Задача 6 Расчет адсорбера для очистки отходящих газов в кипящем слое адсорбента

Адсорбция примесей из отходящих газов в реакторах различного типа нашла широкое практическое использование. Выбор реактора с “кипящим” слоем адсорбента позволяет интенсифицировать массообмен в реакторе и производить очистку газа в непрерывном процессе.

Схема устройства адсорбера непрерывного действия с кипящим слоем адсорбента показана на рисунке 6.1.

Рис. 6.1. Схема адсорбционной установки с кипящим слоем адсорбента: 1 – пылеуловитель, 2 – реактор, 3 – бункер, 4 – питатель, 5 – установка регенерации адсорбента.

Адсорбер работает совместно с устройством для регенерации адсорбента, что позволяет значительно снизить подачу в адсорбер свежего адсорбента. Это особенно важно при непрерывной работе адсорбера, когда конечная концентрация примеси в адсорбенте ниже, чем в реакторе периодического действия.

Загрязненный газ, проходя через слой адсорбента, испытывает сопротивление движению, за счет чего давление газа снижается. Потеря давления газа (p) зависит от скорости его движения (рис.6.2).

Рис. 6.2. Зависимость сопротивления слоя адсорбента (P) от скорости движения газа в адсорбере (W): 1 – участок фильтрации газа через слой адсорбента, 2 – участок псевдожидкого (кипящего) слоя, 3 – участок витания (выноса) адсорбента.

При малой скорости газ фильтруется по порам в слое и перепад давления возрастает пропорционально изменению скорости газа. После достижения критической скорости адсорбент приходит в движение и напоминает собой кипящую жидкость (псевдожидкость). Такое состояние сохраняется в определенном интервале изменения скорости, от w_мин до w_макс. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к витанию твердых частиц в газе и их уносу из реактора. Для работы в режиме кипящего слоя скорость газа выбирают в интервале между w_мин и w_макс.

Фазовое равновесие при адсорбции, обычно, описывается уравнением вида:

x⁰ = A y^1/n (6.1)

где x⁰ - равновесная концентрация адсорбированного вещества в адсорбенте, кг/кг адсорбента; y - концентрация в паро-газовой смеси, кг/кг инертной части парогазовой смеси; А и n - величины, определяемые опытным путем. Экспериментальные данные для ряда примесей в воздушной среде при адсорбции активированным углем приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1

Экспериментальные данные о равновесии (20⁰С) и кинетические коэффициенты для ряда примесей в воздухе при адсорбции их на активированном угле

Примесь	Содержание примеси, кг/кг						Динамическая вязкость, 106, Н с/м2			Коэффициент диффузии см2/ с
Бензол С6Н6	В адсорбате, Х	0,1	0,2	0,25	0,275	0,287
	В газовой фазе, Y	0,0039	0,01	0,039	0,077	0,142	17,5			0,08
Этиловый спирт C2H5OH	В адсорбате, Х	0,1	0,2	0,25	0,275
	В газовой фазе, Y	0,0077	0,0194	0,049	0,116		14	0,13
Этиловый эфир	В адсорбате, Х	0,1	0,15	0,2	0,21
(С2H5)2O	В газовой фазе, Y	0,015	0,028	0,095	0,18		17		0,05

Определение критических скоростей газа для кипящего слоя проводится с использованием критериальных уравнений:

Re_мин = Ar / (1400 + 5,22 Ar^0,5) (6.2)

Re_макс = Ar / (18 + 0,61 Ar^0,5) (6.3)

Числа Рейнольдса и Архимеда находят как:

Re = w d_экв / ^г (6.4)

Ar = g d_экв³ (^тв - ^г) / [(^г)² ^г] (6.5)

где w - скорость газа в свободном (полном) сечении реактора, м/с; ^тв и ^г - плотность материала адсорбента и газа соответственно, кг/м³; ^г - кинематическая вязкость газа, м²/с; g - ускорение силы тяжести, м / с²

За характерный размер принимается величина d_экв, м:

d_экв = 4 / f (6.6)

где  - пористость кипящего слоя; f - удельная поверхность адсорбента, м²/м³;.

Расчет размера адсорбера непрерывного действия включает определение поперечного размеров реактора, расхода адсорбента и времени необходимого для протекания процесса адсорбции.

Площадь сечения реактора (S, м²):

S = Q / w  

где Q - расход подаваемого в адсорбер загрязненного газа, м³/с; w - скорость в пределах найденного интервала скоростей для режима кипящего слоя, м/с.

