122819 (Адсорбер периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента. Технологическая схема для улавливания паров этилового спирта из воздуха)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ (РОСОБРАЗОВАНИЕ)

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Факультет вечернего и заочного обучения

Кафедра «Технология и средства защиты окружающей среды»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Дисциплина «Процессы и аппараты защиты окружающей среды»

на тему: «Адсорбер периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента. Технологическая схема для улавливания паров этилового спирта из воздуха»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПГТА 2. 280202. 022. ПЗ

Выполнила: студентка

группы 03ЭК1з Хворостова Н. А.

Руководитель: к. т. н.,

доцент кафедры «ТИСЗОС» Таранцев К. В

Пенза 2007 г

Реферат

Пояснительная записка курсового проекта содержит 28 стр., 1 рисунок, 2 таблицы, 4 библиографических источника.

ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, АДСОРБЦИЯ, КОЛЬЦЕВОЙ АДСОРБЕР, АКТИВНЫЙ УГОЛЬ АР-А, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА.

Целью курсового проекта является: разработка адсорбционной установки периодического действия с неподвижным зернистым слоем адсорбента и технологической схемы для улавливания паров спирта из воздуха.

Объектом разработки является: выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта, технологический расчет кольцевого адсорбера, выполнение чертежа общего вида кольцевого адсорбера.

Основные технико-экономические показатели разработанного процесса: число адсорберов в технологической схеме 6 шт., кольцевой адсорбер наружным диаметром 3 м, внутренним диаметром 1,6 м, высота адсорбера 5,2 м.

Введение

В данной курсовом проекте будет рассмотрен процесс адсорбции этилового спирта. Адсорбцию широко используют для разделения и концентрирования веществ. Адсорбция это универсальный метод, позволяющий практически полностью извлечь примеси из жидкой фазы.

Процессом адсорбции относительно легко управлять, поскольку, варьируя условия эксперимента, можно осуществить количественную адсорбцию-десорбцию и контролировать этот процесс. Для осуществления адсорбционных методов не требуется сложного приборного оформления, экстремальных условий, поэтому методы этой группы удобны для проверки работ в полевых условиях, их легко сочетать с методом последующего определения компонентов. Адсорбционный метод отличается высокой технологичностью и легкостью автоматизации. Можно автоматизировать не только операцию концентрирования, но и само определение, например в хроматографических и проточно-инжекционных методах.

Этиловый спирт (этанол) имеет второе название – винный спирт. Представляет собой бесцветную жидкость, кипящую при 78,3 ⁰С. Опьяняюще действует на организм человека в малых количествах и приводит в состояние наркоза при больших количествах. Этиловый спирт, как и его водные растворы легко воспламеняется и горят бледным голубым пламенем без образования копоти. Этанол не обладает ни кислотными и ни щелочными свойствами, его реакция нейтральна. Более 150 различных производств используют спирт как сырье или вспомогательный материал. Его применяют в качестве моторного топлива, горючего в лабораториях, как антифриз для понижения точки замерзания воды, как дезинфицирующее средство в медицине и т.д.

В данном курсовом проекте будут:

• произведены выбор и разработка технологической схемы процесса улавливания этилового спирта;

• описание технологической схемы улавливания;

• представлен технологический расчет вертикального кольцевого адсорбера;

• представлена схема общего вида адсорбционной установки;

• устройство и принцип действия адсорбционной установки.

1. Механизм сорбции

Сорбция- процесс поглощения газов, паров и растворенных веществ твердыми или жидкими поглотителями на твердом носителе (сорбентами). Классификация сорбционных методов основана на различии механизма взаимодействия веществ с сорбентами. Различают абсорбцию (хемосорбция) и адсорбцию (физическая адсорбция), распределение веществ между двумя несмешивающимися фазами (растворитель и жидкая фаза на сорбенте) и капиллярную конденсацию – образование жидкой фазы в порах и капиллярах твердого сорбента при поглощении паров вещества. В чистом виде каждый из перечисленных механизмов, как правило, не реализуется, и обычно наблюдаются смешанные механизмы. Таким образом, сорбционные процессы различны по их механизму. Однако любой сорбционный процесс начинается с адсорбции на границе соприкасающихся фаз, которые могут быть жидкими, газообразными или твердыми.

