Расчетная часть.
Расчет адсорбера системы ВТР периодического действия с неподвижным слоем адсорбента для улавливания паров н-бутанола
3.1. Построение изотермы адсорбции. Ординаты и абсциссы точек изотермы бутанола вычисляются по формулам (1) и (2):
(1)
(2)
где a1* и a2* - концентрации адсорбированных бензола и бутанола, кг/кг;
V1 и V2 – молярные объемы бензола и бутанола в жидком состоянии, м3;
p1 и p2 – парциальное давление паров бензола и бутанола, мм рт. ст;
pS-1 и pS-2 – давление насыщенных паров бензола и бутанола при 20°С, мм рт. ст.;
T1 и Т2 - абсолютная температура бензола и бутанола при адсорбции (в данном случае Т1 — Т2 = 293° К);
β - коэффициент аффинности.
Молярный объем бензола:
.
Молярный объем бутанола:
.
Коэффициент аффинности:
.
На изотерме бензола берем ряд точек
Первая точка: a1* = 0,25 кг/кг; p1 = 8 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме бутанола:
Вторая точка: a1* = 0,30 кг/кг; p1 = 57 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме бутанола:
Третья точка: a1* = 0,15 кг/кг; p1 = 1 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме бутанола:
Четвертая точка: a1* = 0,28 кг/кг; p1 = 20 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме бутанола:
Пятая точка: a1* = 0,20 кг/кг; p1 = 2,5 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме бутанола:
откуда
Шестая точка: a1* = 0,26 кг/кг; p1 = 10 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме бутанола:
откуда
Седьмая точка: a1* = 0,22 кг/кг; p1 = 3,5 мм рт. ст. Вычислим координаты соответствующей точки на изотерме бутанола:
откуда
Вычислив ординаты и абсциссы всех точек, полученные данные, сводим в табл. 1.
Таблица 1
-
Изотерма бензола
Изотерма бутанола
a1*, кг/кг
p1, мм рт. ст
a2*, кг/кг
p2, 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
0,138
0,184
0,202
0,23
0,24
0,26
0,276
0,055
0,141
0,199
0,47
0,588
1,204
3,5
По найденным точкам строим изотерму бутанола для 20 ºС.
Определим с помощью изотермы статическую активность угля по бутанолу при концентрации паровоздушной смеси
Предварительно необходимо рассчитать парциальное давление, соответствующепо формуле (3):
(3)
По диаграмме абсциссе p0 = 0,617 мм рт. ст. соответствует ордината a0* = 0,25 кг/кг.
Так как на изотерме точка, соответствующая исходной концентрации паровоздушной смеси находится во второй области, то продолжительность процесса вычисляется по формуле (4):
(4)
где
На основании вида изотермы
И соответствующая этой величине поглощения парциальная упругость паров бутанола по изотерме адсорбции Р1=0,055 мм.рт.ст
рабочая скорость газового потока;
H = 0,50 – высота слоя активного угля;
b – функция, определяемая по таблице (стр. 87, [4]) для
значение b = 1,84;
β– объемный коэффициент массопередачи, который вычисляется по формуле (5):
(5)
Где
Критерий Нуссельта определяется формулой (6):
(6)
(7)
(8)
Находим кинематический коэффициент вязкости воздуха. По рис. VI (стр. 607, [5]) μ = 0,018 · 10-3 н · сек/м2, = 1,2 кг/м3
Диаметр частицы угля dэ = 0,002 м,
Скорость
Коэффициент диффузии при 0 ºС для системы бутанол – воздух:
Для температуры 20ºС коэффициент диффузии вычисляется по формуле:
.
Тогда:
После подстановки получим объемный коэффициент массопередачи:
На основании
Определяем продолжительность процесса:
Диаметр адсорбера вычисляется по формуле:
Определим количество паровоздушной смеси, проходящей через адсорбер за 1334 мин:
Количество активного угля составляет:
Активность угля по парам бутанола составляет 4,2%. Остаточная активность угля по бутанолу после десорбции 0,048%. Исходя из этого, вычислим количество бутанола, находящегося в угле после адсорбции:
А так же количество бутанола, оставшегося в угле после десорбции:
Таким образом, количество бутанола, поглощаемого за одну операцию, будет равно:
.
Продолжительность адсорбции:
.
Операционный объем паровоздушной смеси: