Курсовая на тему Адсорбер периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента Технологическая схема для
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2014-12-11Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ (РОСОБРАЗОВАНИЕ)
ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Факультет вечернего и заочного обучения
Кафедра «Технология и средства защиты окружающей среды»
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
ПГТА 2. 280202. 022. ПЗ
Выполнила: студентка
группы 03ЭК1з Хворостова Н. А.
Руководитель: к. т. н.,
доцент кафедры «ТИСЗОС» Таранцев К. В
Пенза 2007 г
Реферат
Пояснительная записка курсового проекта содержит 28 стр., 1 рисунок, 2 таблицы, 4 библиографических источника.
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, АДСОРБЦИЯ, КОЛЬЦЕВОЙ АДСОРБЕР, АКТИВНЫЙ УГОЛЬ АР-А, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА.
Целью курсового проекта является: разработка адсорбционной установки периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента и технологической схемы для улавливания паров спирта из воздуха.
Объектом разработки является: выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта, технологический расчет кольцевого адсорбера, выполнение чертежа общего вида кольцевого адсорбера.
Основные технико-экономические показатели разработанного процесса: число адсорберов в технологической схеме 6 шт., кольцевой адсорбер наружным диаметром 3 м, внутренним диаметром 1,6 м, высота адсорбера 5,2 м.
Введение
В данной курсовом проекте будет рассмотрен процесс адсорбции этилового спирта. Адсорбцию широко используют для разделения и концентрирования веществ. Адсорбция это универсальный метод, позволяющий практически полностью извлечь примеси из жидкой фазы.
Процессом адсорбции относительно легко управлять, поскольку, варьируя условия эксперимента, можно осуществить количественную адсорбцию-десорбцию и контролировать этот процесс. Для осуществления адсорбционных методов не требуется сложного приборного оформления, экстремальных условий, поэтому методы этой группы удобны для проверки работ в полевых условиях, их легко сочетать с методом последующего определения компонентов. Адсорбционный метод отличается высокой технологичностью и легкостью автоматизации. Можно автоматизировать не только операцию концентрирования, но и само определение, например в хроматографических и проточно-инжекционных методах.
Этиловый спирт (этанол) имеет второе название – винный спирт. Представляет собой бесцветную жидкость, кипящую при 78,3 0С. Опьяняюще действует на организм человека в малых количествах и приводит в состояние наркоза при больших количествах. Этиловый спирт, как и его водные растворы легко воспламеняется и горят бледным голубым пламенем без образования копоти. Этанол не обладает ни кислотными и ни щелочными свойствами, его реакция нейтральна. Более 150 различных производств используют спирт как сырье или вспомогательный материал. Его применяют в качестве моторного топлива, горючего в лабораториях, как антифриз для понижения точки замерзания воды, как дезинфицирующее средство в медицине и т.д.
В данном курсовом проекте будут:
· произведены выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта;
· описание технологической схемы улавливания;
· представлен технологический расчет вертикального кольцевого адсорбера;
· представлена схема общего вида адсорбционной установки;
· устройство и принцип действия адсорбционной установки.
1. Механизм сорбции
Сорбция- процесс поглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями на твердом носителе (сорбентами). Классификация сорбционных методов основана на различии механизма взаимодействия веществ с сорбентами. Различают абсорбцию (хемосорбция) и адсорбцию (физическая адсорбция), распределение веществ между двумя несмешивающимися фазами (растворитель и жидкая фаза на сорбенте) и капиллярную конденсацию – образование жидкой фазы в порах и капиллярах твердого сорбента при поглощении паров вещества. В чистом виде каждый из перечисленных механизмов, как правило, не реализуется, и обычно наблюдаются смешанные механизмы. Таким образом, сорбционные процессы различны по их механизму. Однако любой сорбционный процесс начинается с адсорбции на границе соприкасающихся фаз, которые могут быть жидкими, газообразными или твердыми.
Сорбция может проходить в статических или динамических условиях. Сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество (сорбтив), находящийся в газообразной фазе или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным сорбентом или перемешивается с ним. Статическую активность сорбента характеризуют количеством поглощенного вещества на единицу массы сорбента в определенных условиях.
Динамической сорбцию называют в том случае, когда поглощаемое вещество находится в подвижной или газообразной фазе, которая фильтруется через слой сорбента. Динамическую активность адсорбента характеризуют временем от начала пропускания адсорбтива до его проскока, т.е. до появления его за слоем адсорбента. Количество вещества (кг) рассчитывают по формуле:
,
где H – высота слоя в адсорбентах;
h – империческая константа, определяющаяся экспериментально;
F – площадь, которую занимает адсорбент;
amax – динамическая активность адсорбента
Осуществляется путем интенсивного перемешивания, образованного раствора с сорбентам в течении определенного времени с последующим отделением сорбента от воды отстаиванием, центрифугированием и др. методами.
В промышленности сорбционно-десорбционные процессы, как правило, осуществляют в динамических условиях, так как это обеспечивает непрерывность технологических процессов и возможность их автоматизации.
Сорбционный процесс в статических условиях описывается уравнениями, связывающими количество сорбированного вещества Cs и концентрацию вещества с в жидкой (газообразной) фазе и учитывающими химическую и геометрическую неоднородность сорбента и свойства сорбируемого вещества. При последовательном введении сорбента количество адсорбента рассчитывается по формуле:
А при противоточном введении сорбента процесс ведут ступенчато, и расход сорбента определяется по уравнению:
,
где m – количество сорбентов (кг);
n – число степеней;
Кадс – константа адсорбции;
Q – объем сточной воды (м3/ч);
СН – начальная концентрация загрязнений;
СК – остаточное количество загрязнений в воде.
Для описания адсорбционных процессов на неоднородных поверхностях при образование мономолекулярного слоя применяют уравнение Фрейндлиха:
или 
,
где 
, 
и 
- постоянные.
Для полимолекулярных слоев действительно уравнение Брунауэра- Эмметта-Теллера:
,
где V-объем газа, сорбированного при давлении р; Vm- объем газа, соответствующий мономолекулярному слою; К- постоянная, характерная для данного вещества; р0- давление пара сорбируемого вещества.
По характеру взаимодействия адсорбата с поверхностью жидкого или твердого адсорбаена различают физическую и химическую сорбцию.
При физической адсорбции связана со способностью поверхностных частиц адсорбента удерживать на своей поверхности адсорбата за счет поверхностной энергии. Количество адсорбата, который удерживается на единице площади поверхности определяется силами межмолекулярного взаимодействия: - это дисперсионные, ориентационные и индукционные эффекты.
Физическая адсорбция взаимодействие молекул сорбирующихся веществ с поверхностью адсорбента определяется главным образом дисперсионными силами, вызываемыми согласованным движением электронов в сближающихся молекулах. Для некоторых сорбентов, например, кремнеземов, оксида алюминия, цеолитов, имеют значение электростатические силы. Под электростатическими силами понимают ориентационные силы, проявляющие при адсорбции полярных молекул на поверхности, несущей постоянный электрический заряд, и индукционные силы, обусловленные появлением в сорбирующихся молекулах дипольных моментов, наведенных зарядами поверхности или появлением дипольных моментов в сорбенте, наведенных диполями сорбирующихся молекул. Физическая адсорбция легко обратима, обратный процесс адсорбции называется десорбцией. Десорбцию, осуществляемую с помощью жидкостей, обычно называют элюцией, а жидкость или растворы, применяемые для этих целей, элюентами. Для физической сорбции характерно увеличение скорости и мала прочность.
