Оценочные расчеты адсорбционных установок.

Эти расчеты позволяют определить размеры основных аппаратов уста-новки, сопоставить различные варианты ее состава и дать предварительную оценку их экономической целесообразности. Как правило, точность расчетов отличается от окончательной не более чем на ±10%.

Для определения размеров адсорберов прежде всего необходимо опре-делить их внутренний диаметр. Он в основном зависит от величины расхода сырьевого и вспомогательных потоков, количества загружаемого адсорбента, а также от гидродинамического сопротивления слоя.

Необходимое количество адсорбента определяют из соответствующих изотерм адсорбции. Для учета того, что адсорбер должен, как правило, не ме-нее года находиться в эксплуатации, а за это время может произойти сниже-ние адсорбционной способности адсорбента, то его количество для процессов очистки или осушки технологических потоков увеличивают на 30%, в случае же короткоцикловых процессов (выделение н-алканов, концентрирование во-дорода и т д.) - в 2-3 раза. Эта процедура требует знания изотерм адсорбции различных веществ на конкретном адсорбенте.

В некоторых случаях этот подход может быть упрощен, но тогда долж-ны быть известны определенные закономерности и зависимости. Они как пра-вило приводятся в материалах фирм, занимающихся разработкой технологий и их промышленной реализацией.

На рис. 6.4 приведена зависимость между максимально допустимой ли-нейной скоростью потока (направление сверху вниз) и рабочим давлением [4] в адсорбере при осушке газовых сред на цеолитах. В адсорбере за линейную скорость принимается скорость газа в свободном сечении аппарата. При больших скоростях может либо начать разрушаться адсорбент, либо доста-точно резко ухудшатся условия адсорбции.

Между максимальной линейной скоростью и минимальным диаметром (или площадью поперечного сечения адсорбера) существует обратная связь. Обычно, определив из максимально-допустимой линейной скорости мини-мальный диаметр, находят высоту слоя для заданного количества адсорбента. Она для адсорберов с нижней опорной тарелкой не должна превышать 7,6 метров [4]. В противном случае для данного типа адсорберов необходимо предусматривать промежуточные опоры, которые оказывают сильное влияние на гидродинамику, массо- и теплообмен в аппарате.

Если по расчету при минимальном диаметре получается высота слоя адсорбента больше 7,6 метров, то диаметр подбирают таким образом, чтобы выполнилось ограничение по высоте. Нижним пределом для высоты слоя явля-ется условие, что она должна быть больше или равна диаметру адсорбера, но не меньше 1,8 метра. Если по расчету получается не так, то рекомендуется увеличить продолжительность адсорбции. Нижнее ограничение высоты слоя связано с формированием зоны массообмена.

Если установка предназначена только для осушки газа, то необходимое количество цеолита можно определить по рисунку 6.5.

Из рис. 6.6 можно найти ориентировочное количество цеолита, требуе-мого для совместного удаления воды и диоксида углерода из газа. Эта зави-симость применима для концентрации СО2 в пределах от 0,03 до 1,2% об., давления 4,0-7,0 МПа и температуры на стадии адсорбции 20-500С.

После определения размеров адсорберов необходимо рассчитать расход газа, подаваемого на стадии десорбции, и определить энергетические затраты на нагрев технологических потоков. Если рассчитываются установки для осушки или для совместного удаления воды и диоксида углерода из газового потока, то для определения расхода газа на десорбцию можно использовать соответственно графики, приведенные на рисунках 6.7 и 6.8.

Первый из них применим для осушки газов при температуре десорбента 3500С и одинаковом давлении на стадиях адсорбции и десорбции. Кроме того, периоды нагрева (десорбции) и охлаждения слоя составляют соответственно 5/8 и 3/8 от длительности стадии адсорбции. Рис. 6.8 позволяет определить расход газа на десорбцию воды и СО2 из цеолитов при его температуре 3500С, давлении равном давлению на стадии адсорбции и равной длительности ста-дий адсорбции, нагрева и охлаждения. При расчете двухадсорберной установки расход газа на десорбцию должен быть умножен на коэффициент равный отношению продолжительность адсорбции/продолжительность нагрева.

Рис. 6.6 Количество цеолита, необходимое в адсорбере при одновременной осушке и очистке углеводородного газа от СО2.

Рис. 6.7 Расход газа регенерации, необходимый при одновременной осушке и очистке углеводородного газа (условия: регенерация осуществляется при том же давлении, что и адсорбция; время нагрева равно 5/8 времени адсорбции, температура газа регенерации 350оС).

Рис. 6.8 Расход газа регенерации, необходимый при одновременной осушке и очистке углеводородного газа от СО2. (условия: регенерация осуществляется при том же давлении, что и адсорбция; время нагрева равно времени адсорб-ции, температура газа регенерации 350оС, для учета рабочего давления необ-ходимо проводить пересчет по формуле 0,87е Р*0,000536).

В качестве примера рассмотрим расчет установки удаления воды и диок-сида углерода из природного газа, подвергаемого в последующем сжижению. К нему предъявляются следующие требования: содержание воды - не более 1ррm (10-4 % ), содержание СО2 - не более 50 ррm. Кроме определения ориен-тировочных размеров адсорбера необходимо выбрать схему установки и ко-личество, используемых в ней адсорберов, а также оценить уровень энергопо-требления на нагрев потоков.