проходя фильтр Ф, служащий для удаления пыли, огнепреградитель Оr, необходимый для предотвращения распространения огня по трубопроводам в случае воспламенения очищающей парогазовой смеси, и холодильник Х2. После насыщения слоя адсорбента адсорберА1 переключается на стадию десорбции. Адсорбент регенерируется острым водяным паром (давление ), подаваемый внизу адсорбера.

Часть пара конденсируется, отдавая тепло на нагрев адсорбента, материала адсорбера и на компенсацию теплоты адсорбции. Оставшийся пар уносят пары адсорбата в конденсатор К, проходя через циклон Ц, задерживающий пылевидные частицы адсорбента. Конденсат, представляющий собой смесь воды и адсорбата, охлаждается в холодильнике Х1 и подается в емкость Е1, следуя затем на разделение.

Сушка адсорбента осуществляется горячим воздухом, подаваемым адсорбер воздуходувкой В2 через калорифер Ка1. Охлаждение адсорбента производится атмосферным воздухом, подаваемым воздуходувкой В2 по обводной линии.



3. Расчет основного аппарата

Адсорбционные установки с неподвижным слоем адсорбента, несмотря на периодичность работы каждого аппарата, наиболее распространены в промышленности ввиду трудности использования движущегося слоя из-за истирания адсорбента. Обработка сырья в таких установках многостадийна, так как после стадии адсорбции необходимо регенерировать и охладить адсорбент. В случае десорбции водяным паром может быть включена стадия сушки. Таким образом, цикл работы таких установок может включать четыре стадии: адсорбцию, десорбцию, сушку и охлаждение адсорбента В трехстадийном цикле стадия охлаждения отсутствует, в результате чего начало стадии адсорбции идет в неизотермическом режиме, с постепенным снижением температуры адсорбента. Иногда исключают и стадию осушки. В этом двухстадийном случае сушку осуществляют обрабатываемым газом, подаваемым в начале стадии адсорбции в подогретом состоянии. Выбор числа стадий цикла осуществляется технико-экономическим расчетом, учитывающим в основном энергетические и капитальные затраты на проведение всего многостадийного процесса.

Для осуществления непрерывной работы всей установки она должна включить несколько адсорберов, причем их число определяется соотношением продолжительностей стадий цикла.

Если сырье обрабатывается в каждый момент только в одном адсорбере, то при двух аппаратах продолжительность стадий адсорбции равна сумме продолжительностей десорбции, превышает длительность адсорбции, при четырех адсорберах - в три раза.

Задание на проектирование. Рассчитать адсорбционную установку периодического действия с неподвижным слоем адсорбента для улавливания паров метанола из воздуха, работающую по четырехстадийному циклу при следующих условиях: расход смеси ; температура паровоздушной смеси ; атмосферное давление ; начальная концентрация метанола в газовой смеси-; проскоковая концентрация составляет от начальной; тип аппарата -вертикальный адсорбер; адсорбент- активный уголь.

Применяем число адсорберов в установке, равное двум. В одном из аппаратов проходит стадия адсорбции, в то время как в другом протекает стадии регенерации активного угля. Ввиду того, что целью проектируемой установки является рекуперация растворителя, в качестве адсорбента принимаем рекуперационный уголь АР-3 с эквивалентным диаметром гранулы 2 мм.

3.1 Изотерма адсорбции паров метанола на активном угле

Для активного угля АР-3, обладающего бипористой структурой, по теории объемного заполнения пор равновесная концентрация в твердом теле описывается уравнением Дубинина:

(1.)

где X- равновесная концентрация в твердой фазе, ;

константы, характеризующие адсорбент;

[2]

коэффициент аффинности, ;-мольный объем поглощаемого компонента, ; - давление насыщенного пара метанола; Р- парциальное давление паров метанола в газовой смеси.

Например, при равновесная концентрация метанола в АУ равна:

Исходная концентрация метанола в газовой смеси соответствует части изотермы, близкой к линейной.

Согласно рекомендации [1], начальный участок изотермы может рассматриваться как линейный при условии (по бензолу).

Отношение для бензола, соответствующее исходной концентрации метанола в смеси может быть найдено по уравнению потенциальной теории адсорбции:

где отношение парциального давления к давлению насыщенного пара для бензола.

Полученный результат показывает, что форма изотермы на рассматриваемом участке может быть принята линейной.

3.2 Диаметр и высота адсорбера

Допустимую фиктивную скорость газа можно рассчитывать по формуле, полученной на основе технико-экономического анализа работы адсорберав (8):

(2)

где (для активного угла АР-3); плотность воздуха при .

Допустимая скорость газа в адсорбере:

Рабочую скорость газа в адсорбере примем на 25% ниже допустимой: .

Диаметр аппарата:

Принимаем вертикальный адсорбер типа ВТР (диаметр вертикального адсорбера не превышает 3м).

Высоту слоя активного угля в аппарате для обеспечения достаточного времени работы адсорбера примем равной 0,7м (в вертикальных адсорберах ВТР высота слоя адсорбента составляет 0,5-1,2м). Общую высоту цилиндрической части принимаем равной 1,7 м. Дополнительная высота (под крышкой и над днищем) необходима для размещения распределительного устройства для газа, штуцеров и датчиков контрольно-измерительных приборов.