1.1 Адсорбция
Адсорбция обычно проводится на твердых адсорбентах, на которых адсорбируются газы или растворенные вещества. В процессе адсорбции растворенных веществ из воды наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия:
1. взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами (атомами) поверхности адсорбента;
2. взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе – процесс гидратации.
Адсорбция газов аналогична адсорбции из растворов, за исключением того, что отсутствует конкурирующее действие воды. В процессе адсорбции происходит задержка адсорбата на поверхности адсорбента в течении определенного времени. После чего адсорбат снова может перейти в газовую фазу. Процесс адсорбции из водной (газообразной) фазы идет до установления равновесия. Количество газа или растворенного вещества, которое адсорбируется определенным количеством адсорбента, зависит от вида газа или раствора и от условий:
· температура среды;
· давление газа;
· концентрация растворенных веществ и т.д.
В первый момент сорбции скорость максимальна. В процессе сорбции концентрация адсорбата на поверхности адсорбента увеличивается и при определенных соотношениях может происходить обратный процесс, т.е. переход адсорбционного вещества с поверхности адсорбента в раствор или газ, т.е. наступает равновесие, при котором концентрация извлекаемого вещества в растворе или парциальное давление газа становится постоянным. Эта концентрация раствора называется равновесной концентрацией, а парциальное давление – равновесным.
Для оценки процесса используется величина, называемая удельной адсорбцией (α) – это количество вещества в молях, поглощенное 1 см2 поверхности адсорбента при достижении равновесия в данных условиях. Определяется по формуле:
,
где α – удельная адсорбция, моль/см2;
n – число молей адсорбата;
S – поверхность адсорбента, см2.
Так как очень сложно определить площадь адсорбента, то вместо поверхности используется его масса, т.е.
,
где m – масса адсорбата, г;
С0 – начальная концентрация адсорбтива в растворе, моль/л;
Ср – равновесная концентрация адсорбтива в растворе после адсорбции;
V – объем, м3/л.
В тех случаях когда адсорбат находится в газообразной форме, то его концентрацию можно вычислить:
где Рi – парциальное давление извлекаемого компонента.
С увеличением температуры газовая адсорбция при постоянном давлении уменьшается, а при уменьшении температуры газовая адсорбция увеличивается. В отличии от газовой адсорбции при адсорбции из растворов повышение температуры наоборот вызывает усиление адсорбции растворенного вещества.
Сам процесс протекает за счет понижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение растворов зависит от природы растворителя и от температуры протекания процесса. Растворенные вещества или понижают поверхностное натяжение растворителя, и в таком случае их называют поверхностно-активными веществами (ПАВ), или повышают поверхностное натяжение, и в таком случае их называют поверхностно-инактивными веществами, или не влияют на величину поверхностного натяжения растворителя. В водных растворах поверхностно-активны полярные органические соединения (спирты, кислоты, амины, фенолы). Поверхностно-инактивные большинство сильных электролитов. ПАВ делятся на две группы:
1) истинно растворимые в воде – представляют собой дифильные молекулы с короткими углеводородными радикалами;
2) мицеллярные коллоиды - представляют собой дифильные молекулы с длинным углеводородным радикалом, малорастворимые в воде.
Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком этого вещества и обозначают греческой буквой Г («гамма»). ПАВ положительно адсорбируются в поверхностном слое и, следовательно, для них Г>0, так кА приводит к уменьшению поверхностного натяжения. Напротив, поверхностно-инактивные вещества адсорбируются отрицательно, т.е. их концентрация в поверхностном слое меньше, чем в объеме раствора (Г<0). При этом поверхностное натяжение несколько возрастает в результате того, что в растворах сильных электролитов поверхностные молекулы воды втягиваются внутрь раствора с большей силой, чем в чистой воде. В насыщенных молекулярных поверхностных слоях молекулы ПАВ правильно ориентированны своей полярной группой к полярной фазе (например, воде), а неполярным углеводородным радикалом – к неполярной фазе (например, воздух), образуя подобие частокола.
Адсорбционные процессы описываются уравнениями, которые связывают (α), концентрацию вещества (С) в жидкой или газообразной фазе и давление (Р) в газообразной фазе.
На изотерме можно выделить три участка в области малых концентраций адсорбата на поверхности адсорбента (I) – количество адсорбционного вещества растет пропорционально его концентрации или давлении. В этой области удельная адсорбция (α) описывается уравнением генри: 
или 
,
где 
- предельное количество адсорбата; 
- постоянные адсорбции
Степень заполнения поверхности адсорбента находится по формуле:
При дальнейшем увеличении концентрации (давления) количество адсорбированного вещества увеличивается, но в меньшей степени (участок II).При достаточно высоких концентрациях (давления) количество адсорбированного вещества не изменяется с повышением концентрации, и кривая становится параллельной оси абсцисс (участок III), что соответствует насыщению поверхности адсорбента молекулами адсорбируемого вещества.
Изотерма адсорбции газообразных веществ при высоких давлениях представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Изотерма адсорбции при высоких давлениях
Изотерма адсорбции при приближении к насыщенному давлению изгибается и круто поднимается вверх – это явление связано с копилярной концентрацией. Характер адсорбционных изотерм газообразных веществ зависит от природы и характера адсорбента и газа.
1.2 Активные угли
Адсорбент – это твердое тело, на поверхности и в порах которого происходит адсорбция.
Особенностью процесса адсорбции является избирательность и селективность. Благодаря этому свойству возможно поглощение из сточных вод и загрязненных газов определенных загрязнений, а затем в процессе сорбции возможно выделение их в чистом виде, т.к. адсорбция протекает на поверхности адсорбата, то чем больше поверхность, тем выше скорость адсорбции, и поэтому адсорбенты должны иметь сильно развитую поверхность с очень высокой пористостью и глубокой структурой.
Адсорбенты характеризуются удельной площадью поверхности отнесенной к единице объема или массы, плотностью, адсорбционной емкостью, хорошую способность к регенерации, иметь не высокую стоимость и быть изготовленным из доступных материалов.
Адсорбционные процессы носят циклический характер и предполагают периодическую регенерацию адсорбентов насыщенных целевыми компонентами.
ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ
Факультет вечернего и заочного обучения
Кафедра «Технология и средства защиты окружающей среды»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Дисциплина «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»
на тему: «Адсорбер периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента. Технологическая схема для улавливания паров этилового спирта из воздуха»ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
ПГТА 2. 280202. 022. ПЗ
Выполнила: студентка
группы 03ЭК1з Хворостова Н. А.
Руководитель: к. т. н.,
доцент кафедры «ТИСЗОС» Таранцев К. В
Пенза 2007 г
Реферат
Пояснительная записка курсового проекта содержит 28 стр., 1 рисунок, 2 таблицы, 4 библиографических источника.
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, АДСОРБЦИЯ, КОЛЬЦЕВОЙ АДСОРБЕР, АКТИВНЫЙ УГОЛЬ АР-А, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА.
Целью курсового проекта является: разработка адсорбционной установки периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента и технологической схемы для улавливания паров спирта из воздуха.
Объектом разработки является: выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта, технологический расчет кольцевого адсорбера, выполнение чертежа общего вида кольцевого адсорбера.
Основные технико-экономические показатели разработанного процесса: число адсорберов в технологической схеме 6 шт., кольцевой адсорбер наружным диаметром 3 м, внутренним диаметром 1,6 м, высота адсорбера 5,2 м.
