Задание 3 Адсорбция

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ №3
«АДСОРБЦИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРИМЕСЕЙ ИЗ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ»
1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АДСОРБЦИИ
Физическая основа метода адсорбции – способность некоторых твердых тел с
ультрамикроскопической
структурой
(адсорбентов)
селективно
извлекать
и
концентрировать на своей поверхности отдельные компоненты из газовой смеси
(адсорбтивы). В пористых телах с капиллярной структурой поверхностное поглощение
дополняется капиллярной конденсацией.
Адсорбция
подразделяется
на
физическую
и
химическую
(хемосорбцию).
Преимущество физической адсорбции – обратимость процесса. При уменьшении давления
адсорбтива в потоке газа либо при увеличении температуры поглощенный газ легко
десорбируется без изменения химического состава. Обратимость данного процесса
исключительно важна, если экономически выгодно рекуперировать адсорбируемый газ
или адсорбент. Процесс хемосорбции, как правило, необратим; при десорбции меняется
химический состав адсорбтива. Поэтому, если желательна регенерация адсорбента или
рекуперация адсорбтива, то адсорбент следует выбирать таким образом, чтобы
преобладали процессы физической адсорбции. Кроме того, поверхность адсорбента может
оказаться катализатором.
В качестве адсорбента применяются вещества с большой удельной поверхностью
105...106 м2/кг (активированный уголь, активированный глинозем, силикагель, активированный оксид алюминия Аl2O3, цеолиты).
С увеличением температуры происходит снижение адсорбционной способности
адсорбента. На этом свойстве адсорбентов основан процесс их регенерации. Регенерацию
осуществляют либо нагревом насыщенного адсорбента до температуры, превышающей
рабочую, либо продувкой его паром, либо горячим газом.
Расчет адсорбера состоит в определении массы адсорбента, конструктивных
размеров и времени защитного действия адсорбера.
Минимальную
необходимую
массу
сорбента
определяют
из
уравнения
материального баланса по улавливаемому компоненту:
ma =
Q(C0 - Cк )  τ
aд
=
Q(C0 - Cк )  τ
a
 kз
где Q – объемный расход очищаемого газа, м3/с;
С0 и Ск– начальная и конечная концентрации удаляемой примеси (адсорбтива), кг/м3;
τ– время процесса адсорбции, с;
ад – динамическая поглотительная емкость адсорбента в рабочих условиях, кг/кг;
а∞ – статическая (равновесная) поглотительная емкость адсорбента в равновесных
условиях, кг/кг;
kз – коэффициент запаса.
Динамическая адсорбционная емкость поглотителя меньше его равновесной
адсорбционной емкости, поскольку в рабочих условиях при непродолжительном контакте
твердой и газовой фаз адсорбционное равновесие не может установиться.
ад = а∞ η,
где η – степень использования равновесной (статистической) адсорбционной емкости.
При следующих условиях проведения процесса адсорбции Hа = 0,3…0,5 м; w =
0,3…0,5 м/с; С0 = (1…20) · 10-3 кг/м3 степень использования равновесной адсорбционной
емкости η равна 0,8…0,9. Таким образом, коэффициент запаса – величина, обратная
степени использования равновесной адсорбционной емкости kз
1
η
=
a
aд
=
, равен
1,1...1,2.
Динамическая сорбционная емкость (активность) ад – количество адсорбтива,
поглощенного слоем сорбента до момента его появления за слоем (проскока),кг/м2.
ад = С0∙w∙τз,
где С0 – начальная концентрация адсорбтива в газовом потоке, кг/м3;
w – скорость газового потока, м/с;
τз – время защитного действия слоя адсорбента, с. Это время, прошедшее от начала
пропускания парогазовой смеси через слой адсорбента до момента появления (проскока)
адсорбтива за слоем адсорбента.
Время защитного действия слоя адсорбента определяется по уравнению Шилова:
τз = kз (Hа – hа);
kз ∙hа = τ0; τ3 = kз ∙Hа – τ0; kз =
a
w  C0
,
где kз – коэффициент защитного действия слоя адсорбента, выражающий время
перемещения фронта сорбции на единицу высоты слоя поглотителя, с/м;
На – высота слоя адсорбента, м;
hа– высота неиспользованного слоя адсорбента в условиях динамического опыта, м;
τ0 – потеря времени защитного действия слоя сорбента, с.
Геометрические размеры адсорбера подсчитывают по формулам:
Da =
4ma
4Q
; Ha =
,
πw
π  Da 2  ρнас
где ρнас – насыпная плотность адсорбента, кг/м3.
