Конкретный расчет адсорбционной установки.

Рассчитаем 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.

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.

Диаметр адсорбера.

Допустимую фиктивную скорость газа можно рассчитывать по формуле, полученной на основе технико-экономического анализа работы адсорбера (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.

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

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:

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.

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.