Расчет адсорбера – десорбера

Уравнение материального баланса адсорбции по извлекаемому компоненту (рисунок 7.3)

; (7.5)

или

, (7.6)

где М – массовый расход извлекаемого компонента, кг/ч;

L_a — масса адсорбента;

a_н и а_к - относительные концентрации извлекаемого компонента в исходном и отработанном адсорбенте в кг/кг адсорбента;

G₀ – массовый расход исходной смеси, кг/ч

G – массовый расход отходящего из адсорбера потока, кг/ч;

x_н и x_к – массовые концентрации извлекаемого компонента соответственно в исходной смеси и потоке, выходящем из адсорбера.

Уравнения (7.5) и (7.6) можно привести к общему виду

, (7.7)

если расчет вести в относительных концентрациях компонента в отходящем потоке х_к будет измеряться в кг/на кг исходного сырья. Уравнения (7.5), (7.6) и (7.7) используются для определения массы адсорбента L_а, загруженного в периодически действующий адсорбер, или для определения удельного расхода адсорбента L_а/G₀ (кратность циркуляции адсорбента) на непрерывно действующих установках с движущимся адсорбентом, а также для определения количества вещества М, извлекаемого в процессе адсорбции. В случае периодически действующего адсорбера со стационарным слоем адсорбента количество извлекаемого компонента М из исходной смеси G₀ соответствует продолжительно­сти цикла адсорбции за время τ.

Из уравнений следует, что чем больше емкость адсорбента по извлекаемому компоненту (a_к), т.е. чем полнее отработан адсорбент и чем меньше величина а_н (т.е. чем полнее осуществляется регенерация адсорбента), тем меньше удельный расход адсорбента L_а/G₀. Расход адсорбента больше с увеличением концентрации извлекаемого компонента в сырье х_н и с уменьшением концентрации этого компонента х_к в отходящем потоке. Процесс адсорбции более экономичен при сравнительно невысоком содержании извлекаемых компонентов. Так, при разделении газовой смеси адсорбция экономически более выгодна, чем абсорбция, для сравнительно сухих газов и не экономична для жирных газов.

При разделении жидких смесей адсорбция предпочтительнее, чем экстракция для сырья, отличающегося сравнительно не высоким содержанием извлекаемых компонентов.

Рисунок 7.3 – К расчету адсорбера

При расчёте адсорбера обычно известны количество исходной смеси G₀ и начальная концентрация извлекаемого компонента х_н величины а_к и х_к можно найти при помощи изотермы адсорбции (рисунок 7.4); концентрация а_н определяется полнотой десорбции (регенерации). При достижении состояния равновесия в адсорберах адсорбат с концентрацией извлекаемого компонента а_к в отходящем адсорбенте будет находиться в равновесии с исходным сырьём, т.е. в этом случае а_к = а_кр, а поток, отходящий из адсорбера, будет в равновесии с исходным адсорбентом, т.е. х_к=х_кр.

В действительности система не достигает состояния равновесия и степень приближения к равновесному состоянию зависит от таких факторов, как скорость протекания процесса (кинетика адсорбции), продолжительность и поверхность контакта. Во многих случаях система при сравнительно небольшой продолжительности контакта в значительной степени приближается к состоянию равновесия, поэтому для практических расчётов применяют

а_к = (0,85…0,95)а_кр;

х_к = (0,85…0,95)х_кр.

Рисунок 7.4 - К определению концентраций в потоках, отходящих из адсорбера

Если адсорбер имеет стационарный слой адсорбента, то здесь выбор а_к и х_к более сложен из-за неполноты отработки слоя адсорбента. В таких аппаратах отработка адсорбента происходит послойно в направлении движения потока разделяемой смеси, при этом только часть адсорбента отрабатывается полностью.

На рисунке 7.5 схематично показано распределение концентраций извлекаемого компонента по высоте слоя при условии приближения системы к состоянию равновесия. На высоте h последний полностью отработан до концентрации а_кр, соответствующей состоянию равновесия с исходным газом. По высоте слоя h₂ концентрация извлекаемого компонента меняется от а_кр до а_к. Для расчёта материального баланса в адсорбере со стационарным слоем адсорбента величина а_к соответствует среднему содержанию извлекаемого компонента во всей массе адсорбента.