Расчет адсорбера периодического действия для улавливания паров толуола из воздуха

Решение. Ординаты и абсциссы точек изотермы толуола вычисляются по формулам (1) и (2):

 

 (1)

 (2)

 

где a ₁^* и a ₂^* - концентрации адсорбированных бензола и толуола, кг/кг;

V₁ и V₂ – молярные объемы бензола и толуола в жидком состоянии, м³;

p ₁ и p ₂ – парциальное давление паров бензола и толуола, мм рт. ст;

p_{S -1} и p_{S -2} – давление насыщенных паров бензола и толуола при 20°С, мм рт. ст.;

T₁ и Т₂ - абсолютная температура бензола и толуола при адсорбции (в данном случае Т₁ — Т₂ = 293° К);

β - коэффициент аффинности.

Молярный объем бензола:

 

 м³/кмоль.

 

Молярный объем толуола:

 

 м³/кмоль.

 

Коэффициент аффинности:

.

 

На изотерме бензола берем ряд точек

 

 

Первая точка: a ₁^* = 0,25 кг/кг; p ₁ = 8 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме толуола:

 

 

 

 

Вторая точка: a ₁^* = 0,30 кг/кг; p ₁ = 57 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме толуола:

 

 

 

 

Третья точка: a ₁^* = 0,15 кг/кг; p ₁ = 1 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме толуола:

 

 

 

 

 

Четвертая точка: a ₁^* = 0,28 кг/кг; p ₁ = 20 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме толуола:

 

 

 

 

Пятая точка: a ₁^* = 0,20 кг/кг; p ₁ = 2,5 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме толуола:

 

 

откуда

 

 

Шестая точка: a ₁^* = 0,26 кг/кг; p ₁ = 10 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме толуола:

 

 

откуда

 

Седьмая точка: a ₁^* = 0,22 кг/кг; p ₁ = 3,5 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме толуола:

 

 

 

откуда

 

 

Вычислив ординаты и абсциссы всех точек, полученные данные, сводим в табл. 1.

 

Таблица 1

Изотерма бензола		Изотерма толуола
a1*, кг / кг	p1, мм рт. ст	a 2*, кг / кг	p 2 , мм рт. ст
0,15 0,20 0,22 0,25 0,26 0,28 0,30	1 2,5 3,5 8 10 20 57	0,15 0,20 0,22 0,25 0,26 0,28 0,30	0,12 0,37 0,55 1,48 1,94 4,46 15,65

По найденным точкам строим изотерму толуола для 20 ºС.

 

Определим с помощью изотермы статическую активность угля по толуолу при концентрации паро-воздушной смеси

Предварительно необходимо рассчитать парциальное давление, соответствующее по формуле (3):

 

 (3)

 

 

По диаграмме абсциссе p ₀ = 1,4 мм рт. ст. соответствует ордината a ₀^* = 0,248 кг/кг.

 

Количество активного угля на одну загрузку составляет:

 

Диаметр адсорбера вычисляется из равенства:

 

откуда

 

 

Так как на изотерме точка, соответствующая исходной концентрации паро-воздушной смеси находится в первой (прямолинейной) области, то продолжительность процесса вычисляется по формуле (4):

 

 (4)

 

где  

скорость газового потока;

H = 0,75 – высота слоя угля;

b – функция, определяемая по табл. 8-3 (стр. 448, [1]) для

 

 

 

значение b = 1,84;

β_у – коэффициент массопередачи, который вычисляется по формуле (5):

 

 (5)

Находим кинематический коэффициент вязкости воздуха. Так как по рис. VI (стр. 607, [1]) μ = 0,018 · 10^-3 н · сек/м², то

 

 м² / сек.

 

Тогда:

 

 

Диаметр частицы угля d _з = 0,004 м, и значит

 

 

Скорость следовательно:

 

 

Коэффициент диффузии при 0 ºС для системы толуол – воздух:

 

 м²/ч = 0,197 · 10^-4 м/сек.

 

Для температуры 20 ºС коэффициент диффузии вычисляется по формуле:

 

 м²/сек.

После подстановки получим объемный коэффициент массопередачи:

 

 сек ^-1.

 

Определяем продолжительность процесса:

 

 

τ = 62² = 3844 сек = 64 мин = 1,07 ч.

 

Определим количество паро-воздушной смеси, проходящей через адсорбер за 64 мин:

 

 м³.

 

По данным на проектирование, за один период через адсорбер должно пройти 2200 м³. Следовательно, диаметр адсорбера следует увеличить:

 

 

Необходимо также увеличить количество активированного угля на одну загрузку:

 

 кг.

Список используемой литературы

 

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учеб. пособие. 6-е изд., доп. и перераб. Л.: Химия, 1964. 634 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии. Пособие по проектированию/Под ред. Ю.И. Дытнерского 2-ое изд. доп. и перераб.- М/Химия. 1991 г.

3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учебник, 9-е изд. доп. и перераб. – М.:Химия, 1978. 783 с.

4. Кузнецов А.А. Расчеты основных процессов и аппаратов переработки углеводородных газов. – М.:Химия, 1983. – 233 с.

5. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. – М.: Государственное изд-во физико-математической литературы «Физматгиз». 1963. 708 с. с ил.