Содержание к диссертации
Введение
1. Адсорбционные установки разделения воздуха для получения азота 10
1.1. Методы разделения воздуха 10
1.2. Разделение воздуха методом адсорбции 15
1.3. Классификация АВРУ для получения азота 20
1.4. Математическое моделирование работы АВРУ
1.4.1. Общая математическая модель адсорбционного процесса 26
1.4.2. Модель циклического процесса работы АВРУ 31
1.5. Цель и задачи исследования 33
2. Экспериментальное исследование кинетики десорбции кислорода на углеродно-молекулярныхситах (УМС) 36
2.1. Метод и экспериментальная установка для исследования
кинетики десорбции кислорода на различных адсорбентах 36
2.1.1. Схема экспериментальной установки и принцип ее работы 36
2.1.2. Методика проведения эксперимента
2.2. Характеристика исследуемых адсорбентов 42
2.3. Результаты экспериментального исследования 44
2.4. Оценка погрешности эксперимента 50
3. Исследование процесса десорбции при вакуумной регенерации слоя адсорбента 57
3.1. Методика расчета длительности процесса откачки адсорбата из слоя адсорбента вакуумным насосом 57
3.2. Экспериментальная проверка предлагаемой методики расчета 60
3.3. Расчет длительности процесса вакуумной откачки слоя адсорбента с учетом кинетики десорбции
3.4. Влияние характеристик вакуумного насоса на массогабаритные показатели адсорбционного аппарата 65
4. Методика расчета авру для получения азота с учетом реальных кинетических факторов протекающихпроцессов 68
4.1. Преимущественная адсорбция кислорода по отношению к азоту на адсорбентах типа УМС 68
4.2. Методика расчета АВРУ для получения азота с учетом реальных кинетических факторов протекающих процессов 74
4.2.1. Расчет параметров слоя адсорбента на базе системы уравнений ЖЗТ 75
4.2.2. Предлагаемые модели расчета АВРУ для получения азота 80
4.2.2.1. Модель циклической равновесной адсорбции с поправкой на кинетику 80
4.2.2.2. Модель циклической неравновесной адсорбции 84
4.2.3.Сравнение результатов предлагаемой методики расчета АВРУ с результатами расчета по известным методам 86
Выводы 90
Список литературы
- Математическое моделирование работы АВРУ
- Методика проведения эксперимента
- Экспериментальная проверка предлагаемой методики расчета
- Предлагаемые модели расчета АВРУ для получения азота
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие в России малых и средних предприятий в производственной сфере востребовало простые, автономные установки для получения азота средней и высокой чистоты. Этим требованиям удовлетворяют адсорбционные воздухоразделительные установки (АВРУ). С увеличением их производительности актуальными становятся вопросы сокращения массогабаритных и энергетических показателей.
Настоящая работа направлена на поиск решений для улучшения этих показателей. При этом предлагаемый новый подход заключается в том, что обращено особое внимание на длительность регенерации адсорбента в циклическом режиме работы установки. Расчет АВРУ, как правило, ведут по процессу адсорбции, а режиму десорбции не уделяют должного внимания. Длительности процессов адсорбции и десорбции должны находиться в определенном соотношении. Поэтому, особенно с увеличением производительности АВРУ, необходим надежный расчет процесса десорбции. Математический подход к решению данной проблемы без экспериментальных данных не отвечает на все возникающие вопросы.
Цель работы. Разработка методики расчета АВРУ для получения азота с учетом реальных кинетических факторов протекающих процессов.
Основные задачи.
1. Разработка метода исследования и экспериментальной установки для
измерения кинетики десорбции кислорода на различных адсорбентах.
-
Экспериментальное определение кинетических кривых десорбции чистого кислорода и кислорода из воздуха на промышленных образцах адсорбентов типа углеродно-молекуляное сито (УМС).
-
Расчетно-экспериментальное исследование процесса десорбции системы «азот-кислород-УМС».
