Аппараты для проведения адсорбции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Практическое занятие. аппараты для проведения адсорбции

Теоретическая часть

Адсорбция -- массообменный процесс избирательного поглощения компонентов из газовых (паровых) систем и жидкостей твердыми поглотителями-адсорбентами.

Адсорбция широко применяется в промышленности при очистке и осушке газов, выделении компонентов из растворов, разделении газожидкостных смесей. Процесс адсорбции используется в хроматографических методах разделения газовых смесей и в газовой хроматографии -- эффективном методе анализа состава газов и паров, а также в качестве одного из методов инженерной защиты окружающей среды.

По сравнению с другими массообменными процессами адсорбция наиболее эффективна в случае малого содержания извлекаемого компонента в исходной смеси.

Процессы адсорбции проводятся в основном следующими способами: с неподвижным слоем адсорбента; с движущимся слоем адсорбента; с псевдоожиженным слоем адсорбента.

Аппараты с неподвижным слоем адсорбента чаще всего представляют собой вертикально установленную цилиндрическую емкость 1, заполненную адсорбентом, подаваемым через штуцер 8 и выгружаемым после окончания срока службы через люки 2 (рис. 1).

Рис. 1. Схема адсорбера периодического действия с неподвижным слоем поглотителя: 1 - емкость; 2 - люк; 3, 4, 5 - патрубки; 6, 7, 8 - штуцеры

Такие аппараты работают периодически, причем полный цикл их работы сводится обычно к четырем стадиям.

1. Собственно адсорбция - насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом. Исходная смесь подается через штуцер 7 и отводится через патрубок 3.

2. Десорбция - выделение поглощенного компонента из адсорбента, осуществляемое путем подачи через патрубок 5 регенерирующего пара. Отвод паров при десорбции и конденсата осуществляется через штуцер 6 и патрубок 4.

3. Сушка адсорбента - удаление остатка конденсата (образовавшегося на стадии десорбции за счет воздействия регенерирующего пара) из адсорбента горячим воздухом, подаваемым через штуцер 7.

4. Охлаждение адсорбента - поскольку активность адсорбента повышается с уменьшением его температуры, после сушки он обрабатывается холодным воздухом, который также подается через штуцер 7.

Включение в технологическую схему нескольких адсорберов с неподвижным слоем адсорбента позволяет создавать условия его непрерывной работы. При этом в одном аппарате осуществляется стадия адсорбции, а в другом (других) -- стадии десорбции и регенерации адсорбента.

К недостаткам таких аппаратов и схем относится сложность управления. Кроме того, необходимость частых переключений, пропарок, сушек и охлаждений адсорбента вызывает неизбежные потери материалов, непропорциональный расход водяного пара и воздуха, велика вероятность возникновения каналов в слое адсорбента.

Расчет рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента

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 включать 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, сушки и охлаждения. При трех адсорберах длительность вспомогательных стадий в два раза превышает длительность адсорбции, при четырех адсорберах -- в три раза.

Рис. 2. Схема рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента: А1, А2 -- адсорберы; В1, В2 -- воздуходувки; Ф -- фильтр; О_Г -- огнепреградитель; XI, Х2 --холодильники; Ц -- циклон; К -- конденсатор; К_а1 -- калорифер; Е1 -- емкость рекуператора;

потоки: 1 -- острый водяной пар; 2 -- вода; 3 -- технологический воздух; 4 -- конденсат водяного пара с примесью адсорбата; 5 -- оборотная вода; 6 -- конденсат водяного пара

Схема рекуперационной адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента, работающей в четырехстадийном цикле, представлена на рис. 2. Газ, содержащий рекуперируемый растворитель, воздуходувкой В1 подается в адсорбер А1, заполненный активным углем, предварительно проходя фильтр Ф, служащий для удаления пыли, огнепреградитель O_Г, необходимый для предотвращения распространения огня по трубопроводам в случае воспламенения очищаемой парогазовой смеси, и холодильник Х2. После насыщения слоя адсорбента адсорбер А1 переключается на стадию десорбции. Адсорбент регенерируется острым водяным паром (давление 0,1--0,4 МПа), подаваемым внизу адсорбера.