Введение
В данной курсовом проекте будет рассмотрен процесс адсорбции этилового спирта. Адсорбцию широко используют для разделения и концентрирования веществ. Адсорбция это универсальный метод, позволяющий практически полностью извлечь примеси из жидкой фазы.
Процессом адсорбции относительно легко управлять, поскольку, варьируя условия эксперимента, можно осуществить количественную адсорбцию-десорбцию и контролировать этот процесс. Для осуществления адсорбционных методов не требуется сложного приборного оформления, экстремальных условий, поэтому методы этой группы удобны для проверки работ в полевых условиях, их легко сочетать с методом последующего определения компонентов. Адсорбционный метод отличается высокой технологичностью и легкостью автоматизации. Можно автоматизировать не только операцию концентрирования, но и само определение, например в хроматографических и проточно-инжекционных методах.
Этиловый спирт (этанол) имеет второе название – винный спирт. Представляет собой бесцветную жидкость, кипящую при 78,3 0С. Опьяняюще действует на организм человека в малых количествах и приводит в состояние наркоза при больших количествах. Этиловый спирт, как и его водные растворы легко воспламеняется и горят бледным голубым пламенем без образования копоти. Этанол не обладает ни кислотными и ни щелочными свойствами, его реакция нейтральна. Более 150 различных производств используют спирт как сырье или вспомогательный материал. Его применяют в качестве моторного топлива, горючего в лабораториях, как антифриз для понижения точки замерзания воды, как дезинфицирующее средство в медицине и т.д.
В данном курсовом проекте будут:
· произведены выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта;
· описание технологической схемы улавливания;
· представлен технологический расчет вертикального кольцевого адсорбера;
· представлена схема общего вида адсорбционной установки;
· устройство и принцип действия адсорбционной установки.
1. Механизм сорбции
Сорбция- процесс поглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями на твердом носителе (сорбентами). Классификация сорбционных методов основана на различии механизма взаимодействия веществ с сорбентами. Различают абсорбцию (хемосорбция) и адсорбцию (физическая адсорбция), распределение веществ между двумя несмешивающимися фазами (растворитель и жидкая фаза на сорбенте) и капиллярную конденсацию – образование жидкой фазы в порах и капиллярах твердого сорбента при поглощении паров вещества. В чистом виде каждый из перечисленных механизмов, как правило, не реализуется, и обычно наблюдаются смешанные механизмы. Таким образом, сорбционные процессы различны по их механизму. Однако любой сорбционный процесс начинается с адсорбции на границе соприкасающихся фаз, которые могут быть жидкими, газообразными или твердыми.
Сорбция может проходить в статических или динамических условиях. Сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество (сорбтив), находящийся в газообразной фазе или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным сорбентом или перемешивается с ним. Статическую активность сорбента характеризуют количеством поглощенного вещества на единицу массы сорбента в определенных условиях.
Динамической сорбцию называют в том случае, когда поглощаемое вещество находится в подвижной или газообразной фазе, которая фильтруется через слой сорбента. Динамическую активность адсорбента характеризуют временем от начала пропускания адсорбтива до его проскока, т.е. до появления его за слоем адсорбента. Количество вещества (кг) рассчитывают по формуле:
где H – высота слоя в адсорбентах;
h – империческая константа, определяющаяся экспериментально;
F – площадь, которую занимает адсорбент;
amax – динамическая активность адсорбента
Осуществляется путем интенсивного перемешивания, образованного раствора с сорбентам в течении определенного времени с последующим отделением сорбента от воды отстаиванием, центрифугированием и др. методами.
В промышленности сорбционно-десорбционные процессы, как правило, осуществляют в динамических условиях, так как это обеспечивает непрерывность технологических процессов и возможность их автоматизации.
Сорбционный процесс в статических условиях описывается уравнениями, связывающими количество сорбированного вещества Cs и концентрацию вещества с в жидкой (газообразной) фазе и учитывающими химическую и геометрическую неоднородность сорбента и свойства сорбируемого вещества. При последовательном введении сорбента количество адсорбента рассчитывается по формуле:
А при противоточном введении сорбента процесс ведут ступенчато, и расход сорбента определяется по уравнению:
где m – количество сорбентов (кг);
n – число степеней;
Кадс – константа адсорбции;
Q – объем сточной воды (м3/ч);
СН – начальная концентрация загрязнений;
СК – остаточное количество загрязнений в воде.
Для описания адсорбционных процессов на неоднородных поверхностях при образование мономолекулярного слоя применяют уравнение Фрейндлиха:
где
Для полимолекулярных слоев действительно уравнение Брунауэра- Эмметта-Теллера:
где V-объем газа, сорбированного при давлении р; Vm- объем газа, соответствующий мономолекулярному слою; К- постоянная, характерная для данного вещества; р0- давление пара сорбируемого вещества.
По характеру взаимодействия адсорбата с поверхностью жидкого или твердого адсорбаена различают физическую и химическую сорбцию.
При физической адсорбции связана со способностью поверхностных частиц адсорбента удерживать на своей поверхности адсорбата за счет поверхностной энергии. Количество адсорбата, который удерживается на единице площади поверхности определяется силами межмолекулярного взаимодействия: - это дисперсионные, ориентационные и индукционные эффекты.
Физическая адсорбция взаимодействие молекул сорбирующихся веществ с поверхностью адсорбента определяется главным образом дисперсионными силами, вызываемыми согласованным движением электронов в сближающихся молекулах. Для некоторых сорбентов, например, кремнеземов, оксида алюминия, цеолитов, имеют значение электростатические силы. Под электростатическими силами понимают ориентационные силы, проявляющие при адсорбции полярных молекул на поверхности, несущей постоянный электрический заряд, и индукционные силы, обусловленные появлением в сорбирующихся молекулах дипольных моментов, наведенных зарядами поверхности или появлением дипольных моментов в сорбенте, наведенных диполями сорбирующихся молекул. Физическая адсорбция легко обратима, обратный процесс адсорбции называется десорбцией. Десорбцию, осуществляемую с помощью жидкостей, обычно называют элюцией, а жидкость или растворы, применяемые для этих целей, элюентами. Для физической сорбции характерно увеличение скорости и мала прочность.
1.1 Адсорбция
Адсорбция обычно проводится на твердых адсорбентах, на которых адсорбируются газы или растворенные вещества. В процессе адсорбции растворенных веществ из воды наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия:
1. взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами (атомами) поверхности адсорбента;
2. взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе – процесс гидратации.
Адсорбция газов аналогична адсорбции из растворов, за исключением того, что отсутствует конкурирующее действие воды. В процессе адсорбции происходит задержка адсорбата на поверхности адсорбента в течении определенного времени. После чего адсорбат снова может перейти в газовую фазу. Процесс адсорбции из водной (газообразной) фазы идет до установления равновесия. Количество газа или растворенного вещества, которое адсорбируется определенным количеством адсорбента, зависит от вида газа или раствора и от условий:
· температура среды;
· давление газа;
· концентрация растворенных веществ и т.д.
В первый момент сорбции скорость максимальна. В процессе сорбции концентрация адсорбата на поверхности адсорбента увеличивается и при определенных соотношениях может происходить обратный процесс, т.е. переход адсорбционного вещества с поверхности адсорбента в раствор или газ, т.е. наступает равновесие, при котором концентрация извлекаемого вещества в растворе или парциальное давление газа становится постоянным. Эта концентрация раствора называется равновесной концентрацией, а парциальное давление – равновесным.
