1. Wstęp.

1.1 Przedmiot opracowania.

Niniejsza praca jest próbą zrealizowania projektu technologicznego instalacji do oczyszczania gazów odlotowych metodą adsorpcji na węglu aktywnym.

1.2 Podstawa opracowania.

Podstawą opracowania jest temat wydany z założonymi danymi dla studenta … od …, zawierający podstawowe założenia i dane wyjściowe do obliczeń.

1.3 Zakres opracowania.

W ramach tego projektu zostanie sporządzony opis technologiczny procesu, jak również schemat technologiczny całej instalacji do oczyszczania gazów odlotowych metodą adsorpcji na węglu aktywnym. Ponadto, praca ta będzie zawierać koncepcję rozwiązania tego problemu oraz wszelkie niezbędne obliczenia procesowe (w tym dobór parametrów pracy). Na podstawie wszelkich otrzymanych danych, w poniższym ćwiczeniu projektowym, zostanie przedstawiony szkic adsorbera oraz pełen opis techniczny instalacji.

1.4 Wykorzystane materiały.

[1]temat wydany z założeniami,

[2]notatki własne z wykładu i ćwiczeń „Procesy i operacje jednostkowe”,

[3]notatki własne z wykładu i ćwiczeń projektowych „Oczyszczanie gazów I”,

[4]J. Kuropka „Oczyszczanie gazów odlotowych z zanieczyszczeń gazowych”, Oficyna PWR, Wrocław 1996,

[5]stabelaryzowane dane fizyko-chemiczne odnośnie benzenu,

[6]”Mały poradnik mechanika”, tom I, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996,

[7]”Poradnik inżyniera i technika budowlanego”, tom II, Arkady, Warszawa 1982,

[8]Polska Norma - BN-74/2372-01,

[9]Polska Norma - BN-72/2210-10,

[10]wykres zależności oporów na złożu od prędkości gazu,

[11]katalog wentylatorów promieniowych firmy TER-WENT PHU.

2. Opis technologiczny procesu.

Adsorpcję prowadzi się w adsorberach z nieruchomą warstwą, która jest regenerowana. Proces ten polega na wydzieleniu i zatrzymaniu zanieczyszczenia organicznego, jakim jest benzen

na powierzchni zewnętrznej i wewnętrznej (w porach) ciała stałego zwanego adsorbentem, czyli na węglu aktywnym NG-II. Zatrzymywanie cząsteczek na powierzchni zachodzi w wyniku działania sił fizycznych i chemicznych bliskiego zasięgu. Energia wiązania adsorbowanych cząsteczek
z powierzchnią jest porównywalna z ciepłem kondensacji. Proces adsorpcji jest egzotermiczny.

Proces adsorpcji prowadzi się przepuszczając strumień zanieczyszczonego gazu parami benzenu przez warstwę adsorbentu. Front adsorpcji przesuwa się, gdy zaadsorbowana masa benzenu zbliżona jest do ilości równowagowej przerywamy proces, aby nie dopuścić do przebicia złoża i przełączamy strumień gazu na drugi adsorber, nie przerywając oczyszczania gazów. W tym samym czasie przeprowadzamy proces desorpcji pierwszego adsorbera. Desorpcję prowadzimy przy użyciu pary wodnej o temperaturze ok. 410 K, której strumień jest przepuszczany od góry adsorbera przez całą kolumnę. Strumień par opuszczających adsorbent kierowany jest do wymiennika ciepła, gdzie następuje ich kondensacja. Kondensat zawierający zdesorbowany benzen i wodę zbiera się
w separatorze, gdzie zostaje oddzielony rozpuszczalnik od wody. Również kondensat powstały ze skroplenia pary wodnej na złożu prowadzimy do separatora. Po regeneracji, wodę z adsorbentu usuwa się strumieniem gorącego powietrza. Na końcu ochładza się złoże. Suszenie i chłodzenie prowadzimy w przeciwprądzie w stosunku do desorpcji parowodną, przedmuchiwane powietrze wprowadzane jest tym króćcem, którym wprowadzamy gaz zanieczyszczony.