-
Расчетно-экспериментальное определение области значений длительности процесса адсорбции, в которой достигается максимальное значение преимущественной адсорбции кислорода по отношению к азоту на промышленных адсорбентах типа УМС.
-
Разработка методики расчета АВРУ для получения азота с учетом реальных кинетических факторов протекающих процессов.
Научная новизна.
1. Разработан метод исследования процесса кинетики десорбции кислорода и
получены новые экспериментальные данные на промышленных адсорбентах типа
УМС, необходимые при расчете АВРУ для получения азота с учетом реальных
кинетических факторов протекающих процессов.
2. Показано существование области значений длительности процесса
адсорбции смеси «азот-кислород» в интервале от 5 до 40с, в которой достигается
максимальное значение преимущественной адсорбции кислорода по отношению к
азоту на промышленных адсорбентах типа УМС.
3. Предложена методика расчета скорости безнагревной вакуумной
регенерации слоя адсорбента.
4. Предложена методика расчета АВРУ для получения азота с учетом реальных
кинетических факторов протекающих процессов.
Практическая значимость работы. Проведены теоретические и экспериментальные исследования кинетики сорбции кислорода и азота на промышленных адсорбентах типа УМС и получены новые экспериментальные данные, необходимые при расчете АВРУ для получения азота с учетом реальных кинетических факторов протекающих процессов. Создан алгоритм расчета АВРУ для получения азота, учитывающий как скорость адсорбции, так и скорость десорбции кислорода и азота. Результаты работы позволяют при расчете и проектировании АВРУ выполнить оптимизацию массогабаритных и энергетических показателей. Предложенная в работе методика расчета длительности регенерации слоя адсорбента может быть применена для расчета кислородных установок данного типа.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается применением аттестованных измерительных средств, апробированных методик измерения и воспроизводимостью результатов. Представленные автором математические модели и соотношения величин базируются на фундаментальных законах и уравнениях физической химии и термодинамики.
Рекомендации к внедрению. Предложенная в работе расчетная методика АВРУ для получения азота может быть использована при проектировании новых типоразмеров установок в научно-производственных компаниях: ООО «Провита», ОАО «Криогенмаш», НПО «Гелиймаш» и др.
Созданная в процессе выполнения работы экспериментальная установка (на базе ГЕОХИ РАН им. В.И. Вернадского) может быть использована в качестве учебного стенда при изучении курса лекций «Автономные системы СЖО» в МГТУ им. Н.Э.Баумана.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в трудах конференции, 3 тезиса доклада, 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 120 страницах, содержит 34 рисунка, 6 таблиц и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и 5 приложений.
Математическое моделирование работы АВРУ
В настоящее время крупнотоннажное производство азота и кислорода осуществляется на основе низкотемпературной ректификации [1,11,20,46 и др.]. Этот метод состоит в том, что воздух сначала преобразуется в жидкое состояние, а затем подвергается ректификации. Для промышленного применения ректификационного разделения воздуха важны два обстоятельства. Во-первых, наличие энерго и водоресурсов в зоне размещения установки, во-вторых, возможность сбыта производимого азота.
Однако ВРУ - это сложные технические системы, установка ВРУ включает в себя; компрессор, детандер, теплообменные аппараты, ректификационные колонны, конденсаторы-испарители, криогенные насосы и т.п. Метод низкотемпературной ректификации целесообразен лишь для крупных потребителей. Вместе с тем, имеются организации с малыми и средними потребностями азота, к примеру, электронная промышленность и овощехранилища, где азот выступает в роли инертной среды, а для кислорода -это и потребности медицины, СКП высотных самолетов, аэрация, бумажная промышленность, плавка цветных металлов, стеклодувное производство, производство озона и окислительные процессы в химической промышленности.
