Расчет блока осушки диоксида углерода

Рассмотрим процесс осушки диоксида углерода в блоке ЦБ 1000/64, заполненном цеолитом KA-ЗМ. Этот блок осушки перерабатывает до 1000 м³/ч газа при максимальном давлении 6,4 МПа и минимальном 3,5 МПа. Блок включает два сосуда размерами 530x3000 мм, содержащих по 410 кг цеолита. Толщина стенки сосудов, выполненных из стали «Д», составляет 12 мм.

Исходные данные для расчета:

• количество очищаемого диоксида углерода (при нормальных условиях) V, м³/ч;

• рабочее давление p_ад, МПа;

• температура процесса осушки T_ад,, °С.

Содержание влаги в осушаемом диоксиде углерода соответствует насыщению при давлении p_ад = 6,4 МПа и температуре T_ад = 293 К.

Объем осушаемого диоксида углерода при условиях адсорбции, м³/ч

, (4.1)

где p_н и T_н – нормальные давление и температура.

Скорость осушаемого диоксида углерода при условиях адсорбции, м/мин

. (4.2)

Масса влаги, поступающей в адсорбер в единицу времени с осушаемый потоком, кг/ч

, (4.3)

где c₀ – количество водяного пара в насыщенном диоксиде углерода при p_ад (см.приложения 2 и 4), кг/кг; ρ_в – плотность воздуха при нормальных условиях. Парциальное давление паров воды в осушаемом диоксиде углерода, Па

. (4.4)

Равновесную статическую ёмкость цеолита KA-ЗМ по парам воды определяем по изотерме адсорбции (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Изотермы адсорбции паров воды на гранулированных цеолитах

NaA и КА-3М при температуре 20 °С

Масса влаги, которую способен поглотить цеолит KA-ЗМ, кг

, (4.5)

где a_дин – динамическая адсорбционная ёмкость цеолита KA-3М, равная (0,8–0,85)a.

Время защитного действия слоя цеолита КА-3М, ч

. (4.6)

Для регенерации цеолита КА-3М используют сухой азот низкого давления или сухой воздух.

Очистка газов от двуокиси углерода с помощью сорбентов

Для очистки газов от примеси СО ₂ чаще всего применяются силикагель, активированные угли и цеолиты. Однако активированный уголь для очистки воздуха от СО₂ в кислородных установках и в других взрывоопасных системах не применяется, так как в процессе эксплуатации адсорберов образуется угольная пыль, которая может создать взрывоопасную смесь с кислородом и другими газами. На основании длительных исследований было установлено [47], что процесс очистки воздуха от СО₂ наиболее благоприятно протекает при низких температурах 194,5–133 К. Однако условия эксплуатации низкотемпературных адсорберов (температура и давление) должны выбираться таким образом, чтобы не происходила кристаллизация примеси СО₂ в ядре газового потока. Например, известно, что атмосферный воздух, содержащий 0,03 % СО₂, можно охладить до температуры 139 К при давлениях до 1 МПа и до более низких температур при давлениях выше 4 МПа, при этом СО₂ не будет выделяться в твердом виде.

Из анализа рис. 4.4, 4.5 видно, что с понижением температуры значение адсорбционной ёмкости по СО₂ повышается и достигает значения более 120 см³/г. При изменении давления очищаемого газа значение адсорбционной ёмкости по СО₂ вначале растет (рис. 4.6) по сравнению со значением адсорбционной ёмкости по СО₂ при атмосферном давлении, а затем с дальнейшим ростом давления падает и имеет максимум в диапазоне 1–3 МПа. При давлении очищаемой смеси 10,0 МПа и выше величина статической ёмкости по СО₂ снижается в два-три раза от максимального ее значения. Столь резкое снижение адсорбционной ёмкости по СО₂, по-видимому, объясняется тем, что при этих значениях температуры и давления происходит частичная адсорбция очищаемого газа.

Рис. 4.4. Изотерма адсорбции CO₂ силикагелем КСМ

из смеси с азотом при атмосферном давлении

Рис. 4.5. Изотерма адсорбции CO₂ цеолитом NaX

из сухого воздуха под давлением

Рис. 4.6. Изотерма адсорбции CO₂ силикагелем КСМ

при высоком давлении воздуха

Для расчета геометрических размеров адсорберов рекомендуется принимать следующие значения скоростей, отнесенных к полному сечению аппарата в зависимости от давления:

Давление, МПа	18,0–20,0	5,0–7,5	1,5–3,0	0,5–0,6
Скорость газового потока, л/(минсм2)	0,05–0,1	0,1–0,2	0,2–0,4	0,5–0,8

В этом интервале скоростей очищаемого потока для определения динамической ёмкости сорбента рекомендуется принимать следующие величины коэффициента :

Давление, МПа	0,5–0,6	1,5–3,0	5,0
Коэффициент η	0,5	0,8	0,9

В последние годы для очистки газов от примеси СО₂ стали применяться синтетические цеолиты.

В случае адсорбции CO₂ при температурах около 20 °С целесообразно использовать цеолиты. На активных углях и силикагелях при этих условиях CO₂ адсорбируется хуже. Молекулы диоксида углерода обладают квадрупольным моментом, критический их размер составляет 0,33 нм, что позволяет им легко проникать во внутреннюю структуру промышленных цеолитов (кроме цеолита KA). На рис. 4.7 представлены изотермы адсорбции диоксида углерода на промышленных цеолитах со связующим [l].

Рис. 4.7. Изотермы адсорбции диоксида углерода

на синтетических цеолитах при 293 К

В связи с тем, что адсорбция примесей осуществляется при повышенных давлениях, данные рис. 4.7 по равновесной адсорбции CO₂ можно использовать лишь в качестве справочных.