Сорбция может проходить в статических или динамических условиях. Сорбцию называют статической, когда поглощаемое вещество (сорбтив), находящийся в газообразной фазе или жидкой фазе, приведено в контакт с неподвижным сорбентом или перемешивается с ним. Статическую активность сорбента характеризуют количеством поглощенного вещества на единицу массы сорбента в определенных условиях.

Динамической сорбцию называют в том случае, когда поглощаемое вещество находится в подвижной или газообразной фазе, которая фильтруется через слой сорбента. Динамическую активность адсорбента характеризуют временем от начала пропускания адсорбтива до его проскока, т.е. до появления его за слоем адсорбента. Количество вещества (кг) рассчитывают по формуле:

,

где H – высота слоя в адсорбентах;

h – империческая константа, определяющаяся экспериментально;

F – площадь, которую занимает адсорбент;

a_max – динамическая активность адсорбента

Осуществляется путем интенсивного перемешивания, образованного раствора с сорбентам в течении определенного времени с последующим отделением сорбента от воды отстаиванием, центрифугированием и др. методами.

В промышленности сорбционно-десорбционные процессы, как правило, осуществляют в динамических условиях, так как это обеспечивает непрерывность технологических процессов и возможность их автоматизации.

Сорбционный процесс в статических условиях описывается уравнениями, связывающими количество сорбированного вещества C_s и концентрацию вещества с в жидкой (газообразной) фазе и учитывающими химическую и геометрическую неоднородность сорбента и свойства сорбируемого вещества. При последовательном введении сорбента количество адсорбента рассчитывается по формуле:

А при противоточном введении сорбента процесс ведут ступенчато, и расход сорбента определяется по уравнению:

,

где m – количество сорбентов (кг);

n – число степеней;

К_адс – константа адсорбции;

Q – объем сточной воды (м³/ч);

С_Н – начальная концентрация загрязнений;

С_К – остаточное количество загрязнений в воде.

Для описания адсорбционных процессов на неоднородных поверхностях при образование мономолекулярного слоя применяют уравнение Фрейндлиха:

или ,

где , и - постоянные.

Для полимолекулярных слоев действительно уравнение Брунауэра- Эмметта-Теллера:

,

где V-объем газа, сорбированного при давлении р; V_m- объем газа, соответствующий мономолекулярному слою; К- постоянная, характерная для данного вещества; р₀- давление пара сорбируемого вещества.

По характеру взаимодействия адсорбата с поверхностью жидкого или твердого адсорбаена различают физическую и химическую сорбцию.

При физической адсорбции связана со способностью поверхностных частиц адсорбента удерживать на своей поверхности адсорбата за счет поверхностной энергии. Количество адсорбата, который удерживается на единице площади поверхности определяется силами межмолекулярного взаимодействия: - это дисперсионные, ориентационные и индукционные эффекты.

Физическая адсорбция взаимодействие молекул сорбирующихся веществ с поверхностью адсорбента определяется главным образом дисперсионными силами, вызываемыми согласованным движением электронов в сближающихся молекулах. Для некоторых сорбентов, например, кремнеземов, оксида алюминия, цеолитов, имеют значение электростатические силы. Под электростатическими силами понимают ориентационные силы, проявляющие при адсорбции полярных молекул на поверхности, несущей постоянный электрический заряд, и индукционные силы, обусловленные появлением в сорбирующихся молекулах дипольных моментов, наведенных зарядами поверхности или появлением дипольных моментов в сорбенте, наведенных диполями сорбирующихся молекул. Физическая адсорбция легко обратима, обратный процесс адсорбции называется десорбцией. Десорбцию, осуществляемую с помощью жидкостей, обычно называют элюцией, а жидкость или растворы, применяемые для этих целей, элюентами. Для физической сорбции характерно увеличение скорости и мала прочность.

1. Адсорбция

Адсорбция обычно проводится на твердых адсорбентах, на которых адсорбируются газы или растворенные вещества. В процессе адсорбции растворенных веществ из воды наблюдаются два вида межмолекулярного взаимодействия:

1. взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами (атомами) поверхности адсорбента;

2. взаимодействие молекул растворенного вещества с молекулами воды в растворе – процесс гидратации.

