Дмитрий Петров — промышленная газоочистка Канал «Инженер Петров» →

Газоочистка · адсорбция · расчёт

Изотерма адсорбции: как посчитать её правильно

Шесть точек из лаборатории — и дальше начинаются ошибки: линеаризация, чужая температура, экстраполяция за диапазон. Разбираем порядок расчёта и сразу считаем: подгонка трёх моделей нелинейным МНК и пересчёт в массу угля.

Ленгмюр Фрейндлих Дубинин–Радушкевич нелинейный МНК

Порядок расчёта

Пять шагов — именно в этом порядке. Каждый следующий обесценивается, если предыдущий сделан небрежно.

ШАГ 1

Равновесные данные

Пары «концентрация — ёмкость» на одном и том же угле, при одной температуре, с выдержкой до равновесия. Минимум 5–6 точек, диапазон C — вокруг рабочего.

C, мг/м³ → a, мг/г
ШАГ 2

Модель по физике

Микропористый уголь + пар ЛОС — теория объёмного заполнения (Д–Р). Мономолекулярный слой с насыщением — Ленгмюр. Эмпирика в узком диапазоне — Фрейндлих.

не «какая красивее»
ШАГ 3

Подгонка по a

Минимизируем сумму квадратов отклонений по самой ёмкости. Линеаризация (1/a от 1/C, ln a от ln C) искажает веса точек и смещает параметры.

min Σ(a−â)²
ШАГ 4

Проверка

R², разброс остатков, физичность параметров. И граница: модель действует только внутри диапазона опыта, за ним — уже гипотеза.

R² · остатки · границы
ШАГ 5

Инженерный итог

Равновесная ёмкость — не рабочая. Вводим коэффициент использования слоя и только тогда получаем массу загрузки и срок службы.

a* → m, V, τ

Калькулятор изотермы

Вставьте свои точки — по одной паре в строке, разделитель — пробел, табуляция или точка с запятой. Три модели подгоняются нелинейным методом наименьших квадратов и сравниваются между собой.

C — равновесная концентрация вещества в газе над углём. a — ёмкость: сколько мг вещества удержал 1 г угля, когда при этой C установилось равновесие. Каждая строка — один опыт. Откуда брать пары: протокол изотермического теста лаборатории, паспорт марки угля от поставщика или литературная изотерма для пары «вещество — уголь». По умолчанию — пример: пары стирола на активном угле, 20 °C.

Точки — опыт, линии — подогнанные модели. Ёмкость a показана в мг/г, концентрация C — в мг/м³.
МодельПараметрыR² нелин. МНКR² линеаризации

Что из этого следует для аппарата

Изотерма даёт равновесную ёмкость. В реальном слое фронт массопередачи занимает часть высоты, и к моменту проскока уголь отработан не полностью — это и есть коэффициент использования. Считать можно в обе стороны: подобрать загрузку угля под требуемый ресурс или оценить срок службы уже имеющейся загрузки.

Рабочая C — в тех же единицах, что и точки изотермы. Коэффициент использования слоя: полочный адсорбер — 0,3–0,5; высокий слой с короткой зоной массопередачи — до 0,7. Поправка на влажность — оценочная: изотерма снята в сухом газе, а водяной пар конкурирует за микропоры; при RH > 60 % надёжнее испытание на реальном влажном газе.

Равновесная ёмкость a*
—
мг/г
предел по изотерме при рабочей C: столько удержит 1 г угля в сухом газе при бесконечном времени контакта
Рабочая ёмкость
—
мг/г
a* × использование слоя × влажность — столько реально снимется до проскока
Ресурс до проскока
—
ч
время работы слоя до появления вещества на выходе
Загрузка угля
—
кг
масса свежего угля в аппарате
Объём слоя
—
м³
по насыпной плотности
Уловлено за ресурс
—
кг
масса вещества, осевшая в угле к моменту проскока
Расчёт по модели с наибольшим R². Нажмите «Рассчитать» выше.
ГАЗ НА ВХОДЕ отработан, a ≈ a равн. зона массопередачи свежий уголь, a ≈ 0 ПРОСКОК снято до проскока
К моменту проскока полностью отработана только верхняя часть слоя: зона массопередачи насыщена частично, нижняя — почти нет. Отношение реально снятой ёмкости к равновесной и есть коэффициент использования.

Быстрая прикидка: слой угля под запахи

Отстойники, КНС, цеха обезвоживания — концентрации там единицы и десятки мг/м³, и уголь подбирают по типовой проскоковой ёмкости, а не по изотерме. Выберите вещество и марку угля, подставьте свои расход и объём слоя — получите время работы. Таблица ниже пересчитывается под ваши расход и объём по всем веществам и маркам сразу.

Ёмкости — типовые проскоковые для влажного газа (RH 50–80 %); насыпная плотность принята 500 кг/м³. Конкретная марка может отличаться в разы — для проекта нужен тест на реальном газе. Для ЛОС точнее считать по изотерме выше.

Рабочая ёмкость
—
мг/г
проскоковая, с поправкой на концентрацию
Загрузка угля
—
кг
объём слоя × 500 кг/м³
Ресурс до проскока
—
ч
—
ВеществоМарка угля20 мг/м³50 мг/м³100 мг/м³

Время работы 1 м³ угля до проскока при расходе 1000 м³/ч. Прочерк — комбинация не работает.

Шесть ошибок, которые видно в чужих расчётах

Каждая из них уводит загрузку угля в разы — обычно в оптимистичную сторону.

ОШИБКА 01

Единицы разъехались

ppm против мг/м³, мг/г против г/г. Перевод при 20 °C и 1 атм: C[мг/м³] = ppm · M / 24,06. Ошибка в 24 раза не бросается в глаза в таблице.

ОШИБКА 02

Точки с разных температур

Изотерма — это T = const. Смешивать 20 °C и 40 °C в одном массиве нельзя: с ростом температуры ёмкость падает, и подгонка даст несуществующую кривую.

ОШИБКА 03

Подгонка по линеаризации

Спрямление 1/a от 1/C переносит вес на самые малые концентрации, где ошибка измерения максимальна. Параметры смещаются, а R² спрямлённого графика выглядит красиво.

ОШИБКА 04

Экстраполяция за диапазон

Модель, построенная на 5–3000 мг/м³, ничего не знает о 20 000 мг/м³. Фрейндлих не имеет насыщения и в экстраполяции выдаёт ёмкости, которых у угля нет.

ОШИБКА 05

Равновесие вместо динамики

Равновесная ёмкость достигается за часы контакта. В слое с реальной скоростью до проскока снимается 30–70 % от неё — без этого коэффициента загрузка занижается вдвое.

ОШИБКА 06

Чистое вещество вместо смеси

Влага и второй компонент конкурируют за поры. Изотерма по одному веществу в сухом воздухе — верхняя оценка, для влажного потока её нужно снижать.

Разборы, из которых вырос этот расчёт

Канал «Инженер Петров»: как подбирают адсорбент под реальный газ, почему паспортная ёмкость не повторяется на объекте и что это меняет в цене установки.

Читать канал →