1.2. Расчет адсорбционной установки с псевдоожиженным слоем адсорбента

Схема адсорбционной установки непрерывного действия с псевдоожижеиным слоем адсорбента приведена на рисунке 1.1.

Исходная смесь подается в адсорбер (9) газодувками (1), одна из которых – резервная, чтобы при отключении адсорбера не прекращалось удаление вредных паров из помещения.

Взрывоопасность угольной пыли (при использовании в качестве адсорбента активных углей) и паров летучих растворителей требуют использования специальных устройств, предотвращающих возможность возникновения взрывов и пожаров.

С этой целью перед подачей в адсорбер смесь проходит через фильтры (2) (обычно рукавные) и огнепреградитель (3) с предохранительными мембранами, которые выбиваются при возгорании смеси. Затем исходная смесь подается в холодильник (4), который обязательно включается в схему, так как в зависимости от условий (например, летом), температура исходной смеси может превышать величину, допустимую требованиями противопожарной безопасности. Отработанный адсорбент поступает в десорбер (10).

Рис. 1.1. Схема адсорбционной установки непрерывного действия с псевдоожиженным слоем адсорбента: 1, 11 – газодувки; 2 – фильтры; 3 – огнепреградитель; 4 – холодильник исходной смеси; 5 – сборник; 6 – холодильник; 7 – конденсатор; 8 – разделитель; 9 – адсорбер; 10 – десорбер

Процесс десорбции проводится в основном двумя методами. Первый заключается в продувании через слой адсорбента десорбирующего газа или пара, не содержащего абсорбтива. При этом температура десорбирующего агента практически не отличается от температуры адсорбента. Второй метод основан на ускорении процесса десорбции с повышением температуры и заключается в продувании через слой адсорбента насыщенного или перегретого водяного пара или другого нагретого десорбирующего агента. В данной схеме предусмотрена регенерация адсорбента десорбцией перегретым паром. Смесь извлекаемого компонента с водяным паром из адсорбера направляется через разделитель (8), где пар отделяется от смеси жидкого рекуперата (извлекаемого компонента) с водой (которая может образоваться при конденсации в трубопроводе вследствие потерь тепла в окружающую среду), в конденсатор (7), затем в холодильник (6) и сборник (5). Из сборника смесь поступает на разделение путем отстаивания или ректификацией, в зависимости от растворимости рекуперата в воде.

Из десорбера (10) адсорбент пневмотранспортом возвращается в адсорбер (9). Воздух, используемый для пневмотранспорта и подаваемый газодувкой (11), подсушивает и охлаждает адсорбент.

Во всех случаях применения в качестве адсорбента активного угля к адсорберу подключают линию противопожарного водопровода.

Задание на проектирование

Спроектировать адсорбционную установку с псевдоожиженным слоем адсорбента для улавливания из воздуха паров бензола активным углем.

Определить диаметр и высоту многоступенчатого адсорбера, число тарелок и расход адсорбента при следующих условиях:

расход паровоздушной смеси при рабочих условиях G = 2000 м³/ч = = 0,555 м³/с;

температура паровоздушной смеси, t = 20 °С;

атмосферное давление, р = 735 мм рт. ст. = 9,8110⁴ Па;

начальная концентрация бензола в воздухе = 2510³ кг/м³;

концентрация бензола в воздухе на выходе из аппарата (конечная) = 1·10³ кг/м³.

В качестве адсорбента выбираем активный уголь марки СКТ-6А, соответствующий заданным условиям по прочности, гранулометрическому составу и пористой структуре.

