Oxorona_atmosfernogo_povitria / Vetoshkun_Gazoo4ustka

121

Результаты расчетов выходной кривой удобно представить графически в виде зависимости безразмерных концентраций С/Сb от безразмерного времени процесса Т (рис. 4.18). По этому графику для заданной выходной (конечной) концентрации и соотношению Сe/Сb нетрудно отыскать соответствующее безразмерное расчетное время Тcl а по уравнению (4.37) - расчетную продолжительность стадии адсорбции τcl.

Рис. 4.18. Зависимость безразмерных концентраций С/Сн от безразмерного времени процесса Т

5.По расчетной продолжительности процесса находят количество тепла, выделяемое при адсорбции загрязнителя, и оценивают величину перепада температур отбросных газов на входе и выходе адсорбера. Если полученный перепад температур значительно отличается от предварительно принятого (ориентировочно в 1,5...2 раза и более), то пересчитывают характеристики процесса.

6.По уравнению Томаса, записанному для безразмерной концентрации поглощенного адсорбентом загрязнителя в виде:

C

C =1− J (NгT , Nг ) ,

строят профиль концентраций в адсорбенте (рис. 4.19).

При пользовании таблицей 4.3 необходимо учитывать, что здесь α ≡ NгТ, а γ/α ≡ Nг/(NгT) = T-1. Расстояния х (м) от начального слоя адсорбента

122

до точки с концентрацией С представляют в виде функции от безразмерного времени Т:

Рис. 4.19. Профиль концентраций в адсорбенте

7. Выполняют проверку сходимости найденных параметров, составляя материальный баланс. Для этого вычисляют количество загрязнителя поступившего в адсорбер, и сравнивают его с количествами загрязнителя поглощенным адсорбентом, оставшимся в газовой фазе слоя адсорбента и ушедшим из аппарата в соответствии с заданным проскоком. Количество загрязнителя, поступающего в адсорбер (кг):

M =W τ.C .

Количество загрязнителя (кг), поглощенного адсорбентом:

Количество загрязнителя (кг), выброшенного в атмосферу:

123

где τ0 – время с начала процесса до выхода загрязнителя из адсорбера, с; τа – время адсорбции, с.

Интегралы в уравнениях 4.38 и 4.39 находят графическим методом как площади соответственно под профилем концентрации (рис. 4.19) и под выходной кривой (рис. 4.18).

Составляют материальный баланс загрязнителя:

M = M г + M г.а + M а .

При значительной невязке левой и правой частей расчеты повторяют, варьируя продолжительностью адсорбции или высотой слоя адсорбента.

8. Определяют продолжительность вспомогательных стадий процесса обработки газов.

При компоновке схемы адсорбции из 4-х аппаратов продолжительность каждой из вспомогательных стадий - десорбции, сушки и охлаждения адсорбента, принимают одинаковыми с расчетной продолжительностью адсорбции.

При компоновке из 2-х или 3-х аппаратов можно отводить на стадию десорбции не менее 0,5...1 часа, а оставшееся время делить поровну на стадии сушки и охлаждения.

Пример 4.1. Рассчитать адсорбционную установку периодического действия для улавливания паров бутилацетата из воздуха активным углем, работающую по четырехфазному циклу, при следующих условиях:

-расход паровоздушной смеси 30 000 м3/ч = 8,33 м3/с;

-температура паровоздушной смеси 20 °С;

-атмосферное давление 735 мм рт. ст. = 9,81.104 Па;

-начальная концентрация бутилацетата в воздухе ун = 0,0082 кг/м3;

-допустимая концентрация бутилацетата за слоем адсорбента (концентрация проскока) ук = 0,00040 кг/м3; (как правило, это минимально определимая аналитическими методами концентрация адсорбтива);

-тип аппарата — кольцевой адсорбер (см. рис. 4.6);

-принять, что сопротивление массопередаче сосредоточено в газовой

фазе.

В качестве адсорбента выбираем активный уголь марки АР-А по таблице П.7 приложения. В данном случае уголь АР-А выбран в соответствии со свойствами, пористой структурой и назначением (для рекуперации). Этот уголь обладает низкой удерживающей способностью, т. е. легко регенерируется.

124

При проектировании аппарата периодического действия задаются одной из двух взаимосвязанных величин — высотой слоя (для кольцевого адсорбера - толщиной слоя) или продолжительностью фазы адсорбции.

В кольцевом адсорбере толщина слоя адсорбента определяется размерами концентрических решеток, заключающих угольную шихту. Принимаем следующие размеры концентрических решеток: Dнар = 3 м; Dвн = 1,6 м. Высота решеток Н = 5 м. Тогда высота (толщина) слоя адсорбента Нсл = (3,0 - 1,6)/2 = 0,7 м.

Эта высота значительно превышает высоту работающего слоя (зоны массопередачи), что исключает возможность пpocкока адсорбтива. Высота слоя, большая высоты зоны массопередачи, определяет только его гидравлическое сопротивление и необходимую продолжительны стадии адсорбции.

Высота решеток, обеспечивающая сечение, через которое проходит исходная смесь, определяется производительностью аппарата и скоростью газового потока.

Как уже отмечалось ранее, в том случае, когда справочные данные по равновесию отсутствуют, изотерму адсорбции строят по коэффициентам аффинности характеристических кривых различных веществ для активных углей.

Коэффициенты аффинности для некоторых адсорбтивов приведены в табл. 4.2.