Малые и средние потребители азота и кислорода могут быть обеспечены транспортировкой газа, получаемого на крупнотоннажных установках до места назначения. Однако, транспортировка газа в баллонах часто не выгодна экономически, т.к. фактически перевозят не газ, а массу металла (соотношение масс газ-металл составляет примерно 1:10). Другой возможный способ транспортировки азота и кислорода - это перевозка их в жидком состоянии. Однако, и данный способ не может полностью решить все проблемы: во-первых, удельные энергозатраты на производство единицы жидкого газа значительно выше, во-вторых, емкости с жидким кислородом требуют повышенные меры пожаровзрывобезопасности, в-третьих, хранилища криопродукции требуют постоянного дренажа, что является потерями газа. Известны и другие методы транспортировки газов например, перевозка газов в адсорбированном состоянии. Пока данный способ используется лишь для транспортировки метана.
Поэтому задача производства автономных источников для получения из воздуха азота и кислорода с малым пусковым периодом, работоспособностью при температуре окружающей среды является актуальной проблемой.
В настоящее время существуют два метода для получения газообразных азота и кислорода, которые в масштабах малой производительности конкурируют с методом низкотемпературной ректификации - это метод адсорбционного разделения воздуха и диффузии через полимерные мембраны [1,2,20 и др.].
Мембранные методы и установки разделения воздуха работают за счет, селективной проницаемости компонентов воздуха через полимерные мембраны. Они относятся к установкам и технологическим процессам, реализация которых в первую очередь связана с созданием материалов, обладающих высокой производительностью и селективностью по компонентам воздуха. Процесс представляет интерес благодаря относительной простоте конструкции. при одноступенчатом разделении на полимерных мембранах, достигается обогащение воздуха кислородом до 30-40%, удельный расход электроэнергии в зависимости от производительности, конструкции и чистоты продукта составляет 0,4-0,6 кВт-ч/м3, [1,2,11,65]. Мембранные аппараты небольшой производительности для получения кислорода малой чистоты конкурентны с криогенными. Опыт показывает, что область мембранных установок лежит в зоне производительностей по воздуху 500-10000 мо/ч.
Использование полимерных мембран представляется перспективным направлением в технологических процессах удаления углекислого газа из смеси C02-N2. Оценочная стоимость получения 1м азота с чистотой 99,9% составляет -0,70 руб/м" [65]. В случае снижения требований к чистоте азота, его стоимость резко снижается. Например, стоимость 1м азота с чистотой 90% составляет - 0,19 руб/м [65].
В 60-70 годы XX века НПО «Химволокно» г.Мытищи был разработан мембранный модуль из полых волокон, для получения азота. Модуль обладает высокой компактностью, то есть поверхностью мембран, размещенных в единице объема аппарата. Указанный метод обеспечивает получение азота с чистотой до 97%.
Темпы развития мембранной технологии в значительной степени сдерживаются малой проницаемостью и низкой селективностью существующих мембран, производство и эксплуатация которых требуют высоких технологий. Высокая чистота продукта достигается в сложных многоступенчатых системах, но в этом случае перед каждой ступенью газ необходимо компремировать, что связано с дополнительным энергопотреблением.
В настоящее время НПО «Гелиймаш» выпускает мембранные установки, позволяющие получать как азот с чистотой более 99%, так и кислород, однако, эти установки комплектуются мембранами зарубежного производства. Мембранные процессы разделения воздуха получили широкое распространение в США, в ряде стран Западной Европы (Голландии, Италии, Венгрии, Польше, Болгарии) и Австралии. В России НПО «Гелиймаш» серийно выпускает мембранные газоразделительные уетановки с использованием поливинилтриметилсилановой мембраны Кусковского химического завода и НПО «Химволокно» г. Мытищи. Успешное исследование в данной области уже более 30 лет ведут Московский Государственный Университет им.М.В. Ломоносова, Московский инженерно-физический институт (Государственный университет), РНЦ Курчатовский институт, Институт нефтехимического синтеза им.А.В.Топчиева РАН и др.
