Oxorona_atmosfernogo_povitria / Vetoshkun_Gazoo4ustka
.pdfНа рис. 4.17. показаны линия равновесия и рабочая линия. Видно, что твердая фаза с концентрацией Xr, расположенная в верхней части, находится в равновесии с поступающим газом концентрацией Y0, т.е. Xr = Y0, и все растворенное вещество удаляется из газа до того, как он выходит из колонны (насыщения в колонне не происходит). Такой случай является идеальным, требующим колонны с бесконечной высотой.
Рис. 4.17. Линия равновесия и рабочая линия в адсорбере с неподвижным слоем
Однако наибольший интерес представляет сама адсорбционная зона. Рабочая линия для всей адсорбционной колонны описывается следующи-
ми уравнениями: |
|
|
|
а также |
GS(Y0 - 0) = LS(Xr - 0); |
GSY0 = XrLS, |
(4.22) |
|
|
|
|
GS Y = X LS, |
|
(4.23) |
|
где GS |
- скорость подаваемого газового потока-инерта, кг/(с.м2); LS – ско- |
||
рость |
потока адсорбента, не |
содержащего растворенного |
вещества, |
кг/(с.м2). |
|
|
|
Теперь можно составить баланс масс, используя понятие высоты еди- |
|||
ницы переноса: |
|
|
|
|
GS dY = KY aS(Y – Y*)dZ, |
|
(4.24) |
111
где KY – коэффициент массопередачи в газовой фазе, кг/(с.м2); aS – удельная поверхность частиц адсорбента, м2/м3; Y* - равновесная массовая доля (концентрация) растворенного вещества в газовой фазе, кг/кг.
Тогда высота адсорбата (адсорбционной зоны) в адсорбере составит
ZA = |
Z A |
dz = |
YE |
G |
|
|
dY |
. |
(4.25) |
|||||
∫ |
∫ |
|
S |
|
|
|
|
|||||||
K |
a |
S |
|
Y −Y * |
||||||||||
|
0 |
|
|
|
YB |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
||||
Число единиц переноса определяется выражением: |
|
|||||||||||||
|
Y |
dY |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
NY = |
∫E |
, |
|
|
|
|
|
|
|
(4.26) |
||||
Y −Y * |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
B |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а высота единицы переноса равна |
|
|||||||||||||
HY = |
|
|
GS |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.27) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
KY aS |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Следовательно, высота адсорбционной зоны равна
ZA = HY.NY. (4.28)
Для определения времени, после которого происходит проскок, определим сначала понятие степени насыщения слоя (СНС). Объем адсорбата V - это
V = F.Z. |
(4.29) |
Следовательно, Z = V/F - объем адсорбата на единицу площади поперечного сечения адсорбционного слоя F.
Тогда, при известной величине плотности слоя: Z.F.ρS - масса адсорбента; Z.F.ρS.Xr - масса растворенного вещества, адсорбированного в условиях равновесия; (Z - ZA) F.ρS.Xr - масса растворенного вещества, адсорбированного в той части колонны, где достигается насыщение; Z.F.ρS.Xr(1 – φ) - масса растворенного вещества, адсорбированного в той части колонны, где насыщение не достигается; φ – парциальная способность адсорбционной зоны к адсорбции растворенного вещества.
Тогда степень насыщения слоя (СНС) может быть определена следующим образом
CHC = Количествоадсорбированногорастворенноговещества Максимальновозможноеколичествоадсорбированного растворенноговещества,илиравновеснаяконцентрация
СНС = |
(Z − Z A )F ρS X r + Z A F ρS X r (1−ϕ) |
; |
(4.30) |
|
Z A F ρS X r |
||||
|
|
|
||
СНС = φ(Z - ZA)/Z. |
|
(4.31) |
Тогда время, за которое достигается проскок, определяется как
112
Масса растворенноговщества, накопившегосяна = единицуплощадиповерхностиадсорбционногослоя
TB Масса растворенноговеществавпоступающемгазе за единицувременина единицуплощадиповерхности
TB = (СНС)Z ρS Xr/(GS Y0) . |
(4.32) |
Расчеты адсорберов периодического действия с неподвижным адсорбентом с использованием уравнения Дубинина (4.12) могут выполняться в следующем порядке.
