§ 3. Расчет адсорбера для очистки воздуха от паров и газов

Цель расчета – адсорбера определение необходимого количества сорбента, продолжительности процесса поглощения, размеров адсорбционной аппаратуры и энергетических затрат. Исходные данные для расчета – род поглотителя и поглощаемого вещества, количество очищаемого газа G, кг/с, концентрация поглощаемого вещества на входе в адсорбер с_н, мг/м³. Кроме того, следует знать физико-химические константы поглотителя и поглощаемого вещества и иметь изотерму адсорбции поглощаемого вещества на поглотителе.

Расчет адсорбера включает две стадии:приближённый конструктивный расчет для определения необходимой массы, геометрии и проверочный расчет для определения времени защитного действия адсорбера и, в случае необходимости, проведения корректировки размеров аппарата. При расчете адсорбера может быть рекомендован следующий порядок [2]:

1. Выбираем тип сорбента и рабочую температуру. Для увеличения его ёмкости рабочая температура выбирается минимально возможной. Выбор типа сорбента проводится по изотермам адсорбции [25,10] при рабочих параметрах (температуре и концентрации) из условия минимальной массы сорбента.

2. Определяем массу сорбента

где a₀– статическая ёмкость выбираемого сорбента в рабочих условиях, кг/м³;

 – продолжительность процесса сорбции, с;

k= 1,1…1,2 – коэффициент запаса.

3. Выбираем скорость потока газа Wв адсорбере. Обычно, исходя из условия необходимого времени контакта газа с сорбентом и минимальных гидравлических сопротивлений, фиктивная скорость паровоздушной смеси или скорость, рассчитанная на полное сечение слоя, выбирается в пределах 0,1...0,25 м/с.

4. Определяем геометрические размеры адсорбера. Для цилиндрического аппарата диаметр и длина слоя адсорбента подсчитываются по формулам:

5. Определяем гидравлическое сопротивление, оказываемое слоем поглотителя при прохождении через него потока очищаемого газа [2]:

где – пористость слоя сорбента;

_К и_Н – кажущаяся и насыщенная плотности сорбента, кг/м³;

_Г – плотность очищаемого газа, кг/м³.

При однородном зернении угля _К  _НиП = 0,375; 0,9 – коэффициент формы;d_э– эквивалентный диаметр зерна сорбента, м. Для цилиндрических зёрен с длинойl и диаметромd эквивалентный диаметр определяется по формуле:

Коэффициент трения находят в зависимости от характера движения:

при Re<50,= 220/Re;

при Re= 50 … 7200 = 11,6/Re^0,25

Здесь – критерий Рейнольдса;

 – кинематическая вязкость газа, м²/с.

6. Определяем величину коэффициента массоинерции по формулам [25]:

где – диффузионный критерий Прандтля.

Коэффициент молекулярной диффузии Dм²/с – зависит от характера диффундирующих веществ и определяется опытным путём. В табл. 3.1 [25] приведены величиныD₀приТ= 273 К и атмосферном давленииp₀= 9,810 н/м². Зная D₀ при нормальных условиях, значения при любыхТиpможно определить по формуле:

7. По изотерме адсорбции и заданной величине концентрации поглощаемого вещества на входе в адсорбер с₀находим статическую ёмкость выбираемого адсорбентаa₀.

8. Находим время защитного действия адсорбера:

а) если с₀находится в первой области изотермы адсорбции (рис. 3.1), то продолжительность адсорбции определятся по формуле:

где – безразмерный коэффициент Генри;

L_a– длина (высота) слоя сорбента, м;

f – удельная поверхность адсорбента, м²/м³.

f определяется по формуле:

Коэффициент bопределяется в зависимости от отношения содержания поглощаемого вещества на входе и выходе адсорбераc/c₀(табл. 3.2.[25]).