Адсорбция газов аналогична адсорбции из растворов, за исключением того, что отсутствует конкурирующее действие воды. В процессе адсорбции происходит задержка адсорбата на поверхности адсорбента в течении определенного времени. После чего адсорбат снова может перейти в газовую фазу. Процесс адсорбции из водной (газообразной) фазы идет до установления равновесия. Количество газа или растворенного вещества, которое адсорбируется определенным количеством адсорбента, зависит от вида газа или раствора и от условий:

• температура среды;

• давление газа;

• концентрация растворенных веществ и т.д.

В первый момент сорбции скорость максимальна. В процессе сорбции концентрация адсорбата на поверхности адсорбента увеличивается и при определенных соотношениях может происходить обратный процесс, т.е. переход адсорбционного вещества с поверхности адсорбента в раствор или газ, т.е. наступает равновесие, при котором концентрация извлекаемого вещества в растворе или парциальное давление газа становится постоянным. Эта концентрация раствора называется равновесной концентрацией, а парциальное давление – равновесным.

Для оценки процесса используется величина, называемая удельной адсорбцией (α) – это количество вещества в молях, поглощенное 1 см² поверхности адсорбента при достижении равновесия в данных условиях. Определяется по формуле:

,

где α – удельная адсорбция, моль/см²;

n – число молей адсорбата;

S – поверхность адсорбента, см².

Так как очень сложно определить площадь адсорбента, то вместо поверхности используется его масса, т.е.

,

где m – масса адсорбата, г;

С₀ – начальная концентрация адсорбтива в растворе, моль/л;

С_р – равновесная концентрация адсорбтива в растворе после адсорбции;

V – объем, м³/л.

В тех случаях когда адсорбат находится в газообразной форме, то его концентрацию можно вычислить:

где Р_i – парциальное давление извлекаемого компонента.

С увеличением температуры газовая адсорбция при постоянном давлении уменьшается, а при уменьшении температуры газовая адсорбция увеличивается. В отличии от газовой адсорбции при адсорбции из растворов повышение температуры наоборот вызывает усиление адсорбции растворенного вещества.

Сам процесс протекает за счет понижения поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Поверхностное натяжение растворов зависит от природы растворителя и от температуры протекания процесса. Растворенные вещества или понижают поверхностное натяжение растворителя, и в таком случае их называют поверхностно-активными веществами (ПАВ), или повышают поверхностное натяжение, и в таком случае их называют поверхностно-инактивными веществами, или не влияют на величину поверхностного натяжения растворителя. В водных растворах поверхностно-активны полярные органические соединения (спирты, кислоты, амины, фенолы). Поверхностно-инактивные большинство сильных электролитов. ПАВ делятся на две группы:

1) истинно растворимые в воде – представляют собой дифильные молекулы с короткими углеводородными радикалами;

2) мицеллярные коллоиды - представляют собой дифильные молекулы с длинным углеводородным радикалом, малорастворимые в воде.

Разность концентраций растворенного вещества в поверхностном слое внутри объема раствора называют поверхностным избытком этого вещества и обозначают греческой буквой Г («гамма»). ПАВ положительно адсорбируются в поверхностном слое и, следовательно, для них Г>0, так кА приводит к уменьшению поверхностного натяжения. Напротив, поверхностно-инактивные вещества адсорбируются отрицательно, т.е. их концентрация в поверхностном слое меньше, чем в объеме раствора (Г<0). При этом поверхностное натяжение несколько возрастает в результате того, что в растворах сильных электролитов поверхностные молекулы воды втягиваются внутрь раствора с большей силой, чем в чистой воде. В насыщенных молекулярных поверхностных слоях молекулы ПАВ правильно ориентированны своей полярной группой к полярной фазе (например, воде), а неполярным углеводородным радикалом – к неполярной фазе (например, воздух), образуя подобие частокола.

Адсорбционные процессы описываются уравнениями, которые связывают (α), концентрацию вещества (С) в жидкой или газообразной фазе и давление (Р) в газообразной фазе.

На изотерме можно выделить три участка в области малых концентраций адсорбата на поверхности адсорбента (I) – количество адсорбционного вещества растет пропорционально его концентрации или давлении. В этой области удельная адсорбция (α) описывается уравнением генри:

или ,

где - предельное количество адсорбата; - постоянные адсорбции

Степень заполнения поверхности адсорбента находится по формуле: