А) Расчет адсорберов с движущимся слоем адсорбента.

Схема расчета адсорберов с движущимся слоем адсорбента аналогична расчету адсорберов с неподвижным слоем адсорбента. Некоторое отличие состоит в том, что здесь необходимо рассчитать скорость движения твердой фазы, расход адсорбента, а также специфичен расчет гидравлического сопротивления аппарата.

Ниже приведены основные расчетные формулы.

1. Скорость движения парогазового потока в адсорбере

w_г = (0,7…0,8)^.w_пс,

где w_пс - скорость псевдоожижения слоя, м/с:

w_пс =

где Re_пс - критерий Рейнольдса для скорости псевдоожижения:

где Ar - критерий Архимеда:

Здесь _ад - плотность частиц адсорбента, кг/м³.

2. Скорость движения адсорбента в аппарате

где Х_к^{* -} концентрация адсорбата в твердой фазе, равновесная с Y_н, кг/м³; _п - порозность слоя подвижного адсорбента (_п = 0,33…0,49).

3. Объемный коэффициент массоотдачи определяется по тем же критериальным уравнениям, что и для адсорбера с неподвижным слоем адсорбента. Причем критерий Рейнольдса для подвижного слоя определяют по уравнению:

где f - удельная поверхность слоя адсорбента, м²/м³:

Здесь  - фактор формы частиц (для активных углей  = 0,7…0,9).

4. Сопротивление движущегося слоя адсорбента Р определяет­ся по уравнению

или по формуле

где  - коэффициент трения:

Пример 10. Спроектировать непрерывнодействующую адсорбционную установку для извлечения бензола из воздуха в колонне с движущимся слоем активного угля.

Определить расход адсорбента, диаметр и высоту аппарата, при следующих условиях:

- производительность установки по исходной смеси V_с = 2000 м³/ч = 0,555 м³/с;

- концентрация бензола в исходной паровоздушной смеси у_н = 0,030 кг/м³;

- концентрация бензола на выходе из адсорбционной зоны у_к = 0,001 кг/м³;

- содержание бензола в отработанном адсорбенте 95 %, в регенерированном — 5 % от равновесного с исходной смесью;

- температура процесса 20 °С.

Выбираем для адсорбции активный уголь марки АГ-3 с насыпной плотностью ρ_н = 500 кг/м³. Равновесные данные по адсорбции бензола из воздуха на угле АГ-3 приведены в таблице приложения .

Поскольку адсорбент состоит из частиц разного размера, определяем средний диаметр зерна по соотношению

.

Средние диаметры частиц по фракциям равны:

м;

м;

м.

Тогда

м.

1. Расчет диаметра аппарата.

Скорость газового потока должна быть меньше скорости начала псевдоожижения, которая для слоя сферических частиц может быть найдена из соотношения:

,

где Re_0.пc = w_псd^.ρ_y/μ_y — критическое значение модифицированного критерия Рейнольдса; w_пс — скорость начала псевдоожижения, м/с; d — диаметр шара того же объема, что и частица, м; — критерий Архимеда.

Свойства паровоздушной смеси приняты по воздуху при t = 20 °С: ρ_г = 1,21 кг/м³, μ_г = 0,018^.10^-3 Па^.с. Плотность частиц ρ_т = 1,6^.ρ_н = 1,6^.500 = 800 кг/м³.

Находим значение критерия Архимеда:

а затем критическое значение модифицированного критерия Рейнольдса:

Зная значение , находим w_пс:

м/с.

Принимаем скорость газового потока w paвной 0,3 м/с и рассчитываем диаметр аппарата:

м.

Принимаем диаметр аппарата D_а = 1,6 м и затем уточняем линейную скорость парогазовой смеси:

м/с.

Критическая скорость псевдоожижения выше выбранной, что обеспечивает нормальные условия движения адсорбента через аппарат. В случае, если критическая скорость будет ниже выбранной, необходимо увеличить диаметр адсорбера.

2. Расчет скорости движения адсорбента.

Определяем скорость перемещения адсорбента в колонне. Она должна быть равна скорости движения зоны массопередачи и:

где w – скорость потока, отнесенная ко всему сечению адсорбера, м/с; х_к^* — концентрация выделяемого компонента в твердой фазе, равновесная с у_н, кг/м³; ε — доля свободного объема слоя.

Для движущихся зернистых слоев ε = 0,33…0,49. Принимаем ε = 0,4.

Для нахождения равновесной концентрации выделяемого компонента в твердой фазе х_к^* строим изотерму адсорбции бензола по данным, приведенным в таблице приложения . По у_н = 0,030 кг/м³ находим х_к^* = 162 кг/м³. Тогда скорость движения адсорбента, при которой степень использования его равновесной емкости составляет 0,95, равна:

м/с.