1. Определяют равновесную концентрацию загрязнителя в твердой фазе. Значения концентраций загрязнителя в адсорбенте, равновесных при данной температуре с его концентрациями в газовой фазе, выражают в виде изотермы сорбции. По известной изотерме сорбции определяют количество загрязнителя, которое может поглотить адсорбент при данной температуре, если процесс будет продолжаться до равновесного состояния. Форма функциональной зависимости Ceq = f(C) должна быть приспособлена для практических расчетов.
Константы, входящие в уравнения изотерм сорбции, могут быть найдены только экспериментально. Пока их значения надежно определены лишь для некоторых видов сорбентов и загрязнителей. Поэтому приходится считать процессы адсорбции любых веществ на одинаковых сорбентах подобными. На этом основании изотерму сорбции рассматриваемого загрязнителя рассчитывают по эмпирическому уравнению или графику для какого-либо из хорошо исследованных соединений, считая его стандартным, с введением поправки, которую называют коэффициентом аффинности и находят из соотношения:
z = |
vn |
, |
(4.33) |
|
|||
|
vn.ст |
|
где vn ,vn.ст - мольные объемы рассматриваемого и стандартного веществ, м3/кмоль.
Коэффициенты афинности некоторых веществ по отношению к бензолу приведены в табл. 4.2.
|
Коэффициенты афинности |
Таблица 4.2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
Вещество |
Формула |
|
z |
Метанол |
СН3ОН |
|
0,4 |
Метилбромид |
CH3Br |
|
0,57 |
Этилбромид |
C2H5Br |
|
0,61 |
Этанол |
С2Н5ОН |
|
0,61 |
Муравьиная кислота |
НСООН |
|
0,61 |
Сульфид углерода |
CS2 |
|
0,7 |
113
Этилхлорид |
C2H5Cl |
0,76 |
Пропан |
C3H8 |
0,78 |
Хлороформ |
CHCl3 |
0,86 |
Ацетон |
(CH3)2CO |
0,88 |
Бутан |
С4Н10 |
0,9 |
Уксусная кислота |
СН3СООН |
0,97 |
Бензол |
С6Н6 |
1,0 |
Циклогексан |
С6Н12 |
1,03 |
Тетрахлорид углерода |
CCl4 |
1,05 |
Диэтиловый эфир |
(C2H5)2OCO |
1,09 |
Пентан |
С5Н12 |
1,12 |
Толуол |
С7Н8 |
1,25 |
Хлорпикрин |
CCl3NO2 |
1,28 |
Гексан |
C6H14 |
1,35 |
Гептан |
C7H16 |
1,59 |
Мольные объемы загрязнителя и стандартного вещества в жидком состоянии при 273К вычисляются по формулам:
vn = |
mn |
; |
|
|
(4.34) |
|
ρ |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
к |
|
|
|
|
|
vn.ст = |
mn.ст |
, |
(4.35) |
|||
|
||||||
|
|
|
ρ |
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
где mn , mn.ст - мольные массы загрязнителя и стандартного вещества, кг/моль; ρк , ρст - плотности загрязнителя и стандартного вещества при 273
К в жидком состоянии, кг/м3.
Серьезным отклонением от реальных характеристик адсорбции является и предположение об изотермичности процесса. Адсорбция может быть изотермической только при соответствующей организации теплоотвода из зоны конденсации. В иных случаях тепло, выделяемое при конденсации адсорбата и смачивании поверхности адсорбента, пойдет на нагрев обрабатываемого газа, частиц адсорбента. Однако с целью упрощения расчетов считают адсорбцию изотермическим процессом, температуру которого Тср(К) находят как среднюю арифметическую между температурами обрабатываемого газа на входе и выходе адсорбера.
2. Выбирают тип адсорбера и его конструктивные параметры. Принимают фиктивную скорость обрабатываемых газов в адсорбере w = 0,3...0,5 м/с, по заданному расходу газов подсчитывают диаметр аппарата и подбирают ближайший типоразмер адсорбера выбранной конструкции. По конструктивным характеристикам аппарата подбирают приемлемую высоту слоя адсорбента.
114
3. Определяют коэффициент массопередачи.
При адсорбции на активированном угле коэффициент масоотдачи в газовой фазе рекомендуется находить из уравнения:
Nu = 0,355. Re0,64 Pr0,333/ε ,
ε=1− ρн ,
ρч
где ε - порозность слоя адсорбента; ρн – насыпная плотность слоя, кг/м3; ρч – плотность частиц адсорбента, кг/м3.