Для оценки процесса используется величина, называемая удельной адсорбцией (α) – это количество вещества в молях, поглощенное 1 см2 поверхности адсорбента при достижении равновесия в данных условиях. Определяется по формуле:
где α – удельная адсорбция, моль/см2;
n – число молей адсорбата;
S – поверхность адсорбента, см2.
Так как очень сложно определить площадь адсорбента, то вместо поверхности используется его масса, т.е.
где m – масса адсорбата, г;
С0 – начальная концентрация адсорбтива в растворе, моль/л;
Ср – равновесная концентрация адсорбтива в растворе после адсорбции;
V – объем, м3/л.
В тех случаях когда адсорбат находится в газообразной форме, то его концентрацию можно вычислить:
где Рi – парциальное давление извлекаемого компонента.
С увеличением температуры газовая адсорбция при постоянном давлении уменьшается, а при уменьшении температуры газовая адсорбция увеличивается. В отличии от газовой адсорбции при адсорбции из растворов повышение температуры наоборот вызывает усиление адсорбции растворенного вещества.
Сам процесс протекает за счет понижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение растворов зависит от природы растворителя и от температуры протекания процесса. Растворенные вещества или понижают поверхностное натяжение растворителя, и в таком случае их называют поверхностно-активными веществами (ПАВ), или повышают поверхностное натяжение, и в таком случае их называют поверхностно-инактивными веществами, или не влияют на величину поверхностного натяжения растворителя. В водных растворах поверхностно-активны полярные органические соединения (спирты, кислоты, амины, фенолы). Поверхностно-инактивные большинство сильных электролитов. ПАВ делятся на две группы:
1) истинно растворимые в воде – представляют собой дифильные молекулы с короткими углеводородными радикалами;
2) мицеллярные коллоиды - представляют собой дифильные молекулы с длинным углеводородным радикалом, малорастворимые в воде.
Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком этого вещества и обозначают греческой буквой Г («гамма»). ПАВ положительно адсорбируются в поверхностном слое и, следовательно, для них Г>0, так кА приводит к уменьшению поверхностного натяжения. Напротив, поверхностно-инактивные вещества адсорбируются отрицательно, т.е. их концентрация в поверхностном слое меньше, чем в объеме раствора (Г<0). При этом поверхностное натяжение несколько возрастает в результате того, что в растворах сильных электролитов поверхностные молекулы воды втягиваются внутрь раствора с большей силой, чем в чистой воде. В насыщенных молекулярных поверхностных слоях молекулы ПАВ правильно ориентированны своей полярной группой к полярной фазе (например, воде), а неполярным углеводородным радикалом – к неполярной фазе (например, воздух), образуя подобие частокола.
Адсорбционные процессы описываются уравнениями, которые связывают (α), концентрацию вещества (С) в жидкой или газообразной фазе и давление (Р) в газообразной фазе.
На изотерме можно выделить три участка в области малых концентраций адсорбата на поверхности адсорбента (I) – количество адсорбционного вещества растет пропорционально его концентрации или давлении. В этой области удельная адсорбция (α) описывается уравнением генри:
где
Степень заполнения поверхности адсорбента находится по формуле:
При дальнейшем увеличении концентрации (давления) количество адсорбированного вещества увеличивается, но в меньшей степени (участок II).При достаточно высоких концентрациях (давления) количество адсорбированного вещества не изменяется с повышением концентрации, и кривая становится параллельной оси абсцисс (участок III), что соответствует насыщению поверхности адсорбента молекулами адсорбируемого вещества.
Изотерма адсорбции газообразных веществ при высоких давлениях представлена на рисунке 1.
Рис. 1 - Изотерма адсорбции при высоких давлениях
Изотерма адсорбции при приближении к насыщенному давлению изгибается и круто поднимается вверх – это явление связано с копилярной концентрацией. Характер адсорбционных изотерм газообразных веществ зависит от природы и характера адсорбента и газа.
1.2 Активные угли
Адсорбент – это твердое тело, на поверхности и в порах которого происходит адсорбция.
Особенностью процесса адсорбции является избирательность и селективность. Благодаря этому свойству возможно поглощение из сточных вод и загрязненных газов определенных загрязнений, а затем в процессе сорбции возможно выделение их в чистом виде, т.к. адсорбция протекает на поверхности адсорбата, то чем больше поверхность, тем выше скорость адсорбции, и поэтому адсорбенты должны иметь сильно развитую поверхность с очень высокой пористостью и глубокой структурой.
Адсорбенты характеризуются удельной площадью поверхности отнесенной к единице объема или массы, плотностью, адсорбционной емкостью, хорошую способность к регенерации, иметь не высокую стоимость и быть изготовленным из доступных материалов.
Адсорбционные процессы носят циклический характер и предполагают периодическую регенерацию адсорбентов насыщенных целевыми компонентами.
Адсорбционная очистка может быть регенерированной, когда извлекаемые вещества утилизируются. В связи с этим для регенерации адсорбентов применяют методы:
· Экстрагирование органическими растворами;
· Изменение степени диссоциации слабых электролитов, с помощью которых производится десорбция;
· Отгонка десорбционного вещества с водяным паром;
· Испарение адсорбционного вещества током инертного газообразного теплоносителя;
В зависимости от метода различают:
- десорбцию термическую;
- вытеснительную;
- десорбцию со снижением давления.
Активные угли используют в качестве эффективных адсорбентов для извлечения свинца из атмосферного воздуха; Ca, Ba и Sr из концентрированных растворов щелочей, солей и других соединений; Cr, Mo и V из воды и рассолов ртутного электролиза. Как правило, определение элементов заканчивается непосредственно в концентрате: прямым сжиганием концентрата в канале спектрального угольного электрода или концентрат облучают потоком нейтронов или определяют элементы в концентрате рентгенофлуоресцентным методом. Окончание анализа может быть другим: после разложения адсорбента, содержащего сорбированные компоненты, действием азотной кислотой в полученном растворе компоненты определяют атомно-абсорбционным, спектрофотометрическим и другими методами.
Эффективность разделения и концентрирования может быть улучшена при добавлении в исследуемый раствор комплексообразующих веществ. Так, микроколичества Bi, Co, Cu, Fe, In, Pb при анализе металлического серебра и нитрата талия можно извлечь в виде устойчивых комплексов с ксиленоловым оранжевым сорбцией активным углем, помещенным в виде слоя на фильтр. Примеры приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Концентрирование микроэлементов в виде комплексов на активном угле
2. Описание технологического процесса
Процесс адсорбции протекает непрерывно. Непрерывность процесса обеспечивается сменной работой двух групп адсорберов. Используемые, в данной технологической схеме, группы включают в себя по три кольцевых адсорбера каждая.
Процесс адсорбции протекает в определенный срок, по истечению которого данный процесс завершается. Первая группа адсорберов (А1, А2, А3), переходит в режим регенерации, а вторая (А4, А5, А6) в режим проведения процесса адсорбции.
Процесс адсорбции начинается с того, что исходная смесь подается в рукавный фильтр (Ф) с помощью вентилятора (В1) или резервного (В2) по линии 29. После предварительной очистки газ переходит в огнепреградитель с разрывными мембранами. На этом отрезке трубопровода расположена мембрана прорыва (М), которая предотвращает разрушение трубопровода. Затем смесь переходи в калорифер (Ка2), где газ охлаждается оборотной водой. Из охлаждающего калорифера газ попадает в адсорберы: при работе первой группы адсорберов через нижний левый штуцер в (А1, А2, А3), при этом регулирующие вентили (ВЗ7, ВЗ19, ВЗ37) должны быть закрыты, а вентили (ВЗ10, ВЗ13, ВЗ42) – открыты; при работе второй группы адсорберов (А4, А5, А6) регулирующие вентили (ВЗ10, ВЗ13, ВЗ42) закрываются, а вентили (ВЗ7, ВЗ19, ВЗ37) - открываются. Газ поступает в пространство между стенкой корпуса и наружной стенкой корзины, в которой расположен адсорбент – активированный уголь марки АР-А. При прохождении газа через слой адсорбента протекает процесс массообмена, то есть происходит поглощение этилового спирта из парогазовой смеси. После протекания этой реакции очищенный газ через центральный штуцер отводится по линии 3m в атмосферу или на дальнейшее использование.