3. Opis techniczny instalacji.

Instalacja składa się z dwóch absorberów ze złożem stacjonarnym, którym jest węgiel aktywny N-G II o gęstości usypowej 550 kg/m³. Średnica adsorbera równa 3,6 m a jego wysokość złoża wynosi 0,8 m. Masa złoża suchego równa 4470 kg, objętość złoża 8,14 m³. Węgiel aktywny utrzymuje się
w kolumnie za pomocą keramzytu usypanego na dnie kolumny [o frakcji ziaren 4
8 mm]. Warstwa keramzytu wynosi 10 cm. Keramzyt usypany jest na siatce podtrzymującej z tworzywa sztucznego, całość znajduje się na ruszcie utworzonym z płaskowników. Ruszt ma podziałkę równą 40 mm, płaskowniki ustawione są pionowo, grubość płaskownika 4 mm i wysokość 63 mm, zrobione są ze stali typu St2. Cały ruszt dodatkowo wsparty jest dwoma dwuteownikami o wymiarach: szerokość 58 mm i wysokość 120 mm. Dwuteowniki również wykonane są ze stali St2. Dwuteownik odparty jest
w czterech miejscach. Adsorber wykonany jest z blachy nierdzewnej gatunku 1H18N9T. Gaz surowy wpuszczany jest od dołu króćcem o średnicy 560 mm, a para wodna do desorpcji od góry króćcem
o średnicy 450 mm. Króciec wylotowy dla gazu oczyszczonego ma średnicę równa 500 mm,
a pozostałe średnice króćców są równe króćcom wlotowym dla danego medium. Właz załadunkowy
i wyładunkowy mają średnicę 600 mm. Wymagana moc wentylatora do przesyłu gazu jest równa 7,13 kW. Cały adsorber ustawiony jest na dziesięciu stalowych słupach.

4. Obliczenia procesowe.

Każde obliczenia przeprowadzono w oparciu o dane zawarte w otrzymanym temacie niniejszego ćwiczenia projektowego, zawierającego koncepcję projektu technologicznego instalacji do oczyszczania gazów odlotowych metodą adsorpcji na węglu aktywnym, oraz w oparciu o wszelkie dane fizyko-chemiczne.

4.1 Dane wyjściowe.

• rodzaj zanieczyszczenia - benzen, [1]

• strumień objętościowy gazów -
  , [1]

• stężenie zanieczyszczenia -
  (w war. norm.), [1]

• temperatura gazów odlotowych -
  , [1]

• ciśnienie robocze -
  , [1]

• rodzaj adsorbera - ze złożem stacjonarnym. [1]

4.1.1 Przeliczenie danych wyjściowych na warunki rzeczywiste procesu.

Proces oczyszczania przebiega w innych warunkach(zwłaszcza temperaturowych) niż zostały podane dane wyjściowe. Dlatego też wymagane jest przeliczenie strumienia objętościowego gazów oraz stężenia zanieczyszczenia do warunków rzeczywistych. Sposób ten został podany poniżej wraz
z pełnymi obliczeniami.

Warunki normalne[2]: Warunki rzeczywiste procesu[1]:

• temperatura
  , temperatura
  ,

• ciśnienie
  . ciśnienie
  .

Stężenie zanieczyszczenia zostało przeliczone w następujący sposób:

, [3]

Podstawiając do wzoru:

Strumień objętościowy gazów został przeliczony w następujący sposób:

, [3]

Podstawiając do wzoru:

4.2 Wyznaczenie izotermy adsorpcji dla warunków procesu.

Izoterma adsorpcji dla warunków procesu jest całkowicie inna w porównaniu dla izotermy wzorcowej benzenu w temperaturze 293 K. Dlatego też wymagane jest wykreślenie takiej krzywej, która by odpowiadała parametrom danego procesu. Aby to uczynić, należy wpierw wyznaczyć objętość molową oraz ciśnienie pary nasyconej dla benzenu w zadanej temperaturze. Poniżej szukane wartości zostały przedstawione na odpowiednich wykresach, które zostały sporządzone na podstawie danych już wyznaczonych i stabelaryzowanych dla tego związku organicznego.

Znane wartości dla benzenu: [5]

297	12,03	89,29
303	15,81	89,94

Odczytane wartości z sporządzonych wykresów dla benzenu w temperaturze 302K:

	15,20
	89,83

Izoterma dla benzenu w temperaturze T=293K, zwana izotermą wzorcową, przedstawia się następująco: [2]

	14,0	29,7	133,0	400,0	1067,0	1733,0
	0,103	0,122	0,208	0,233	0,262	0,276

Potrzebne do wyliczenia izotermy benzenu, w temperaturze temperaturze=302K, dane zestawiono poniżej:

• masa molowa benzenu:
  , [5]

• gęstość benzenu w temperaturze T=293K:
  , [5]

• objętość molowa benzenu w T=293K:
  , [2]

• objętość molowa benzenu w T=302K:
  ,

• ciśnienie par nasyconych benzenu w T=293K:
  , [2]

• ciśnienie par nasyconych benzenu w T=302K:
  ,

• uniwersalna stała gazowa:
  , [2]

• zależność między aktywnościami:
  . [2]

Ponadto, do wykreślenia izotermy, jest potrzebny zestaw wzorów wynikający z potencjałowej teorii adsorpcji Eucken'a i Polanyi'ego:

, [2]

W związku z tym, że sposób obliczania aktywności oraz prężności par jest pracochłonny oraz identyczny w każdym przypadku, poniżej został zamieszczony przykład obliczeń, a wszelkie wyliczone wartości zostały stabelaryzowane.