Таблица 1.2

Некоторые характеристики активных углей (ТУ 6-16-1855-74, ГОСТ 20464-75, ТУ 6-16-188874 и ТУ 6-16-1917-74 [9,10])

Марки угля	Насыпная плотность , кг/м³	Фракционный состав		Области применения	Прочность	Структурная константа В , г∙рад²	Оптовая цена*, руб/т
		Фракция, мм	%
1	2	3	4	5	6	7	8
БАУ	240	5,0-3,6 3,6-1,0 1,0	2,5 95,5 2,0	Адсорбция из растворов	-	0,55	800

Продолжение табл. 1.2

1	2	3	4	5	6	7	8
ДАК	Не норми­руется	5,0–3,6 3,6–1,0 1,0	2,5 95,5 2,0	Извлечение масла из парового конденсата, извлечение различных веществ из раствора	-	-	-
АР-А	550	5,0 5,0–2,8 2,8–1,0	1,0 83,0 15,0	Улавливание паров растворителей при темп. кип. выше 100 ºС (толуол, ксилол, амилацетат и др.)	65	0,74	510
АР-Б	580	5,0 5,0–2,8 2,8–1,0 1,0	1,0 83,0 15,0 1,0	Рекуперационный уголь, применяется для улавливания паров растворителей с темп. кип. 60–100 ºС (бензол, дихлорэтан, бензин и др.)	70	-	-
АР-В	600	5,0 5,0–2,8 2,8–1,0 1,0	1,0 83,0 15,0 1,0	Для улавливания паров с темп. кип. ниже 60 ºС (метанол, хлористый метилен, ацетон и др.	75	-	-
АГ-3	400-500	3,6 3,6–2,8 2,8–1,5 1,5–1,0	0,4 3,0 86,0 10,0	Адсорбция из газообразных и жидких сред	75	-	-
КАД-йодный	450	5,0 5,0–2,0 2,0–1,0	5,0 70,0 25,0	Извлечение йода из буровых вод и извлечение различных веществ из растворов и газовоздушных (паровоздушных) смесей	60	-	420
СКТ-1	470	0,5 0,5–1,0 1,0–1,5 2,0–2,7	0,5 10,0 Не норм. 25,0 5,0	Разделение углеводородных газов и для тонкой очистки воздуха и газов	70	0,71	1550(А) 1530(Б)
СКТ-2	460	1,0 1,0–1,5 1,5–2,0 2,0–2,7 2,7–3,5	0,6 6,0 40,0 Не норм. 2,0	Очистка воздуха от сероуглерода и в других процессах тонкой очистки воздуха и газов.	70	0,65	990(A) 940(Б)
СКТ-3	380	2,7–3,5 2,0–2,7 1,5–2,0 1,0–1,5 1,0	25,0 Не норм. 13,0 6,0 0,6	Рекупирация паров органических растворителей и улавливание углеводородных газов	-	0,73	-

Окончание табл. 1.2

1	2	3	4	5	6	7	8
СКТ-4	430	1,0 1,0–1,5 1,5–2,0 2,0–2,7 2,7–3,5	0,6 10,0 40,0 Не норм. 5,0	Очистка воздуха и газов от примесей и улавливание паров органических растворителей, осветление и очистка воды и растворов	50	0,76	1100(A) 1050(Б)
СКТ-6	470	0,5 0,5–1,0 1,0–1,5 1,5–2,0 2,0–2,7	0,5 15,0 Не норм. 25,0 2,0	Марки А характеризуются развитой пористой структурой, высокими суммарной пористостью и динамической активностью. Используются для извлечения паров органических веществ. Марки Б характеризуются высокой активностью по веществам с малым размером молекул (оксиды азота, криптон, ксенон). Предназначаются для адсорбции редкоактивных газов	65	1,05	1310(А) 1250(Б)

Принимаем следующие характеристики адсорбента: средний диаметр частиц = 1,0·10³ м; кажущаяся плотность = 670 кг/м³; насыпная плотность адсорбента = 470 кг/м³.

Изотерму адсорбции паров бензола из воздуха на активном угле марки СКТ-6А (рис. 1.2) строим по данным таблицы 1.1.

При отсутствии равновесных данных изотерму адсорбции строят по коэффициентам аффинности в характеристических кривых различных веществ для активных углей. Метод построения описан в литературе [6] и в данной главе, в примере расчета адсорбционной установки с неподвижным слоем адсорбента.