Процесс идет до тех пор, пока на линии 3m не будет обнаружен проскок этилового спирта. При обнаружение этилового спирта вентили (ВЗ7, ВЗ19, ВЗ37, ВЗ10, ВЗ13, ВЗ42) закрываются, а (ВЗ17, ВЗ20, ВЗ27, ВЗ30, ВЗ32, ВЗ39) – открываются.
Процесс регенерации начинается с подачи в адсорберы острого пара по линии 2 через распределительный коллектор. При подачи в первую группу адсорберов вентиль (ВЗ38 и ВЗ46) закрыты, вентили (ВЗ14, ВЗ25, ВЗ40, ВЗ44) открыты, а при подачи во вторую группу адсорберов вентили (ВЗ14, ВЗ25, ВЗ46) закрыты, вентиль (ВЗ38, ВЗ44, ВЗ15, ВЗ29, ВЗ34) открыты, соответственно вентили (ВЗ7, ВЗ17, ВЗ19, ВЗ30, ВЗ37, ВЗ32, ВЗ10, ВЗ13, ВЗ20, ВЗ26, ВЗ39, ВЗ42, ВЗ51) закрыты. Пар через, нижний центральный, штуцер попадает в центральную часть адсорберов. Затем происходит процесс регенерации перфорированных решеток (процесс десорбции), в частности активного угля. Образовавшейся конденсат, через нижний правый штуцер, попадает в канализацию по линии 30. Промывной водяной пар со следами этилового спирта и частицами адсорбента через нижний левый штуцер поступает в циклон по линии 41.
В циклоне смесь паров воды и этилового спирта очищается от пыли и сконденсированных капель пара под действием центробежных сил. Полученный конденсат через нижний штуцер циклона переходит в холодильник. А оставшаяся смесь переходит по линии 41 в конденсатор, где при подводе свежей воды через верхний штуцер, конденсируется капли пара, которые затем переходят в холодильник. Использованная при конденсации вода отводится по линии 40 через верхний правый штуцер.
В холодильнике при подаче свежей воды конденсат охлаждается. После охлаждения оборотная вода также отводится по линии 40. В результате охлаждения образуется очищенный этиловый спирт, который по линии 34 передается на склад для дальнейшего использования.
После процесса регенерации адсорберы высушивают. Воздух для сушки, подается в калорифер (Ка1) вентилятором (В3)., где нагревается до определенной температуры подачей острого пара по линии 2 (вентиль ВЗ44 закрыт, ВЗ46 - открыт). При этом регулирующий вентиль (ВЗ51) закрыт, а вентиль (ВЗ52) открыт. Затем нагретый воздух подается в адсорберы, регенерируемой группы, через нижний левый штуцер и удаляется из адсорберов через нижний центральный штуцер. При этом: если регенерируется первая группа (А1, А2, А3), регулирующие вентили (ВЗ16, ВЗ28, ВЗ35) открыты, вентили (ВЗ16, ВЗ9) закрыты; если регенерируется вторая группа (А4, А5, А6), регулирующие вентили (ВЗ16, ВЗ28, ВЗ35) открыты, вентиль (ВЗ11) закрыт. После просушки адсорберы вновь охлаждают с помощью подачи атмосферного воздуха вентилятором (В3), который поступает в адсорберы через нижний левый штуцер и удаляется из адсорберов через нижний центральный штуцер по линии 3m в атмосферу или на дальнейшее использование. Процесс идет до тех пор, пока на линии 3m не будет обнаружен проскок этилового спирта.
Процессы регенерации, сушки и охлаждения адсорберов протекают за тот же период времени, что и процесс адсорбции. После проведения этих процессов группы адсорберов вновь меняют, то есть те, которые работали в режиме адсорбции переходят в режим регенерации, а те, которые регенерировались - в режим адсорбции. Процесс протекает непрерывно.
3. Устройство и принцип действия
По способу организации процесса адсорбции представленные в данной курсовой работе аппараты являются аппаратами периодического действия. В них адсорбент находится в неподвижном состоянии и при достижении определенной (заданной) степени насыщения его необходимо заменить или регенерировать (десорбировать). На время регенерации процесс адсорбции прерывается.
Эффективность работы адсорбционной установки в первую очередь зависит от соответствия способа организации процесса, физико-химических характеристик обрабатываемых газов и адсорбента. По расходу, температуре, влажности, давлению отбросных газов, концентрации загрязнителя и его свойствам подбираются вид адсорбента, конструкция аппарата, вид адсорбции, режим обработки. В данной, курсовой был выбран адсорбер с неподвижным слоем адсорбента - активного угля АР-А, периодической обработки и физическим процессом адсорбции.
Адсорберы периодического действия используются в тех случаях, если обрабатывается достаточно большое количество газа или если газ содержит значительные концентрации сорбата, что делает выгодным регенерацию сорбента, а также, если стоимость свежего сорбента превышает стоимость регенерации.
Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем поглотителя имеют различное конструктивное исполнение. В данной, работе представлен адсорбер вертикальный цилиндрический с вертикальным кольцевым слоем адсорбента.
Недостатками вертикального расположения адсорбента является неравномерность слоя по высоте, которая образуется при загрузке, а также в процессе эксплуатации из-за неравномерности усадки от истирания, уноса и других причин. При работе адсорбера через зоны с меньшим сопротивлением проходит большее количество отбросных газов, что ухудшает степень очистки. Неравномерность слоя адсорбента возрастает с увеличением сечения аппарата. Поэтому пропускная способность адсорберов с вертикальным слоем адсорбента обычно не превосходит 1…1,5 м3/с.
Непрерывность очистки обеспечивают компоновкой адсорберов, одновременно задействованных на различных стадиях процесса, в две группы по три. То есть, в первой группе проходит процесс адсорбции, а во второй группе – последовательно протекают стадии десорбции, сушки, охлаждение адсорбента. При этом суммарная продолжительность стадий десорбции, осушки и охлаждения должна быть равна продолжительности адсорбции.
Процесс начинается с подачи исходной смеси в установку через штуцер для подачи паровоздушной смеси, сушильного и охлаждающего воздуха (Г). Паровоздушная смесь заполняет пространство между внутренней стенкой корпуса и внешней стенкой перфорированной корзины, содержащей адсорбент – активный уголь АР-А). Затем исходная смесь проникает через слой адсорбента, где протекает процесс массообмена, то есть происходит очищение исходной смеси. Очищенный воздух выводится через центральный нижний штуцер (Д). Полученный в результате процесса конденсат отводят через штуцер (Ж) предназначенный для отвода паров и конденсата при адсорбции, десорбции и для подачи воды. Для проведения процесса при определенной температуре устанавливается термометр в гильзу для термометра (З1). Адсорбент (активный уголь) не способный к регенерации удаляют из перфорированной корзины через разгрузочный люк (К5 7). Свежий адсорбент загружают в корзину через загрузочный люк (К1 4).
