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分子筛吸附器的计算例：常温下综合净除空气中H2O和CO2的分子筛吸附器的计算。设计参数：加工空气量270Nm3/h工作压力2500kPa工作温度303K吸附剂5A分子筛，直径3～5mm。净化要求：CO2＜2ppmH2O露点在213K以下工作周期8h再生温度：吸附器进口＞523K，吸附器出口＞423K。计算内容1.所需分子筛质量的计算2.分子筛吸附器容积的确定3.再生过程计算（加热、冷却）4.加热炉功率的计算1.分子筛需要量的计算•吸咐水蒸汽所需的分子筛量在温度303K，压力2500kPa的空气中所含的饱和水蒸汽量为kgkgd/102.13−×=加工空气中所含的水蒸汽量hkgdVGOH/419.0102.1293.1270302=×××==−ρ水分吸附量一般为10～14％，取12％。则吸附水分所需要的分子筛量hkgMOHS/5.312.0419.0)(2==1.分子筛需要量的计算•吸附二氧化碳所需的分子筛量大气中二氧化碳浓度为300～400ppm，平均取350ppm。加工空气中所含的二氧化碳量为hkgdVGCOCO/187.0)10350(976.12706022=×××==−ρ二氧化碳吸附量（重量百分比）一般为1～3％，取1.5％。则吸附二氧化碳所需的分子筛量为hkgMCOS/5.12015.0187.0)(2==1.分子筛需要量的计算•单位时间内同时吸附水蒸汽、二氧化碳所需的分子筛量MShkgMMMGCOSOHSSCO/165.125.3)()(222=+=+==每班（8h）需要量MSZkgTMMSSZ128816=×==考虑加工空气量的变动和经再生后吸附能力下降，取备用系数30％，则实际所需的分子筛总量MkgMMSZ1663.1128%130=×=×=2.分子筛吸附器容积的确定•吸附器直径：工作条件下实际空气体积hmPTTPVVT/122735.23031.02703000=××==考虑气量有20％的变动，容器内气体线速度w（空塔速度）取为0.04m/s，则容器的直径为mwVDT375.004.014.336002.112436002.14=××××=×=π2.分子筛吸附器容积的确定分子筛所占容积Vf：5A球形分子筛的堆密度为780kg/m3，166kg球形分子筛所占容积为3213.0780166mVf==床层高度mDVhf213.0357.0785.0213.0422=×==π容器的径高比6357.013.2==Dh中压流程3~53.再生过程计算•再生热量计算kJQQQQQQC54321++++=Q1吸附器本身的显热Q2分子筛的显热Q3水和二氧化碳的显热Q4水和二氧化碳的脱附热Q5热损失3.再生过程计算•再生热量计算kJQQQQQQC54321++++=Q1：吸附器本身的显热，也就是加热吸附器的热量。钢从常温加热到473K的平均比热，一只筒体加上管道法兰，估算质量为250kg，则kJTTmCQm41211013.2)303473(50.0250)(×=−××=−=Q2：分子筛显热。球形分子筛由常温加热到473K，平均比热0.88kJ/kg.K，则kJTTmCQm41221048.2)303473(88.0166)(×=−××=−=3.再生过程计算Q3：水和二氧化碳的显热，即水分和二氧化碳加热所需的热量。在加热再生时，二氧化碳比水容易挥发，为简化热量计算，可把二氧化碳看成是水；其次设想脱附温度接近373K（100℃沸点），水的比热)./(19.4KkgkJCm=则kJTTCmQmCOOH41231066.0)303373(19.4)015.012.0(166)(22×=−××+×=−=+3.再生过程计算Q4：水和二氧化碳的脱附热。假定脱附热按373K时的蒸发潜热进行计算。