6.2. Расчет адсорберов периодического действия

Целью расчета адсорберов является определение геометрических размеров (диаметра, высоты) аппарата, продолжительности процес­са, гидравлического сопротивления слоя адсорбента.

Расчет адсорберов осуществляется в следующей последова­тельности.

1. Определяют диаметр адсорбера D_а по уравнению расхода:

,

где V_г - объем парогазовой смеси, проходящей через аппарат, м³/с; w_г - скорость парогазовой смеси, отнесенная к свободному сечению аппарата, м/с.

Для адсорберов с неподвижным слоем адсорбента w_г = (0,25…0,30) м/с.

2. Определяют высоту и объем слоя адсорбента:

H = h^.N_y,

где Н - высота слоя адсорбента, м; h - высота единицы переноса, м; N_y - число единиц переноса.

а) Определение числа единиц переноса. Число единиц переноса определяют по формуле

Здесь Y_н, Y_к - начальная и конечная концентрация адсорбтива в парогазовой смеси, кг/м³; Х_н, Х_к - начальная и конечная концентрация адсорбата в твердой фазе, кг/м³; X, Y - текущая (рабочая) концентрация адсорбата и адсорбтива, соответственно, в твердой и паро­газовой фазе, кг/м³; X*, Y* - равновесные концентрации адсорбата в твердой. фазе и адсорбтива в парогазовой фазе при задан­ных значениях Х и Y (определяются по кривой равновесия).

Для определения Y* (или X*), необходимых для построения описанного выше графика, нужно построить рабочую линию про­цесса адсорбции и изотерму адсорбции (рис. 43).

Изотерму адсорбции строят на основании экспериментальных либо справочных данных.

Если изотерма адсорбции неизвестна, ее можно построить но изотерме адсорбции стандартного вещества. В качестве стандартного вещества обычно выступает бензол (приложение 18).

Рис. 43. Графическое изображение изотермы адсорбции и рабочей линии.

Величину адсорбции пересчитывают по формуле

,

где Х₁^* - ордината изотермы стандартного вещества (обычно бензола), кг/кг; Х₂^* - ордината определяемой изотермы, кг/кг; V₁, V₂ - мольные объемы стандартного и исследуемого вещества в жидком состоянии, м³/кмоль (приложение 8);  - коэффициент аффинности, определяют по выражению:

.

Мольные объемы веществ можно определить по выражению:

,

где М_i - мольная масса вещества в жидком состоянии, кг/кмоль (приложение 19); _жi ^- плотность вещества в жидком состоянии, кг/м³.

Численные значения коэффициентов аффинности для некоторых веществ приведены в приложении 20.

Равновесие в газовой фазе можно описать с помощью уравнения, связывающего парциальные давления компонентов исследуемого и стандартного вещества:

,

где P_si - давление насыщенных паров веществ, T_i – абсолютные температуры веществ.

Здесь индексы 1 относятся к стандартному веществу, индек­сы 2 - к исследуемому веществу.

Давление насыщенного пара веществ при конкретной темпера­туре адсорбции определяют по справочным таблицам (приложение 19).

Для определения величины Y₂^* (необходимой для построения изотермы адсорбции конкретного вещества) применяют уравнение:

.

Значения Y_н1, Y_н2 определяют по уравнению

.

Здесь делаются подстановки: P_s1 - давление насыщенного пара для стандартное вещества, бензола, Р_s2 - давление насыщенного пара для исследуемого веществ при температуре адсорбции.

Таким образом, Y_н2 соответствует концентрации компонента (адсорбтива) в парогазовой смеси, кг/м³, в состоянии насыщения; Y_н1 - концентрация паров бензола в насыщенном паре при температуре адсорбции.

Уравнение обычно решают методом графического интегри­рования: задавшись рядом значений Y в интервале (Y_н - Y_к) строят график в координатах 1/(Y – Y*), затем измеряют площадь криво­линейной трапеции, ограниченную кривой ab, осью абсцисс и прямыми, проведенными из точек Y_к, Y_н (рис. 44).