Материальный баланс адсорбера.

Уравнение мат. баланса адсорбции по извлекаемому компоненту может быть представлено в следующем виде: G_A=g_a(α_К-α_Н)=G₀y_H-G_Ky_K (1) или (2)

где G_А — масса извлекаемого комп-та; g_A — масса адсорбента; а_H,а_K — активности по извлекаемому комп-ту исходного и отработанного адсорбента; G₀— масса исходной газовой смеси; G_K— масса газовой смеси на выходе из адсорбера; у_H, у_K — массовые концентрации извлекаемого компонента в газовой смеси соответственно на входе и выходе из адсорбера.

Последнее ур-ние в случае, если G₀~G_К, или при усл., что концентрации компонентов отнесены к потоку исходного сырья (см. расчет абсорбции многокомпонентной смеси), может быть приведено к следующему виду: (3)

Приведенные ур-ния исп-ся для определения массы адсорбента g_A, загруженного в периодически действующий адсорбер, или для нахождения удельного расхода адсорбента (кратности циркуляции адсорбента) g_A /G₀ для адсорбера непрерывного действия с движущимся слоем адсорбента, а также для определения массы вещества G_А, извлекаемого при адсорбции. В случае периодически действующего адсорбера со стационарным слоем адсорбента количество извлекаемого компонента G_А соответствует продолжительности стадии адсорбции τ_А.

Из приведенных ур-ний следует, что чем больше емкость адс-та по извлекаемому комп-ту т.е. чем полнее отработан адсорбент и чем меньше величина т.е. чем полнее адсорбент регенерирован, тем меньше удельный расход адсорбента.

Расход адсорбента возрастает с увеличением концентрации извлекаемого компонента в исходном сырье у_Н и с уменьшением концентрации этого компонента у_К в покидающем адсорбер газе.

Удельный расход адсорбента g_A /G₀ в значительной степени определяет экономические показатели процесса в целом. Поэтому процесс адсорбционного разделения экономически оправдан при переработке сырья, в котором извлекаемые комп-ты содержатся в сравнительно небольших кол-вах.

Так, при разделении смеси сухих углеводородных газов процесс адсорбции оказывается более выгодным, чем процесс абсорбции, тогда как для жирных газов целесообразнее применять процесс абсорбции. Аналогичное замечание относится и к разделению жидких смесей: в случае невысокого содержания извлекаемых компонентов в сырье адсорбционное разделение предпочтительнее экстракции.

При расчете процесса адсорбции масса исходной смеси Go и начальная концентрация в ней извлекаемого компонента должны быть заданы, а величины а_к и у_к могут быть определены по изотерме адсорбции. Активность а_к в начале процесса определяется полнотой регенерации адсорбента.

По достижении состояния равновесия в адсорберах с движущимся слоем адсорбента адсорбат (активность отходящего адсорбента равна а_к) будет нах-ся в равновесии с исходным сырьем, т.е. а_к = а_кр, а поток газа, уходящий из адсорбера, будет в равновесии с исходным адсорбентом, т.е. У_к = У_крР

При действительном ходе процесса система не достигает состояния равновесия и степень приближения к равновесному состоянию зависит от ряда факторов: скорости протекания процесса адсорбции, продолжительности контакта фаз, поверхности контакта, активности (емкости) адсорбента.

Для режимов, устанавливаемых экспериментально, систему часто удается достаточно приблизить к состоянию равновесия при относительно небольшой продолжительности времени контакта; для практических расчетов принимают, что

а_к= (0,85 + 0,90)акр и у_к= (0,85 + 0,90)укр.

В случае адсорберов с неподвижным слоем адсорбента выбор величин а_к и у_к усложняется вследствие неполноты отработки слоя адсорбента по высоте. В таких аппаратах контакт адсорбента с сырьем происходит послойно в направлении движения потока разделяемой смеси. При этом только часть адсорбента отрабатывается полностью.

На рис. VIII-5 приведена схема распределения концентраций извлекаемого компонента по высоте слоя при условии приближения системы к состоянию равновесия. В пределах высоты слоя h₁, адсорбент полностью отработан до активности а_кр, соответствующей состоянию равновесия с исходным газом.

Некоторая высота h₂ слоя на выходе обеспечивает гарантированное снижение концентрации извлекаемого компонента от у_н до у_кр; активность адсорбента меняется соответственно от а_кр до а_н. Для расчета материального баланса адсорбера со стационарным слоем адсорбента величине а_к соответствует среднее содержание извлекаемого компонента во всей массе адсорбента.

При неизменной загрузке адсорбента отношение высот слоев адсорбента h₂/h₁ зависит от общей высоты слоя Н. При увеличении высоты слоя адсорбента доля частично отработанного слоя высотой h₂ будет уменьшаться. В этой связи предпочтительнее применять более высокий слой адсорбента.

В ряде случаев оправдано включение в цикл адсорбции двух последовательно соединенных адсорберов с периодическим включением на десорбцию первого по ходу сырья адсорбера и одновременным подключением второго адсорбера на питание исходным сырьем.

Для расчета материального баланса десорбции используются те же уравнения (1) — (3), в которых G_к и G₀ — соответственно равны массам десорбирующего агента и потока на выходе из адсорбера; у_к и у_н — концентрации извлекаемого компонента в исходном десорбирующем агенте и в потоке, уходящем из аппарата.

Из этих уравнений определяется расход десорбирующего агента G_к. При заданных начальных величинах (содержании извлекаемого компонента в адсорбенте в конце стадии адсорбции а_к и в исходном десорбирующем агенте у_к ) необходимые для расчета концентрации а_н и у_н могут быть найдены, как было указано выше, при помощи изотермы адсорбции, построенной для температуры, при которой осуществляется десорбция (см. рис. VIII-4).

Приведенные ур-ния и графики справедливы для газ-го и жидкого сырья.