POLITECHNIKA OPOLSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Inżynieria Środowiska

Nowoczesne metody rozdzielania mieszanin

Projekt adsorbera

Grzegorz Dudka

Rok III gr. 1

TEMAT: Zaprojektować adsorber o działaniu okresowym służący do oczyszczania powietrza z alkoholu metylowego CH₃OH. Strumień oczyszczanego gazu o temperaturze t=25°C wynosi 6500 m³/h = 1,81 m³/s. Stężenie składnika zanieczyszczającego C_a,o=5·10^-2 kg/m³. Wymagana sprawność oczyszczania η_c=99 Proces ma być prowadzony pod ciśnieniem atmosferycznym.

ZAKRES:

• obliczenia wymiarów złoża i ilości absorbentu.

• Wyznaczenie czasu trwania jednego cyklu pracy (adsorpcja - regeneracja)

• Obliczenie zapotrzebowania na czynnik chłodzący

• Określenie warunków prowadzenia regeneracji złoża

• Obliczenia hydrauliczne

• Dobór elementów konstrukcyjnych.

I. Równowaga adsorpcyjna

I.1 Izotermy dla adsorpcji i desorpcji

W celu sporządzenia izoterm dla adsorpcji i desorpcji należy po pierwsze określić pojemność adsorpcyjną substancji:

1 - substancja wzorcowa (benzen)

2 - substancja rzeczywista (alkohol metylowy)

w odniesieniu do węgla aktywnego.

W związku z tym należy posłużyć się danymi w odniesieniu do substancji wzorcowej i węgla aktywnego

a₁* - pojemność adsorpcyjna benzenu w odniesieniu do węgla aktywnego

p₁-ciśnienie cząstkowe benzenu

a1*	P1 [Pa]
0,15	133
0,2	332,5
0,22	465,5
0,25	1064
0,26	1330
0,28	2660
0,30	7581

I.2 Dla tak dobranych parametrów obliczamy parametry substancji rzeczywistej

gdzie:

A2*	P2 [Pa]	[Pa]
0,33	608	50640
0,44	1106	79324
0,48	1378	93536
0,55	2365	140226
0,57	2736	156421
0,62	4362	219655
0,66	8525	366879

I.3 Z powyższych danych rysujemy wykres oraz odczytujemy równowagową pojemność adsorpcji i desorpcji.

Z wykresu odczytałem

Dla adsorpcji a_A,O = 0,61 kgA/kg węgla

Dla regeneracji a*_A,r = 0,024 kgA/kg węgla

II Przebieg procesu adsorpcji

II.1 Geometria złoża adsorbentu

a) Średnica złoża

założyć w_g,o=0,1-0,5 m/s

przyjmuje w=0,4

b) Wysokość złoża

Zakładamy wysokość złoża H=1m

Przyjmuje adsorber pionowy cylindryczny z przepływem gazu z góry do dołu przez warstwę węgla aktywnego złożoną na ruszcie. Parametry węgla aktywnego są następujące:

Średnica ziaren d_z=4mm

Gęstość usypowa ρ_u=450 kg/m³

Gęstość rzeczywista ρ_z=2000 kg/m³

Sferyczność ψ = 0,95

Ciepło właściwe cp = 0,8 kJ/kg*K

II.2 Czas adsorpcji dla drugiego okresu adsorpcji

II.2.1 Objętościowa pojemność adsorpcyjna statyczna

II.2.2 Prędkość przepływu gazu

Wg II.1 w_g,o = 0,4 m/s

II.2.3 Początkowe stężenie substancji adsorbowanej

Wg danych do projektu C_AO = 5·10^-2 kgA/m³

II.2.4 Wysokość złoża

Wg II.1 H = 1 m

II.2.5 Współczynnik wnikania masy

gdzie a - pow. właściwa adsorbentu

II.2.5.1 Powierzchnia właściwa adsorbentu

n²/n³

II.2.5.2 Porowatość złoża

ε - porowatość

II.2.5.3 Średnica ekwiwalentna

d_e - średnica ekwiwalentna

II.2.5.4 Jednostkowy współczynnik wnikania masy β

gdzie : D_AB - kinematyczny współczynnik dyfuzji

II.2.5.5 Kinematyczny współczynnik dyfuzji D_AB

[m²/s] Gdzie M_A = 32

M_B = 28.84

K

dla
= 1,34 Ω = 1,26 (tablica V-14)

Średnia koncentracja dla średniego stężenia substancji zanieczyszczającej

[kg/m³]

kg/m³

Średnie ciśnienie cząstkowe

[Pa]

Pa

Średni udział molowy

gdzie P- ciśnienie atmosferyczne (przyjmuje 100000 Pa)

Średnia masa molowa

Wniosek: Właściwości gazu bardzo zbliżone do właściwości powietrza suchego

Liczba Reynoldsa

gdzie ρ_g i η_g z tablic dla 25°C

Liczba Schmitta

=1,14

Liczba Sherwooda

II.2.6 Charakterystyczny stosunek koncentracji

-odczytywane według krzywej adsorpcji dla

II.2.7 Końcowa koncentracja składnik A

Wg II.2 Czas adsorpcji

= 2h 23 min

III. Efekt Cieplny adsorpcji

III.1 Ilość wydzielonego ciepła Q

Q = m_z q Q = 2034,7 · 926,52 = 1885190 KJ = 1885 MJ

III.1.2 Masa złoża m_z

III.1.2 Wydzielone ciepło jednostkowe q

z tablic m = 3,11 · 10³ , n = 0,938

III.1.2.1 Objętościowa ilość zaadsorbowanej pary metanolu

gęstość pary metanolu w temp. 25°C czyli 298 K

III.2 Moc cieplna złoża N_z

III.3 Wzrost temperatury złoża bez chłodzenia ΔT_c

Wniosek:

Duży wzrost temperatury, złoże trzeba chłodzić !

III.4 Zapotrzebowanie na czynnik chłodzący

Ze względu na stosunkowo niską temperaturę adsorpcji jako czynnik chłodzący przyjęto wodę o temperaturze wlotowej 10°C i wylotowej 50°C. Ciepło właściwe w jej temp. średniej 30°C wynosi c_p,ch = 4199,36

IV. Warunki prowadzenia desorpcji (regeneracji złoża)

Jako metodę regeneracji przyjęto wzrost temp. złoża do 120°C pod wpływem przedmuchiwania warstwy przegrzaną parą wodną. Para ta stanowić będzie równocześnie czynnik usuwający desorbowany metanol z aparatu.

IV.1 Temperatura procesu regeneracji

Przyjęto t_r = 120°C

IV.2 Pojemność adsorpcyjna warstwy zregenerowanej

Wg I.3 a_A,r = 0,024 kgA/Kg węgla

IV.3 Zapotrzebowanie na ciepło do podgrzania złoża Q_r

T_z,o - początkowa temp. złoża, równa temperaturze oczyszczanego gazu.

IV.4 Parametry pary wodnej do regeneracji złoża

Dla zapobieżenia kondensacji, przyjmuje parę wodną przegrzaną.

ρ_pary - 0,573 kg/m³

P_pary - 100 kPa

t_{pary, wl} - 120°C

t_{pary, wyl} - 100°C

c_p,pary - 2,06 KJ/kg·K

IV.5 Zapotrzebowanie na parę wodną G_pary

IV.6 Prędkość przepływu pary przez adsorber w_pary

IV.7 Strumień desorbowanego metanolu G_A,r

0,148kg/s

IV.8 Średnie stężenie etanolu w parze regeneracyjnej

V. Hydraulika przepływu gazu przez aparat

V.1 Opory przepływu gazu przez złoże ΔP_Z

V.2 Opory przepływu gazu przez ruszt ΔP_r

V.2.1 Prędkość gazu w oczkach siatki w_o

V.2.2 Liczba oporu przepływu dla rusztu (siatki) λ_r

V.2.3 Liczba Reynoldsa dla rusztu

Opór dla rusztu

V.3 Opory dopływu i odpływu gazu z aparatu ΔP_m

V.3.1 Dopływ

ξ - odczytuje z tablic dla wlotu czynnika o dużej objętości

ξ - 1,58

V.3.2 Średnica króćca dopływowego

w_g,do - zakładam 20 m/s

Dobieram rure gladką bez szwu o wymiarach dz x s 355,6 x 8 mm

d_w = 355,6 - 2 · 8 = 339,6 mm

V.3.3 Odpływ

ξ - odczytuje z tablic dla wylotu czynnika o dużej objętości

ξ - 1,26

Zakładam takie same wymiary króćca dopływowego oraz odpływowego.

V.4 Sumaryczny opór przepływu

VI Dobór urządzenia tłoczącego gaz przez aparat

Dobór wentylatora

Do doboru wentylatora należy dysponować danymi:

Strumienia gazu tłoczonego V_g

Wymaganym nadciśnieniem ΔP_g

η -zakładam 0,99

d = 0,7 mm

a = 3,5 mm

t = 4,2 mm

s = (a/t)² = 0,694 mm

---