4. Расчет адсорберов периодического действия
Исходные данные задания № 22:
Расход парогазовой смеси V0 = 60000 м3/ч (при нормальных условиях); температура смеси t = 20 0С; давление P = 0,2 МПа; начальная концентрация этилового спирта в воздухе ун = 0,008 кг/м3; допустимая концентрация паров спирта за слоем адсорбента ук = 0,0004 кг/м3. Плотность газовой смеси ρг = 1,2 кг/м3 (при нормальных условиях); вязкость газовой смеси μг = 2,5∙10-5 Па∙с. Адсорбент – активный уголь АР-А (насыпная плотность ε = 0,375, эквивалентный диаметр dэ = 0,0015 м). Тип аппарата – кольцевой адсорбер (наружный диаметр слоя адсорбента Dнар = 3 м, внутренний диаметр Dвн = 1,6 м).
Решение:
1) Определим необходимое сечение слоя адсорбента
м2,
где 
принимаем 0,28
м2,
где Н = 5,2 м (размер из каталога).
2) Определим необходимое количество адсорбентов
адсорбера.
Для того чтобы обеспечить необходимую рабочую поверхность необходимо 3 абсорбера.
3) Определим высоту единицы переноса
предварительно определим числа Рейнольдса, Прандтля и Нуссельта:
- число Рейнольдса 
- число Прандтля 
где 
м2/с (приложение № 7)
т.к. 
, то число Нуссельта будет рассчитываться по формуле
=> 
c-1
м.
4) Построим изотерму адсорбции
β = 0,61 (приложение № 20)
; 
;
для бензола: 
Па.
Для этилового спирта: 
Па.
0С
Расчетные и справочные величины сведем в таблицу 2.
Таблица 2 - Справочные и расчетные значения координат точек изотерм адсорбции бензола и этилового спирта активным углем АР-А
Полученная изотерма изображена на рисунке 2.
5) Строим рабочую линию
Определим координаты точек: точка А(Хн, Yк), точка В(Хк, Yн).
Согласно заданию Yн = 0,008 кг/м3 , Хн = 0 кг/м3, Yк = 0,0004 кг/м3 .
Значение Хк определяют из уравнения материального баланса процесса
,
где при Yн = 0,008 ; Х*=249.
Для определения Vад используем выражение
м3/с.
Тогда
кг/м3.
Точка А(0;0,0004), точка В(191,6;0,008).
Полученная рабочая линия изображена на рисунке 2.
6) Определим число единиц перенос Nу методом графического интегрирования.
Задаем ряд значений Y в интервале [Yн - Yк], определяем Y*. Полученные данные сводим в таблицу 3.
Таблица 3 - Значения параметров для графического интегрирования
Указанная графическая зависимость представлена на рисунке 3.
Определяем площадь под кривой, ограниченной ординатами Yн = 0,008 кг/м3 и Yк = 0,0004 кг/м3.
Число единиц переноса определяют из выражения
где 
- масштаб по оси 
;
- масштаб по оси 
.
.
7). Определим высоту адсорбционного слоя из выражения
м.
Из конструкционных соображений принимаем Н=0,1 м.
8). Определим объем слоя адсорбента по формуле
м3.
9). Определим продолжительность адсорбции
так как рабочая линия расположена в двух областях изотермы адсорбции, то:
- для первой области
откуда
дней
здесь b = 1,19 (приложение №21), так как
- для второй области
10) Определим сопротивление слоя адсорбента
,
где 
кг/м3∙с ,
Анализ задания и литературных данных произведенных в ходе курсового проекта позволил определить технологическую схему проведения процесса для достижения поставленных целей. Эта схема была оформлена на первом листе курсового расчета и представлена в приложении на формате А1 (технологическая схема выполнена в программе КОМПАС – 3D LT 5.11).
В ходе курсового проекта были произведены технологические расчеты по современным методикам, позволяющие выбрать тип адсорбера и гидродинамические сопротивления аппарата.
По результатам расчета был выполнен чертеж кольцевого адсорбера полностью соответствующего результатам расчетов. Адсорбер выполнен по современным каталогам и соответствует действующим стандартам.
Заключение
В данной курсовом проекте был рассмотрен процесс адсорбции. Это широко используемый процесс для разделения и концентрирования веществ. Адсорбция это универсальный метод, позволяющий практически полностью извлечь примеси из жидкой фазы.
В данном курсовом проекте также были:
· произведены выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта;
· выполнен чертеж технологической схемы расположения адсорберов;
· представлен технологический расчет вертикального кольцевого адсорбера периодического действия, действие которого основано на процессе адсорбции с использованием адсорбента активного угля АР-А;
· а так же выполнен чертеж общего вида аппарата.
Список библиографических источников
1. В.Н. Стабников, И.М. Ройтер, Т.Б. Процюк. Этиловый спирт – М.; Изд-во Пищевая промышленность, - 1976 г.
2. Н.Л. Глинка Общая химия: Учебное пособие для вузов. – 22-е изд., исправленное/Под ред. Рабиновича В.А. – Л.: Химия,1982 г.
3. Под ред. Ю.А. Золотова, Е.Н. Дорохова и др. Основы аналитической химии.- М.; Химия, книга 2, -2000 г.
4. А.С. Тимонин Инженерно-экологический справочник. Т 1. – Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2003 г.
· Экстрагирование органическими растворами;
· Изменение степени диссоциации слабых электролитов, с помощью которых производится десорбция;
· Отгонка десорбционного вещества с водяным паром;
· Испарение адсорбционного вещества током инертного газообразного теплоносителя;
В зависимости от метода различают:
- десорбцию термическую;
- вытеснительную;
- десорбцию со снижением давления.
Активные угли используют в качестве эффективных адсорбентов для извлечения свинца из атмосферного воздуха; Ca, Ba и Sr из концентрированных растворов щелочей, солей и других соединений; Cr, Mo и V из воды и рассолов ртутного электролиза. Как правило, определение элементов заканчивается непосредственно в концентрате: прямым сжиганием концентрата в канале спектрального угольного электрода или концентрат облучают потоком нейтронов или определяют элементы в концентрате рентгенофлуоресцентным методом. Окончание анализа может быть другим: после разложения адсорбента, содержащего сорбированные компоненты, действием азотной кислотой в полученном растворе компоненты определяют атомно-абсорбционным, спектрофотометрическим и другими методами.
Эффективность разделения и концентрирования может быть улучшена при добавлении в исследуемый раствор комплексообразующих веществ. Так, микроколичества Bi, Co, Cu, Fe, In, Pb при анализе металлического серебра и нитрата талия можно извлечь в виде устойчивых комплексов с ксиленоловым оранжевым сорбцией активным углем, помещенным в виде слоя на фильтр. Примеры приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Концентрирование микроэлементов в виде комплексов на активном угле
| Определяемый элемент | Объект анализа | Реагент | Особенности концентрирования | Метод определения |
| Ag,Сd,Co,Cu, In,Ni,Pb,Tl,Zn | Вольфрам | Диэтилдитио-карбаминат натрия | Десорбция азотной кислотой | Атомно-абсорбционный и рент- генофлуоресценгный |
| Ag,Bi,Сd,Co,Cu, In,Ni,Pb,Tl,Zn | Соли хрома(III) | Гексаметилен- дитиокарбаминат гексаме- тиленаммония | Сорбционный фильтр, десорбция HNO3 | Атомно- абсорбционный |
| Сd,Co,Cu, Pb | Водные растворы солей (NaС1,MgCl2, СаС12) | Дитизон, дифе- нилкарбазид. 8-оксихинолин, антраниловая кислота | Сорбционный фильтр, десорбция HNO3 | Атомно- абсорбиионный и атомно-эмнссионный |
| С<1, Со, Си, Сг, Ре, Н8, НГ, Мп, N1, РЬ, Яе, 2п, РЗЭ C | Природные воды | 8-Оксихинолин | Коэффициент концентрирования 1-Ю4 | Фотометрия, атомно- абсорбционный и рент- генофлуоресцентный, нейтронно-активационный и γ-активационный анализ |
2. Описание технологического процесса
Процесс адсорбции протекает непрерывно. Непрерывность процесса обеспечивается сменной работой двух групп адсорберов. Используемые, в данной технологической схеме, группы включают в себя по три кольцевых адсорбера каждая.
