Методы расчетов адсорбентов

Практическая работа № 59

Цель: рассмотреть методику расчета адсорбентов.

Оборудование: раздаточный учебный материал.

Ход работы:

1. Ознакомьтесь с теоретическим материалом.

2. Выполните практические задания.

3. Ответьте на контрольные вопросы.

Теоретическая часть.

Равновесие при адсорбции определяется следующими уравнениями:

где Х – концентрация поглощенного адсорбентом вещества, кг/кг; Р – равновесное давление поглощаемого вещества в газовой смеси, Па; Y – равновесная концентрация поглощаемого вещества в газовой смеси, кг/кг инертной части смеси; K, n, a, b, A, B – константы, найденные из опыта.

Материальный баланс адсорбции рассчитывается по формуле:

Gdy=Ldx (5.82)

где G – расход газовой фазы, кг/ч; L – расход адсорбента, кг/ч; у – рабочая концентрация вещества в газовой фазе, кг/кг инертной части; х – рабочая концентрация вещества в адсорбенте, кг/кг адсорбента.

Для периодического процесса, концентрация поглощаемого вещества в адсорбенте изменяется во времени и пространстве. При этом уравнение материального баланса принимает вид:

-Gdydτ=SdHρ_нdx (5.83)

где S – площадь поперечного сечения адсорбента, м²; Н – высота слоя адсорбента, м; ρ_н – насыпная плотность адсорбента, кг/м³.

Уравнение массопередачи:

dH=K_г(y-y_p)dF (5.84)

Коэффициент массопередачи связан с коэффициентами массоотдачи:

1/K_г=1/β₁ + 1/β₂

Коэффициент массоотдачи для внешнедиффузионной области можно рассчитать из уравнений:

Коэффициент внутреннего массопереноса β₂ может быть определен по соотношению:

Расчет адсорберов периодического действия с неподвижным слоем адсорбента. В периодическом адсорбере происходит изменение концентрации вещества во времени и по высоте слоя. По изменению скорости процесс адсорбции разделяют на 2 периода: 1) период уменьшающейся скорости, ограниченной временем τ₀ и высотой слоя Н₀; 2) период постоянной скорости τ > τ₀.

Продолжительность процесса адсорбции:

Т = τ + τ_д + τ_с (5.89)

где τ – время адсорбции; τ_д – время десорбции; τ_с – время сушки и охлаждения адсорбентов.

Продолжительность собственно адсорбции приближенно можно определить из соотношения:

Более точно время адсорбции можно определить по уравнению Шилова:

τ = τ₀ + К(H-H₀) (5.91)

Коэффициент поглотительного действия слоя равен

где σ – удельная поверхность адсорбента, м²/м³.

 

Уравнение (5.93) содержит интеграл, который определяют графически. Для этого зависимость 1/(у1-у*)=∫(х).

Высота работающего слоя адсорбента H₀ в момент τ₀ определяется из соотношения:

H₀ = N₀h

где N₀ – число единиц переноса; h – высота единицы переноса;

h = G/(SK_г) (5.94)

Для определения числа единиц переноса N₀ в момент времени τ₀ на диаграмме у-х строят изотерму адсорбции и рабочую линию. Уравнение рабочей линии для момента времени τ₀ имеет вид:

Это – уравнение проходящей через начало координат прямой линии, тангенс угла наклона которой равен у/х_н. Интеграл находят графическим интегрированием. Он равен числу единиц переноса N₀:

где х_с – концентрация вещества в конце работающего слоя адсорбента.

Площадь сечения адсорбера находят по формуле:

S=G/(wρ_см) (5.97)

где G – расход газа, кг/с; w – скорость газа, отнесенная к полному сечению адсорбера, м/с (принимают равной 0,08-0,25 м/с).

Расчет адсорберов со взвешенным слоем адсорбента. Влияние продольного перемешивания на процесс учитывается коэффициентом продольного перемешивания k_п:

k_п=Н_взв/Н_дв (5.98)

где Н_дв– высота движущегося слоя.

