Число единиц переноса определяется выражением:

N_Y = , (4.26)

а высота единицы переноса равна

H_Y = . (4.27)

Следовательно, высота адсорбционной зоны равна

Z_A = H_Y^.N_Y. (4.28)

Для определения времени, после которого происходит проскок, определим сначала понятие степени насыщения слоя (СНС). Объем адсорбата - это

V = F^.Z. (4.29)

Следовательно, Z = V/F - объем адсорбата на единицу пло­щади поперечного сечения адсорбционного слоя F.

Тогда, при известной величине плотности слоя: Z^.F^.ρ_S - масса адсорбента; Z^.F^.ρ_S^.X_т - масса растворенного вещества, адсорбированного в условиях равновесия; (Z - Z_A) F^.ρ_S^.X₁ - масса растворенного вещества, адсорбированного в той части колонны, где достигается насыщение; Z^.F^.ρ_S^.X_т(1 – φ) - масса растворенного вещества, адсорбированного в той части колонны, где насыщение не достигается; φ – парциальная способность адсорбционной зоны к адсорбции растворенного вещества.

Тогда степень насыщения слоя (СНС) может быть определена следующим образом

СНС = ; (4.30)

СНС = φ(Z - Z_A)/Z. (4.31)

Тогда время, за которое достигается проскок, определяется как

T_B = (СНС)Z ρ_S X_т/(G_S Y₀) . (4.32)

Расчеты адсорберов периодического действия с неподвижным адсорбентом с использованием уравнения Дубинина (4.12) могут выполняться в следующем порядке.

1. Определяют равновесную концентрацию загрязнителя в твердой фазе. Значения концентраций загрязнителя в адсорбенте, равновесных при данной температуре с его концентрациями в газовой фазе, выражают в виде изотермы сорбции. По известной изотерме сорбции определяют количество загрязнителя, которое может поглотить адсорбент при данной температуре, если процесс будет продолжаться до равновесного состояния. Форма функциональной зависимости C_eq = f(C) должна быть приспособлена для практических расчетов.

Константы, входящие в уравнения изотерм сорбции, могут быть найдены только экспериментально. Пока их значения надежно определены лишь для некоторых видов сорбентов и загрязнителей. Поэтому приходится считать процессы адсорбции любых веществ на одинаковых сорбентах подобными. На этом основании изотерму сорбции рассматриваемого загрязнителя рассчитывают по эмпирическому уравнению или графику для какого-либо из хорошо исследованных соединений, считая его стандартным, с введением поправки, которую называют коэффициентом аффинности и находят из соотношения:

, (4.33)

где - мольные объемы рассматриваемого и стандартного веществ, м³/кмоль.

Коэффициенты афинности некоторых веществ по отношению к бензолу приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Мольные объемы загрязнителя и стандартного вещества в жидком состоянии при 273К вычисляются по формулам:

; (4.34)

, (4.35)

где - мольные массы загрязнителя и стандартного вещества, кгмоль; - плотности загрязнителя и стандартного вещества при 273 К в жидком состоянии, кг/м³.

Серьезным отклонением от реальных характеристик адсорбции является и предположение об изотермичности процесса. Адсорбция может быть изотермической только при соответствующей организации теплоотвода из зоны конденсации. В иных случаях тепло, выделяемое при конденсации адсорбата и смачивании поверхности адсорбента, пойдет на нагрев обрабатываемого газа, частиц адсорбента. Однако с целью упрощения расчетов считают адсорбцию изотермическим процессом, температуру которого Т_ср(К) находят как среднюю арифметическую между температурами обрабатываемого газа на входе и выходе адсорбера.

2. Выбирают тип адсорбера и его конструктивные параметры. Принимают фиктивную скорость обрабатываемых газов в адсорбере w = 0,3...0,5 м/с, по заданному расходу газов подсчитывают диаметр аппарата и подбирают ближайший типоразмер адсорбера выбранной конструкции. По конструктивным характеристикам аппарата подбирают приемлемую высоту слоя адсорбента.

3. Определяют коэффициент массопередачи.

При адсорбции на активированном угле коэффициент масоотдачи в газовой фазе рекомендуется находить из уравнения:

,

,

где  - порозность слоя адсорбента; _н – насыпная плотность слоя, кг/м³; _ч – плотность частиц адсорбента, кг/м³.

Числа Рейнольдса и Прандтля подсчитывают по соотношениям:

,

,

где d_ч.э – эквивалентный диаметр частиц адсорбента, м; D_г – коэффициент диффузии паров загрязнителя, м²/с.

Значение d_ч.э для активированного угля можно принять равным 2^.10^-3 м.