3.3 Коэффициент массопередачи

Необходим коэффициент диффузии в газовой фазе в системе метанол-воздух. При и , коэффициент диффузии равен . Коэффициент диффузии в условиях адсорбера

Вязкость газовой фазы (воздуха)

Коэффициент массоотдачи в газовой фазе находим по уравнению

(3)

где - порозность слоя ;

Подставив в выражение (3) значения Re и Pr , получим:

Тогда коэффициент внешней массоотдачи равен

Коэффициент эффективной диффузии метанола в адсорбенте находим по зависимости , для случая адсорбции метанола на активном угле, приближающемся по внутренней структуре, а АУ марки АР-3 в интервале концентраций

Коэффициент массоотдачи в адсорбенте (коэффициент внутренней массотдачи) находим по уравнению

Тогда

Коэффициент массопередачи

Снижение движущей силы массопередачи в результате движения газа от режима идеального вытеснения учтем введение дополнительного диффузионного сопротивления продольного перемешивания. Коэффициент, учитывающий продольное перемешивание, определяем по уравнению:

Коэффициент массопередачи с учетом продольного перемешивания:

.

Удельная поверхность адсорбента



Объемный коэффициент массопередачи

3.4 Продолжительность адсорбции. Выходная кривая. Профиль концентрации в слое адсорбента

Продолжительность адсорбции метанола определяется по выходной кривой, построение которой производится по уравнению Томаса для безразмерной концентрации в потоке:

где - общее число единиц переноса для слоя высотой z; - безразмерное время:

Число единиц переноса:

Время достижения концентрации метанола в газе, выходящем из адсорбера (она составляет 6% от начальной, т.е. ), равно длительности стадии адсорбции Q составляет . Построение профиля концентраций ведется по уравнению Томаса, записанному для безразмерной концентрации в адсорбенте:

Выразим расстояние z от точки ввода смеси до точки с концентрацией X в вид функции от безразмерного времени:

3.5 Материальный баланс

Материальный баланс по метанолу стадии адсорбции выражается уравнением

Записывая уравнение материального баланса для концентраций в безразмерной форме, а также учитывая, что , получим:

Значение интегралов уравнения материального баланса определяют графическим интегрированием выходной кривой и профиля концентраций в адсорбенте [2]:



Количество метанола, поступающего в адсорбер,

Количество метанола, поглощенного углем (адсорбата),

Количество метанола, уходящего из аппарата с газовой фазы,

Ввиду малого количества адсорбтива, остающегося в аппарате в газовой фазе, для расчета массы метанола, оставшегося в свободном объеме адсорбера, примем концентрацию метанола, равной начальной.

Количество метанола, остающегося в газовой фазе адсорбера:

Проверим сходимость материального баланса: 65,48=61,55+3.93+0,000464.

3.6 Вспомогательные стадии цикла

Ввиду того, что по заданию установка включает два адсорбера, суммарная продолжительность вспомогательных операций (десорбция, сушка, охлаждение) должна быть равна продолжительности адсорбции, т.е. 4,8ч.

Десорбция водяным паром сложный теплообменный процесс, протекающий при переменных температуре и расходе паровой фазы. Надежных методик расчета продолжительности десорбции для этого случая не разработано. Продолжительность десорбции в рекуперационных установках ориентировочно составляет 0,5-1,0ч. При условии использования острого пара давлением 0,1-0,4 МПа.

При десорбции вещества небольшой молекулярной массой давление ближе к минимальному значению указанного интервала. С учетом сказанного принимаем продолжительность десорбции 1ч., давление водяного пара 0,2МПа. Тогда продолжительность стадий сушки и охлаждения равна 3,8ч., причем периоды сушки и охлаждения может быть приняты равными [3].

В связи с этим условия сушки и охлаждения должны быть выбраны исходя из указанного времени.

Заключение

В данной работе были выполнены основные расчеты рекуперационной адсорбционной установки с не подвижным слоем адсорбента. Были определены изотерма адсорбции паров метанола на активном угле по уравнению Дубинина, диаметр (2.6м) и высота (0,7м) адсорбера, коэффициент массопередачи (0,022м/с), коэффициент массопередачи с учетом продольного перемешивания (0,147м/с) и объемный коэффициент массопередачи (18,75с^-1). Так же определили продолжительность адсорбции, профиль концентрации в слое адсорбента, материальный баланс и вспомогательные стадии цикла.

Сравнение этих данных и их анализ показывают, что адсорбционная установка с неподвижным слоем адсорбента, несмотря на периодичность работы каждого аппарата, наиболее распространена и удобна в промышленности ввиду трудности использования движущегося слоя адсорбента.

Определили продолжительность десорбции 1ч., давление водяного пара 0,2МПа. Тогда продолжительность стадий сушки и охлаждения составило 3,8ч, причем периоды сушки и охлаждения могут быть приняты равными.

Список используемой литературы

1.Дытнерский Ю.И. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию - М. Химия 1991-

2.Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии - Химия 1971г. 594стр.

3.Айнштейн В.Г. Захаров М.Н. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Учебник для вузов, в 2 книги М.: Химия, 1999г. 888стр.,872стр.

4.Сугак А.В. Процессы и аппараты химической технологии М.: Химия, 2005г.

5.Повлов К.Ф. Романков П.Г. Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии Л: Химия 1987г.

6.Справочник химика. М.-Л.: Химия, т.3 1962- 106стр.

Размещено на Allbest.ru