33

Часть 2. Расчет адсорберов криогенного блока очистки гелия от низкокипящих примесей

1. Исходные данные. Состав потока. Количество примесей

В приведённых ниже уравнениях по умолчанию следует использовать единицы измерения в системе СИ, за исключением указанных явно в тексте размерностей.

Рассматриваем трехступенчатую адсорбционную очистку рабочего газа от примесей на температурных уровнях 293 и 78 К.

Очистку гелия от высококипящих примесей, главным образом от влаги, диоксида углерода и азота производим последовательно в трёх адсорбционных ступенях.

Получение итогового очищенного продукта высокой чистоты предполагает применение отдельных этапов очистки для каждой примеси, в отличие от комплексной очистки и осушки продукта в известных стандартных условиях. При определении массы адсорбента делается предположение, что все удаляемые на данном этапе примеси адсорбируются лучше основной примеси и в расчетах их можно условно присоединить к этой основной примеси. Это допущение позволяет существенно упростить расчет адсорбера и решать задачу по отношению к одной удаляемой примеси, т.е. в дальнейшем будем рассматривать очистку бинарной смеси продукт–примесь.

Процесс очистки продукта от примесей исторически принято различать от процесса осушки от влаги, поэтому эмпирические данные и некоторые формулы для этих процессов различаются. Данные различия не являются принципиальными, и в некоторых случаях мы сможем описывать эти процессы одинаковыми формулами и рассчитывать в соответствии с единым алгоритмом.

В адсорбционных блоках очистки гелия для удаления примесей водяных паров, двуокиси углерода и азота используем в соответствии с техническим заданием в качестве адсорбентов активную окись алюминия (алюмогель), цеолит NaX и активный уголь СКТ-4.

Исходные данные по очищаемой дыхательной смеси

1. Осушка (поглощение только паров воды из влажной смеси)
Адсорбент	алюмогель
Смесь	O2–He–N2
Состав, % объемн.
O2	23
He	47
N2	30
Влагосодержание при 303 К, г H2O/кг смеси*	1,3
Расход, нм3/ч	37,8
Давление, МПа	8
Температура адсорбции, К	280
Время адсорбции, ч	6
Температура азота при регенерации на входе в адсорбер, К	523–543
Температура азота на выходе из адсорбера в начале регенерации, К	293 (окр. ср.)
Температура азота на выходе из адсорбера в конце регенерации, К	393–373
2. Очистка от CO2 (поглощение только CO2 из сухой смеси)
Адсорбент	NaX
Содержание CO2, % объемн.	0,5
Расход, нм3/ч	37,8
Давление, МПа	8
Температура адсорбции, К	205
Время адсорбции, ч	6
Температура азота при регенерации на входе в адсорбер, К	650–623
Температура азота на выходе из адсорбера в начале регенерации, К	293 (окр. ср.)
Температура азота на выходе из адсорбера в конце регенерации, К	473–493
3. Вымораживание (очистка смеси от O2)
4. Очистка от N2
Адсорбент	СКТ-4
Смесь	He–N2
Состав на входе в адсорбер, %
	97,19(98,48)
	2,81(1,52)
Расход, , нм3/ч	18,068(17,920)
Давление, МПа	8
Температура адсорбции, К	80,4(68)
Время адсорбции, ч	6
Удельный теплоприток, кДж/м3 смеси	0,2
Отношение	0,9
Температура азота при регенерации на входе в адсорбер, К	473
Температура азота на выходе из адсорбера в начале регенерации, К	293 (окр. ср.)
Температура азота на выходе из адсорбера в конце регенерации, К	433

^* При охлаждении исходной смеси в теплообменнике до 278 К её влагосодержание уменьшается до 0,09 г/кг в результате удаления влаги во влагоотделителе

Процесс адсорбции конкретной примеси может производиться одним адсорбером в течение заданного времени τ или постоянно, двумя (или более) блоками адсорберов, переключаемыми для проведения десорбции (регенерации).

В процессе расчёта используются данные при нормальных (заданных как стандартные температура = 273 K и давление = 0,1013 МПа) условиях или, при необходимости, данные при условиях процесса адсорбции .

Количество адсорбируемой примеси (адсорбата) за время τ, м³/ч

,

где – количество примеси в очищаемом потоке, % объёмн.

Масса удаляемого адсорбата, кг

.

При осушке смеси – влагосодержание, г H₂O/кг смеси, и

,

где – плотность трёхкомпонентной смеси He–N₂–O₂,; – молекулярный вес чистых компонент, кг/кмоль; – плотность чистых компонент при нормальных условиях, кг/м³.

Количество адсорбента, загружаемого в один адсорбер, кг

,

где – динамическая емкость адсорбента по адсорбируемым примесям, см³/г.

Динамическая ёмкость слоя адсорбента зависит от длины зоны массообмена, от проскоковой концентрации примесей и других параметров процесса, но при конструктивных расчетах адсорберов с учётом множества коэффициентов запаса динамическую ёмкость следует вычислять через статическую равновесную ёмкость

,

где η – степень использования равновесной емкости адсорбента в динамических условиях, обычно принимают η = 0,85–0,95 для криогенных адсорбционных блоков и η = 0,5 для осушителей влаги. При расчёте промышленных блоков осушки динамическую активность (влагоёмкость) адсорбентов возможно принимать по рекомендациям [7], в частности для активной окиси алюминия – 4–5 % массы адсорбента.

Равновесная ёмкость примеси (адсорбата) при заданной температуре и давлении процесса адсорбции может быть рассчитана с помощью уравнения Дубинина-Радушкевича

.

где W₀ и В – структурные константы уравнения Дубинина-Радушке­вича для различных адсорбентов, полученные в стандартных условиях, приведены в приложении 5; – коэффициент аффинности (приложение 4).

Молярный объем предельно адсорбированной примеси определяем при температуре из предположения, что плотность вещества в адсорбированном состоянии меняется по линейному закону от до :

,

где – плотность вещества в адсорбированном состоянии при критической температуре, кг/м³.

Давление насыщенных паров криогенных веществ определяем с применением полиномов [7]. Все необходимые для расчета давления насыщения можно аппроксимировать единым уравнением (приложение 4):

.

Динамическую (статическую a) ёмкость адсорбента по примеси в случае отсутствия данных по уравнению адсорбции можно также определять с помощью имеющихся изотерм адсорбции (приложение 6)

.

Парциальное давление примесей вычислим с учетом давления адсорбции, МПа

.

Объем адсорбента в одном адсорбере, м³

,

где – насыпная плотность адсорбента (приложение 5).

Геометрические размеры адсорбера рассчитываем, задавая скорость газового потока при условиях адсорбции, отнесенную к полному сечению адсорбера. Пределы изменения скорости согласно литературным данным составляют v = 0,1–0,3 л/(мин·см²) или 1–3 м/мин. Рекомендуемые пределы изменения скорости в литературных источниках колеблются от 0,1 до 4 м/мин, но в случае тонкой очистки продукта с целью получения приемлемой конструкции адсорбера возможно изменение скорости потока вне принятых пределов.