Коэффициент массоотдачи от газа к поверхности адсорбента (коэффициент внешней массоотдачи) _г находят по величине Nu:

.

Коэффициент массоотдачи внутри пор адсорбента:

,

где D_а – коэффициент диффузии в порах адсорбента, м²/с, который может быть надежно определен только на основании опытных данных.

Если известны размеры пор адсорбента, то для оценки величины D_а можно воспользоваться уравнением:

,

где _ч – пористость частиц адсорбента (доля объема пор от объема частицы); d_п – средний диаметр пор сорбента, м; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль^.К); т_п – молекулярная масса загрязнителя, кг/кмоль.

Для активированного угля средний диаметр пор можно принять ориентировочно в пределах 6^.10^-9 м.

Пористость частиц находят из соотношения:

,

где _а - плотность материала адсорбента, кг/м³.

Коэффициент массопередачи:

.

Отклонение от режима идеального вытеснения из-за продольного перемешивания может быть учтено введением дополнительного диффузионного сопротивления, для чего определяется коэффициент продольного перемешивания С:

.

Коэффициент массопередачи (м/с) с поправкой на продольное перемешивание находят из соотношения:

.

Объемный коэффициент массопередачи (с^-1):

Если надежных сведений о характеристиках пористости адсорбента нет, то при адсорбции на активированном угле с размерами частиц 1,7...2,2 мм и фиктивной скорости потока w = 0,3...2 м/с:

, с^-1. (4.36)

Уравнение (4.36) не рекомендуется использовать, если форма изотермы сорбции значительно отличается от изотермы Лэнгмюра.

4. Определяют продолжительность адсорбции. Для слоя адсорбента высотой h подсчитывают число единиц переноса:

.

Из выражения для безразмерного времени процесса Т:

находят время процесса  (с):

, (4.37)

где С_.р – равновесная концентрация загрязнителя в адсорбенте, соответствующая его начальной концентрации в газовых выбросах.

Выходную кривую адсорбции рассчитывают при помощи уравнения Томаса:

,

где J(, ) – функция двух переменных  и , которые здесь соответственно равны N_г N_г^.T. Значения J(, /) приведены в табл. 4.3.

Таблица 4.3

Результаты расчетов выходной кривой удобно представить графически в виде зависимости безразмерных концентраций С/С_b от безразмерного времени процесса Т (рис. 4.18). По этому графику для заданной выходной (конечной) концентрации и соотношению С_e/С_b нетрудно отыскать соответствующее безразмерное расчетное время Т_cl а по уравнению (4.37) - расчетную продолжительность стадии адсорбции _cl.

Рис. 4.18. Зависимость безразмерных концентраций С/С_b от

безразмерного времени процесса Т

5. По расчетной продолжительности процесса находят количество тепла, выделяемое при адсорбции загрязнителя, и оценивают величину перепада температур отбросных газов на входе и выходе адсорбера. Если полученный перепад температур значительно отличается от предварительно принятого (ориентировочно в 1,5...2 раза и более), то пересчитывают характеристики процесса.

6. По уравнению Томаса, записанному для безразмерной концентрации поглощенного адсорбентом загрязнителя в виде:

,

строят профиль концентраций в адсорбенте (рис. 4.19).

При пользовании таблицей 4.3 необходимо учитывать, что здесь   N_гТ, а /  N_г/(N_гT) = T^-1. Расстояния х (м) от начального слоя адсорбента до точки с концентрацией С представляют в виде функции от безразмерного времени Т:

.

Рис. 4.19. Профиль концентраций в адсорбенте

7. Выполняют проверку сходимости найденных параметров, составляя материальный баланс. Для этого вычисляют количество загрязнителя поступившего в адсорбер, и сравнивают его с количествами загрязнителя поглощенным адсорбентом, оставшимся в газовой фазе слоя адсорбента и ушедшим из аппарата в соответствии с заданным проскоком. Количество загрязнителя, поступающего в адсорбер (кг):

.

Количество загрязнителя (кг), поглощенного адсорбентом:

, (4.38)

где f – площадь поперечного сечения адсорбера, м².

Количество загрязнителя (кг) в газовой фазе слоя адсорбента:

.

Количество загрязнителя (кг), выброшенного в атмосферу:

, (4.39)

где ₀ – время с начала процесса до выхода загрязнителя из адсорбера, с; _а – время адсорбции, с.

Интегралы в уравнениях 4.38 и 4.39 находят графическим методом как площади соответственно под профилем концентрации (рис. 4.19) и под выходной кривой (рис. 4.18).