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

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

Методика и пример расчета адсорбционной установки

Задание.

Рассчитать адсорбционную установку периодического действия с неподвижным слоем адсорбента для улавливания паров метанола из воздуха, работающую по четырехстадийном цикле при следующих условиях: расход смеси - 7370 м³/ч; температура паровоздушной смеси -- 20 °С; атмосферное давление -- 0,1013-10⁶ Па; начальная концентрация метанола в газовой смеси -- С_Н=1,8·10^-3 кг/м³; проскоковая концентрация составляет 5% от начальной; тип аппарата -- вертикальный адсорбер; адсорбент -- активный уголь.

Принимаем число адсорберов в установке, равное двум. В одном из аппаратов проходит стадия адсорбции, в то время как в другом протекают 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.

Расчет.

Изотерма адсорбции паров метанола на активном угле

Для активного угля АР-3 равновесная концентрация в твердом теле описывается уравнением Дубинина:

(1)

где X -- равновесная концентрация в твердой фазе, моль/г;

W₀₁, B₁ W₀₂, B₂ -- константы, характеризующие адсорбент;

W₀₁=0,19 см³/г;

B₁ =0,74·10^-6 К^-2;

W₀₂=1,8·10^-1 см³/г;

B₂ = 3,42·10^-6 К^-2 (см. Приложение 1); в-- коэффициент аффинности, в =0,4 (см. Приложение 1); х -- мольный объем поглощаемого компонента, см³/моль,

х = М/с;

P_S= 12800 Па -- давление насыщенного пара метанола; Р -- парциальное давление паров метанола в газовой смеси.

Для Р = 0,1ч50 равновесная концентрация метанола в АУ:

Вычисленные по уравнению (1) равновесные концентрации метанола в активном угле (АУ) представлены ниже:

Между концетрациями и давлениями имеет место соотношение:

Принять соотношение С/P = 1,3·10^-5.

Диаметр и высота адсорбера

Допустимую фиктивную скорость газа можно рассчитать по формуле, полученной на основе технико-экономического анализа работы адсорберов:

(2)

где d_Э = 2,0·10^-3 м; с_нас = 550 кг/м³ (для активного угля АР-3); плотность воздуха при 20 °С с_у= 1,2 кг/м³.

Допустимая скорость газа в адсорбере:

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

щ = 0,75·0,388 = 0,29 м/с.

Диаметр аппарата:

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

Высоту слоя активного угля в аппарате для обеспечения достаточного времени работы адсорбера примем равной 0,7 м (в вертикальных адсорберах ВТР высота слой адсорбента составляет 0,5--1,2 м). 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.

Коэффициент массопередачи

Находим коэффициент диффузии в газовой фазе в системе метанол -- воздух.

При t= 0°С и Р = 98,1 кПа коэффициент диффузии равен 0,133 см²/с Коэффициент диффузии в условиях адсорбера (при t = 20 °С):

Вязкость газовой фазы (воздуха) м_у=1,8·10^-5 Па·с. Коэффициент массоотдачи в газовой фазе находим по уравнению

(3)

где е-- порозность слоя (е = 0,375 );

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

Тогда коэффициент внешней массоотдачи равен

адсорбция установка пар промышленный

Коэффициент эффективной диффузии метанола в адсорбенте находим по зависимости D_Э = f(x), для случая адсорбции метанола на активном угле, приближающемся по внутренней структуре к АУ марки АР-3 в интервале концентраций Х = 0 - 3,3·10^-2 кг/кг

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

Тогда

Коэффициент массопередачи

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

Коэффициент массопередачи с учетом продольного перемешивания:

Удельная поверхность адсорбента

Объемный коэффициент массопередачи

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

п_оу = K'_У ·a·z/щ

-- общее число единиц переноса для слоя высотой z;

T=щ·C_H·(r-zе/щ)/[с_нас Х^*·(C_H)·z]

--безразмерное время. Выразим ф через безразмерное время Т:

Число единиц переноса:

Результаты расчета выходной кривой адсорбции приведены ниже:

Время достижения концентрации метанола в газе, выходящем из адсорбера она составляет 5% от начальной, т. е. С/С_Н = 0,05, равно длительности стадии адсорбции. В соответствии с выходной кривой (рис. 3) продолжительность стадии адсорбции и составляет 1,73·10⁴ с.

