Keemiatehnika adsorberi projekt (1)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Keemiatehnika instituut
Õppeaine
KAT0023 Keemiatehnika - projekt
ADSORBERI EELPROJEKT
Üliõpilane: Juhendaja :
Kood:
Esitatud:
TALLINN
2011
Задание на проектирование
Данные для расчета и проектирования:
Пары бензина, объемный расход 10000 м3/ч, начальная концентрация 0,01 кг/м3, конечная концентрация 0,0009 кг/м3.
Тип установки: периодического действия с неподвижным слоем адсорбента, 4 фазный цикл.
Дополнительно:
Рассчитать необходимую рабочую площадь конденсатора
Прилагаемый графический материал к проекту:

Технологическая схема установки

Схема основного устройства
Введение
Свойства бензина
Бензи́н — горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °C. Плотность около 0,75 г/см³. Теплотворная способность примерно 10500 ккал/кг (46 МДж/кг, 34,5 МДж/литр). Температура замерзания ниже −60 °C.
Получение
Бензин получают путем разгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определенных температурных пределах; до 100 °C—бензин I сорта, до 110 °C — бензин специальный, до 130 °C — бензин II сорта, до 265 °C -—керосин («метеор»), до 270 °C — керосин обыкновенный, примерно до 300 °C -производится отбор масляных фракций. Остаток считается мазутом.
Применение
В конце XIX века бензин не находил лучшего применения, чем антисептическое средство (бензин продавался в аптеках) и топлива для примусов. С появлением двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто, бензин стал одним из главных продуктов нефтепереработки. Бензин применяется как топливо для карбюраторных и инжекторных двигателей, высокоимпульсное ракетное топливо (Синтин), при производстве парафина, как растворитель, как горючий материал, сырье для нефтехимии прямогонный бензин или бензин газовый стабильный (БГС).
Бензины-растворители. Нашли применение узкие легкокипящие продукты каталитического риформинга (БР-2) или прямой перегонки малосернистых нефтей (БР-1) в качестве растворителя для приготовления резиновых клеев при производстве печатных красок, мастик; для обезжиривания электрооборудования, тканей, кожи, поверхностей металлов перед нанесением металлических покрытий; для промывки подшипников, арматуры перед консервацией, в производстве искусственных мехов; для изготовления быстросохнущих масляных красок и электроизоляционных лаков; для извлечения канифоли из древесины, приготовления спирто-бензиновой смеси для промывки печатных плат в электротехническом производстве.
Экстракционные бензины (температура кипения 70-95 °C) прямой перегонки малосернистых нефтей применяются для экстракции растительных масел, извлечения жира из костей, никотина из махорочного листа, как растворитель в резиновой и лакокрасочной промышленности.
Малосернистый деароматизированный экстракционный бензин (температура кипения 70-85 °C) применяется для выработки масел в районах с жарким климатом (высокой испаряемостью).
Получаемый из рафината каталитического риформинга (температура кипения 105—125 °C) растворитель БЛХ содержащий в основном парафиновые углеводороды линейного и изомерного строения производится специально для лесохимической промышленности и применяется для извлечения канифоли из древесной щепы, иногда при приготовлении резиновых клеев и лаковых рецептур типографских красок.
Широкое применение получил Нефрас С 50/170 (ГОСТ 8505-80) (широкая фракция прямой перегонки малосернистых нефтей или рафината каталитического риформинга) в качестве растворителя при производстве искусственных кож, для химической чистки тканей, промывке деталей перед ремонтом, для смывания с деталей противокоррозийных покрытий и др.
Особенно распространён бензин-растворитель для лакокрасочной промышленности — Уайт-спирит.
( http://ru.wikipedia.org/wiki/Бензин )
Расчеты
Построение изотермы адсорбции для паров бензина.
Следуя заданию рассчитать адсорбционную установку для улавливания паров бензина из воздуха, выбираем в качестве адсорбента активный уголь марки АР-Б (с 148, [2]). В данном случае уголь АР-Б выбран в соответствии со свойствами, пористой структурой и назначением (для рекуперации). Этот уголь обладает низкой удерживающей способностью, т.е. легко регенерируется.
Равновесные данные по адсорбции паров бензола и их смеси с воздухом на активном угле АР-Б отсутствуют, поэтому приняты идентичными данным по адсорбции для активированного угля марки АР-А, поскольку уголь марки АР-Б наиболее близок по фракционному составу и насыпной плотности к углю марки АР-А.
Таблица 1. Равновесные данные для системы бензин – активированный уголь АР-А.