Методика проведения эксперимента
Устройство ввода пробы В установке использована автоматизированная система перемещения пробы. Система состоит из шагового двигателя с электронной системой управления, понижающего механического редуктора и шагового винта, на котором крепится каретка с закрепленной на ней лодочкой. Электронная схема управления позволяет по командам от ПЭВМ перемещать лодочку в заданную позицию с точностью i 1мм, а также задавать скорость перемещения. Газодинамический затвор Для предотвращения попадания кислорода из атмосферы в рабочую зону через отверстие для ввода пробы, создан противоток газа-носителя со скоростью 2см3/с (см. рис. 2.1, 2.2). Расход газа Аг, подаваемого на ТЭЯ2, больше чем расход газа-носителя на регистрирующую ТЭЯ1, при этом очищенный поток газа после ТЭЯ2 делится на два потока, обеспечивая работу регистрирующей ТЭЯ1, и газодинамического затвора рис.2.2.
Регистрирующая ячейка ТЭЯ1 работает в кулонометрическом режиме, величина ионного тока через нее характеризует количество как десорбированного кислорода, так и остаточного в газе-носителе. Остаточное содержание кислорода после ТЭЯ1 зависит от количества кислорода, поступающего на ячейку из рабочей зоны и гидродинамического режима потока омывающую ячейку, а также рабочих параметров самой ячейки; напряжения на электродах, и температуры ячейки. Так же оказывают влияние и параметры самой ячейки - поверхность электродов, удельное сопротивление материала ячейки, толщина материала ячейки. На рис.2.3, приведена калибровочная кривая температуры по длине рабочей зоны шагового двигателя. 900 800 700 600г .саО. 500 »нcL 40-І 300 200 100 10 9876 5 4 321 длина хода лодочки, см
Ячейка ТЭЯ2 работает также в кулонометрическом режиме и служит для откачки остаточного кислорода (до 7 ррт) из потока Ат, подаваемого в установку. После ТЭЯ2 содержание кислорода не превышает 0,5 ррт. Принцип действия установки Экспериментальная установка предназначена для измерения кинетики десорбции кислорода и «горючих» газов на различных адсорбентах в интервале о температур от 40 до 110 С. Принцип действия установки базируется на переносе десорбата от адсорбента к датчику потоком инертного газа-носителя. Особенностью установки является использование двух твердоэлектролитных ячеек: ТЭЯ1 - для непрерывного измерения массы десорбированного кислорода и ТЭЯ2 - для удаления остаточного кислорода из потока газа-носителя. Второй особенностью установки является способ ввода тестируемых гранул адсорбента в зону установки, где происходит десорбция поглощенного кислорода - через газодинамический затвор.
Насыщение гранул адсорбента адсорбтивом осуществляется прямым обдувом последних. Предмет испытаний
Эксперимент проводился на четырех образцах адсорбентов типа УМС. Характеристика исследуемых адсорбентов дана в таблице 4. - Предварительно проводится взвешивание адсорбента по общепринятой методике в технике адсорбционных исследований [39]. - После взвешивания гранулы адсорбент загружается в люльку шагового двигателя. - Подается в установку неочищенный баллонный аргон, включается подача напряжения на печи ТЭЯ1 и ТЭЯ2. Устанавливается требуемое напряжение на электродах ТЭЯ1 и ТЭЯ2. - После выхода ТЭЯ1 и ТЭЯ2 на рабочий режим (1=+780С, и=0,9В) включается ПЭВМ. Устанавливаются требуемые расходы газа-носителя через газодинамический затвор и рабочую зону установки, непосредственно примыкающую к ТЭЯ1. - Осуществляется повторная регенерация адсорбента в рабочей зоне при 1=110С. - После окончания повторной регенерации гранулы адсорбента, она перемещается в зону контакта с адсорбтивом (кислород ГОСТ 5583-78 или баллонный атмосферный воздух ГОСТ 17433-80). В опытах контакт продолжался заданный интервал времени. - Затем гранула перемещается шаговым двигателем в рабочую зону с заданной температурой, где и происходит десорбция кислорода или смеси «кислород-азот». Регистрация количества десорбированного кислорода осуществляется с помощью ТЭЯ1. Временной шаг регистрируемого сигнала составлял 0,2 секунды.