Таблица 1.3

Некоторые характеристики промышленных силикогелей [9, с. 222]

Марка	Средний диаметр пор, А	Удельный объем пор, см³/г	Удельная поверхность (по БЭТ), м²/г	Насыпная плотность, г/см³	Размер зерна
1	2	3	4	5	6
КСМ кусковой, гранулированный	20	0,35	700	≥0,67	2,7–7
КСМ № 5	32	0,58	715	0,66	-
КСМ № 6п	22	0,30	527	0,87	-

Окончание табл. 1.3

1	2	3	4	5	6
КСМ № 6с	23	0,36	642	0,87	-
ШСМ кусковой, гранулированный	10	0,25	900	≥0,67	1,5–3,5
КСМ кусковой, гранулированный	120	1,08	350	0,4–0,5	-
ШСМ кусковой, гранулированный	120	0,90	300	0,4–0,5	-
МСК кусковой	150	0,80	210	0,4–0,5	-

Таблица 1.4

Некоторые характеристики промышленных ионитов [9, с. 7]

Марка	Полная обменная емкость		Удельный объем, см³/г	Насыпная плотность, г/см³	Размер зерна, мм
	мэкв/г	мэкв/см³
КУ-2	4,7–5,1	1,3–1,8	2,5–3,6	0,70–0,90	0,3–1,5
КУ-1	4,0	1,4	2,6–3,0	0,60–0,75	0,3–2,0
АВ-17-8	3,8–4,5	-	≤3,0	0,66–0,74	0,4–1,2
ЭДЭ-10П	9,0–10,0	-	2,8–4,5	0,60–0,72	0,4–1,8
АН-1	4,0–5,0	1,9	2,2–2,3	0,70–0,90	0,3–2,0

Таблица 1.5

Некоторые характеристики промышленных цеолитов [9, с. 278]

Марка	Ионная форма	Эффективный диаметр пор, мм	Насыпная плотность, г/см³	Размер зерна, мм
КА	K	3	≥0,62	0,10–0,32 0,10–0,60
NaA	Na	4	≥0,65	0,10–0,60
CaA	Ca	5	≥0,65	0,10–0,60
CaX	Ca	8	≥0,60	0,10–0,60
NaX	Na	9–10	≥0,60	0,10–0,60

Ниже приведены значения коэффициентов аффинности в характеристических кривых различных веществ для активных углей по данным [3, 6]:

Вещество в Вещество в

Метиловый спирт 0,40 Ацетон 0,88

Бромистый этил 0,57 н-Бутан 0,90

Этиловый спирт 0,57 Уксусная кислота 0,97

Муравьиная кислота 0,61 Этиловый эфир 1,09

Бензол 0,61 н-Пентан 1,12

Циклогексан 1,00 Толуол 1,25

Тетрахлорид углерода 1,03 Хлорпикрин 1,28

Сероуглерод 1,05 н-Гексан 1,35

Хлористый этил 0,70 Бутилацетат 1,48

Пропан 0,76 н-Гептан 1,59

Хлороформ 0,78

Рис. 1.2. Рабочая (1) и равновесная (2) линии процесса адсорбции бензола из воздуха на активном угле СКТ-6А

По литературным данным [15], в многоступенчатых противоточных адсорберах с псевдоожиженным слоем поглотителя при устойчивых режимах псевдоожижения порозность слоя находится в пределах = 0,5 - 0,65 м³/м³.

Принимаем порозность слоя = 0,55 м³/м³.

Порозность может быть рассчитана, как показано в главе 1 части 1.

Согласно экспериментальным и теоретическим исследованиям [12], значение оптимальной высоты неподвижного слоя на тарелке находится в интервале 0,03–0,05 м, в зависимости от марки и гранулометрического состава адсорбента. Для хорошо сорбирующихся газов слой такой высоты обеспечивает практически полное извлечение адсорбтива. При других значениях высоты слоя псевдоожижение на тарелке может быть неравномерным, возможны проскоки адсорбтива, в результате чего увеличение количества адсорбента на одной тарелке не приводит к желаемой полноте извлечения. По рекомендациям [12] принимаем высоту неподвижного слоя на тарелке Н = 0,05 м.