Введение

В нефтехимической промышленности, а также в технологии очистки газообразных и жидких систем широко распространены и имеют важное значение процессы массопередачи, характеризуемые переходом одного и нескольких веществ из одной фазы в другую в гетерогенных и гомогенных системах.

В промышленности применяются в основном следующие процессы массопередачи: между газовой (паровой) и жидкой, между газовой и твердой, между твердой и жидкой, а также между двумя жидкими фазами: абсорбция, экстракция, ректификация, адсорбция, сушка, кристаллизация.

Подобно теплопередаче массопередача представляет собой сложный процесс, включающий перенос вещества (массы) в пределах одной фазы, перенос через поверхность раздела фаз и его перенос в пределах другой фазы.

Распределяемое вещество внутри каждой фазы переносится путем молекулярной и турбулентной диффузии.

Для диффузионных процессов принимают, что количество переносимого вещества пропорционально поверхности раздела фаз и движущей силе (разности концентраций распределяемого компонента).

Теоретические основы современной технологии позволяют решать многочисленные и разнообразные проблемы, связанные с проектированием, строительством и эксплуатацией соответствующих аппаратов, где протекают те или иные массообменные процессы.

Как известно, при изучении курса процессов и аппаратов весьма существенным является наличие навыков решения практических инженерных задач.

В настоящем пособии представлены основные примеры и задачи для выполнения курсового и дипломного проектирования для адсорбционных аппаратов и расчета сушильных установок.

Глава 1. Адсорбционная установка

1.1. Процесс адсорбции

Начало изучения и количественного описания адсорбции связано с препаративной химией и противогазовой техникой. Специфика процесса адсорбции обусловлена в основном тем, что адсорбенты обладают сильно развитой внутренней поверхностью пор (для некоторых адсорбентов она достигает 1700 м²/г). Если при разработке массообменной аппаратуры для систем газ-жидкость, жидкость-жидкость и систем с твердой фазой, не имеющей внутренней пористости, основной задачей является обеспечение максимальной поверхности контакта фаз, то при создании адсорбционных аппаратов главной задачей часто яв­ляется обеспечение доступности этой поверхности.

Литература по адсорбции изобилует расчетными уравнениями, часто друг с другом не согласующимися. Это связано с трудностями расчета нестационарного процесса адсорбции, сложностью его математического описания, приводящими к тому, что формулы, используемые для инженерного расчета, не всегда в полной мере соответствуют физическому смыслу описываемого явления. В данной главе по возможности использованы уравнения, удовлетворительно зарекомендовавшие себя в расчетной практике.

Равновесное распределение концентраций извлекаемого компонента в газовой (жидкой) и твердой фазах при определенной температуре описывается изотермой адсорбции

(1.1)

Здесь х* – концентрация извлекаемого компонента (адсорбтива) в твердой фазе, равновесная при данной температуре с концентрацией адсорбтива в газовой (жидкой) фазах.

Концентрацию х* в литературе по адсорбции называют также статической активностью адсорбента.

Некоторые данные по равновесию в системах адсорбент-адсорбтив приведены в таблице 4.1.

Специфической характеристикой, используемой при расчете процессов адсорбции, является динамическая активность адсорбента. Это средняя концентрация адсорбтива в слое адсорбента, полученная к моменту «проскока», т. е. к началу появления адсорбтива на выходе из слоя адсорбента [2].

Существуют уравнения для расчета динамической активности [3], однако перед проектированием эту величину стараются получить экспериментально, так как она определяет практически весь дальнейший расчет установки и расходы, связанные с ее определением, несоизмеримы с затратами на исправление возможных ошибок расчета.

Процесс адсорбции обычно проводят в аппаратах с неподвижным плотным движущимся и псевдоожиженным слоем адсорбента. Адсорбцию из жидкой фазы часто проводят в аппаратах с мешалками.

Таблица 1.1

Равновесные данные по адсорбции паров бензола из их смеси с воздухом на активных углях различных марок

Адсорбент (марка угля)	Концентрация бензола в газовой фазе y, 10³ кг/м³	Концентрация бензола в твердой фазе x, 10³ кг/м³
AP-A АГ-3 СКТ СКТ-6А	0,854 2,560 5,125 9,390 17,060 25,610 0,035 0,472 2,134 4,691 8,540 17,06 25,610 0,085 0,213 0,850 4,270 12,805 17,060 24,400 25,610 0,000 1,000 2,000 4,000 5,000 6,000 8,000 10,000 16,000 25,000 30,000	109,0 134,2 139,8 143,0 147,3 151,2 75,0 120,0 157,5 170,5 180,0 197,5 215,0 60,0 125,6 174,0 178,0 185,1 188,0 193,4 198,0 150,0 220,0 263,0 276,0 280,0 284,0 285,0 290,0 296,0 300,0 300,0

В настоящей главе приведены примеры расчета адсорберов с псевдоожиженным, неподвижным и движущимся слоем адсорбента. Поскольку повторение одинаковых разделов расчета нецелесообразно, определение различных величин приведено в разных примерах.

Так, метод построения изотермы адсорбции при отсутствии экспериментальных данных приведен в расчете адсорбера с неподвижным слоем адсорбента, определение среднего диаметра частиц для полидисперсных систем показано в расчете адсорбера с движущимся слоем адсорбента. Таким образом, для расчета адсорбера любой конструкции могут понадобиться методики, приведенные во всех трех примерах.