Висота адсорбера 2 страница

(6.25)

Перевіряють матеріальний баланс згідно рівняння:

(6.26)

6.1.5. Гідравлічний опір шару адсорбенту

Визначають опір шару адсорбенту, Па. Для установок зі стаціонарним шаром адсорбенту опір розраховують за рівнянням:

(6.27)

Н_ш – висота шару адсорбенту, м;

- густина газоповітряної суміші, кг/м³;

- в’язкість газоповітряної суміші, Па·с;

S_ш - площа перерізу шару адсорбенту, м²;

G_г – масова витрата парогазової суміші, кг/с;

- середній діаметр зерна (частинки) адсорбенту, м;

6.1.6. Розрахунок кільцевих адсорберів

Принцип розрахунку адсорберів кільцевого типу є аналогічним до розрахунку адсорберів вертикальних та горизонтальних, проте існують деякі відмінності, які пов’язані з конструктивними особливостями кільцевого адсорбера.

Кільцеві адсорбери конструктивно складніші, ніж розглянуті вище адсорбери з плоским шаром, проте завдяки великому поперечному перерізу адсорбенту (вугільної шихти), більш компактні та мають більшу продуктивність при відносно невисокому гідравлічному опорі.

В кільцевому адсорбері товщина шару адсорбенту визначається розмірами концентричних решіток, між якими міститься адсорбент. Згідно рекомендацій [1,3,4,5] приймають наступні розміри концентричних решіток:

діаметр зовнішній D_з = 3 м;

діаметр внутрішній D_вн = 1,6 м;

висота решітки (висота шару адсорбенту) H_р =Н_ш = 5 6 м.

Згідно даних [1,3,4,5] така товщина значно перевищує товщину робочого шару (зона масопередачі), що виключає можливість проскоку адсорбтиву. Товщина шару буде лише визначати його гідравлічний опір та тривалість процесу адсорбції.

Наступним кроком є визначення площі поперечного перерізу шару адсорбенту (, м²) та фіктивної швидкості парогазової суміші (, м/с)

Згідно рекомендацій [1,3,4,5] швидкість газоповітряної суміші більша ніж 0,3 м/с недоцільна, тому що це призводить до збільшення гідравлічного опору. За умов необхідності зменшення швидкості необхідно збільшити висоту концентричних решіток.

Для розрахунку тривалості адсорбції потрібно побудувати ізотерму; визначити, в межах якої ділянки знаходяться задані початкова та кінцева концентрації адсорбтиву у газовій фазі, і вибрати відповідне рівняння 6.19 – 6.21; визначити коефіцієнт масовіддачі.

Ізотерму адсорбції будують, згідно методики, описаній в п.6.1.2.

Коефіцієнт масовіддачі розраховують за рівняннями 6.14 – 6.17.

Рівняння матеріального балансу складають згідно п.6.1.5.

Гідравлічний розрахунок кільцевого адсорбера виконують згідно п.6.1.5.

6.2. Адсорбери неперервної дії з псевдозрідженим шаром адсорбенту

Виходячи з вихідних даних, вибирають вид адсорбенту.

Складають принципову схему адсорбційної установки неперервної дії з псевдозрідженим шаром адсорбенту [1,3,4,5,9].

Метою розрахунку адсорберів є визначення швидкості псевдозрідження w_пз, геометричних розмірів (діаметра та висоти) апарата, гідравлічного опору шару адсорбенту.

Розрахунок відбувається в наступній послідовності.

6.2.1. Швидкість газу і діаметр адсорбера

Діаметр адсорбера визначають за рівнянням витрати:

(6.28)

Швидкість псевдозрідження w_пз визначають за рівнянням, рекомендованим для розрахунку адсорберів з киплячим шаром [10]:

(6.29)

де - кінематична в’язкість газу, м²/с; - уявна густина адсорбенту, кг/м³

Для перевірки правильності розрахунку швидкості псевдо зрідження додатково визначають критерій Рейнольдса:

(6.30)

Якщо Re_пз > 10, то значення швидкості псевдо зрідження помножують на поправочний коефіцієнт :

(6.31)

Зауваження: швидкість псевдозрідження w_пз також можливо визначити, відомим методом [1,2,3,9], що описується в розділі 7 (п. 7.1.1. – 7.1.3.).

6.2.2. Об’єм нерухомого шару адсорбенту й кількість тарілок

Об’єм нерухомого шару адсорбенту (без врахування об’єму пустот між частинками)

(6.32)

Об’єм нерухомого шару адсорбенту (з врахуванням об’єму пустот між частинками)

(6.32 а)

де - уявна густина адсорбенту (табл. 6.4.додатку 6)

а) Визначення числа одиниць перенесення n_y.