Адсорбция
–
экзотермический
процесс,
сопровождающийся
выделением
значительного количества теплоты. Практически можно считать, что величина теплоты
адсорбции не зависит от температуры. Зависимость удельной теплоты адсорбции qуд
(кДж/кг угля) от количества поглощенного пара определяется формулой:
qуд = m∙an, где
а – количество адсорбированного пара, л/кг угля;
m и n – эмпирические константы, зависящие от природы адсорбента и адсорбтива.
Адсорбция эффективна при удалении больших концентраций загрязняющих
веществ (при этом необходима высокая адсорбционная емкость и большая масса
адсорбента). В тех случаях, когда концентрации загрязнителей невелики и обработке
подвергается большое количество воздуха, адсорбция может оказаться эффективной для
удаления летучих углеводородов и органических растворителей. Этот метод применим в
случаях, когда загрязняющий газ трудно или невозможно сжечь, когда необходима
гарантированная рекуперация достаточно ценной примеси, когда нужно удалить пары
ядовитых веществ и предполагаемых канцерогенов.
2 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Пример 1. Определите требуемое количество активированного угля, высоту слоя
адсорбента и диаметр адсорбера периодического действия для поглощения паров бензина
из смеси его с воздухом. Объемный расход паровоздушной смеси, подаваемой на
адсорбцию Q = 3450 м3/час. Начальная концентрация бензина С0 = 0,02 кг/м3. Скорость
паровоздушной смеси w = 0,23 м/с, считая на полное сечение аппарата. Динамическая
адсорбционная емкость активированного угля (АУ) ад = 7% (масс.), остаточная активность
после десорбции 0,8% (масс.). Насыпная плотность АУ ρнас = 500 кг/м3.
Продолжительность периода адсорбции составляет 1,45 час.
Решение:
Масса адсорбента из уравнения материального баланса по загрязнителю
(удаляемой примеси) равна:
Q  C0  
3450 м 3 / час  0,02 кг / м 3 1,45 час
=
= 1614 кг.
0,07  0,008
aд
Геометрические размеры адсорбера следующие:
ma =
Da =
Нa =
4  3450
4Q
=
= 2,3 м.
3,14  3600  0,23
w г
4m а
D a2   нас
=
4 1614
3,14  2,32  500
= 0,78 м.
Ответ: Масса АУ равна 1614 кг, диаметр адсорбера 2,4м, высота слоя адсорбента
0,78м.
Пример 2. Определите диаметр адсорбера, количество загружаемого активированного угля и продолжительность периода поглощения 100 кг паров октана при следующих
данных: начальная концентрация октана в паровоздушной смеси С0 = 0,012 кг/м3,скорость
паровоздушной смеси, считая на полное сечение аппарата w = 20 м/мин, динамическая
адсорбционная емкость АУ по октану ад = 7% (масс.), насыпная плотность АУ ρнас = 350
кг/м3, высота слоя АУ в адсорбере На = 0,8 м.
Решение:
Массу адсорбента можно рассчитать через массу октана и адсорбционную емкость
АУ:
ma = mокт / ω = 100 / 0,07 = 1429 кг.
Объем АУ равен:
Va = ma / ρнас = 1429 / 350 = 4,08 м3.
Площадь сечения адсорбера:
Sa = Vа / Hа = 4,08 / 0,8 = 5,1 м2.
Диаметр адсорбера определяют из площади сечения адсорбера:
D a 2
Sа =
4
 Da =
4S
= 2,55 м.

Объемный расход парогазовой смеси равен:
Q = w∙S = 20 м/мин ∙ 5,1 м2 = 102 м3/мин.
Из уравнения материального баланса по улавливаемой примеси определяем период
поглощения 100 кг октана:
ma =
Q  C0  
aд
 τ=
ma  a д
Q  C0
=
1429  0,07
= 81,7 мин = 1,36 час.
102  0,012
Ответ: Диаметр адсорбера равен 2,55 м. Масса загружаемого адсорбента равна
1429 кг. Продолжительность периода поглощения 1,36 час.
Пример 3. В вертикальный кольцевой адсорбер диаметром Da = 3м со стальной
трубой диаметром da = 0,35 м поступает 170 м3/мин парогазовой смеси, содержащей С0 =
0,02 кг/м3 паров этанола С2Н5ОН. Остаточная концентрация паров этанола в парогазовой
смеси Свых = 0,0002 кг/м3. Высота слоя адсорбента На = 1,5 м. Насыпная плотность АУ ρнас
= 500 кг/м3. Время периода поглощения 4 час 37 мин. Определите количество теплоты,
выделяющейся в адсорбере за один период.