Адсорбент
Концентрация бензола в газовой фазе y1, кг/м3
Концентрация бензола в твёрдой фазе х1, кг/м3
Концентрация бензина в газовой фазе у2, кг/м3
Концентрация бензина в твёрдой фазе х2, кг/м3
АР-А
0,00854
109,0
0,0035
80,74
0,02560
134,2
0,0142
99,41
0,05125
139,8
0,0343
103,56
0,09390
143,0
0,0740
105,93
0,17060
147,3
0,1582
109,11
0,25600
151,2
0, 2650
112,00
Пользуясь равновесными значениями х1 и у1 по адсорбции бензола (стандартное вещество) на активном угле АР-А, рассчитываем соответствующие значения х2 и у2 для бензина по следующим уравнениям:
х2=х1(1/β) lg y2=lg y2,н-β(T1/T2) lg (y1,н/y1)
где β=1,35(для н-гексана (с 150, [2])),
у1,н , у2,н – концентрации поглощаемого компонента в газовой фазе, соответствующие условиям насыщения, кг/м3 , и соответствующие температурам Т1 и Т2
Давление насыщенных паров бензола (293 К) р1,н=75 мм рт. ст., для бензина давление насыщенный паров (311 К) р2,н=500 мм рт. ст.
Для бензина известно, что определение давления паров проводят при температуре 38 °С. В летних сортах бензина давление насыщенных паров не должно превышать 500 рт. ст., зимние же сорта имеют большее значение давлений от 500…700 рт. ст.. (ГОСТ 1756-83, ГОСТ 2084-77)
По уравнению газового состояния y=p/RT определяем объемные концентрации:
у1,н==0,0041 кг/м3
у2,н ==0,0258 кг/м3
lg y2=lg 0,0258 – 1,35*(293/311)*lg(0,0041/0,00854)=-1, 1831
у2=0,0656 кг/м3
х2=109,0(1/1,35)=80,74 кг/м3
Результаты расчета равновесных данных для системы бензин – активированный уголь заносятся в таблицу 1.
По результатам таблицы 1 строится изотерма адсорбции для бензина
График 1. Изотерма адсорбции для бензина.
Фиктивная скорость потока паровоздушной смеси не должна превышать 0,3 м/с, площадь поперечного сечения адсорбера должна быть равна
S≥
S≥= 9,26 м2
Диаметр вертикального адсорбера:
d≥ =3,43 м
При высоте вертикального адсорбера до 2,2 м, его диаметр может составлять до 3 м.
Горизонтальные адсорберы имеют диаметр 1,8-2 м, длину цилиндрической части корпуса 3-9 м.
Выбираем тип адсорбера – вертикальный, диаметр адсорбера d=3,5 м
Высота адсорбера 2,5 м.
Начальная концентрация бензина в воздухе 0,01 кг/м3, равновесная концентрация бензина в активированном угле х*=95 кг/м3. Данная точка относится к первой области изотермы (p/ps≤0,17).
Расчет объемного коэффициента массоотдачи в газовой фазе.
Объемный коэффициент массоотдачи ky в газовой фазе определяем по уравнению:
Sh=0,725*Re0,47*Sc0,33, где
Sh=kyd2ekv/D
dekv - эквивалентный диаметр гранул адсорбента (м)
D – коэффициент диффузии в газовой среде (м2/с)
Re=v*dekv*ρy/μy - критерий Рейнольдса
v – фиктивная скорость паровоздушной смеси в адсорбере (м/с)
ρy - плотность паровоздушной смеси (кг/м3)
μy - вязкость газовой фазы (Па*с)
Sc= μy /D ρy - диффузионный критерий Прандтля.
Отсутствует информация о форме частиц, принимаем порозность слоя сорбента ε=0,375.
Предполагаем, что частицы цилиндрические, диаметр гранул 3 мм, длина гранул 4 мм.
Эквивалентный диаметр dekv=0,6*
(d – диаметр гранул, l – длина гранул)
dekv=0,6*3*4/ (3/2+4)=7,2/5,5=1,31 мм = 0,00131 м
Фиктивная скорость паровоздушной смеси в адсорбере: v=V/S*3600,
где V – начальный объем газа м3/с, S – площадь адсорбера (S=3,14*d2/4 , где d – диаметр адсорбера)
v==0,29 м/с
Свойства паровоздушной смеси принимаем по воздуху при 293К: ρ=1,21 кг/м3, μ=0,018*10-3 Па*с, тогда:
Re==25,5
Рассчитываем коэффициент диффузии в газовой фазе:
При 273 K
D0=*, где
vm – мольный объем газа, определяемый как сумма атомных объемов элементов, входящих в состав газа
M – мольная масса
По таблице 6,3 (с. 288, [1]) рассчитываем vm для гексана: vm=14,8*6 + 3,7*14=140,6 см3/моль
D0=*=0,0218 м2/ч = 6,1*10-6 м2/с
При 293 К
D=D0()3/2=6,1*10-6*()3/2 =6,782*10-6 м2/с
Диффузионный критерий Прандтля: Sc= 0,018*10-3 /6,782*10-6 * 1,21=2,19
Диффузионный критерий Нуссельта: Sh=0,725*25,50,47*2,190,33 = 4,303
Объемный коэффициент массоотдачи в газовой фазе:
ky==4,303*6,782*10-6 /0,001312= 17,01 с-1
Определение высоты слоя активного угля.