В результате опыта фиксировалась цифровая зависимость тока прошедшего через ТЭЯ1 от времени. Далее опыт повторялся при других значениях времени контакта гранулы с адсорбтивом, других температурах десорбции и ином значении расхода газа-носителя.
Экспериментальная проверка предлагаемой методики расчета
Высокие технико-экономические показатели существующих АВРУ для получения кислорода и азота достигаются в случае вакуумной регенерации адсорбента [37,38,44,56 и др.]. Производительность АВРУ сильно зависит от минимального давления в режиме регенерации адсорбента, поэтому характеристика вакуумного насоса является важным показателем [27,54]. Как правило, стадия откачки вакуумным насосом десорбата из слоя адсорбента до заданного минимального давления определяет реальную длительность всего режима регенерации. Это особенно важно для адсорбционных систем с кинетическим фактором разделения смеси азот-кислород.
В связи с этим предлагается метод расчета продолжительности процесса откачки десорбата в зависимости от характеристики используемого вакуумного насоса изотермы адсорбции и кинетической кривой. Задача о продолжительности откачки пустого баллона в зависимости от характеристики вакуумного насоса ранее была представлена в монографии [54]. Для решения поставленной задачи было принято допущение: скорость десорбции бесконечно велика по сравнению со скоростью вакуумного насоса. если с Графоаналитическим методом была определена длительность откачки вакуумным насосом десорбата по изотерме адсорбции и характеристике насоса.
Предлагаемая методика расчета справедлива для адсорбционных систем, скорости десорбции всех компонентов адсорбата близки, то есть для систем термодинамическим фактором разделения. по Производительность насоса на і-том участке (i=l,2,..п) определяется рабочей характеристике насоса; (3.1) q,(Pi)=% fsL LL) Количество откачиваемого газа из адсорбера складывается из газа находящегося в мертвом пространстве аппарата и адсорбированном состоянии. В ҐТ6ТУВСУМ приближении, в качестве значения рср1, можно принять среднее арифметическое между р, и рм. Для вычисления продолжительности процесса разбиваем интервал, на изотерме и рабочей характеристике вакуумного насоса, давления от ри до р, на п участков и определяем на каждом участке рср,. Далее на каждом участке вычисляем интервал времени Щ. Таким образом, длительность откачки равна: =2 І (3-2) Л В развернутом виде уравнение для определения длительности откачки имеет вид: Г- = "Уа-% \-jr -( + До.) (3.3) V г ) Тц І=\ Яср Уравнение (3.3) показывает длительность откачки слоя адсорбента в зависимости от конечного (минимального) давления и имеет вид гиперболы. Более того, (3.3) качественно показывает влияние вида изотермы адсорбции на КПVTH3 н у гиперболы. Время регенерации пропорционально объему адсорбера при неизменной характеристике вакуумного насоса. ЬОО IQO Є -г Си Н 2 ЛЯ:-, JC Рері іІ V" СТ (1. со р2 40Dp р&: ГМ2і давление Р. мм-рт.ст. Рис. 3.1. Изотерма адсорбции азота на цеолите NaX а О О г: Ж = 1.Є- " - J J 1 і l 1,4 - I.2 - pл cpi/ 1,D - _-qk / J4 1іr- J,Б -а.б- -/— JT t U,4- г 0.0- 1 BOD 2Ю 4D0 КГС p, P P P 1 Ї+1 i I jH давление P. MM.pT.cT. Рис. 3.2. Рабочая характеристика вакуумного насоса 3.2. Экспериментальная проверка предлагаемой методики расчета
Предложенная выше методика расчета продолжительности откачки десорбата вакуумным насосом была экспериментально проверена. Испытания проводили для системы «азот-цеолит NaX». Адсорбтив - азот, соответствовал ГОСТ 9292-74. Для эксперимента использовали два адсорбционных аппарата с различной длиной слоя адсорбента: Ы=180мм (VCJ1=5 дм ) и Г2=400MM (VCJl2“10 дм ). Диаметр слоя адсорбента для каждого аппарата был равен: 0=180 мм. В качестве насоса был использован двухступенчатый вакуумный насос типа НВМ -0,5. Рабочая характеристика насоса приведена на рис.3.3.