Для цього необхідно згідно методики, описаній в п. 6.1.2.а., побудувати рівноважну лінію процесу адсорбції на діаграмі х – у (рис. 6.1.).

Число одиниць перенесення визначають методом графічного інтегрування (рис. 6.2). Вимірюють площу, обмежену даною кривою і крайніми абсцисами, що відповідають від до . Далі розраховують число одиниць перенесення за рівнянням (6.12.).

За рівнянням (6.10.), знаходять об’ємну витрату адсорбенту (V_ад – кількість адсорбенту, що витрачається за одиницю часу, м³/с)

Для побудови робочої лінії (лінія АВ, рис. 6.1.) визначають координати точок: точка А (х_п, у _к), точка В (х_к, у _п).

Значення у _к ; у _п відомі згідно завдання; х_п = 0.

Значення х_к визначають з рівняння матеріального балансу (6.10.).

б) Визначення об’ємного коефіцієнту масопередачі.

Об’ємний коефіцієнт масопередачі змінюється від тарілки до тарілки. Швидкість процесу лімітується як зовнішньо - так і внутрішньо дифузійною кінетикою. У міру перетікання адсорбенту на нижні тарілки частка внутрішньо дифузійного опору зростає.

Експериментально доведено [1, 9], що в умовах псевдозрідження величина , яка називається ефективним коефіцієнтом масообміну, близька до об’ємного коефіцієнту внутрішньої масовіддачі , що практично не залежить від швидкості газового потоку. Тобто . Тому величина розраховується згідно рівняння:

(6.33)

D_у - коефіцієнт дифузії, м²/с; - концентрація насиченої пари адсорбованої речовини, кг/м³; - коефіцієнт афінності; В₁ – структурна константа, 1/град (табл. 6.4б додатку 6); Т – температура адсорбції, К; - площа поперечного перерізу адсорбера, м², (); - висота нерухомого шару адсорбенту, м.

Згідно експериментальних та теоретичних досліджень [1,3,4,5,9], значення оптимальної висоти нерухомого шару на тарілці (Н_ш) знаходиться в межах м, в залежності від марки та гранулометричного складу адсорбенту. Для газів, що добре сорбуються, шар такої висоти забезпечує майже повне вилучення адсорбтиву. За інших значень висоти нерухомого шару, псевдозрідження може бути нерівномірним, можливі проскоки адсорбтиву. В такому разі збільшення кількості адсорбенту на тарілці не призводить до бажаної повноти вилучення.

в) Кількість тарілок в адсорбері

(6.34)

Зауваження:

6.2.3.1. Визначають висоту (Н_пз), псевдозрідженого шару адсорбенту,

Висота псевдо зрідженого шару

(6.35)

де , м³/м³

Пористість киплячого шару:

(6.36)

де - критерій Архімеда

6.2.3.2. Визначають загальну висоту апарату (Н_ап)

де - висота тарілчастої частини апарата, м.

Відстань між тарілками (h_Т) з врахуванням конструкції перетічних пристроїв, нерівномірності псевдозрідження та можливих коливань швидкості газового потоку згідно рекомендацій [1, 9] приймають рівним h_Т =

- відстань від кришок апарату до верхньої та нижньої тарілок, м.

Величина визначається конструкціями розподільних та живильних пристроїв. Приймають величину () вдвічі більшою за відстань між тарілками (h_Т).

Тоді

(6.37)

6.2.4. Гідравлічний опір адсорбера

Для псевдозріджених шарів, згідно рекомендацій [2] гідравлічний опір визначається за рівнянням

(6.38)

Гідравлічний опір вибраної решітки визначають за рівнянням:

(6.39)

де - доля живого перерізу решітки;

w – робоча швидкість газоповітряної суміші, м/с;

коефіцієнт гідравлічного опору решітки приймають [2].

Загальні втрати тиску в апараті:

= + (6.40)

6.3. Приклади розрахунку адсорберів

6.3.1. Розрахунок адсорбера періодичної дії

Завдання. Розрахувати адсорбер періодичної дії для уловлення парів ацетону з повітря за наступних умов: об’ємна витрата парогазової суміші V_г = 2000 м³/год, температура – 20 ⁰С, тиск – 760 мм.рт.ст., початкова концентрація парів ацетону в повітрі - кг/м³, концентрація парів ацетону в повітрі після адсорберу - кг/м³

Виходячи із заданої продуктивності, згідно таблиці 6.6 додатку 6 вибираємо вертикальний адсорбер.