б) если с₀находится во второй области изотермы адсорбции, то продолжительность адсорбции определяют по формуле:

где ;

y₁– концентрация вещества в газовом потоке, равновесная с количеством вещества, равная половинеa_, кг/м³:

a_– количество вещества, максимально сорбируемое поглотителем при заданной температуре, кг/м²;

в) если с₀находится в третьей области изотермы, то продолжительность адсорбции определяют по формуле:

9. Если получаемое время защитного действия адсорбера отличается от заданного на величину =-₀ , то изменяем длину (высоту) слоя адсорбента на величину:

и пересчитываваем массу сорбента. Остальной расчет корректировки не требует. Здесь F– площадь поперечного сечения слоя адсорбента, м².

Конструктивно аппараты для осуществления процесса адсорбции выполняют в виде вертикальных (рис. 3.2а), горизонтальных (рас. 3.26) или в виде кольцевых (рис. 3.2в) ёмкостей, заполненных пористым сорбентом, через который фильтруется поток очищаемого воздуха.

Пример.Определять размеры, энергозатраты и время защитного действия адсорбера для улавливания паров этилового спирта, удаляемых местным отсосом от установки обезжиривания при условии ее непрерывной работы в течение 8 ч. Производительность местного отсоса от паровоздушной смеси составляетV= 300 м³/ч. Начальная концентрация паровоздушной смеси, подаваемой в адсорбер,с₀=10,00. Эффективность процесса очистки должна быть не ниже 99%. При расчете вязкость и плотность паровоздушной смеси принять равной вязкости и плотности воздуха при тех же условиях. Поглощение происходит при 20°С и атмосферном давлении.

Решение.Выбираем в качестве поглотителя активированный уголь с диаметром гранулd=3 мм и средней длиной гранулl = 5 мм. Насыпная плотность выбираемого сорбента_Н = 0,500 кг/м³, кажущаяся плотность_К = 800 кг/м³. Изотерма адсорбции паров этилового спирта на данном угле при условиях поглощения представлена на рис. 3.3.

Для условий в адсорбере t_p= 20°Cиp= 9,8 10⁴Н/м²принимаем по воздуху

_Г=1,2 кг/м³и = 0,1510^-4м²/с. По изотерме адсорбции и заданной величинес₀находим статическую ёмкость сорбента, еслис₀= 10 г/м³по изотерме адсорбции

a₀= 170 г/кг илиa₀ = 0,170500 = 85 кг/м³.

Весовое количество очищаемого газа найдём из выражения:

Принимая коэффициент запаса k= 1,15, определим массу сорбента

Выбираем эффективную скорость паровоздушной смеси в адсорбере W= 0,2 м/с и определяем геометрические размеры адсорбера для выбранной структурной схемы (см. рис. 3.2а)

Прежде чем определить энергозатраты на очистку от паров этилового спирта, найдём пористость сорбента, эквивалентный диаметр и коэффициент трения зернистого поглотителя:

Из табл. 3.1 определяем коэффициент молекулярной диффузии паров этилового спирта в воздух при 0С иp= 9,8 10⁴Н/м²иD₀ = 0,10110^-4м²/с.

Тогда

Находим диффузионный критерий Прандтля

Для заданного режима течения газа Re= 49,77 определим величину коэффициента массопередачидля единичной удельной поверхности:

Так как с₀= 10 г/м³находится во второй области изотермы адсорбции (рис. 3.1 и 3.3), то время защитного действия определим по п. 8 б. Предварительно определим вспомогательные величины. На основании вида изотермы адсорбции (см. рис. 3.3) находими соответствующая этой величине поглощения концентрация паровоздушной смесиy₁ = 2,7 г/м³, т.е.А= 10/2,7 = 3,7.

Удельная поверхность адсорбера

Зная эффективность адсорбера, определим концентрацию паров этилового спирта на выходе из аппарата:

Тогда продолжительность адсорбции:

Полученное время защитного действия адсорбера более чем на 10% перекрывает необходимое время непрерывной работы аппарата, т.е. рассчитанный адсорбер полностью отвечает требованиям, поставленным в условиях задачи.