Рис. 3. Выходная кривая адсорбции (z = 0,7 м)

Рис. 4. Профиль концентрации в адсорбенте (т = 4,8 ч)

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 виде функции от безразмерного времени:

Расчет профиля концентраций метанола в слое угля представлен ниже:

Материальный баланс

Материальный баланс по метанолу стадии адсорбции выражается уравнением

Записывая уравнение материального баланса для концентраций в безразмерной форме, а также учитывая, что Х_Н = 0 и С_Т=0 = 0, получим:

Значение интегралов уравнения материального баланса определяют графическим интегрированием выходной кривой (см. рис.2) и профиля концентрации в адсорбенте (рис. 3):

Количество метанола, поступающего в адсорбер,

Количество метанола, поглощенного углем (адсорбата),

Количество метанола, уходящего из аппарата с газовой фазой,

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

Количество метанола, остающегося в газовой фазе адсорбера:

Проверим сходимость материального баланса:

63,75 = 63,47 + 0,273 + 0,0033.

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. 4,8 ч.

Десорбция водяным паром -- сложный тепломассообменный 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 - 1,0 ч при условии использования острого пара давлением 0,1 - 0,4 МПа.

При десорбции веществ с небольшой молекулярной массой давление ближе к минимальному значению указанного интервала. С учетом сказанного принимаем продолжительность десорбции 1 ч, давление водяного пара 0,2 МПа. Тогда продолжительность стадий сушки и охлаждения равна 3,8 ч, причем периоды сушки и охлаждения могут быть приняты равными. В связи с этим условия сушки и охлаждения должны быть выбраны исходя из указанного времени.

График работы адсорбционной установки может быть представлен в виде циклограммы (рис. 5).

Рис. 5. Циклограмма работы адсорбционной установки:

1 - продолжительность адсорбции; 2 - суммарная продолжительность сушки и охлаждения; 3 - продолжительность десорбции

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ СОРБЕНТОВ

Характеристики некоторых промышленных цеолитов /3/

Характеристики некоторых промышленных ионитов f3/

Характеристики и области применения некоторых активных углей [3, 4, 5]

Коэффициенты аффинности р различных веществ для активных углей [6, 7]

Характеристики некоторых промышленных силикагелей [3]

ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

По приведенной выше методике рассчитать адсорбционную установку периодического действия с неподвижным слоем адсорбента для улавливания паров метанола из воздуха, работающую по четырехстадийному циклу при следующих условиях: расход смеси - 6450 м³/ч; температура паровоздушной смеси -- 15 °С; атмосферное давление -- 0,1013-10⁶ Па; начальная концентрация метанола в газовой смеси -- С_Н=1,5·10^-3 кг/м³; проскоковая концентрация составляет 4% от начальной; тип аппарата -- вертикальный адсорбер; адсорбент -- активный уголь.

Принимаем число адсорберов в установке, равное двум. В одном из аппаратов проходит стадия адсорбции, в то время как в другом протекают стадии регенерации активного угля.

В виду того, что целью проектируемой установки является рекуперация растворителя, в качестве адсорбента принимаем рекуперационный уголь АР-3 с эквивалентным диаметром гранулы 2 мм

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ К ПРАКТИЧЕСКОМУ ЗАНЯТИЮ

По приведенной выше методике рассчитать адсорбер при следующих исходных данных в соответствии с вариантом индивидуального задания:

Размещено на Allbest.ru