Izoterma dla benzenu w temperaturze temperaturze=302K, przedstawia się następująco:

	23,96	50,16	218,72	645,06	1690,95	2722,84
	0,101	0,120	0,206	0,230	0,259	0,273

Prężność parcjalna benzenu w temperaturze T=302k wynosi:

, [3]

Sprawdzenie jednostek:

.

Na podstawie wyliczonej izotermy dla benzenu w temperaturze T=302K oraz prężności parcjalnej benzenu w tej temperaturze, z wykresu zostało odczytana aktywność tej temperaturze.

• aktywność w temperaturze 302K dla
  wynosi:
  .

4.3 Gabaryty adsorbera.

Istotnymi danymi, które są niezbędne przy projektowaniu całej instalacji do oczyszczania gazów odlotowych metodą adsorpcji na węglu aktywnym, są wymiary adsorbera, w którym będziemy przeprowadzać proces:

• wysokość warstwy złoża:
  , [2]

• średnica adsorbera:

. [2]

Średnica adsorbera wyliczona została przyrównana do norm i uznano, że
, która w dalszych obliczeniach zostało uwzględnione.

• ponowne wyliczenie prędkości gazów:

. [2]

• objętość złoża:

, [3]

• masa złoża:

. [3]

4.4 Obliczenie czasu ochronnego złoża.

Kolejnym ważnym parametrem jest czas adsorpcji tzw. czas ochronnego złoża. W celu jego obliczenia wymagane są pewne założenia:

• wysokość warstwy złoża:
  , [2]

• gęstość usypowa:
  , [2]

• aktywność dynamiczna:
  , [2]

• prędkość gazu założona:
  , [2]

• prędkość gazu wyliczona:
  ,

• stężenie zanieczyszczenia:
  .

Wzór na wyliczenie czasu ochronnego złoża:

,
. [2]

Podstawiając wartości założone i wyliczone do powyższego wzoru:

.

Obliczony czas jest teoretycznym czasem działania ochronnego złoża. Tutaj nie uwzględniono znormalizowanych wymiarów adsorbera, które wpływają znacznie na prędkość gazu, a ta
w zdecydowany sposób, na wyżej obliczany parametr pracy adsorbera.

Poniżej uwzględniono zmiany prędkości:

.

4.5 Obliczanie czasu regeneracji złoża.

Czas potrzebny do zregenerowania złoża to czas potrzebny do przeprowadzenia procesu desorpcji. W ramach sporządzenia koncepcji technologicznej procesu oczyszczania gazów odlotowych z benzenu metodą adsorpcji na węglu aktywnym, zostało założone, że proces desorpcji będzie się odbywał dzięki wykorzystaniu przegrzanej pary wodnej o temperaturze ok. 410K
i zdławionej z ciśnienia 2,5 atmosfery do jednej.

• jednostkowe zużycie pary dla
  wynosi
  , [3]

• ilość zaabsorbowanych par:

, [2]

.

• ilość pary potrzebnej do desorpcji złoża:

, [3]

• gęstość pary wodnej do desorpcji:

Dane:

,
,
,
, [2]

Z równania Clapeyron'a:

, [2]
.

• objętość pary wodnej użytej do desorpcji:

, [2]

• strumień pary wodnej podczas desorpcji:

Przyjmuje się, że prędkość opadającej pary wodnej w adsorberze, podczas desorpcji, jest równa zależności, wobec prędkości gazu oczyszczanego:
. [3]

Wówczas, podstawiając do wzoru na strumień pary wodnej:

. [2]

• obliczenie czasu desorpcji:

. [3]

4.6 Obliczenie ciepła adsorpcji.

Procesy adsorpcji przebiegają zazwyczaj z wydzieleniem znacznych ilości ciepła, bez względu na rodzaj sił, jakie biorą w nim udział. Dlatego też, jest niezbędne wyznaczenie tej wielkości, co zostało przedstawione w poniższych obliczeniach.