Продолжительность фаз процесса принято изображать в виде таблиц, называемых циклограммами. Ниже приведена циклограмма работы рекуперационной установки, состоящей из двух адсорберов и работающей по четырехфазному циклу (а –адсорбция, д – десорбция, с – сушка, о - охлаждение):
Таблица 2. Продолжительность фаз процесса.
Время, ч
1
2
3
4
Адсорбер №1
Адсорбер№2
о
Используем формулу продолжительности адсорбции для первой области:
= - b
Откуда: H=
b берем из таблицы 9,3 (с 408, [1]): ==0,09
данные из таблицы:
ук/ун
b
0,05
1,19
0,09
x
0,1
0,94
Интерполируя, найдем, что х=0,94 – =0,99
Таким образом, b=0,99
Время работы, исходя из таблицы 2, равно 4 часам (14400 с).
H= = 0,79 м
Количество адсорбента (угля марки АР-Б) рассчитываем по формуле (с 421, [1]):
Ga=S*H*ρнас = *H*ρнас,
где ρнас – насыпная плотность угля (таблица IX.2, с 148 [2]), кг/м3
Ga=*0,79*580=4406,2 кг
Расчет необходимой рабочей площади конденсатора.
Соотношение количества водяного пара к десорбируемому компоненту =5:1.
Из уравнения теплопередачи (с. 168, [1]) находим площадь конденсатора A:
Q=A*∆T*U, где
А - Площадь конденсатора (м2),
Q - тепловой поток, расход передаваемой теплоты (Вт),
U – коэффициент теплопередачи (Вт/м2*К),
∆T – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя (К).
В данной работе коэффициенты теплопередачи не рассчитывались. В качестве коэффициентов теплопередачи берем значения из таблицы 4.8 (с 172, [1]).
U=800- 3500 Вт/м2*К (от конденсирующегося пара к воде).
Средняя разность температур определяется следующим образом (с. 169, [1]):
∆T=
∆Tк==73,99 °C;
Для нахождения Q, находим количество газа, которое проходит через конденсатор за секунду:
m=t*ṁ*ρ – количество необходимого газа (кг) на один 4-х часовой цикл.
m бензин=4*10000*0,01 = 400 кг/цикл
Так как на конденсацию идет в 5 раз больше воды, то
m H2O=5*400 = 2000 кг/цикл
Конденсация длится 1 час, значит необходимое количество воды в секунду:
m H2O==0,1389 кг/с
По таблице XXXIX (с 537, [1]) находим Н=419 кДж/кг. Отсюда
Qконд.= 419*1000*0,1389 = 58199,1 Вт
Необходимая рабочая площадь конденсатора вычисляется как
А =
Поскольку коэффициент теплопередачи сильно колеблется, то при подсчете площади возьмем два крайних его значения, что поможет увидеть, как сильно зависит от этого площадь.
А800=
= 0,9832 м2; А3500=
= 0, 2247 м2
Влияние температуры
Процесс адсорбции заканчивается установлением адсорбционного равновесия между адсорбентом и адсорбатом. Условием равновесия является равенство химических потенциалов обеих фаз. С ростом температуры или давления адсорбата в объеме увеличивается частота попаданий молекул адсорбата на поверхность адсорбента; пропорционально ей возрастает скорость адсорбции и увеличивается равновесное количество адсорбированных молекул. Кривые зависимости равновесной адсорбции от температуры или давления адсорбата называются, соответственно, изобарой и изотермой адсорбции.