Решение:
Площадь сечения адсорбера составляет:
S=
d a2
Da2

= (3,14/4)∙(9 – 0,1225) = 6,97 м2.
4
4
За один период через адсорбер проходит парогазовой смеси:
V = Q ∙ τ = 170 м3/мин ∙277 мин = 47090 м3.
Адсорбируется этилового спирта:
mсп = Q · (С0 – Ск) · τ = V · (С0 – Ск) = 47090 м3 ∙ (0,02 – 0,0002) кг/м3 = 932,4 кг.
В адсорбер загружается активированного угля:
mа = V ∙ ρнас = S ∙ H ∙ ρнас = 6,97 ∙ 1,5 ∙ 500 = 5227,5 кг
Теплоту адсорбции можно рассчитать по формуле:
qуд = m ∙ an, где
а – количество адсорбированного пара, л/кг;
m и n – эмпирические константы, зависящие от природы адсорбтива и адсорбента.
Количество (моль) адсорбированного этанола:
νсп = mсп / Mсп = 932,4 / 46 = 20,27 кмоль .
Количество адсорбированных паров (л/кг):
а = νсп · Vм / mа =
20,27  22,4 1000
= 86,86 л/кг.
5227,5
Для случая адсорбции паров этанола на АУ m = 3,65 кДж/кг , n = 0,928.
qуд = 3,65 ∙ 86,860,928 = 229,77 кДж/кг;
q = 229,77 ∙ 5227,5 = 1201109,6 кДж ≈ 1,2∙106 кДж (выделяется за один период
поглощения).
Ответ: За один период в адсорбере выделяется 1,2∙106 кДж теплоты.
Пример 4. Определите количество тепла, которое выделяется за один период (τ =
133 мин) при адсорбции паров этанола активированным углем. Диаметр адсорбера Da = 2
м, высота слоя АУ На = 1 м, скорость парогазовой смеси, считая на полное сечение
аппарата wг = 25 м/мин. Концентрация паров этанола на входе в аппарат С0 = 0,029 кг/м3,
на выходе из адсорбера – Ск =0,0002 кг/м3, насыпная плотность АУ ρнас = 500 кг/м3.На
какую величину повысится температура парогазовой смеси в процессе адсорбции?
Решение:
Da2
Поперечное сечение аппарата составляет S =
= 3,14∙22/4 = 3,14 м2.
4
За один период через адсорбер проходит объем парогазовой смеси:
V = Q ∙ τ = w ∙ S ∙ τ = 25 м/мин ∙ 3,14 м2 ∙ 133 мин = 10400 м3.
Адсорбируется паров этилового спирта:
mсп = Q · (С0 – Ск) · τ = V · (С0 – Ск) = 10400 · (0,029 – 0,0002) = 3000 кг.
В адсорбер загружается активированного угля:
mа = V ∙ ρнас = S ∙ Hа ∙ ρнас = 3,14 ∙ 1 ∙ 500 = 1570 кг.
Теплоту адсорбции можно рассчитать по формуле:
qуд = m ∙ an, где
а – количество адсорбированного пара, л/кг;
m и n – эмпирические константы, зависящие от природы адсорбтива и адсорбента.
Количество (моль) адсорбированного этанола:
νсп = mсп / Mсп = 3000 / 46 = 6,52 кмоль.
Количество адсорбированных паров (л/кг):
а = νсп · Vм / mа = 6,52∙22,4∙1000 / 1570 = 93 л/кг.
Для случая адсорбции паров этанола на АУ m = 3,65 кДж/кг , n = 0,928.
qуд= 3,65 ∙ 930,928 = 245 кДж/кг;
q = qуд · mа = 245 ∙ 1570 = 384650 кДж (выделяется тепла за один период).
Это тепло расходуется на нагревание угля и аппаратуры, на тепловые потери и в
основном на нагревание парогазовой смеси. Если предположить, что все выделившееся
тепло расходуется только на нагревание парогазовой смеси, и считать удельную
теплоемкость и плотность ее как для воздуха (С = 1,01∙103 Дж/(кг∙К), ρ = 1,2 кг/м3), то
температура смеси повысится на:
∆t =
g
=384650∙103/(10400∙1,2∙1,01∙103) = 30,5 K
V Cρ
Ответ: За один период в адсорбере выделяется 384650 кДж теплоты. Температура
парогазовой смеси повышается на 30,5К.