Составляют материальный баланс загрязнителя:

.

При значительной невязке левой и правой частей расчеты повторяют, варьируя продолжительностью адсорбции или высотой слоя адсорбента.

8. Определяют продолжительность вспомогательных стадий процесса обработки газов.

При компоновке схемы адсорбции из 4-х аппаратов продолжительность каждой из вспомогательных стадий - десорбции, сушки и охлаждения адсорбента, принимают одинаковыми с расчетной продолжительностью адсорбции.

При компоновке из 2-х или 3-х аппаратов можно отводить на стадию десорбции не менее 0,5...1 часа, а оставшееся время делить поровну на стадии сушки и охлаждения.

Пример 4.1. 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 (см. рис. 4.6);

- принять, что сопротивление массопередаче сосредоточено в газовой фазе.

В качестве адсорбента выбираем активный уголь марки АР-А по таблице П.7 приложения. 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: D_нар = 3 м; D_вн = 1,6 м. Высота решеток Н = 5 м. Тогда высота (толщина) слоя адсорбента Н_сл = (3,0 - 1,6)/2 = 0,7 м.

Эта высота значительно превышает высоту работающего слоя (зоны массопередачи), что исключает возможность пpocкока адсорбтива. Высота слоя, большая высоты зоны массопередачи, определяет только его гидравлическое сопротивление и необходимую продолжительны стадии адсорбции.

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

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 табл. 4.2.

Пользуясь равновесными значениями х₁ и у₁ по адсорбции бензола (стандартное вещество) на активном угле АР-А (таблица П.7 приложения), рассчитывают соответствующие значения х₂ и у₂ для бутилацетата по следующим уравнениям:

,

,

где у_н1 и у_н2 — концентрации поглощаемого компонента в газовой фазе, соответствующие условиям насыщения, кг/м³; Т₁ и Т₂ — температура, К.

Определим значения у₂ и х₂ для бутилацетата по точке на изотерме адсорбции бензола с координатами у₁ = 0,00854 кг/м³ и х₁ = 109,0 кг/м³. По данным таблицы П.8 приложения давление насыщенных паров бензола p_н1 = 75 мм рт. ст. = 9997,5 Па, а бутилацетата р_н2 = 18 мм рт. ст. = 2399,4 Па.

По уравнению газового состояния у = p/RT определяем объемные концентрации:

кг/м³;

кг/м³;

;

кгм³, кг/м³.

Результаты расчета равновесных данных для системы «пары бутилацетата — активный уголь АР-А» приведены ниже:

Как показано на рис. 4.20, изотерму адсорбции ого типа делят на три области, для каждой из которых расчетные уравнения для определения продолжительности адсорбции различны.

По изотерме адсорбции определяют область концентраций (в данном случае область II) и равновесную концентрацию бутилацетата в твердой фазе: х_н = 94 кг/м⁸. Объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе определяют по уравнению:

,

где — диффузионный критерий Нуссельта; d_э — эквивалентный диаметр гранул адсорбента, м; D — коэффициент диффузии в газовой фазе, м²/с; — критерий Рейнольдса; w — фиктивная скорость паро-воздушной смеси, м/с; _y — плотность паровоздушной смеси, кг/м³; _y — вязкость газовой фазы. Па^.с; — диффузионный критерий Прандтля.

Рис. 4.20. Области изотермы адсорбции (к расчету

продолжительности процесса)

Приняв порозность слоя сорбента  = 0,37, рассчитывают d_э для цилиндрических гранул диаметром d и длиной l по уравнению:

мм = 0,0013 м.

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

м².

Фиктивная скорость паровоздушной смеси в адсорбере:

м/с.

Cкорость потока больше 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: _у = 1,21 кг/м³; _у = 0,018 сП = 0,018^.10^-3 Па^.с. Тогда

.

Рассчитывают коэффициент диффузии в газовой фазе:

- при t = 0 °С

м²/ч =

= 0,057^.10^-4 м²/с;

- при t = 20 °С

м²/с.

Рассчитывают диффузионные критерии Прандтля и Нуссельта:

.

.

Определяют объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе:

с^-1.

В соответствии с заданием K_yv  _yv = 14,5 с^-1.

Продолжительность адсорбции рассчитывают по уравнению:

.

Подставив, получим:

c =

= 9,03 ч.

Продолжительность остальных фаз цикла (десорбции, сушки и охлаждения адсорбента) рассчитывают, как правило, на основании экспериментальных данных или по эмпирическим уравнениям (ввиду сложности математического описания соответствующих процессов, обусловленной главным образом внутренней пористостью адсорбента).