Як адсорбент, використовуємо активоване вугілля марки АГ-5, виходячи з таблиці 6.4 додатку 6.

Технологічна схема та її опис

Рис.1. Технологічна схема установки.

Газоповітряна суміш (повітря, що містить ацетон), вентилятором В подається в адсорбер А, заповнений активованим вугіллям. Попередньо газоповітряна суміш проходить фільтр Ф, що існує для видалення пилу, вогнезатримувач Вг, який необхідний для запобігання поширенню вогню по трубопроводам у випадку спалаху суміші, і холодильник Х. Після насичення шару адсорбенту ацетоном, адсорбер А переключається на стадію десорбції. Суміш, що лишилася, виноситься в атмосферу, проходячи через циклон Ц, який затримує частинки адсорбенту.

1. Технологічний розрахунок

Мета технологічного розрахунку – визначення геометричних розмірів апарату та тривалості процесу адсорбції.

1.1 Визначення діаметру адсорбера.

Визначаємо діаметр адсорбера з рівняння (6.1.). Значення w_г приймаємо 0,28 м/с, згідно п.6.1.1.

м

Розраховане значення D_a заокруглюємо до більшого значення стандартизованих діаметрів (таблиця 6.6, додатку 6). Виходячи зі значення стандартизованого діаметру D_a = 1,6 м, визначаємо дійсну швидкість газового потоку:

1.2. Побудова ізотерми адсорбції.

Будуємо ізотерму адсорбції в координатах х – у.

Для розрахунку координат точок ізотерми адсорбції ацетону активованим вугіллям АГ-5 використовуємо дані за стандартної речовини – бензолу. Дані про рівновагу процесу адсорбції парів бензолу з повітрям на активованому вугіллі АГ-5 беремо з таблиці 6.1, додатку 6.

Використовуючи довідникові дані таблиці 6.3, додатку 6 або рівняння (6.6.), визначаємо коефіцієнт афінності для ацетону. Розраховуємо координати фазової діаграми х – у за рівняннями (6.5.), (6.8.), згідно методики, що описана в п.6.1.2.

Тиски насичених парів бензолу та ацетону вибираємо з таблиці 6.2 додатку 6.

Для бензолу:

P_s1 = 75 мм.рт.ст. = 10006,2 Па

М₁ = 78,11 кг/кмоль

Для ацетону:

P_s2 = 186 мм.рт.ст. = 24815,4 Па

М₂ = 58,08 кг/кмоль

Значення абсцис ізотерми адсорбції парів ацетону активованим вугіллям марки АГ-5, розраховуємо за рівнянням (6.5.)

Отримані значення для ацетону заносимо в таблицю 1.

Значення ординат ізотерми адсорбції парів ацетону активованим вугіллям марки АГ-5, розраховуємо за рівнянням (6.8.)

Значення у_н1 у_н2 визначаємо за рівнянням (6.9.)

кг/м³

кг/м³

Далі розраховуємо:

Отримані значення для ацетону заносимо в таблицю 1.

Розрахункові значення координат точок ізотерми адсорбції ацетону активованим вугіллям АГ-5 та довідникові значення координат точок ізотерми адсорбції бензолу згідно таблиці 6.1 додатку 6 зведені в таблицю 1.

Таблиця 1.

Розрахункові та довідникові значення координат точок ізотерм адсорбції бензолу та ацетону активованим вугіллям АГ-5

Точка	Бензол	Ацетон
кг/м^3	кг/м^3	кг/м^3	кг/м^3
	0.0004494 0,00095444 0.00428 0.01284 0.03424 0.05564	51.5 116.5	0,00182 0,00352 0,013 0,035 0,085 0,126	58.52 69.32 118.18 132.39 148.86 156.82

Згідно даних таблиці 1 будуємо ізотерму адсорбції, що зображена на рис. 2.

1.3. Матеріальний баланс. Побудова робочої лінії процесу.

Для побудови робочої лінії необхідно скласти матеріальний баланс процесу, що описаний рівнянням (6.10.).

Для визначення V_ад використовуємо рівняння (6.11.). Приймаємо k=1.3

В рівнянні визначаємо за ізотермою адсорбції. Значенню у_п = 0,030 на лінії рівноваги відповідає значення =128 кг/м³ (рис. 2):

Тоді з рівняння матеріального балансу (6.10):

Для побудови робочої лінії процесу визначаємо координати точок: точка А (х_п, у _к), точка В (х_к, у _п). (рис. 2)

Згідно завданню у _п = 0,030, х_п = 0, у _к = 0,0009.

Згідно розрахунків

Точки А та В будуємо на графіку (рис. 2) та проводимо пряму АВ – робочу лінію процесу.

Рис. 2. Ізотерма адсорбції та робоча лінія процесу (адсорбція парів ацетону активованим вугіллям АГ-5).

1.4. Визначення кількості та висоти одиниць перенесення

Для визначення висоти адсорбенту з рівняння (6.4.), визначаємо число одиниць перенесення n_y та висоту одиниць перенесення h.

Число одиниць перенесення n_y визначаємо шляхом графічного інтегрування. Будуємо графічну залежність:

Для цього задаємося рядом значень у в інтервалі , визначаємо відповідні їм значення у^*, як зображено на рис. 6.1. Далі розраховуємо , . Отримані дані заносимо в таблицю 2.

Таблиця 2.

Значення параметрів для графічного інтегрування.

, кг/м^3	, кг/м^3	, кг/м^3	, м^3/кг
0.0009		0.0009	1111.1
0.01	0.001	0.009	111.1
0.015	0.002	0.013	76.9
0.02	0.003	0.017	58.8
0.025	0.005	0.02
0.03	0.01	0.02

Згідно значень таблиці 2 будуємо графічну залежність, яка представлена на рис. 3.

За рис. 3. визначаємо площу під кривою, що обмежена ординатами у_п = 0,030 та у_к = 0,0009 кг/м³.

Визначаємо число одиниць перенесення за рівнянням (6.12.). Число одиниць перенесення n_y = 4,5.

Рис. 3. Визначення числа одиниць перенесення методом графічного інтегрування (адсорбція парів ацетону активованим вугіллям АГ-5).

Для визначення висоти одиниць перенесення h розраховуємо:

а) критерій Рейнольдса за рівнянням (6.15):

середній діаметр частинки адсорбенту d_ч для вугілля АГ-5 вибирається з таблиці 6.4 додатку 6.

Зауваження: для інших марок вугілля середній діаметр частинки адсорбенту d_ч розраховується за рівнянням (6.3.)

б) дифузійний критерій Прандтля за рівнянням (6.17.):

Коефіцієнт дифузії ацетону в повітрі за нормальних умов, знаходимо з таблиці 6.5, додатку 6: м²/с

Коефіцієнт дифузії ацетону в повітрі за температури 20 ⁰С та тиску 760 мм.рт.ст. згідно завданню, розраховуємо за рівнянням

в) дифузійний критерій Нуссельта - за рівнянням (6.16.)

З рівняння (6.14.) знаходимо об’ємний коефіцієнт масовіддачі

Висоту одиниць перенесення h визначаємо з рівняння (6.13)

м

де м²

1.5. Визначення висоти та об’єму шару адсорбенту

Висоту шару адсорбенту розраховуємо за рівнянням (6.4.)

м

Об’єм шару адсорбенту визначаємо з рівняння (6.18.)

м³

1.6. Визначення тривалості адсорбції

Згідно рис. 2 на ізотермі адсорбції точці з координатою у_п = 0,03 кг/м³ відповідає друга ділянка ізотерми. Тому, тривалість процесу визначаємо за рівнянням (6.20):

В даному рівнянні розраховуємо ;

де - вміст речовини в газовому потоці, що є рівноважним з половиною кількості від максимально адсорбованого заданим адсорбентом, тобто рівноважне з , кг/м³. Згідно рис. 2. кг/м³

1.7. Матеріальний баланс процесу адсорбції парів ацетону активованим вугіллям АГ-5 за період часу .

Кількість газоповітряної суміші, що пройшла крізь адсорбер за час адсорбції, визначимо з рівняння (6.22) та (6.22а):

м³

Кількість ацетону, який поступає в адсорбер визначимо з рівняння (6.23.):

кг

Кількість ацетону, який поглинається шаром вугілля, визначимо з рівняння (6.24.):

кг

Кількість ацетону, який виходить з апарату з газовою фазою визначимо з рівняння (6.25.):

кг

Перевіримо матеріальний баланс згідно рівняння (6.26.):

кг

Такий результат приблизно дорівнює G₁, що є в межах норми, враховуючи похибки при розрахунках.

2. Гідравлічний розрахунок

Визначаємо опір шару адсорбенту за рівнянням (6.22):

=

= 112 Па

Дата добавления: 2017-02-01