Пользуясь равновесными значениями х1 и у1 по адсорбции бензола (стандартное вещество) на активном угле АР-А (таблица П.7 приложения), рассчитывают соответствующие значения х2 и у2 для бутилацетата по следующим уравнениям:

x = x1 β1 ,

lg y2 = lg yн2 − β T1 lg yн1 ,

T2 y1

где ун1 и ун2 — концентрации поглощаемого компонента в газовой фазе, соответствующие условиям насыщения, кг/м3; Т1 и Т2 — температура, К.

Определим значения у2 и х2 для бутилацетата по точке на изотерме адсорбции бензола с координатами у1 = 0,00854 кг/м3 и х1 = 109,0 кг/м3. По данным таблицы П.8 приложения давление насыщенных паров бензола pн1 = 75 мм рт. ст. = 9997,5 Па, а бутилацетата рн2 = 18 мм рт. ст. = 2399,4 Па.

По уравнению газового состояния у = p/RT определяем объемные концентрации:

125

yн1 = 75.133 = 0,0041кг/м3; 8310.293

yн2 = 18.133 = 0,00099 кг/м3; 8310.293

lg y2 = lg0,00099 −1,48. lg 00,00854,0041 ;

y2 = 0,00069 кгм3, x2 =109(1/1,48) = 73,7 кг/м3.

Результаты расчета равновесных данных для системы «пары бутилацетата — активный уголь АР-А» приведены в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Результаты расчета равновесных данных

Как показано на рис. 4.20, изотерму адсорбции ого типа делят на три области, для каждой из которых расчетные уравнения для определения продолжительности адсорбции различны.

По изотерме адсорбции определяют область концентраций (в данном случае область II) и равновесную концентрацию бутилацетата в твердой фазе: хн* = 94 кг/м3. Объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе определяют по уравнению:

паро-воздушной смеси, м/с; ρy — плотность паровоздушной смеси, кг/м3; μy — вязкость газовой фазы. Па.с; Pr = Dμ.ρy y — диффузионный критерий Прандтля.

126

Рассчитывают диффузионные критерии Прандтля и Нуссельта:

Nu = 0,725.20,10,47.2,340,33 = 0,725.4,02.1,325 = 3,86 .

Определяют объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

В соответствии с заданием Kyv ≈ βyv = 14,5 с-1. Продолжительность адсорбции рассчитывают по уравнению:

= 9,03 ч.

Продолжительность остальных фаз цикла (десорбции, сушки и охлаждения адсорбента) рассчитывают, как правило, на основании экспериментальных данных или по эмпирическим уравнениям (ввиду сложности математического описания соответствующих процессов, обусловленной главным образом внутренней пористостью адсорбента).

4.3.5. Расчет адсорберов непрерывного действия

При рассмотрении методов проектирования стационарных адсорберов с движущимся слоем предполагается, что процесс протекает в изотермических условиях и адсорбируется только один компонент. В этом случае процесс аналогичен абсорбции газа. Отличие состоит лишь в замене жидкого растворителя твердым адсорбентом. Здесь и далее скорости потоков и концентраций будут относиться к материалам, не содержащим растворенных веществ, а вместо массовой доли будет использоваться массовое отношение. Таким образом: Y — масса растворенного вещества/ масса раствора; Gs — масса газообразного растворителя/(единица времени×единица площади); Х — масса адсорбата/(масса адсорбента); Ls - масса адсорбента/(единица времени× единица площади).

128

На рис. 4.21 приведена схема противоточного адсорбера с движущимся слоем непрерывного действия с удалением одного компонента. Показаны также соотношения между переменными.

Рис. 4.21. Расчетная схема противоточного адсорбера

Баланс растворенного вещества по всей колонне выражается уравнением:

Эти два уравнения задают рабочую линию для системы. Уравнение (4.41) может быть решено относительно Y:

Y = (Ls/Gs) Х + [Y2 - (Ls/Gs)Х2]. (4.42)

Соответствующая зависимость Y от Х представляет собой прямую линию с наклоном (Ls/Gs) и отрезком, отсекаемым на оси ординат, равным [Y2

— (Ls/Gs) X2].

При адсорбции больших количеств вещества существенными становятся тепловые эффекты. Расчеты этих тепловых эффектов очень сложны. При их проведении предполагают, что адсорбция осуществляется из разбавленной газовой смеси. По аналогии с абсорбцией массоперенос характеризуют суммарным коэффициентом массопереноса в газовой фазе, в который входит величина площади наружной поверхности, приходящаяся на единицу объема адсорбента (удельная поверхность контакта фаз), аS. Скорость переноса растворенного вещества для элемента высоты слоя адсорбента dZ в этом случае:

Тогда

129

Если линия равновесия, как и рабочая линия, представляет собой прямую, то для получения NY можно использовать средние логарифмические значения:

4.4. Десорбция адсорбированных продуктов

Одной из основных стадий адсорбционного процесса является десорбция поглощенных веществ, которая может проводиться различными способами: повышением температуры слоя адсорбента, снижением давления в системе, отдувкой адсорбата в токе газа-носителя, применением вакуума, вытеснение сорбата более легко адсорбирующимся материалом, комбинация двух или более указанных методов.

Как правило, возможность регенерации адсорбента и выделения адсорбированного загрязнения определяется экономическими соображениями.

Одним из путей удаления адсорбированных загрязнителей является полная замена адсорбента с направлением отработанного материала в отходы. Такой путь возможен в тех случаях, когда количество адсорбата невелико или процесс замены производится достаточно редко. Стоимость свежего адсорбента невелика по сравнению со стоимостью процесса регенерации с учетом трудовых затрат. Адсорбент может находиться на бумажном носителе или во вставной гильзе. Удаляемый материал может быть вывезен на свалку; однако в тех случаях, когда адсорбированное вещество токсично или канцерогенно и может растворяться в воде, а также

130