Числа Рейнольдса и Прандтля подсчитывают по соотношениям:
Re = w.dч.э.ρг ,
μг
Pr = ρμг.Dг г ,
где dч.э – эквивалентный диаметр частиц адсорбента, м; Dг – коэффициент диффузии паров загрязнителя, м2/с.
Значение dч.э для активированного угля можно принять равным 2.10-3
м.
Коэффициент массоотдачи от газа к поверхности адсорбента (коэффициент внешней массоотдачи) βг находят по величине Nu:
βг = Nu. Dг .
dч.э
Коэффициент массоотдачи внутри пор адсорбента:
βа =10 Dа , dч.э
где Dа – коэффициент диффузии в порах адсорбента, м2/с, который может быть надежно определен только на основании опытных данных.
Если известны размеры пор адсорбента, то для оценки величины Dа можно воспользоваться уравнением:
|
ε |
.D |
|
|
|
2d |
п |
8R.T |
|
||
Dа = |
ч |
г |
|
− |
|
m |
|
, |
|||
|
2 |
1 |
− exp |
3D |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
г |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где εч – пористость частиц адсорбента (доля объема пор от объема частицы); dп – средний диаметр пор сорбента, м; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль.К); тп – молекулярная масса загрязнителя, кг/кмоль.
Для активированного угля средний диаметр пор можно принять ориентировочно в пределах 6.10-9 м.
Пористость частиц находят из соотношения:
εч =1 − ρз ,
ρа
115
где ρз – плотность зерна адсорбента, кг/м3; ρа - плотность материала адсорбента, кг/м3.
Коэффициент массопередачи:
Kг = |
|
|
1 |
|
. |
|
1 |
+ |
1 |
||
|
|
βг |
βа |
||
|
|
|
Отклонение от режима идеального вытеснения из-за продольного перемешивания может быть учтено введением дополнительного диффузионного сопротивления, для чего определяется коэффициент продольного перемешивания С:
C = 0,0567. w. Re0,22 . 1−ε
Коэффициент массопередачи (м/с) с поправкой на продольное перемешивание находят из соотношения:
Kг′ = 1 1+ 1 .
Kг C
Объемный коэффициент массопередачи (с-1):
Kг.V ′ = Kг′a .
Если надежных сведений о характеристиках пористости адсорбента нет, то при адсорбции на активированном угле с размерами частиц 1,7...2,2 мм и фиктивной скорости потока w = 0,3...2 м/с:
Kг.V |
=1,6 |
. |
dч2.э |
.Re |
0,54 |
, с |
-1 |
. |
(4.36) |
′ |
|
Dг |
|
|
|
|
Уравнение (4.36) не рекомендуется использовать, если форма изотермы сорбции значительно отличается от изотермы Лэнгмюра.
4. Определяют продолжительность адсорбции. Для слоя адсорбента высотой h подсчитывают число единиц переноса:
|
|
|
N = |
Kг.V ′h |
. |
|
|
|||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
w |
|
|
|
|
Из выражения для безразмерного времени процесса Т: |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
τ − |
h.ε |
|
||
|
|
|
. |
* |
|
w |
||||
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
T = w |
Cн |
|
|||||
|
|
|
ρ C h |
|
||||||
находят время процесса τ (с): |
|
|
|
|
|
|
|
|||
τ = h |
ρ C |
+ε.C |
, |
|
|
|
(4.37) |
|||
w.C |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где С.р – равновесная концентрация загрязнителя в адсорбенте, соответствующая его начальной концентрации в газовых выбросах.
116
Выходную кривую адсорбции рассчитывают при помощи уравнения Томаса:
СС = J (α,γ ) ,
где J(α, γ) – функция двух переменных α и γ, которые здесь соответственно равны Nг Nг.T. Значения J(α, γ/α) приведены в табл. 4.3.