• ilość ciepła na 1 kmol:

Dane:

-temperatura wrzenia adsorbatu:
, [5]

-stała, zależna od adsorbentu:
. [4]

. [4]

• ilość kilomoli:

Dane:

- ilość zaabsorbowanych par:
,

- masa molowa benzenu:
. [5]

. [2]

• całkowita ilość ciepła:

Dane:

-ilość ciepła na 1 kmol:
,

-ilość kilomoli:
,

. [4]

5. Obliczenia mechaniczne.

Prócz wyliczeń związanych z procesem, w niniejszym ćwiczeniu projektowym zawarto też obliczenia związane z samym rusztem jak również z całą instalacją do oczyszczania gazów odlotowych z benzenu.

5.1 Obliczenia rusztów.

Cały ruszt utworzony jest z płaskowników. Sposób wyliczenia ich wymiarów, które są zależne od wymiarów przyjętego adsorbera, podano poniżej.

• obciążenie na najdłuższy teownik:

Dane:

-średnica:
,

-przyjęta podziałka:
, [3]

-wysokość złoża:
, [2]

-gęstość usypowa:
, [2]

-aktywność dynamiczna:
,

-przyspieszenie ziemskie:
. [2]

, [3]

.

• obciążenie ciągłe:

, [3]

• maksymalny moment gnący:

Dane:

-maksymalna długość płaskownika:
, [3]

-obciążenie ciągłe:
.

, [3]

• wskaźnik wytrzymałości przekroju:

Dane:

-maksymalny moment gnący:
,

-naprężenie dopuszczalne na zginanie dla stali St2 i St3:
. [3]

, [3]

• wysokość płaskownika:

Dane:

-założona grubość płaskownika:
, [3]

-wskaźnik wytrzymałości przekroju:
.

. [3]

5.2 Obliczenia dwuteownika.

Cały ruszt wsparty jest na dwóch teownikach, które, każdy z nich, oparte są w czterech miejscach. Odpowiednie wymiary dwuteownika zostały dobrane według poniższych obliczeń wytrzymałościowych tej podpory.

• obciążenie na cały ruszt:

Dane:

-masa zaadsorbowanego benzenu:
, -objętość złoża:
,

-aktywność dynamiczna:
, -gęstość usypowa:
, [2]

-średnica:
, -przyjęta podziałka:
,

-wysokość płaskownika:
, -założona grubość płaskownika:
, [3]

-przyspieszenie ziemskie:
,[2] -gęstość stali:
, [6]

-gęstość keramzytu:
,[7] -wysokość warstwy keramzytu:
.

,

• obliczenie obciążenia ciągłego:

Dane:

-obciążenie na cały ruszt:
,

-długość dwuteownika:
.

, [3]

• maksymalny moment gnący działający na dwuteowniku:

Dane:

-odległość podparć dwuteownika:
, [3]

-obciążenie ciągłe:
.

, [3]

• minimalny moment gnący działający na dwuteowniku:

Dane:

-odległość podparć dwuteownika:
, [3]

-obciążenie ciągłe:
.

, [3]

• wskaźnik wytrzymałości przekroju:

Dane:

-maksymalny moment gnący:
,

-naprężenie dopuszczalne na zginanie dla stali St2 i St3:
. [3]

. [3]

Na podstawie wskaźnika wytrzymałości przekroju, zostały odczytane wymiary dwuteownika
z tablic dotyczących wymiarów wyrobów hutniczych. Biorąc najbliższą, największą wartość wskaźnika wytrzymałości w stosunku do obliczonego, odczytano następujące wymiary dwuteownika. [6]

wysokość dwuteownika:
szerokość dwuteownika:

5.3 Obliczenie średnic króćców wlotowych i wylotowych.

Prócz obliczeń związanych z wytrzymałością płaskowników w ruszcie, oraz z wytrzymałością samego rusztu, ważnymi parametrami przy doborze orurowania całej instalacji są średnice króćców wlotowych i wylotowych, przez które przepuszczamy media. Dzięki odpowiednio dobranym średnicom, możliwe jest przepuszczenie gazu odlotowego z odpowiednią prędkością, która umożliwia pokonanie oporów w całej instalacji i przepuszczenie jego przez złoże z odpowiednio założoną i dobraną prędkością na złożu, co skutkuje uzyskaniem założonych efektów oczyszczania gazów odlotowych
z zanieczyszczeń związków organicznych metodą adsorpcji na złożu węgla aktywnego.