Схема экспериментального стенда дана на рис. 3.4. Перед началом эксперимента адсорберы наполняли отрегенерированным цеолитом NaX. напуск воздуха из атмосферы ВН 5в —IX— в атмосферу -» в атмосферу W Р Рис.3.4. Схема экспериментального стенда: Б- баллон с азотом (ГОСТ 9292-74); РД- редуктор; А-адсорбер; ПК - персональный компьютер, ВН -вакуумный насос, Р-ротаметр; Р1JP2 - маиовакууметры, 1- вентиль; 1В,2В,ЗВ,4В,5В - вакуумные вентили
Диаметр и длина трубопровода от адсорбера до вакуумного насоса были подобраны таким образом, чтобы пропускная способность через него не влияла на результаты эксперимента. Методика проведения эксперимента шаг 1. Заполнение адсорбера азотом - вентили 1В, 2В, ЗВ, 4В, 5В - закрыты; открываются вентили IB, 2В и через редуктор К1 начинается продувка адсорбера азотом; расход подаваемого азота 20-25 дм3/мин; длительность продувки составляла 20 минут для адсорбера объемом 5 дм и 40 минут для адсорбера объемом 1о дм ; шаг 2. Отключается подача азота в адсорбер, закрываются вентили IB, 2В. Азот стравливается в атмосферу до атмосферного давления и закрывается вентиль 2В шаг 3. Закрывается вентиль 4В и включается вакуумный насос шаг 4. Открывается вентиль ЗВ и начинается откачка азота из адсорбционного аппарата шаг 5. Давление газовой фазы над слоем адсорбента, как функции времени фиксируется на ПЭВМ, частота регистрации 5 секунд. При достижении давления газовой фазы 70-100 мм.рт.ст. откачка прекращается шаг 6. Закрывается вентиль ЗВ, выключается вакуумный насос, закрывается вентиль 5В, открывается вентиль 4В
Результаты расчета длительности откачки слоя адсорбента по уравнению (3.3) и эксперимента для каждого варианта включения ступеней насоса (последовательное и паралллельное) представлены на рис.3.5 и 3.6. Как можно увидеть сравнения результатов расчета дают хорошее совпадение с экспериментом.
Предлагаемые модели расчета АВРУ для получения азота
Парциальная адсорбция кислорода и азота в зависимости от давления смеси при уi=0,21 и У2=0,79 была определена выше в 4.1 (рис. 4.4). вполне допустимо для адсорбентов УМС-1 - УМС-4 воспользоваться приближением МаркгэмаиБентона. Шаг.8.2. Построение кинетических кривых для систем кислород-УМСЬ азот-УМС1 при заданном давлении воздуха (Ртах и РтЫ Ранее в 4.1 эта процедура подробно описана и проиллюстрирована для давлений смеси Рсм=1,2МПа и Рсм=0,1МПа (рис.4.).