117
118
Таблица 4.3
Значения функции J(α, γ/α)
α |
|
|
|
|
|
|
γ/α |
|
|
|
|
|
|
|
0,1 |
0,15 |
0,25 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
|
0,7 |
0,75 |
0,8 |
0,85 |
0,88 |
0,9 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
0,01 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
|
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,02 |
0,9802 |
0,9802 |
0,9803 |
0,9804 |
0,9804 |
0,9804 |
|
0,9804 |
0,9805 |
0,9805 |
0,9805 |
0,9805 |
0,9805 |
0,05 |
0,9515 |
0,9516 |
0,9518 |
0,9522 |
0,9524 |
0,9526 |
|
0,9529 |
0,9530 |
0,9531 |
0,9532 |
0,9532 |
0,9533 |
0,10 |
0,9057 |
0,9062 |
0,9071 |
0,9084 |
0,9093 |
0,9101 |
|
0,9108 |
0,9114 |
0,9119 |
0,9124 |
0,9126 |
0,9128 |
0,20 |
0,8220 |
0,8238 |
0,8267 |
0,8314 |
0,8344 |
0,8374 |
|
0,8395 |
0,8417 |
0,8430 |
0,8445 |
0,8454 |
0,8460 |
0,50 |
0,6214 |
0,6291 |
0,6427 |
0,6628 |
0,6756 |
0,6880 |
|
0,6988 |
0,7056 |
0,7092 |
0,7152 |
0,7189 |
0,7248 |
1,0 |
0,4038 |
0,4167 |
0,4543 |
0,5010 |
0,5301 |
0,5578 |
|
0,5758 |
0,5965 |
0,6090 |
0,6139 |
0,6233 |
0,6318 |
1,5 |
0,2724 |
0,2952 |
0,3425 |
0,4078 |
0,4487 |
0,4874 |
|
0,5159 |
0,5415 |
0,5581 |
0,5688 |
0,5792 |
0,5858 |
2 |
0,1957 |
0,2162 |
0,2690 |
0,3456 |
0,3943 |
0,4409 |
|
0,4731 |
0,5064 |
0,5259 |
0,5417 |
0,5528 |
0,5602 |
3 |
0,0992 |
0,1235 |
0,1778 |
0,2633 |
0,3209 |
0,3777 |
|
0,4175 |
0,4597 |
0,4842 |
0,5066 |
0,5184 |
0,5297 |
4 |
0,0528 |
0,0745 |
0,1234 |
0,2085 |
0,2700 |
0,3331 |
|
0,3827 |
0,4269 |
0,4571 |
0,4864 |
0,4996 |
0,5129 |
5 |
0,0309 |
0,0463 |
0,0878 |
0,1686 |
0,2313 |
0,2982 |
|
0,3498 |
0,4011 |
0,4333 |
0,4682 |
0,4838 |
0,4998 |
6 |
0,0198 |
0,0298 |
0,0635 |
0,1380 |
0,2003 |
0,2695 |
|
0,3257 |
0,3796 |
0,4169 |
0,4536 |
0,4720 |
0,4891 |
8 |
0,0077 |
0,0152 |
0,0341 |
0,0948 |
0,1535 |
0,2242 |
|
0,2890 |
0,3446 |
0,3886 |
0,4289 |
0,4526 |
0,4699 |
10 |
0,0025 |
0,0089 |
0,0188 |
0,0665 |
0,1198 |
0,1894 |
|
0,2564 |
0,3163 |
0,3638 |
0,4090 |
0,4348 |
0,4547 |
15 |
0,0006 |
0,0013 |
0,0045 |
0,0288 |
0,0674 |
0,1292 |
|
0,2041 |
0,2627 |
0,3125 |
0,3711 |
0,4032 |
0,4259 |
20 |
|
0,0006 |
0,0011 |
0,0130 |
0,0393 |
0,0909 |
|
0,1652 |
0,2230 |
0,2792 |
0,3448 |
0,3798 |
0,4040 |
30 |
|
|
0,0002 |
0,0028 |
0,0142 |
0,0472 |
|
0,1161 |
0,1619 |
0,2268 |
0,2997 |
0,3414 |
0,3703 |
40 |
|
|
|
0,0006 |
0,0053 |
0,0254 |
|
0,0808 |
0,1258 |
0,1881 |
0,2644 |
0,3138 |
0,3440 |
50 |
|
|
|
0,0002 |
0,0021 |
0,0140 |
|
0,0572 |
0,0961 |
0,1580 |
0,2379 |
0,2879 |
0,3221 |
60 |
|
|
|
0,0000 |
0,0008 |
0,0078 |
|
0,0410 |
0,0754 |
0,1339 |
0,2159 |
0,2685 |
0,3032 |
80 |
|
|
|
|
0,0001 |
0,0025 |
|
0,0215 |
0,0473 |
0,0979 |
0,1808 |
0,2348 |
0,2714 |
100 |
|
|
|
|
0,0000 |
0,0008 |
|
0,0116 |
0,0299 |
0,0727 |
0,1528 |
0,2005 |
0,2453 |
119
