Технологічний розрахунок адсорбера блоку підготовки сировини установки ізомеризації

6. Технологічний розрахунок адсорбера блоку підготовки сировини установки ізомеризації

Як було зазначено вміст сірки в сировині для подачі її в реактор повинен бути менш ніж 0,1 ppm [див. розділ 1].

Розрахуємо об’ємну подачу рідкої сировини:

 (6.1)

де G_С — масова витрата сировини, вона складає 70.5·10⁶ кг/рік [див. вихідні дані];

ρ — густина рідкої сировини, вона дорівнює 677 кг/м³ [див. розділ №3];

8000 – кількість годин на протязі одного року.

Для розрахунку адсорбера потрібні характеристики адсорбенту АКГ-981, які приведені нижче [9]:

– насипна густина ρ_н: 810 кг/м³;

– пористість шару гранул ε=0,38;

– питома поверхня f= 370,37 м²/м³.

Наступні характеристику будуть представлятись по мірі розрахунку.

Оскільки проектується адсорбер вхід сировини, в який здійснюється зверху,

можна не хвилюватися про швидкість потоку в апараті, оскільки винесення адсорбенту під дією швидкості винесення неможливе.

Але швидкість повинна бути в розумних межах, оскільки при її збільшенні збільшується гідравлічний опір в квадратній пропорційності.

Тривалість Т повного циклу в адсорбері с нерухомим зернистим шаром адсорбенту (як і в другому адсорбері періодичної дії) складається із часу адсорбції , часу десорбції , на протязі якого через адсорбент будуть продувати регенеруючий агент, і часу охолодження адсорбенту (також в цей час може ввійти час сушки, але в нашому випадку, дану операцію проводити не доводиться) . Величини  і  визначаються дослідницьким методом, а їх сума складає тривалість допоміжних операцій:

. (6.2)

Таким чином:

 (6.3)

Оскільки в нас непереривний процес на установці, тому ми проводимо адсорбцію з декількох адсорберів періодичної дії, в яких поперемінно відбувається адсорбція і допоміжні операція (десорбція і охолодження). Для здійснення описаного вище візьмемо два адсорбера. Для роботи таких установок необхідне виконання наступної умови:

. (6.4)

Умовимось діаметром адсорбера D=1,4 м, і розрахуємо фіктивну швидкість суміші:

 (6.5)

де V – об’ємна подача сировини (формула 6.1), м³/с;

S – площа перерізу адсорбера, м².

Площа перерізу S:

,

Отже,

W₀= м/с

Відомо, що час який затрачується на десорбцію 1 м³ адсорбенту, при фіктивній швидкості 0,08 м/с регенеруючого агенту з температурою 300 ^оС, становить 15,8 години [9].

По ізотермі адсорбції рис. 6.1 при Y₁=0,0000105 кг/кг сировини [див. розділ №3], рівноважна концентрація сірковмісних сполук і вологи в адсорбенті буде Х^*=0,024 кг/кг адсорбенту [9]. Приймаємо насичення начального перерізу шару Х_н=0,98·Х^*=0,98·0,024=0,02352 кг/кг адсорбенту.

Визначаємо тривалість насищення шару адсорбенту висотою 1 м по рівнянню (коефіцієнт поглинальної дії):

k== 581843.33 с/м (6.6)

Знаходимо час , на протязі якого насичується початковий переріз шару. Використовуючи формулу:

, (6.7)

де К – коефіцієнт масопередачі, кг/м²·с·кг/кг;

f – питома поверхня адсорбенту, м²/м³.

Інтеграл правої частини рівняння (6.7) визначається графічно і представляє собою

площу, обмежену кривою , абсцисою Х_Н і крайніми ординатам.

