6.5. Устройство адсорберов и их расчет

Процессы адсорбции могут проводиться периодически (в аппаратах с неподвижным слоем адсорбента) и непрерывно в аппаратах с движущимся или кипящим слоем адсорбента.

Адсорберы с неподвижным слоем по конструкции могут быть вертикальные, горизонтальные и кольцевые.

При неподвижном слое адсорбента процесс адсорбции носит периодический характер и протекает в четыре стадии:

• Первая стадия – собственно адсорбция, то есть насыщение поглотителя адсорбирующим компонентом за время t_ад. Газовую смесь подают в адсорбер, пропускают через слой адсорбента и выводят из аппарата.

• Вторая стадия – десорбция поглощаемого компонента из слоя адсорбента за время t_дес. Подачу газовой смеси прекращают. Через барботер в аппарат подают водяной пар, при этом смесь паров десорбированного компонента и воды, а также конденсат удаляются через соответствующие патрубки.

• Третья стадия – сушка поглотителя за время t_суш.

• Четвертая стадия - подача водяного пара прекращается, после чего поглотитель охлаждается холодным воздухом.

По окончании четвертой стадии цикл работы аппарата повторяется. Загрузку и выгрузку поглотителя производят периодически через люки.

Для того, чтобы процесс адсорбции не прерывался, необходимо иметь не менее двух попеременно работающих аппаратов.

Расчет адсорбера с неподвижным слоем адсорбента

При расчете адсорбера определяют массу адсорбента, необходимую для процесса с заданной степенью извлечения удаляемого компонента, а также диаметр аппарата.

Необходимый диаметр адсорбера находят по заданному расходу газовой смеси V_г и скорости газа w_г:

D  (6.26)

В промышленных условиях скорость газа принимают равной 0,1 – 0,25 м/с. Высота адсорбера зависит от толщины слоя адсорбента H и определяется заданным временем защитного действия слоя t_ад, которое обусловлено технологическими требованиями.

Приближенно продолжительность собственно процесса адсорбции можно определить, исходя из концентраций адсорбированного компонента соответственно в начальный и конечный моменты процесса адсорбции x₁ и x₂. Если масса адсорбента в слое равна М_ад, то количество поглощаемого компонента за один цикл составит:

М  . (6.27)

Массу адсорбента легко определить по площади поперечного сечения F, определяемого по найденному диаметру адсорбера, толщине слоя и насыпной плотности _нас:

 . (6.28)

Исходя из уравнения материального баланса количество поглощенного компонента равно убыли этого компонента в газовой смеси за время адсорбции t_ад:

М  , (6.29)

где _г - плотность газовой смеси, кг/м³; y₁ - средняя концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси при входе в слой, доли ед.; y₂ - средняя концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси на выходе слоя, доли ед.; w_г - скорость газа в адсорбере, м/с.

Приравнивая правые и левые части уравнений (6.27) и (6.29), получим:

 . (6.30)

По тем же уравнениям можно определить необходимую толщину слоя адсорбента при заданном времени процесса адсорбции.

Продолжительность полного цикла в адсорбере t_п.ц складывается из продолжительности отдельных стадий:

      , (6.31)

где t_всп - продолжительность вспомогательных операций, определяемая обычно опытным путем (она должна быть меньше, чем t_ад ).

Непрерывно действующие адсорберы. Существуют два вида непрерывно действующих адсорберов: с движущимся слоем поглотителя и с кипящим слоем поглотителя. Процесс адсорбции в таких аппаратах протекает более интенсивно, чем в адсорберах с неподвижным слоем, вследствие уменьшения внешне диффузионного сопротивления из-за более высоких скоростей газового потока и внутри диффузионного сопротивления.

Методика расчета адсорберов с кипящим слоем поглотителя излагается в специальной литературе.

Количество адсорбента, поступающего в единицу времени определяют из уравнения материального баланса, при этом минимальный расход адсорбента L_min соответствует наибольшему приближению к равновесному процессу. Действительный расход адсорбента L должен быть равным (1,1-1,3)L_min . Полагая в среднем L 1,2L_min, получим:

L , (6.32)

где G_г - массовый расход парогазовой смеси; - концентрация адсорбируемого компонента в исходной смеси; - концентрация удаляемого компонента на выходе из аппарата; - относительная концентрация извлекаемого компонента в отработанном адсорбенте, равновесная с его концентрацией в исходной смеси; - первоначальная концентрация извлекаемого компонента в адсорбенте, то есть величина, характеризующая полноту регенерации адсорбента.