Задание на проектирование

Рассчитать адсорбционную установку периодического действия для улавливания паров бутилацетата из воздуха активным углем, работающую по четырехфазному циклу, при следующих условиях:

• расход паровоздушной смеси 30 000 м³/ч = 8,33 м³/с;

• температура паровоздушной смеси, 20 °С;

• атмосферное давление 735 мм рт. ст. = 9,81·10⁴ Па;

• начальная концентрация бутилацетата в воздухе у_н = 0,0082 кг/м³;

• допустимая концентрация бутилацетата за слоем адсорбента (концентрация проскока) у_к = 0,00040 кг/м³; (как правило, это минимально определимая аналитическими методами концентрация адсорбтива);

• тип аппарата – кольцевой адсорбер ВТР (см. рис. 1.15);

• принять, что сопротивление массопередаче сосредоточено в газовой фазе.

В качестве адсорбента выбираем активный уголь марки АР-А по справочнику [9] или по таблице 4.2. В данном случае уголь АР-А выбран в соответствии со свойствами, пористой структурой и назначением (для рекуперации). Этот уголь обладает низкой удерживающей способностью, т. е. легко регенерируется.

При проектировании аппарата периодического действия задаются одной из двух взаимосвязанных величин – высотой слоя (для кольцевого адсорбера - толщиной слоя) или продолжительностью фазы адсорбции.

В кольцевом адсорбере толщина слоя адсорбента определяется размерами концентрических решеток, заключающих угольную шихту. Принимаем следующие размеры концентрических решеток: = 3 м; = 1,6 м. Высота решеток Н = 5 м. Тогда высота (толщина) слоя адсорбента м.

По данным [3, 5, 6, 12] эта высота значительно превышает высоту работающего слоя (зоны массопередачи), что исключает возможность проскока адсорбтива. Высота слоя, большая высоты зоны массопередачи, определяет только его гидравлическое сопротивление и необходимую продолжительность стадии адсорбции.

Высота решеток, обеспечивающая сечение, через которое проходит исходная смесь, определяется производительностью аппарата и скоростью газового потока.

1.3.1. Построение изотермы адсорбции

Как уже отмечалось ранее, в том случае, когда справочные данные по равновесию отсутствуют, изотерму адсорбции строят по коэффициентам аффинности характеристических кривых различных веществ для активных углей. Коэффициенты аффинности для некоторых адсорбтивов приведены в разделе 1.

Пользуясь равновесными значениями и по адсорбции бензола (стандартное вещество) и активном угле АР-А (табл. 1.1), рассчитывают соответствующие значения х₂ и у₂ для бутилацетата по следующим уравнениям:

(1.7)

(1.8)

где и – концентрации поглощаемого компонента в газовой фазе, соответствующие условиям насыщения, кг/м³; и – температура, К.

Определим значения у₂ и х₂ для бутилацетата по точке на изотерме адсорбции бензола с координатами = 0,00854 кг/м³ и = 109,0 кг/м³.

По данным [3, с. 201-227] давление насыщенных паров бензола = = 75 мм рт. ст. = 9997,5 Па, а бутилацетата =18 мм рт. ст. = 2399,4 Па.

По уравнению газового состояния определяем объемные концентрации:

кг/м³;

кг/м³;

кг/м³; кг/м³.

Результаты расчета равновесных данных для парообразной системы бутилацетата – активный уголь АР-А приведены ниже:

y бензола, кг/м³ 0,00854 0,02560 0,05125

x бензола, кг/м³ 109,0 134,2 139,8

y бутилацетата, кг/м³ 0,00069 0,00322 0,00863

x бутилацетата, кг/м³ 73,7 90,8 94,2

y бензола, кг/м³ 0,09390 0,17060 0,25610

x бензола, кг/м³ 143,0 147,3 151,2

y бутилацетата, кг/м³ 0,02025 0,04715 0,08394

x бутилацетата, кг/м³ 96,7 99,4 102,1

Как показано на рисунке 1.5, изотерму адсорбции такого типа делят на три области, для каждой из которых расчетные уравнения для определения продолжительности адсорбции различны [6].

По изотерме адсорбции определяют область концентраций (в данном случае область II) и равновесную концентрацию бутилацетата в твердой фазе: = 94 кг/м³.

Объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе определяют по уравнению [2, с. 572]:

(1.9)

где – диффузионный критерий Нуссельта;

– эквивалентный диаметр гранул адсорбента, м;

D – коэффициент диффузии в газовой фазе, м²/с;

– критерий Рейнольдса;

w – фиктивная скорость парогоздушной смеси, м/с;

– плотность паровоздушной смеси, кг/м³;

– вязкость газовой фазы, Пас;

– диффузионный критерий Прандтля.

Приняв порозность слоя сорбента = 0,375 [13, с. 20], рассчитывают для цилиндрических гранул диаметром d и длиной l по уравнению [6, c. 70]:

Рис. 1.5. Области изотермы адсорбции (к расчету продолжительности)

Площадь поперечного сечения шихты, через которую проходит паровоздушная смесь, равна

м².

Фиктивная скорость паровоздушной смеси в адсорбере:

м/с. (1.10)

По данным [5] скорость потока большая 0,3 м/с нецелесообразна вследствие возрастания гидравлического сопротивления при Re > 20–30. При необходимости уменьшения скорости следует заложить в расчет большую высоту концентрических решеток.

Свойства паровоздушной смеси принимаем по воздуху при t = 20 °С: = 1,21 кг/м³; = 0,018 сП = 0,018∙10^-3 Па·с.

Тогда:

Рассчитывают коэффициент диффузии в газовой фазе [3]:

при t=0 ºС

при t=20 ºС

м²/с.

.

В соответствии с заданием