Пример 5. По опытным данным, продолжительность поглощения паров
хлорпикрина (С0 = 6,6 г/м3) слоем активированного угля высотой На = 0,05 м и площадью
сечения S = 0,01 м2 при объемном расходе Q = 0,03 м3/мин составляет τ3 = 336 мин. По
изотерме адсорбции хлорпикрина активированным углем а∞ = 222 кг/м3. Определите:
а) коэффициент kз защитного действия слоя активированного угля;
б) потерю времени защитного действия слоя сорбента τ0.
Решение:
Коэффициент kз защитного действия слоя активированного угля рассчитывается
по формуле:
kз =
a
w  C0
.
Для расчета kз необходимо вычислить скорость газового потока:
Q
= 0,03 / 0,01 = 3 м/мин.
S
kз = 222 кг/м3 /(3 м/мин ∙ 0,0066 кг/м3) = 11212 мин/м = 186,9 час/м.
w=
Время защитного действия слоя адсорбента можно вычислить из уравнения
Шилова:
τз = kз (Hа – hа); τ3 = kз ∙Hа – kз ∙hа = kз ∙Hа  τ0,
где τ0  потеря времени защитного действия слоя сорбента.
Отсюда τ0 = kз ∙Hа  τ3 = 11212 мин/м ∙ 0,05 м – 336 = 224,6 мин.
Ответ: Коэффициент защитного действия слоя АУ равен 186,9 час/м. Потеря
времени защитного действия слоя сорбента составляет 224,6 мин.
ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
Вычислите количество теплоты, которое выделяется в адсорбере периодического
действия за один период при адсорбции заданного адсорбтива на активированном угле.
Габариты адсорбера и параметры процесса приведены в таблице.
№
варианта
Диаметр
адсорбера,
м
Высота
слоя
АУ,
м
Насып
-ная
плотность
АУ,
кг/м3
Скорость
парогазовой
смеси,
м/с
Адсорбтив
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
2,0
2,5
2,1
2,2
2,3
3,0
2,4
2,5
2,6
2,7
2,8
2,9
3,0
2,0
2,0
2,9
0,5
0,6
0,5
0,5
0,6
1,0
0,6
0,6
0,7
0,8
0,8
1,0
1,0
0,5
0,5
0,7
500
450
500
400
350
500
350
500
500
350
350
450
400
450
400
350
0,20
0,20
0,15
0,25
0,30
0,32
0,30
0,25
0,32
0,15
0,10
0,35
0,10
0,30
0,25
0,35
CH3OH
CHCl3
C6H6
CCl4
(C2H5)2O
C2H5Cl
CS2
C2H5OH
CH3OH
CHCl3
C6H6
C2H5OH
C2H5Cl
CCl4
(C2H5)2O
CH3OH
Содержание
адсорбтива в
парогазовой
смеси, г/м3
наконеччальное
ное
15
0,07
25
0,25
20
0,15
12
0,10
25
0,25
20
0,10
30
0,30
20
0,20
16
0,08
26
0,26
22
0,20
25
0,25
10
0,09
27
0,30
18
0,09
26
0,25
Период
адсорбции,
час
5,0
4,7
4,8
4,5
5,0
4,8
4,5
5,2
5,0
4,7
5,0
5,6
4,5
4,5
5,0
5,5
Коэффициенты
в уравнении
q = m·a n
m,
n
кДж
кг
3,014 0,938
3,468 0,935
3,240 0,959
3,738 0,930
3,839 0,913
3,091 0,915
3,140 0,921
3,646 0,928
3,014 0,938
3,468 0,935
3,240 0,959
3,646 0,928
3,091 0,915
3,738 0,930
3,839 0,913
3,014 0,938
Варианты №№ 1,3,5,7,9,11,13,15. Рассчитайте, на сколько градусов повысится
температура паровоздушной смеси, если предположить, что все количество тепла,
выделяющееся в процессе адсорбции, расходуется на нагревание этой смеси. Примите
плотность смеси равной 1,2 кг/м3, теплоемкость – 1,01 кДж/(кг·К).
Варианты №№ 2,4,6,8,10,12,14,16. Рассчитайте, какой объем воды можно нагреть от
20 С до 1000С, если предположить, что все количество тепла, выделяющееся в процессе
адсорбции, расходуется на нагревание воды. Теплоемкость воды равна 4,186 кДж/(кг·К).
0