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
150 |
|
|
|
|
|
|
0,0026 |
0,0110 |
0,0361 |
0,0931 |
0,1478 |
0,1951 |
200 |
|
|
|
|
|
|
0,0006 |
0,0040 |
0,0185 |
0,0624 |
0,1109 |
0,1585 |
300 |
|
|
|
|
|
|
|
0,0006 |
0,0052 |
0,0293 |
0,0694 |
0.1082 |
400 |
|
|
|
|
|
|
|
0,0001 |
0,0015 |
0,0143 |
0,0442 |
0,0759 |
500 |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0008 |
0,0078 |
0,0261 |
0,0541 |
600 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0046 |
0,0166 |
0,0390 |
800 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0025 |
0,0069 |
0,0207 |
1000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0012 |
0,0029 |
0,0112 |
Продолжение табл. 4.3
α |
|
|
|
|
|
|
γ/α |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,92 |
0,94 |
0,95 |
0,96 |
0,98 |
1,0 |
1,02 |
1,04 |
1,05 |
1,06 |
1,08 |
1,10 |
1,12 |
1,15 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
0,01 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9901 |
0,9902 |
0,02 |
0,9805 |
0,9805 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9806 |
0,9807 |
0,05 |
0,9533 |
0,9533 |
0,9534 |
0,9535 |
0,9535 |
0,9536 |
0,9536 |
0,9537 |
0,9537 |
0,9537 |
0,9538 |
0,9538 |
0,9538 |
0,9539 |
0,10 |
0,9129 |
0,9130 |
0,9131 |
0,9132 |
0,9134 |
0,9135 |
0,9137 |
0,9138 |
0,9139 |
0,9141 |
0,9142 |
0,9143 |
0,9145 |
0,9147 |
0,20 |
0,8465 |
0,8470 |
0,8473 |
0,8476 |
0,8481 |
0,8487 |
0,8492 |
0,8498 |
0,8501 |
0,8503 |
0,8508 |
0,8513 |
0,8516 |
0,8527 |
0,50 |
0,7264 |
0,7279 |
0,7288 |
0,7296 |
0,7312 |
0,7329 |
0,7368 |
0,7389 |
0,7408 |
0,7412 |
0,7421 |
0,7429 |
0,7442 |
0,7461 |
1,0 |
0,6358 |
0,6415 |
0,6456 |
0,6492 |
0,6519 |
0,6543 |
0,6611 |
0,6664 |
0,6702 |
0,6738 |
0,6768 |
0,6789 |
0,6828 |
0,6857 |
1,5 |
0,5920 |
0,5986 |
0,6044 |
0,6096 |
0,6140 |
0,6215 |
0,6314 |
0,6388 |
0,6431 |
0,6460 |
0,6493 |
0,6522 |
0,6598 |
0,6657 |
2 |
0,5669 |
0,5749 |
0,5810 |
0,5876 |
0,5932 |
0,6035 |
0,6145 |
0,6220 |
0,6227 |
0,6308 |
0,6349 |
0,6384 |
0,6491 |
0,6578 |
3 |
0,5396 |
0,5458 |
0,5535 |
0,5601 |
0,5681 |
0,5833 |
0,5966 |
0,6039 |
0,6098 |
0,6162 |
0,6205 |
0,6258 |
0,6410 |
0,6546 |
4 |
0,5132 |
0,5311 |
0,5373 |
0,5446 |
0,5558 |
0,5717 |
0,5861 |
0,5948 |
0,6018 |
0,6084 |
0,6138 |
0,6238 |
0,6394 |
0,6542 |
5 |
0,5068 |
0,5178 |
0,5254 |
0,5356 |
0,5464 |
0,5639 |
0,5798 |
0,5901 |
0,5978 |
0,6045 |
0,6115 |
0,6235 |
0,6392 |
0,6559 |
6 |
0,4970 |
0,5074 |
0,5163 |
0,5249 |
0,5382 |
0,5582 |
0,5775 |
0,5870 |
0,5956 |
0,6024 |
0,6110 |
0,6232 |
0,6402 |
0,6597 |
8 |
0,4803 |
0,4918 |
0,5020 |
0,5138 |
0,5207 |
0,5503 |
0,5719 |
0,5839 |
0,5924 |
0,6011 |
0,6119 |
0,6259 |
0,6437 |
0,6657 |
10 |
0,4651 |
0,4782 |
0,4921 |
0,5032 |
0,5205 |
0,5449 |
0,5684 |
0,5822 |
0,5904 |
0,6002 |
0,6139 |
0,6298 |
0,6478 |
0,6721 |
120