Процесс адсорбции протекает в определенный срок, по истечению которого данный процесс завершается. Первая группа адсорберов (А1, А2, А3), переходит в режим регенерации, а вторая (А4, А5, А6) в режим проведения процесса адсорбции.
Процесс адсорбции начинается с того, что исходная смесь подается в рукавный фильтр (Ф) с помощью вентилятора (В1) или резервного (В2) по линии 29. После предварительной очистки газ переходит в огнепреградитель с разрывными мембранами. На этом отрезке трубопровода расположена мембрана прорыва (М), которая предотвращает разрушение трубопровода. Затем смесь переходи в калорифер (Ка2), где газ охлаждается оборотной водой. Из охлаждающего калорифера газ попадает в адсорберы: при работе первой группы адсорберов через нижний левый штуцер в (А1, А2, А3), при этом регулирующие вентили (ВЗ7, ВЗ19, ВЗ37) должны быть закрыты, а вентили (ВЗ10, ВЗ13, ВЗ42) – открыты; при работе второй группы адсорберов (А4, А5, А6) регулирующие вентили (ВЗ10, ВЗ13, ВЗ42) закрываются, а вентили (ВЗ7, ВЗ19, ВЗ37) - открываются. Газ поступает в пространство между стенкой корпуса и наружной стенкой корзины, в которой расположен адсорбент – активированный уголь марки АР-А. При прохождении газа через слой адсорбента протекает процесс массообмена, то есть происходит поглощение этилового спирта из парогазовой смеси. После протекания этой реакции очищенный газ через центральный штуцер отводится по линии 3m в атмосферу или на дальнейшее использование.
Процесс идет до тех пор, пока на линии 3m не будет обнаружен проскок этилового спирта. При обнаружение этилового спирта вентили (ВЗ7, ВЗ19, ВЗ37, ВЗ10, ВЗ13, ВЗ42) закрываются, а (ВЗ17, ВЗ20, ВЗ27, ВЗ30, ВЗ32, ВЗ39) – открываются.
Процесс регенерации начинается с подачи в адсорберы острого пара по линии 2 через распределительный коллектор. При подачи в первую группу адсорберов вентиль (ВЗ38 и ВЗ46) закрыты, вентили (ВЗ14, ВЗ25, ВЗ40, ВЗ44) открыты, а при подачи во вторую группу адсорберов вентили (ВЗ14, ВЗ25, ВЗ46) закрыты, вентиль (ВЗ38, ВЗ44, ВЗ15, ВЗ29, ВЗ34) открыты, соответственно вентили (ВЗ7, ВЗ17, ВЗ19, ВЗ30, ВЗ37, ВЗ32, ВЗ10, ВЗ13, ВЗ20, ВЗ26, ВЗ39, ВЗ42, ВЗ51) закрыты. Пар через, нижний центральный, штуцер попадает в центральную часть адсорберов. Затем происходит процесс регенерации перфорированных решеток (процесс десорбции), в частности активного угля. Образовавшейся конденсат, через нижний правый штуцер, попадает в канализацию по линии 30. Промывной водяной пар со следами этилового спирта и частицами адсорбента через нижний левый штуцер поступает в циклон по линии 41.
В циклоне смесь паров воды и этилового спирта очищается от пыли и сконденсированных капель пара под действием центробежных сил. Полученный конденсат через нижний штуцер циклона переходит в холодильник. А оставшаяся смесь переходит по линии 41 в конденсатор, где при подводе свежей воды через верхний штуцер, конденсируется капли пара, которые затем переходят в холодильник. Использованная при конденсации вода отводится по линии 40 через верхний правый штуцер.
В холодильнике при подаче свежей воды конденсат охлаждается. После охлаждения оборотная вода также отводится по линии 40. В результате охлаждения образуется очищенный этиловый спирт, который по линии 34 передается на склад для дальнейшего использования.
После процесса регенерации адсорберы высушивают. Воздух для сушки, подается в калорифер (Ка1) вентилятором (В3)., где нагревается до определенной температуры подачей острого пара по линии 2 (вентиль ВЗ44 закрыт, ВЗ46 - открыт). При этом регулирующий вентиль (ВЗ51) закрыт, а вентиль (ВЗ52) открыт. Затем нагретый воздух подается в адсорберы, регенерируемой группы, через нижний левый штуцер и удаляется из адсорберов через нижний центральный штуцер. При этом: если регенерируется первая группа (А1, А2, А3), регулирующие вентили (ВЗ16, ВЗ28, ВЗ35) открыты, вентили (ВЗ16, ВЗ9) закрыты; если регенерируется вторая группа (А4, А5, А6), регулирующие вентили (ВЗ16, ВЗ28, ВЗ35) открыты, вентиль (ВЗ11) закрыт. После просушки адсорберы вновь охлаждают с помощью подачи атмосферного воздуха вентилятором (В3), который поступает в адсорберы через нижний левый штуцер и удаляется из адсорберов через нижний центральный штуцер по линии 3m в атмосферу или на дальнейшее использование. Процесс идет до тех пор, пока на линии 3m не будет обнаружен проскок этилового спирта.
Процессы регенерации, сушки и охлаждения адсорберов протекают за тот же период времени, что и процесс адсорбции. После проведения этих процессов группы адсорберов вновь меняют, то есть те, которые работали в режиме адсорбции переходят в режим регенерации, а те, которые регенерировались - в режим адсорбции. Процесс протекает непрерывно.
3. Устройство и принцип действия
По способу организации процесса адсорбции представленные в данной курсовой работе аппараты являются аппаратами периодического действия. В них адсорбент находится в неподвижном состоянии и при достижении определенной (заданной) степени насыщения его необходимо заменить или регенерировать (десорбировать). На время регенерации процесс адсорбции прерывается.
Эффективность работы адсорбционной установки в первую очередь зависит от соответствия способа организации процесса, физико-химических характеристик обрабатываемых газов и адсорбента. По расходу, температуре, влажности, давлению отбросных газов, концентрации загрязнителя и его свойствам подбираются вид адсорбента, конструкция аппарата, вид адсорбции, режим обработки. В данной, курсовой был выбран адсорбер с неподвижным слоем адсорбента - активного угля АР-А, периодической обработки и физическим процессом адсорбции.
Адсорберы периодического действия используются в тех случаях, если обрабатывается достаточно большое количество газа или если газ содержит значительные концентрации сорбата, что делает выгодным регенерацию сорбента, а также, если стоимость свежего сорбента превышает стоимость регенерации.
Адсорберы периодического действия с неподвижным слоем поглотителя имеют различное конструктивное исполнение. В данной, работе представлен адсорбер вертикальный цилиндрический с вертикальным кольцевым слоем адсорбента.