Адсорбированные молекулы могут перемещаться по поверхности, совершая при этом колебательные движения, то приближаясь к поверхности, то удаляясь от нее. Время, в течение которого молекула находится на поверхности, называется временем адсорбции. С ростом температуры время адсорбции уменьшается: чем выше температура, тем интенсивнее колебательное движение, и больше вероятность того, что в процессе таких колебаний связь молекулы с поверхностью будет разорвана и молекула покинет поверхность. Процесс, при котором адсорбированные молекулы покидают поверхность, называется десорбция. Скоростью адсорбции (десорбции) называется отношение количества молекул, адсорбирующихся (десорбирующихся) за единицу времени, к единице поверхности или массы адсорбента. Если скорости адсорбции и десорбции равны друг другу, устанавливается адсорбционное равновесие. В состоянии равновесия количество адсорбированных молекул остается постоянным сколь угодно долго, если неизменны внешние условия (давление, температура и др.).
Физическая адсорбция возникает за счет ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Она характеризуется обратимостью и уменьшением адсорбции при повышении температуры, т.е. экзотермичностью. С повышением температуры физическая адсорбция уменьшается, так как возрастает интенсивность теплового движения молекул газа, стремящихся равномерно распределиться по всему объему системы. Это приводит к уменьшению времени адсорбции, а следовательно, к уменьшению количества адсорбированного вещества.
Технологическая схема установки
Рисунок 1 Схема адсорбционной установки периодического действия с неподвижным слоем адсорбента. 1 – адсорбер, 2, 10, 12 – вентиляторы, 3 – фильтры, 4 – огнепреградитель, 5, 8 – холодильник, 6 – разделитель, 7 – конденсатор, 9 – сборник,
11 – калорифер, 13 – гидрозатвор.
Исходная смесь подается в адсорбер 1 вентиляторами 2 через рукавные фильтры 3, огнепреградитель 4 с разрывными мембранами и холодильник 5. Число адсорберов определяется в соответствии с графиком работы установки, составляемым в зависимости от производительности одного аппарата и продолжительности отдельных фаз цикла.
Очищенный в результате адсорбции газ удаляется из адсорбера. По окончании фазы адсорбции линия подачи исходной смеси (вентилятор, фильтр, огнепреградитель, холодильник) переключаются на следующий адсорбер, в котором уже прошли стадии регенерации адсорбента (десорбция, сушка, охлаждение), а в первом аппарате начинается десорбция.
Острый пар давлением 0,3…0,5 МПа подается на десорбцию в адсорбер 1 (давление в адсорбере до 0,05 МПа) через штуцер Б. Смесь извлекаемого компонента с так называемым динамическим паром (пар, который неконденсируется в слое адсорбента) выходит из адсорбера через штуцер А и поступает через разделитель 6 в конденсатор 7, холодильник 8 и сборник 9. Из сборника 9 смесь идет на разделение (отстаивание, ректификация и т.д.).
Образовавшийся в адсорбере конденсат греющего пара (часть пара, идущего на нагрев системы до температуры процесса, на десорбцию извлекаемого компонента, на компенсацию отрицательной теплоты смачивания адсорбента водой и на компенсацию потерь тепла) удаляется через гидрозатвор 13.
Воздух для сушки вентилятором 10 нагревается в калорифере 11 до 80…100 °С, подается в адсорбер через штуцер А и удаляется из адсорбера через штуцер Б. Вентилятор 12 через штуцер А подает на охлаждение адсорбента атмосферный воздух, который удаляется из адсорбера через штуцер Б (при наличии в схеме только двух адсорберов для этой цели может быть использован вентилятор 10). На этом цикл заканчивается, и адсорбер переключается на стадию адсорбции.
Схема основного устройства.
Рисунок 2. Вертикальный адсорбер. 1 – гравий; 2 – разгрузочный люк; 3, 6 - сетка; 4 – загрузочный люк; 5 –штуцер для подачи исходной смеси; 7 – штуцер для отвода паров при десорбции; 8 - штуцер для предохранительного клапана; 9 – крышка; 10 –грузы; 11 – кольцо жесткости; 12 – корпус; 13 – адсорбент; 14 – опорное кольцо; 15 – колосниковая решетка; 16 – штуцер для отвода очищенного газа; 17 – балки; 18 – смотровой люк; 19 – штуцер для отвода конденсата и подачи воды; 20 – барботер; 21 – днище; 22 – опоры балок; 23 – штуцер для подачи водяного пара через барботер.
Источники.

Павлов, К., Романков, П., Носков, А. (1978). Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - издание десятое, переработанное и дополненное.

Дытнерский, Ю. (1983). Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию. – Москва: Химия.

Ветошкин, А. (2006). Процессы и аппараты газоочистки. Учебное пособие. – ПГУ.
[WWW] http:// eco.com.ua/ sites /eco.com.ua/files/lib1/ochistka_gaz/proc_app_gaz.pdf (15.04.2011).