Диаметр адсорбера рассчитывают по формуле:

(5.99)

Среднюю скорость газа находят из выражения:

(5.100)

где Ar – критерий Архимеда.

Высоту взвешенного слоя на тарелке определяют из соотношения:

(5.101)

Порозность ε взвешенного слоя можно определить из зависимости:

(5.102)

где ε₀ – пористость неподвижного слоя (ε₀ = 0,4); h_сл– высота слоя сорбента (h_сл= 50+60 мм); Re = wd_эρ/μ²_г – критерий Рейнольдса; Ar = d³₃(ρ_a – ρ)ρg/μ²_г – критерий Архимеда; d₃ – диаметр зерна адсорбента; ρ – плотность газа; g – ускорение свободного падения; μ_г– динамический коэффициент вязкости газа.

Высоту рабочей зоны многоступенчатого аппарата рассчитывают по формуле:

Н_взв = h_слn_т.

Число ступеней аппарата n_т находят по диаграмме у-х, на которой наложены изотерма адсорбции и рабочая линия.

Уравнение материального баланса для всей колонный будет иметь вид:

La₀η_k = w(у_н-у_к) (5.103)

где η_k – степень обработки адсорбента на выходе из колонны; η_k> 0,8; у_н, у_к– концентрации компонента в газовой фазе на входе в колонну и на выходе из нее соответственно.

Рассчитав n_т определяют действительное число тарелок:

n_д=n_тk_п (5.104)

k_п - коэффициент продольного перемешивания.

Коэффициент продольного перемешивания вычисляют по формуле:

Если все слои в колонне равноценны, т.е. частицы адсорбента шарообразны, одного и того же размера и равномерно распределены по объему слоя, то для расчета концентрации компонента на выходе из любого слоя у_выхi рекомендуется уравнение:

Используя это уравнение, можно также рассчитать число тарелок в колонне.

Расчет адсорберов с движущимся зернистым адсорбентом. Для аппаратов с движущимся плотным слоем определяют высоту слоя и скорость движения адсорбента. Высоту слоя адсорбента находят, исходя из числа единиц переноса, по формуле:

Скорость движения слоя адсорбента w (в м/с) вычисляют по формуле:

(5.108)

где V_сл – рабочий объем слоя адсорбента, м³; а*(у_н)- величина адсорбции, равновесная концентрации адсорбируемого вещества в газовой фазе у_н.

Коэффициенты массообмена рассчитывают по уравнением (5.85)-(5.88).

Общая высота аппарата равна:

Н_ад = Н_охл + Н_дв + Н_д

Регенерация адсорбентов. Регенерацию адсорбентов проводят термическим методом или десорбцией насыщенным, а также пе­регретым водяным паром или инертным газом. При термической регенерации теряется 5—10 % адсорбента и происходит деструк­ция адсорбируемого вещества. Процесс проводят при 700—800 "С в печах различной конструкции: барботажных, многоходовых и с кипящим слоем.

Для регенерации десорбцией используют перегретый пар при 200-300 °С или инертные газы при 120—140 °С.

Практическая часть:

1. Составьте информационную брошюру «Расчет адсорбентов».

2. Зарисуйте схему адсорбера с инжекторным захватом адсорбента. Поясните принцип его работы.

3. Зарисуйте схемы переточных устройств. Поясните принцип их работы.

4. Зарисуйте схемы элементов двухслойных провальных тарелок. Поясните принцип их работы.

5. Зарисуйте схемы типовых питателей. Поясните принцип их работы.

5. Зарисуйте схемы загрузочных устройств пневмотрансопрта. Поясните принцип их работы.

Контрольные вопросы:

1. Каким образом определяется равновесие при адсорбции?

2.Как проводится расчет адсорберов с движущимся зернистым адсорбентом?

3.Как проводится расчет адсорберов периодического действия с неподвижным слоем адсорбента?