10第三章第五节移动床吸附过程的计算

1第五节移动床吸附过程的计算在移动床吸附器的吸附操作中，吸附剂固体和气体混合物均以恒定速度连续流动，它们在床层任一截面上的浓度都在不断地变化，和气液在吸收塔内的吸收相类似。移动床吸附过程的计算主要是吸附器直径、吸附段高度和吸附剂用量的计算。我们可以仿照吸收塔的计算来处理问题，同时由于我们所进行的是低浓度气态污染物的吸附处理，可以按照等温过程对待。为了简化计算，只讨论一个组分的吸附过程。一、移动床吸附器直径的计算移动床吸附器主体一般为园柱形设备，和吸收塔计算塔径的公式相同：(3-53)式中D——设备直径，m；V——混合气体流量，m3/h；u——空塔气速，m/s。与吸收计算一样，在吸附设计中，一般来说混合气体流量是已知的，计算塔径的关键是确定空塔气速u。一般移动床中的空塔气速都低于临界流化气速。球形颗粒的移动吸附床临界流化气速可由下式求得：(3-54)式中umf——临界流化气速，m/s；μV——气体粘度，Pa·s；ρV——气体密度，kg/m3；dp——固体颗粒平均直径，m；Remf——临界流化速度时的雷诺准数，由下式求得：式中AT——阿基米德准数，由下式求取：式中ρs——吸附剂颗粒密度，kg/m3。若吸附剂是由不同大小的颗粒组成，则其平均直径应按下式计算：式中xi——颗粒各筛分的质量分率，%；dpi——颗粒各筛分的平均直径，m；uVD4vpVemfmfdRu5.022.51400TTemfAAR)(23vsvvpTgdAnipiipdxd112d1、d2——上下筛目尺寸，m。计算出临界流化气速后，再乘以0.6～0.8，即为空塔气速u，再代入（3-35）式，求出塔径D。二、移动床吸附器吸附剂用量的计算（一）物料衡算与操作线方程与吸收操作相类似，只是以固体吸附剂代替液体吸收剂。仿照处理气液吸收塔内的情况，也是取塔的任一截面分别对塔顶和塔底作物料衡算，见图3-17a。可得操作线方程：(3-58)或(3-59)式中Gs——通过吸附剂床层的惰性气体量，kg/(m2·s);Ls——通过吸附剂床层纯吸附剂流量，kg/(m2·s);y1、y2——进、出口气体中污染物浓度；x1、x2——出、进口吸附剂中污染物浓度。(3-58)、(3-59)式即为吸附操作线方程。在稳定操作条件下，Gs、LS是定值，而二个操作线方程是表示的通过D点（x2、y2）和E点（x1、y1）的直线，如图3-17（b），DE线称为移动床吸附器逆流连续吸附的操作线。操作线上的任何一点，都代表着吸附床内任一截面上的气固中污染物的状况。（二）吸附剂用量的计算与吸收操作一样，操作线DE的斜率Ls/Gs称作“固气比”，它反映了处理单位气体量所需要的吸附剂的量。对于一定的吸附任务，Gs都是一定的，这时希望用最少的吸附剂来完成吸附任务。若吸附剂量Ls减小，则操作线的斜率Ls/Gs就会变小，当达到E点与平衡线上E*点重合，则Ls/Gs达到最小，称最小固气比（Ls/Gs）min，最小固气比可用图解法求出。若吸附平衡线符合图3-17（b）的情况，则需找到进气端（浓端）气体中污染物浓度y1与平衡线的交点E*，从E*点读出对应的x*1的值，然后计算出最小固气比：(3-60)得出最小吸附剂用量：(3-61)根据实际经验，操作条件下的固气比应为最小固气比的1.1～2.0倍，因此，实际操作条件下的吸附剂用量应是：21dddpi)(11xGLyxGLySSSS)(22xGLyxGLySSSS2121min)(xxyyGLSS2121minxxyyGLsS3LS=（1.1～2.0）Lsmin(3-62)三、移动床吸附器吸附层高度的计算在吸附器截面上取一微分高度dz作物料衡算，得到：LSdx=GSdy(3-63)又根据吸附率方程式：GSdy=Kyap(y-y*)dz(3-64)上式整理后积分得传质单元数NOG：(3-65)得吸附床层有效高度Z为：Z=NOG·HOG(3-66)HOG称传质单元高度。传质单元数可仿照吸收或固定吸附过程的处理方法，采用图解积分的方法求出。但要正确求出传质单元高度就显得困难一些。主要原因是还没有找出正确的方法准确地求出移动床的传质总系数Kyap，目前移动床的传质总系数都是采用固定吸附床的数据进行估算的。但是由于在移动床中固体颗粒处于运动状态。因此其传质阻力与固定床有差别，这样处理只是一种近似估算。[例3-4]以分子筛吸附剂，在移动床吸附器中净化含SO2为3%（质量分数）的废气，废气流速为6500kg/h，操作条件为293K、1.013×105Pa，等温吸附。要求气体净化效率为95%。又根据固定床吸附器操作时得到气、固传质分系数分别为：kyap=1260Gs0.55(kgSO2／h·m2·△y)kxap=3458(kgSO2／h·m2·△x)试计算∶⑴吸附剂用量；⑵操作条件下，吸附剂中SO2的含量；⑶移动吸附床的有效高度。解∶⑴吸附剂用量∶吸附器进、出口气体组成为∶由实验得到用分子筛从空气中吸附SO2的平衡曲线图〔例3-4附图（a）〕，由图中可查出与气相组成y1呈平衡的x1*=0.1147，假定吸附器进口的固相组成x2=0，则根据﹙3-60）式得：120yyzOGSpyOGHZdzGaKyydyN]/,/[03.003.06500650003.0650021空气SOkgkgy)/,/([1055.1)03.01(650000503.06500232空气SOkgkgy248.001147.000155.003.0)(minSsGL4操作条件下的固气比取最小固气比的1.5倍，则吸附剂的实用量为：LS=0.372x6500=2418﹙kg/h﹚⑵操作条件下,吸附剂中SO2的含量x1⑶移动吸附床有效高度的计算a.传质单元数计算根据用图解积分法求取传质单元数。利用例3-4附图(a),在у1=0.03到y2=0.0015范围内划分一系列的у值，对每一个y值，在操作线上查出相应的x值，再查出与每一个x值相对应的y*值，计算出的值。结果如下：y0.00150.0050.0100.0150.0200.0250.030y*0.000.000.00010.00050.00180.00430.0078645200101695548.345以为纵坐标，y为横坐标，作曲线[如例3-4附图(b)]。在坐标y1=0.03和У2=0.0015区间曲线下的面积即为传质单元数：b.传质单元高度计算根据传质总系数与传质分系数的关系有：实验测知，该体系中，m=0.022，将m及kyap、kxap代入上式，经计算得：372.0248.05.1)(SsGLSSLyyGx)(211分子筛/,/(0766.02418)0015.003.0(65002SOkgkg12yyOGyydyNyy1yy1yy112128.3yyOGyydyNpxpypyakmakaK115Kyap=78994则传质单元高度为：c.吸附床有效高度计算：Z=HOG×NOG=0.082×3.128=0.256（m）)(082.0789946500maKGHpySOG