7.1.4. Пример расчета абсорберов.

Задание: Рассчитать расход абсорбента, диаметр, высо­ту и гидравлическое сопротивление противоточного насадочного скруббера-абсорбера при поглощении диоксида углерода из газов, поступающих на очистку в количестве 9120 м³/ч (при атмосферном давлении и рабочей температуре). Расход чистой воды 800 м³/ч; на­чальное содержание диоксида углерода в газе 28,4 % (объемн.), ко­нечное (вверху скруббера) 0,2% (объемн.). Давление в скруббере - Р_абc = Р = 1620 кПа; температура процесса 30 °С. Насадка представ­ляет собой правильно уложенные керамические кольца размером 50x50x5 мм. Коэффициент смоченности принять равным единице. Коэффициент массопередачи ). Скорость газа принять на 25% меньше скорости захлебывания.

Решение:

1. Определим количество диоксида углерода, поглощенного водой. Начальное количество диоксида углерода в газе (на входе в аппарат):

2. Количество диоксида углерода на входе в скруббер:

3. Объем, поглощаемый водой:

.

4. Массовый расход газа:

или 4588:44= 104 кмоль/ч,

где 1,976 кг/м³ - плотность СО₂ при нормальных условиях;

44 кг/кмоль - мольная масса СО₂

5. Находим движущую силу процесса абсорбции внизу скруббера. Парциальное давление диоксида углерода на входе в скруббер:

6. Мольная доля СО₂ в воде, вытекающей из скруббера:

где 800 000 кг/ч – массовый расход воды.

7. Коэффициент Генри для диоксида углерода при 30°С (см. табл. 6.1.). Отсюда парциальное давление диоксида углерода в газе, равновесном с жидкостью, вытекающей из скруббера:

8. Движущая сила процесса абсорбции внизу скруббера:

9. Движущая сила процесса абсорбции на выходе из скруббе­ра:

10. Так как на орошение скруббера подается чистая вода, то парциальное давление диоксида углерода в равновесном с водой газе равно нулю. Тогда движущая сила процесса абсорбции на выходе из скруббера:

11. Средняя движущая сила всего процесса:

12. Требуемую поверхность массопередачи находим по урав­нению:

13. Объем слоя правильно уложенных керамических колец при удельной поверхности насадки

14. Определим сечение скруббера:

    1. определяем фиктивную скорость в точке инверсии из вы­ражения:

2. по условию берем рабочую фиктивную скорость газа на 25% меньше:

3. площадь поперечного сечения скруббера:

.

15. Диаметр скруббера:

16. Требуемая высота насадки:

17. Гидравлическое сопротивление определяется с учетом сопротивления насадки (см. табл. 6.2):

.

7.2. Адсорбция

7.2.1. Основы процесса физической адсорбции.

Физическая адсорбция обусловлена взаимным притяжением молекул сорбтива под действием сил Ван–дер-Ваальса и не сопровождается химическим взаимодействием адсорбированного вещества с поглотителем. В процессе адсорбции предельным состоянием для каждого поглощенного вещества является состояние равновесия между концентрацией в адсорбенте а₀ и парциальным давлением р адсорбированного вещества в парогазовой смеси. Кривая равновесия при постоянной температуре называется изотермой адсорбции и служит основной характеристикой статики процесса. Между концентрацией с_у адсорбируемого вещества в газовой смеси и его парциальным давлением р, согласно уравнению Клайперона, существует зависимость

(74)

Согласно теории Эйкена и Поляни, располагая изотермой адсорбции пара стандартного вещества для температуры Т₁ можно вычислить изотерму адсорбции другого при температуре Т₂.

Величины адсорбции находят по формуле

(75)

и - ординаты изотермы соответственно стандартного (обычно бензола) и исследуемого вещества, кг/кг или кмоль/г.

и - молярные объемы стандартного исследуемого вещества, м³.

Молярные объемы определяют по формуле:

(76)

- молекулярная масса, кг/кмоль.

- плотность жидкости, кг/м³.

Давление находят из выражения:

(77)

, - парциальные давления стандартного и исследуемого вещества, кПа.

- давление насыщенного пара исследуемого вещества при температуре , кПа.

- коэффициент аффинности, равный отношению молярных объемов:

(78)

Коэффициент аффинности для некоторых веществ приведен ниже (в качестве стандартного принят бензол) (табл.13).