Для рішення інтегралу приймемо ряд похідних значень Х (менше Х_н=0,02352 кг/кг адсорбенту).По ізотермі адсорбції рис. 6.1 визначаємо значення точок рівноважної концентрації , які відповідають кожній величині Х, і будуємо графік залежності  від Х на основі отриманих даних, приведених в таблиці 6.1:

Таблиця 6.1

Точки рівноважної концентрації

Х, кг/кг	Y*·105, кг/кг	Y1·105, кг/кг	(Y1 – Y*)·105	1/(Y1 – Y*)·10-5
0	0	0,00105	0,00105	952,38
0,00452	0,0001092	0,00105	0,0009408	1062,92
0,00952	0,0002247	0,00105	0,0008253	1211,68
0,01352	0,0003171	0,00105	0,0007329	1364,44
0,01852	0,0004326	0,00105	0,0006174	1619,69
0,02352	0,000945	0,00105	0,000105	9523,80

Рис. 6.1 Ізотерма адсорбції

Площа обмежена кривою, віссю абсцис і крайніми ординатами, проведеними (див рис. 6.2), складає 405,7 см². Враховуючи масштаб будування графіка:

.

Рис 6.2 Графік залежності  від Х

Тепер визначимо коефіцієнт масопередачі від сировинної суміші до адсорбенту при температурі 80 ^оС, оскільки саме при цій температурі буде працювати адсорбер [див. розділ 1], по формулі:

 (6.8)

Визначимо еквівалентний діаметр шару адсорбенту:

 (6.9)

Масова швидкість сировинної суміші складає:

 (6.10)

де  – густина сировинної суміші, кг/м³ [див. розділ 3]

Визначаємо критерій Рейнольдса:

 (6.11)

де  – в’язкість сировинної суміші (1,69·10^-3Па·с) [12].

Коефіцієнт дифузії сірковмісних сполук при 0 ^оС складає:

Визначимо коефіцієнт дифузії сировинної суміші при тиску Р=1,25 МПа:

 (6.12)

Знаходимо значення дифузійного критерію Прандтля:

 (6.13)

В відповідності знайдемо дифузійний критерій Nu’:

звідки,

або

.

Час  по рівнянню (6.7):

Висота одиниці переносу складає

.

Визначимо число одиниць переносу графічним методом, допускаючи концентрацію сірковмісних сполук в кінці шару Х_с=0,001 кг/кг адсорбенту.

Визначаємо значення  в границі зміни Х від Х_н=0,02352 кг/кг адсорбенту до Х_с=0,001 кг/кг адсорбенту (табл. 6.2).

Методом графічного інтегрування визначаємо за рис. 6.3 число одиниць переносу.

Таблиця 6.2

До розрахунку

X	X*	X*-X
0,001	0,0025	0,0015	666,66
0,005	0,0165	0,0115	86,95
0,009	0,0189	0,0099	101,01
0,017	0,0246	0,0076	131,58
0,021	0,0252	0,0042	238,09
0,0235	0,0245	0,001	1000

Рис. 6.3 Графік залежності  від Х

Число одиниць переносу становить: n=5,1.

Знаходимо висоту Н_о шару адсорбенту, який працює до моменту :

 (6.14)

Визначаємо тривалість адсорбції при умові, що висота шару адсорберу буде становити 2,1м:

τ = τ₀ +κ (Η - Η₀)=109,2+315538,12∙(2,1-0,0765)=635223с

або 7 діб і 9 годин

Розрахуємо об’єм адсорбенту:

.

Час десорбції буде становити:

τ _доп =15,8∙3,2=50,56 години або 2 доби та 2 години

Отже, умова  виконалась.

Втрату напору розраховують по формулі:

; (6.15)

де ε — порозність шару;

и — лінійна швидкість руху потоку, який фільтрується через шар адсорбенту, м/с;

μ — динамічна в’язкість, Пас;

d — середній діаметр зерен адсорбенту, дорівнює 0,004 м;

ρ — густина рідини, кг/м³;

g — прискорення сили тяжіння, кг/с².

Середній діаметр часток адсорбенту становить d = 410^-3м.

Таким чином

ΔР = Н 1874,4 = 2,1· 1874,4= 3,9 кПа.

Таким чином, втрата напору адсорбенту не значна.. Тому до проектування приймаємо реактор циліндричної форми з висотою і діаметром 2,1 та 1,4 м відповідно по ГОСТ 9617-67.