Недостатками вертикального расположения адсорбента является неравномерность слоя по высоте, которая образуется при загрузке, а также в процессе эксплуатации из-за неравномерности усадки от истирания, уноса и других причин. При работе адсорбера через зоны с меньшим сопротивлением проходит большее количество отбросных газов, что ухудшает степень очистки. Неравномерность слоя адсорбента возрастает с увеличением сечения аппарата. Поэтому пропускная способность адсорберов с вертикальным слоем адсорбента обычно не превосходит 1…1,5 м3/с.
Непрерывность очистки обеспечивают компоновкой адсорберов, одновременно задействованных на различных стадиях процесса, в две группы по три. То есть, в первой группе проходит процесс адсорбции, а во второй группе – последовательно протекают стадии десорбции, сушки, охлаждение адсорбента. При этом суммарная продолжительность стадий десорбции, осушки и охлаждения должна быть равна продолжительности адсорбции.
Процесс начинается с подачи исходной смеси в установку через штуцер для подачи паровоздушной смеси, сушильного и охлаждающего воздуха (Г). Паровоздушная смесь заполняет пространство между внутренней стенкой корпуса и внешней стенкой перфорированной корзины, содержащей адсорбент – активный уголь АР-А). Затем исходная смесь проникает через слой адсорбента, где протекает процесс массообмена, то есть происходит очищение исходной смеси. Очищенный воздух выводится через центральный нижний штуцер (Д). Полученный в результате процесса конденсат отводят через штуцер (Ж) предназначенный для отвода паров и конденсата при адсорбции, десорбции и для подачи воды. Для проведения процесса при определенной температуре устанавливается термометр в гильзу для термометра (З1). Адсорбент (активный уголь) не способный к регенерации удаляют из перфорированной корзины через разгрузочный люк (К5 7). Свежий адсорбент загружают в корзину через загрузочный люк (К1 4).
4. Расчет адсорберов периодического действия
Исходные данные задания № 22:
Расход парогазовой смеси V0 = 60000 м3/ч (при нормальных условиях); температура смеси t = 20 0С; давление P = 0,2 МПа; начальная концентрация этилового спирта в воздухе ун = 0,008 кг/м3; допустимая концентрация паров спирта за слоем адсорбента ук = 0,0004 кг/м3. Плотность газовой смеси ρг = 1,2 кг/м3 (при нормальных условиях); вязкость газовой смеси μг = 2,5∙10-5 Па∙с. Адсорбент – активный уголь АР-А (насыпная плотность ε = 0,375, эквивалентный диаметр dэ = 0,0015 м). Тип аппарата – кольцевой адсорбер (наружный диаметр слоя адсорбента Dнар = 3 м, внутренний диаметр Dвн = 1,6 м).
Решение:
1) Определим необходимое сечение слоя адсорбента
где
где Н = 5,2 м (размер из каталога).
2) Определим необходимое количество адсорбентов
Для того чтобы обеспечить необходимую рабочую поверхность необходимо 3 абсорбера.
3) Определим высоту единицы переноса
предварительно определим числа Рейнольдса, Прандтля и Нуссельта:
- число Рейнольдса
- число Прандтля
где
т.к.
4) Построим изотерму адсорбции
β = 0,61 (приложение № 20)
для бензола:
Для этилового спирта:
Расчетные и справочные величины сведем в таблицу 2.
Таблица 2 - Справочные и расчетные значения координат точек изотерм адсорбции бензола и этилового спирта активным углем АР-А
| Точка | Бензол | Этиловый спирт | ||
 |  |  |  | |
| 1 | 0.000854 | 109.0 | 0.921 | 178.6 |
| 2 | 0.00256 | 134.2 | 1.80 | 220 |
| 3 | 0.00512 | 139.8 | 2.75 | 229.18 |
| 4 | 0.00939 | 143.0 | 3.97 | 234.42 |
| 5 | 0.01706 | 147.3 | 5.72 | 241.47 |
| 6 | 0.02561 | 151.2 | 7.34 | 247.86 |
5) Строим рабочую линию
Определим координаты точек: точка А(Хн, Yк), точка В(Хк, Yн).
Согласно заданию Yн = 0,008 кг/м3 , Хн = 0 кг/м3, Yк = 0,0004 кг/м3 .
Значение Хк определяют из уравнения материального баланса процесса
где при Yн = 0,008 ; Х*=249.
Для определения Vад используем выражение
Тогда
Точка А(0;0,0004), точка В(191,6;0,008).
Полученная рабочая линия изображена на рисунке 2.
6) Определим число единиц перенос Nу методом графического интегрирования.
Задаем ряд значений Y в интервале [Yн - Yк], определяем Y*. Полученные данные сводим в таблицу 3.
Таблица 3 - Значения параметров для графического интегрирования
| |  |  | |
| 0,008 | 0,001 | 0,007 | 142,8 |
| 0,006 | 0,0007 | 0,0053 | 188,6 |
| 0,004 | 0,00045 | 0,0035 | 281,6 |
| 0,002 | 0,0002 | 0,0018 | 555,5 |
| 0,001 | 0,00005 | 0,00095 | 1052,6 |
| 0,0004 | 0 | 0,0004 | 2500 |
Определяем площадь под кривой, ограниченной ординатами Yн = 0,008 кг/м3 и Yк = 0,0004 кг/м3.
Число единиц переноса определяют из выражения
где
7). Определим высоту адсорбционного слоя из выражения
Из конструкционных соображений принимаем Н=0,1 м.
8). Определим объем слоя адсорбента по формуле
9). Определим продолжительность адсорбции
так как рабочая линия расположена в двух областях изотермы адсорбции, то:
- для первой области
откуда
здесь b = 1,19 (приложение №21), так как
- для второй области
10) Определим сопротивление слоя адсорбента
где
Анализ задания и литературных данных произведенных в ходе курсового проекта позволил определить технологическую схему проведения процесса для достижения поставленных целей. Эта схема была оформлена на первом листе курсового расчета и представлена в приложении на формате А1 (технологическая схема выполнена в программе КОМПАС – 3D LT 5.11).
В ходе курсового проекта были произведены технологические расчеты по современным методикам, позволяющие выбрать тип адсорбера и гидродинамические сопротивления аппарата.
По результатам расчета был выполнен чертеж кольцевого адсорбера полностью соответствующего результатам расчетов. Адсорбер выполнен по современным каталогам и соответствует действующим стандартам.
Заключение
В данной курсовом проекте был рассмотрен процесс адсорбции. Это широко используемый процесс для разделения и концентрирования веществ. Адсорбция это универсальный метод, позволяющий практически полностью извлечь примеси из жидкой фазы.
В данном курсовом проекте также были:
· произведены выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта;
· выполнен чертеж технологической схемы расположения адсорберов;
· представлен технологический расчет вертикального кольцевого адсорбера периодического действия, действие которого основано на процессе адсорбции с использованием адсорбента активного угля АР-А;
· а так же выполнен чертеж общего вида аппарата.
Список библиографических источников
1. В.Н. Стабников, И.М. Ройтер, Т.Б. Процюк. Этиловый спирт – М.; Изд-во Пищевая промышленность, - 1976 г.
2. Н.Л. Глинка Общая химия: Учебное пособие для вузов. – 22-е изд., исправленное/Под ред. Рабиновича В.А. – Л.: Химия,1982 г.
3. Под ред. Ю.А. Золотова, Е.Н. Дорохова и др. Основы аналитической химии.- М.; Химия, книга 2, -2000 г.
4. А.С. Тимонин Инженерно-экологический справочник. Т 1. – Калуга: Изд-во Н. Бочкаревой, 2003 г.