Таблица 13. Коэффициент аффинности

Метиловый спирт	0,4	Уксусная кислота	0,97
Бромистый метил	0,57	Бензол	1,00
Этиловый спирт	0,61	Циклогексан	1,03
Муравьиная кислота	0,70	Четыреххлористый углерод	1,05
Сероуглерод	0,76	Диэтиловый эфир	1,09
Хлористый этил	0,78	Пентан	1,12
Пропан	0,86	Толуол	1,25
Хлороформ	0,88	Хлорпикрин	1,28
Ацетон	0,90	Гексан	1,35
Бутан	0,94	Гептан	1,59

При расчете точек изотермы исследуемого пара координаты и берутся по кривой стандартного вещества, а значения , , , - из таблиц давления насыщенного пара. Обычно изотерму адсорбции при периодическом процессе можно разделить на три области: первая характеризуется отклонением

(по бензолу); для второй ; для третьей .

Для первой области, где изотерма адсорбции считается прямолинейной можно пользоваться формулой:

(79)

- продолжительность адсорбции, с.

- скорость паро-газового потока, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с.

- высота слоя адсорбента.

- начальная концентрация адсорбированного вещества в парогазовом потоке

- количество адсорбируемого вещества, равновесное с концентрацией потока (кг/м³) берется по изотерме адсорбции в (кг/кг) и умножается на насыпную плотность адсорбента (кг/м³).

- коэффициент массоотдачи, с^-1

Величина коэффициента берется для значений из приведенных ниже данных (где - содержание адсорбируемого вещества в газовом потоке, выходящим из адсорбера).

Таким образом:

Для =0,05, =1,84

для =0,01, =1,67

для =0,03, =1,35

для =0,05, =1,19

для =0,1, =0,94

для =0,2, =0,63

для =0,3, =0,42

для =0,4, =0,23

для =0,5, =0,09

для =0,6, =-0,10

для =0,7, =-0,27

для =0,8, =-0,46

для =0,9, =-0,68

Для второй области изотермы адсорбции применяют уравнение:

(80)

, где - содержание вещества в газовом потоке, равновесное с половинным количеством, от максимально адсорбируемого данным адсорбентом, кг/м³.

Для третьей области изотермы адсорбции:

(81)

Теплота адсорбции, как известно, складывается из теплоты конденсации и теплоты смачивания. Практически можно принять, что величина теплоты адсорбции органических веществ не зависит от температуры. Зависимость удельной теплоты адсорбции q (Дж/кг) адсорбента от количества поглощаемого пара определяется по формуле:

(82)

- количество адсорбируемого пара, дм³/кг.

, - константы, значения которых представлены в таблице 14.

Таблица 14. значения ,

Вещество	Формула	n	m*10-3
Бензол	C6H6	0,959	3,24
Бромистый этил	C2H5Br	0,960	3,77
Диэтиловый эфир	(C2H5)2O	0,922	3,84
Сероуглерод	CS2	0,921	3,15
Хлороформ	CHCl	0,935	3,47
Четыреххлористый углерод	CCl2	0,930	3,74
Этиловый спирт	C2H5OH	0,928	3,65

При адсорбции водяного пара углем теплота адсорбции зависит от температуры следующим образом:

При температуре 10⁰С, теплота адсорбции q=14900*10³Дж/кг

при температуре 40⁰С, теплота адсорбции q=39000*10³Дж/кг

при температуре 80⁰С, теплота адсорбции q=34800*10³Дж/кг

при температуре 128⁰С, теплота адсорбции q=30900*10³Дж/кг

при температуре 187⁰С, теплота адсорбции q=21800*10³Дж/кг

Поглощение газов и паров, как правило, проводится в динамических условиях – из потока газа-носителя. В этом случае слой сорбента характеризуется величиной динамической адсорбционной активности а_Д – количеством поглощенного вещества (сорбтива) слоем адсорбента до момента появления за слоем притока сорбтива.

(83)

- динамическая адсорбционная активность слоя адсорбента, кг/м³.

- исходная концентрация сорбтива в газовом потоке, кг/м³.

- скорость паро-газовой смеси, отнесенная к полному сечению аппарата, м/с.

- время защитного действия, с.