Высота слоя адсорбента (H) принимается в пределах 0,2...0,5м.

Расход адсорбента (М_адс, кг/час) из баланса примеси, переходящей из газовой фазы в адсорбент, составит:

М_адс = 3600 Q _г (y_н - y_к) / (х_к - х_н ) (6.8)

где y_н и y_к начальное и конечное содержание примеси в газовой фазе; x_н и x_к начальное и конечное содержание примеси в адсорбенте.

Расчетное (необходимое) время (t_р) для протекания процесса массообмена в кипящем слое находится из уравнения массопереноса из газовой фазы к поверхности адсорбции:

М_адс (х_к - х_н) = М_адс f y_ср ^г t/ ^тв (6.9)

где М_адс - масса адсорбента в реакторе, кг; y_ср- среднее значение концентрации примеси в газовой фазе (движущая сила процесса), кг/кг; - коэффициент массоотдачи, м/с.

Из уравнения (6.9) необходимое время для адсорбции будет:

t = (х_к - х_н) / (f  y_ср ^г /^тв) (6.10)

Для определения коэффициента массоотдачи воспользуемся критериальным уравнением для массообмена в кипящем слое:

Sh =  d_экв / D = 46,25 х10^-6 Re^1,67 (6.11)

где Sh - число Шервуда; Re - число Рейнольдса , рассчитанное для принятой скорости движения газовой фазы по уравнению (6.4); D - коэффициент диффузии примеси в газовой фазе, м²/с.

При принятых размерах адсорбера фактическое время пребывания адсорбента в адсорбере (t_ф) будет:

t_ф = S H (1-) ^тв /М_адс  t (6.12)

Обычно фактическое время пребывания адсорбента в реакторе значительно превышает время, необходимое для протекания процесса массообмена. Это позволяет достигать конечных результатов близких к равновесным при высокой производительности процесса.

Варианты задания

Рассчитать размеры адсорбера непрерывного действия с “кипящим” слоем адсорбента для очистки вентиляционных газов в количестве 1000 м³ /час (760 мм рт. ст, 0⁰ С) содержащих примесь ................ в количестве y_н= ........., конечное содержание примеси в газе y_к =0,01 кг/кг воздуха. В качестве адсорбента используется активированный уголь марки АР-3 с плотностью ^тв = 900 кг/м³. Пористость кипящего слоя  = 0.4. Удельная поверхность адсорбции f = 1600 м²/ м³. Адсорбция проводится при 20⁰ С. Плотность воздуха в процессе адсорбции принять ^г =1,2 кг/м³, кинематическую вязкость ^г = 14,5 10^-6 м²/с. Примесь и исходные концентрации по вариантам заданий приводятся в таблице:

Варианты	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Примесь	Этиловый эфир	Этиловый спирт	Бензол	Этиловый эфир	Этиловый спирт	Бензол	Этиловый эфир	Этиловый спирт	Бензол
Начальное содержание (yн), кг/кг воздуха	0,1	0,12	0,14	0,08	0,10	0,10	0,05	0,05	0,08

Процедура расчета

1. Экспериментальные данные изотермы адсорбции для заданной примеси (таб.6.1) аппроксимируют зависимостью вида, представленного уравнением (6.1). Используется программа на ПЭВМ в файле: D \ W_KRAP \ appr.exe.

2. Рассчитываем критерий Архимеда по уравнению (6.5).

3. По уравнениям (6.2) и (6.3) рассчитываем минимальное и максимальное значения чисел Рейнольдса.

4. Рассчитываем минимальную и максимальную скорости движения газа в режиме кипящего слоя адсорбента из уравнения (6.4).

5. В интервале найденных скоростей выбираем рабочую скорость газа в адсорбере.

6. Рассчитываем площадь поперечного сечения адсорбера и его диаметр по уравнению (6.7).

7. Выбираем высоту слоя адсорбента в рекомендуемых пределах.

8. Рассчитываем расход адсорбента, необходимый для очистки воздуха в заданных пределах, по уравнению (6.8).

9. Рассчитываем необходимое время для протекания процесса массопереноса примеси из газовой фазы к поверхности адсорбента по уравнению (6.10).

10. Рассчитываем фактическое время пребывания адсорбента в реакторе по уравнению (6.12). При времени пребывания адсорбента меньше необходимого увеличивают высоту слоя адсорбента в реакторе.