水的蒸发潜热kgkJr/1026.23×=则kJrmQCOOH4341008.51026.2%)5.1%12(16622×=××+×==+Q5：热损失，可取为再生热量的20％，则kJQQQQQ44432151007.2%2010)08.566.048.213.2(%20)(×=××+++=×+++=再生所需总热量kJQQQQQQC44543211042.1210)07.208.566.048.213.2(×=×++++=++++=3.再生过程计算3.再生过程计算•再生用氮气量的计算mphTcqΔ=再生过程氮气平均温降)./(045.1KkgkJcp=再生需要的氮气量KTTToim1352303473523=−−=−=Δ氮气的比热kgkJqh/141=kgqQGhSh8821411042.124=×==每kg加热氮气所能给出的热量3.再生过程计算再生需要氮气量kgGh882=设加温时间为4.5h。293K、120kPa的氮气密度3/357.12mkgN=ρhmGVNhh/1455.4357.188232=×==τρ每小时需要的氮气量为3.再生过程计算•冷却所需氮气量的计算吸附器由473K逐渐冷却到303K时，其平均温度kJQQQC44211061.410)48.213.2(×=×+=+=每1m3氮气由293K升到388K时吸收的热量KTm3882303473=+=冷却吸附器需要带走的热量mkJTTcqimpNC/135)293388(045.1357.1)(2=−××=−=ρ冷却所需的总氮气量343401351061.4mqQGCCC=×==以3h使吸附器冷却到303K，则每小时所需氮气量hmGVCC/11333403===τ4.加热炉功率的计算•考虑管道热损失，加热到553K，以保证进吸附器温度大于523K，再生氮气量为145m3/h，则由293K加热到553K所需的热量hkJTTcVQiopNh/1035.5)293553(045.1357.1145)(42×=−×××=−=ρ所需的电路功率kWN9.143600/1035.54=×=5.5冷冻法清除水和二氧化碳（自清除）换热：空气常温－低温（-172℃）不需要用化学药剂与吸附剂，冻结清除空气中的水分和二氧化碳自清除在全低压切换式换热器的流程中，切换式换热器在换热的同时冻结清除空气中的水分和二氧化碳。原理空气通过切换式换热器时，温度从常温冷却到-172℃，空气中的水分和二氧化碳基本上全部冻结在通道里5.5冷冻法（自清除）冻结清除经过一定时间间隔，阀门自动切换，低压、干燥的污氮通过该通道，冰雪、干冰在这股气流中蒸发、升华、被带走空气在不同温度下饱和水分含量和饱和蒸气压g/m3g/m3空气中水和二氧化碳的析出规律加工空气的压力～5.88×105Pa空气中水蒸汽的分压力超过水三相点压力空气中的水蒸汽在蓄冷器(或可逆式换热器)中析出时，温度在0.007℃(水的三相点温度)以上析出物为液体(水珠或水膜)5.5冷冻法（自清除）水分水的三相点压力：水的三相点压力为610.5Pa空气中水的析出规律温度饱和水分含量30℃30.30g／m30℃4.85g／m3-40℃0.12g／m3-60℃0.011g／m3减少84%减少99.9％饱和蒸气压仅为1.066Pa，可以认为基本上已不含水分加工空气的压力～5.88×105Pa绝大部分水蒸汽是在30℃到0℃以液体水析出，0～－60℃以霜雪析出切换式换热器水分析出温度范围：－60℃以上空气中二氧化碳含量：(300～500×10-6)全低压流程，p＝5.88×105Pa＝4.42×104mmHg二氧化碳分压力：pCO2＝y×p=300×10-6×5.88×105=176Pa＝1.32mmHg在常温下，二氧化碳处于过热状态5.5冷冻法（自清除）空气中二氧化碳的析出规律二氧化碳三相点：－56.6℃，174×105Pa空气中二氧化碳的分压力远远低于三相点压力，析出时，气态直接变为固态，反之，固态又直接升华为气态。1mmHg＝133Pa二氧化碳的饱和蒸气压p-mmHg温度T-K•空气中二氧化碳含量300ppm时，常压和5.88×105Pa下，二氧化碳的分压力是多少?