3. Расчет длины слоя адсорбента.

Требуемую длину движущегося слоя адсорбента Н_дв определяют через число единиц переноса по уравнению массопередачи:

,

где S – площадь поперечного сечения слоя, м²; K_yv – объемный коэффициент массопередачи, с^-1; h_э – высота, эквивалентная единице переноса, м; n_оy – число единиц переноса.

Объемный коэффициент массопередачи определяем из соотношения:

,

где β_yv — объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе, c^-1; β_xv — объемный коэффициент массоотдачи в твердой фазе, c^-1; m — коэффициент распределения.

Поскольку коэффициент распределения m = у_н/х_к* = 0,030/162 = 0,000185 очень мал, то величиной m/β_xv можно пренебречь. Тогда K_yv ≈ β_yv. Для расчета объемного коэффициента массоотдачи газовой фазы необходимо определить число Рейнольдса для зернистого слоя:

где w - скорость газовой фазы, м/с; а - удельная поверхность зернистого слоя, м²/м³.

Удельную поверхность для зернистого слоя адсорбента находим из соотношения:

Фактор формы для промышленных гранулированных активных углей и силикагелей лежит в пределах = 0,7…0,9. Выбрав = 0,8, найдем а:

м³/м³.

Тогда число Рейнольдса равно:

При > 30 для расчета β_yv используют соотношение:

где

Находим значение из выражения:

Коэффициент диффузии бензола в воздухе (D_г = 7,7^.10^-6 м²/с) взят из справочных таблиц.

Расчитываем значение :

Значение эквивалентного диаметра для зернистого слоя находим по соотношению:

м.

Определяем β_yv:

c^-1.

Принимаем K_yv = β_yv = 67,9 c^-1.

Число единиц переноса находим методом графического интегрирования. Для этого задаемся рядом значений у в интервале от у_н до у_к. Для каждого значения у находим соответствующее значение х на рабочей линии, а для каждого х – значение у* на равновесной линии, пользуясь рис. 47.

Рис. 47. Рабочая (АВ) и равновесная (ОС) линии процесса адсорбции бензола из воздуха на активном угле марки АР-А.

Полученные значения приведены ниже (табл. 15):

Таблица 15.

С троим график зависимости 1/(у - у*) от у (рис. 48). Площадь под кривой, ограниченная ординатами у_н = 0,030 кг/м³ и у_к = 0,001 кг/м³, равна f = 2020 мм². Находим масштабы по осям: М₁ = 10 по оси 1/(у - у*) и М₂ = 0,0002 по оси у.

Рис. 48. Определение числа единиц переноса методом графического интегрирования.

Число n_оу находим по уравнению:

Определяем требуемую длину движущегося слоя адсорбента:

м.

При таком соотношении диаметра аппарата и высоты движущегося слоя возможен проскок адсорбтива вследствие колебаний скорости потока, особенно скорости движения слоя, обеспечиваемой разгрузочными и загрузочными устройствами.

Исходя из этого, принимаем Н_дв = 0,2 м.

Загрузочные и разгрузочные устройства адсорберов с движущимся слоем поглотителя весьма громоздки и сложны, однако от них зависит скорость и равномерность движения слоя адсорбента. Приняв высоту установки загрузочного устройства 0,8 м, а для разгрузочного - 1 м, получим высоту адсорбера:

Н_а = Н_дв + Н_загр + Н_разгр = 02 + 08 + 10 = 2 м.

Расход адсорбента определим из уравнения

кг/с = 198 кг/ч.

Специфическим требованием для вспомогательного оборудования является его взрывобезопасное исполнение. Вентиляторы, например, должны иметь герметичный корпус во избежание утечек растворителя, исключения возможности попадания в него твердых частиц, способных вызвать искрение. Корпус вентилятора из этих соображений часто футеруют цветными металлами (медь, латунь). Иногда вентиляторы и электродвигатели к ним устанавливают в смежных помещениях, пропуская вал вентилятора в сальнике через стену.

Из тех же соображений взрывобезопасности в схеме адсорбционных установок предусматриваются огнепреградители и предохранители-компенсаторы.

Огнепреградители предназначены для предотвращения распространения пламени в случае возгорания паровоздушной смеси. Принцип их действия заключается в поглощении выделяющегося при горении тепла, различными насадками (металлические сетки, фарфоровые шарики, гравий, другие теплоемкие элементы). Чаще всего используются гравийные огнепреградители. Размер частиц гравия 3,5 3,5 мм, толщина слоя 70…80 мм.

Предохранители-компенсаторы служат для предотвращения разрушений адсорбционной установки при возникновении взрыва. Они представляют собой участки трубопровода, снабженные мембранами из тонколистовой меди, латуни, алюминия. Толщина мембраны 0,1…0,2 мм.