5.3.1 Obliczenia króćca wlotowego dla gazów oczyszczanych.

Prędkość, jaką uznano za maksymalną, a zarazem dopuszczalna dla króćców wlotowych wynosi
. Do poniższych obliczeń przyjęto prędkość
.

. [3]

Porównując wyliczoną średnicę do normy polskiej BN-74/2372-01, przyjęto średnicę
, i na jej podstawie wyliczono nową prędkość na króćcu wlotowym. [8]

. [2]

Uznano ponadto, że króciec wylotowy dla gazu oczyszczonego będzie miał średnicę, mniejszą niż króciec wlotowy dla tego medium, o wymiarze
. [8]

5.3.2 Obliczenia króćca wlotowego dla pary wodnej.

Prędkość, jaką uznano za maksymalną, a zarazem dopuszczalna dla króćców wylotowych wynosi
. Do poniższych obliczeń przyjęto prędkość
.

. [3]

Porównując wyliczoną średnicę do normy polskiej BN-74/2372-01, przyjęto średnicę
, i na jej podstawie wyliczono nową, rzeczywistą prędkość na króćcu wlotowym. [8]

. [2]

Uznano ponadto, że króciec wylotowy dla pary wodnej będzie miał taką samą średnicę, jak króciec wlotowy dla tego medium. [8]

5.3.3 Dobór luków włazowych do załadowania i usuwania złoża.

Dobrano właz na podstawie Polskiej Normy BN-72/2210-10. Średnica otworu ma wartość 600mm i ma on kształt okrągły. Wykonany został ze stali i polerowany. Otwierany na zewnątrz. [9]

5.4 Obliczenie oporów i zapotrzebowania na moc wentylatora.

Opory na złożu są największymi oporami, jakie występują w całej instalacji do adsorpcyjnego oczyszczania gazów odlotowych z zanieczyszczeń związków organicznych na złożu węgla aktywnego. Wartość ich została odczytana z wykresu od producenta węgla aktywnego. Dla prędkości
, opory na złożu będą równe
dla wysokości złoża równej
. Wysokość, która została założona w tym koncepcyjnym ćwiczeniu projektowym, i używana do wszelkich obliczeń, z nią związanych, wynosi
. Dlatego też, przyjęto do dalszych obliczeń
. [10]

• opory całkowite:

W związku z tym, że odczytana wartość jest dopasowana do warunków pracy jednego adsorbera, i uwzględnia jedynie opory na złożu, które są w największej ilości z całkowitych oporów na instalacji, założono też orientacyjną wartość oporów, jakie by występowały na całej instalacji, wynikające z oporów występujących miejscowo oraz na odcinkach. Nie jest możliwe dokładne ich wyznaczenie, dlatego też przyjęto ich wartość jako
.

Wówczas całkowite opory, występujące w instalacji, będą wynosić w przybliżeniu:
.

• moc wentylatora:

Dane:

-całkowite opory:
,

-strumień objętościowy gazów oczyszczanych:
,

-sprawność wentylatora:
.

. [2]

Zastosowany wentylator będzie wentylatorem średnioprężnym. Na podstawie tych parametrów wybrano wentylator dla gazów surowych FKP-40 [o ilości obrotów n=2290 oraz mocy silnika 11[kW]] firmy TER-WENT PHU, a charakterystykę tego urządzenia zamieszczono,
w niniejszym ćwiczeniu projektowym, wraz z zaznaczonym punktem pracy. [11]

6. Harmonogram pracy instalacji.

W zakładzie praca odbywa się na 3 trzy zmiany:

1. zmiana 6:00 - 14:00,

2. zmiana 14:00-22:00,

3. zmiana 22:00-6:00.

Taki system umożliwia ciągły proces oczyszczania gazów, dzięki naprzemiennemu działaniu dwóch adsorberów, który każdy z nich posiada czas adsorpcji oraz czas regeneracji złoża, czyli desorpcji. Oba czasy to:

• czas adsorpcji:
  
  ,

• czas desorpcji:
  .

Ponadto w całym cyklu działania obu adsorberów, po każdej regeneracji złoża następuje suszenie jego gorącym powietrzem, doprowadzonym z nagrzewnicy. Przyjęto, że czas na suszenie złoża, po jego regeneracji, wynosić będzie
.

Poniżej przedstawiono przykładowy pełen cykl pracy obu adsorberów, zakładając, że rozpoczyna się on godzinę później, po rozpoczęciu pracy przez pracowników będących na pierwszej zmianie.

15

---