§ 3. Устройство и основы расчета адсорбентов с неподвижным слоем поглотителя

По конструкции адсорберы могут быть вертикальные, горизонтальные и кольцевые (рис. 16.2). При неподвижном слое адсорбента процесс адсорбции носит периодический характер и протекает в четыре стадии. Первая стадия — собственно адсорбция, т.е. насыщение поглотителя адсорбируемым компонентом, t_ад. Газовую смесь подают в адсорбер, пропускают через слой адсорбента и выводят из аппарата. Вторая стадия — десорбция поглощаемого компонента из слоя адсорбента t_дес. Подачу газовой смеси прекращают. Через барботер в аппарат подают водяной пар, при этом смесь паров десорбированного компонента и воды, а также конденсат удаляются через соответствующие патрубки. Третья стадия — сушка поглотителя t_суш. Подача водяного пара прекращается, после чего влажный поглотитель сушится горячим воздухом, поступающим в аппарат. Четвертая стадия — охлаждение поглотителя t_охл. Подача горячего воздуха прекращается, после чего поглотитель охлаждается холодным воздухом. По окончании четвертой стадии цикл работы аппарата повторяется. Загрузку и выгрузку поглотителя производят периодически через люки.

Рис. 16.2. Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем поглотителя: а — вертикальный; б — горизонтальный; в — кольцевой. 1 — корпус; 2 — опорная решетка; 3 — слой поглотителя; 4 — люки для загрузки поглотителя; 5 - сборник конденсата: 6 — люки для выгрузки поглотителя

Для того чтобы процесс адсорбции не прерывался, необходимо иметь как минимум два попеременно работающих адсорбера. Схема, предложенная фирмой «Лурги» (рис. 16.3), позволяет осуществлять одновременно очистку газа от пыли и SO₂.

Рис. 16.3. Схема парного адсорбера системы фирмы «Лурги»: 1 — труба Вентури; 2 — сепаратор пыли и влаги; 3 — адсорберы; 4 — сборник кислоты; 5 — циркуляционный насос; 6 — оросительное устройство.

Необходимый диаметр адсорбера находят по заданному расходу газовой смеси V_г и скорости газа w_г:

. (16.1)

В промышленных условиях скорость газа принимают равной 0,1—0,25 м/с. Высота адсорбера зависит от толщины слоя адсорбента Н и определяется заданным временем защитного действия слоя t_ад, которое обусловлено технологическими требованиями.

Приближенно продолжительность собственно процесса адсорбции можно определить исходя из концентраций адсорбированного компонента соответственно в начальный и конечный моменты процесса адсорбции x₁ и х₂.Если масса адсорбента в слое равна М_ад, то количество поглощаемого компонента за один цикл составит

М = М_ад(х₂—х₁). (16.2)

Массу адсорбента легко определить по площади поперечного сечения F, толщине слоя и насыпной плотности _нас:

М_ад = FH_нас. (16.3)

Исходя из уравнения материального баланса количество поглощенного компонента равно убыли этого компонента в газовой смеси за время адсорбции t_ад:

М = w_гF_г{у₁ — у₂) t_ад, (16.4)

где _г — плотность газовой смеси, кг/м³; у₁ — средняя концентрация поглощаемого компонента в газовой смеси при входе в слой, доли ед.; у₂ — то же, на выходе из слоя, доли ед.; w_г— скорость газа в адсорбере, м/с.

Приравнивая правые и левые части уравнений (16.2) и (16.4), получим

t_адc = М_ад(х₂ — x_l)/ w_гF_г{у₁ — у₂). (16.5)

По тем же уравнениям можно определить необходимую толщину слоя адсорбента при заданном времени процесса адсорбции.

Расчет по средним концентрациям является приближенным, более точные методы расчета изложены в специальной литературе.

Продолжительность полного цикла в адсорбере t_п.ц. складывается из продолжительностей отдельных стадий:

t_п.ц = t_ад + t_дес. + t_суш. + t_охл. = t_ад + t_всп

где t_всп — продолжительность вспомогательных операций, определяемая опытным путем (она должна быть меньше, чем t_ад).