温度降至多少度时二氧化碳开始析出?5.5冷冻法（自清除）空气中二氧化碳的析出规律查表T=129.5K时，CO2达到饱和开始析出空气压力为5.88×105Pa时查表139.5K时CO2达到饱和空气在常压下二氧化碳的分压力mmHgPapypcoco22.04.291098.0103005622==×××=⋅=−Papypcoco4.1761088.5103005622=×××=⋅=−•若空气的压力为5.88×105Pa，切换式换热器冷端空气温度为－172℃时，含有多少CO25.5冷冻法（自清除）空气中基本上不含CO2101K相应的饱和蒸气压约为0.2×10-3mmHg26.66×10-3Pa空气中CO2含量为6532210045.01088.51066.26−−×=××==ppycoCO结论在空气中二氧化碳含量为300×10-6，空气压力为5.88×105Pa时，二氧化碳从-133℃左右开始析出，假若空气中二氧化碳的含量为500×10-6，它开始析出的温度约为-130℃。至-172℃时可认为二氧化碳已被清除5.5冷冻法（自清除）通常将-130℃～-172℃温度区间作为二氧化碳析出区(或冻结区)在蓄冷器末端空气中二氧化碳含量与空气平均温度的关系由于空气通过切换式换热器是一流动过程，在流动中析出的二氧化碳不一定能全部冻结在填料(或翅片)上，被气流夹带而进入下塔，出蓄冷器的空气中CO2的实际含量在5～8×10－5以上，出板式换热器一般比通过蓄冷器的CO2量会多一些。温度℃压力5.88bar空气中二氧化碳的含量ppm计算实际－1740.0243——－1730.0346.8－1720.0497.5－1710.0667.75－1700.098.1－1690.1210.8－1650.28205.5冷冻法（自清除）空气进入切换式换热器，T↓～至－60℃，水分析出区－60℃至－130℃，基本上是干燥区－130℃至－170℃左右，CO2析出区空气在出切换式换热器时，不但温度已降到接近液化温度，而且水分及CO2的含量也已极少，即净化了水分及CO2。不冻结条件必须定期地把析出和冻结下来的水分及CO2清除掉5.5冷冻法（自清除）返流气体在单位时间内带出的水分和二氧化碳空气带入的水分和二氧化碳不冻结条件（自清洁能力）不冻结条件5.5冷冻法（自清除）从精馏塔来的污氮中基本上不含水分及CO2。1m3返流污氮中所能容纳的水分及CO2的最大含量(饱和含量)比正流空气低一些，但是由于污氮的压力比空气低得多，体积流量比空气大4～5倍，所以沉积的水分及CO2能全部清除干净返流污氮可把水分及CO2带走5.5冷冻法（自清除）正流空气温度T返流气体T’•正、返流气体的温差大，对传热有利•返流气体温度低，返流气体的水分或二氧化碳的饱和含量就小，带出水分或二氧化碳的能力差，对自清除不利ΔTmin=T－T’表示的是自清除允许的最大温差。•实际操作中，必须使传热实际温差控制在自清除允许最大温差范围内才能保证自清除。•在切换式换热器水分、二氧化碳析出区的各不同温度截面，其允许的最大温差不同。保证自清除的最大允许温差水分自清除的最大允许温差nVppV=''二氧化碳自清除最大允许温差nVppV=''水分自清除允许最大温差t/℃pH2O/Pap’H2O＝0.313pH2O/Pat’/℃Δt最大＝t－t’-601.0660.33-68.38.3-503.8661.21-59.39.3-4012.94-49.79.7-3038.111.93-40.810.8-20103.432.4-31.611.6-1026081.3-22.512.50610.4190.6-13.513.5101227.7383.9-5.615.6202338733.15-2.417.6304241.61327.711.118.9二氧化碳自清除允许温差t/℃pCO2/Pap’CO2＝0.313pCO2/Pat’/℃Δt最大＝t－t’-17226.66*10-383.4×10-3-175.53.5-17049