При выборе аШп( адс) следует учитывать возможности вакуумного насоса. Шаг.8.5. Определение удельной производительности адсорбента по ур-ию 4.18 с учетом введенной поправки на кинетику Шаг.9. Определяем число аппаратов и их объем у _ Qnp Тадс Усл Ы-д 2) где N -количество адсорбционных аппаратов. Шаг. 10. Определение нагрузки на компрессор Расход сжатого воздуха, поступающего на разделение в адсорбер равен: Тадс РпР Т0 Р +\.а\ (Тадс РПр) + а2 (Тадс пр )] Г (4.21) Уточнение числа аппаратов N и размеров слоя в аппарате Необходимый диаметр аппарата выбираем по рекомендованной скорости (шаг 3). Определяем площадь сечения адсорбционного аппарата, а также диаметр и длину. В
Отличительной особенностью расчета циклической неравновесной адсорбции является наличие уравнений кинетики для каждого компонента в общей системе уравнений, исходные данные и допущения, а также алгоритм определения массогабаритных параметров адсорбционного аппарата останется без изменений за исключением следующих шагов. Шаг.б.Составление системы уравнений математической модели адсорбции Система уравнений включает в себя: уравнение материального баланса для каждого компонента, уравнения кинетики для каждого компонента, уравнение связи между объемными долями компонентов, уравнения состояния газовой фазы и уравнений изотерм адсорбции компонентов. (4.24) (4.25) где кi и кг -коэффициенты, приведения объема адсорбированного газа к рабочим условиям.
Определяем парциальную адсорбцию кислорода и азота в смеси (см. ур-я 4.1,4.2). Вместо уравнений кинетики воспользуемся свойством кинетических кривых адсорбции, согласно 4.1 настоящей работы. Уравнения 4.27 и 4.28 несут в себе неопределенность в виде коэффициента массоотдачи. Изложенный ранее материал позволяет заменить кинетические уравнения 4.27 и 4.28 поправкой, базирующейся на экспериментальных данных, и которая учитывает зависимость парциальной адсорбции от продолжительности процесса адсорбции. В нашем случае для смеси имеем:
Определение длительности адсорбции адс кинетических кривых согласно поведению Шаг.8.Решение системы уравнений 4.33-4.39 . Результаты расчетно-экспериментального исследования показали, что расчет АВРУ необходимо вести не только основываясь на процесс адсорбции, но и учитывая процесс десорбции, поэтому в методику расчета необходимо включить следующие факторы: - определяющее влияние на длительность процесса регенерации слоя адсорбента оказывает характеристика вакуумного насоса; - оптимальное соотношение периодов адсорбции и регенерации влияет на габаритные размеры и конструкцию адсорбционного аппарата; - влияние максимального и минимального давлений воздуха над слоем адсорбента на выбор технологической схемы АВРУ.
Алгоритм расчета АВРУ для получения азота с учетом реальных кинетических факторов протекающих процессов и приведен в приложении №5 настоящей работы.
В предыдущих разделах работы был изложен нетрадиционный подход к расчету АВРУ для получения азота: выполнить замену уравнений кинетики в исходной системе дифференциальных уравнений, так как они содержат неопределенный член - коэффициент массопередачи (Зэ, на некоторую функцию зависящую от продолжительности процессов как адсорбции, так и десорбции. Стоит сказать, что предлагаемый путь не идеален, тем не менее представляет интерес выполнить процедуру сравнения основных показателей АВРУ по предлагаемой методике с таковыми определенными по известным методам. В качестве показателей сравнения были выбраны: удельные энергозатраты (1уд) и массогабаритный показатель - удельная производительность сорбента (ае). В табл. 6 показаны основные параметры АВРУ. Расчет был выполнен для расхода продукта Qпp = 100 м3/ч, w=0,08 м/с и Cik=3% - 0,1%.
Согласно табл. 6 в установках, работающих на УМС удельные энергозатраты на единицу получаемого продукта падают с увеличением давления адсорбции. Однако, выше 1,2 МПа поднимать давление не целесообразно, так как удельные энергозатраты будут возрастать из-за роста затрат на компрессию, а при этом адсорбционная емкость практически не растет.
Результаты расчета времени адсорбции согласно уравнениям ЖЗТ, также позволяют увидеть разницу в 17-20% между значениями 1-ого и 2-ого приближениями времени адсорбции с учетом кинетических факторов (рис.4.8).
