Adsorpcja zanieczyszczeń gazowych

Przeczytaj ten artykuł, aby zapoznać się z adsorpcją zanieczyszczeń gazowych z zastosowaniem metody adsorbentu z nieruchomym złożem.

Wprowadzenie do adsorpcji zanieczyszczeń gazowych:

Gdy płyn zawierający pewne zdyspergowane substancje kontaktuje się z niektórymi specjalnie przetworzonymi / przygotowanymi cząstkami stałymi, cząsteczki zdyspergowanych substancji mogą być zatrzymane na powierzchniach stałych cząstek. Zjawisko to jest określane jako adsorpcja.

Substancję stałą określa się jako adsorbent, a substancję zatrzymaną na adsorbencie określa się jako adsorbat. Adsorpcja jest nie tylko skuteczną metodą usuwania zanieczyszczeń z strumieni gazowych, ale także do ograniczania zanieczyszczeń przenoszonych przez wodę. Zjawisko adsorpcji zostało zbadane eksperymentalnie i zaproponowano różne teorie wyjaśniające obserwacje. Ale jeszcze nie opracowano teorii, która mogłaby wyjaśnić większość spostrzeżeń.

Zakłada się, że oddziaływanie pomiędzy cząsteczkami adsorbatu i miejscami aktywnymi na powierzchni adsorbentu powoduje retencję adsorbatu na adsorbencie. Interaktywna siła, która powoduje adsorpcję, została teoretycznie uznana za fizyczną lub chemiczną. Gdy adsorbator jest utrzymywany z powodu fizycznej siły przyciągania, proces ten określa się jako adsorpcję fizyczną.

Ilość wydzielonego ciepła podczas tego procesu jest prawie taka sama, jak ciepło utajone z kondensacji adsorbatu. Siła przyciągania, która powoduje fizyczną adsorpcję, jest słaba, dlatego adsorbowane cząsteczki mogą być usuwane (desorbowane) z cząstek stałych albo przez podniesienie temperatury układu, albo poprzez zmniejszenie ciśnienia cząstkowego adsorbatu (przez opróżnienie lub przez gaz obojętny) lub przez połączone działanie obu. Proces desorpcji jest endotermiczny.

W niektórych przypadkach adsorbaty są zatrzymywane na powierzchni adsorbentu z powodu chemicznego wiązania między nimi. Nie oznacza to, że powstaje nowy związek chemiczny, ale siła przyczepności jest raczej silna. Taki proces określany jest jako chemisorpcja. Charakteryzuje się on powstawaniem stosunkowo dużej ilości ciepła, która jest podobna do wielkości egzotermicznej reakcji chemicznej. Chemisorpcja jest prawie nieodwracalnym procesem. Podczas usuwania chemisorpcji cząsteczki adsorbatu często ulegają przemianom chemicznym.

Ponieważ zarówno chemisorpcja jak i adsorpcja fizyczna zachodzą na powierzchni adsorbentu, dobry adsorbent powinien mieć dużą powierzchnię właściwą (pole powierzchni na jednostkę masy). Powierzchnia właściwa wzrasta wraz ze spadkiem wielkości cząstek i wzrostem porowatości cząstek adsorbentu. Aby być dobrym adsorbentem, cząstki stałe powinny mieć nie tylko wysoką powierzchnię właściwą, ale także posiadać odpowiednie siły interaktywne / aktywne miejsca w odniesieniu do konkretnego adsorbatu.

Masa zatrzymanego adsorbatu na jednostkę masy adsorbentu będzie związana ze stężeniem adsorbatu w płynie w równowadze w danej temperaturze. W oparciu o analizę zjawiska Langmuira, stosunek równowagi można wyrazić jako

X * i = mY i 1 / n ...... ........................... (4.54)

gdzie X * i = masa adsorbatu i zatrzymana na jednostkę masy adsorbentu, a Y i = masa adsorbatu i są obecne w jednostkowej masie płynu (gazu nośnego) w stanie równowagi.

m i n są specyficznymi stałymi dla konkretnego układu adsorbina-adsorbent. Są zależne od temperatury.

Dla n ≤ 1 proces adsorpcji jest uważany za korzystny, a dla n> 1 jest niekorzystny. Dla konkretnego układu adsorbina-adsorbent wartości liczbowe m i n zależą od procesu wytwarzania adsorbentu. Te są oceniane eksperymentalnie.

Gdy adsorbent osiągnie równowagę w odniesieniu do adsorbatu, nie będzie on w stanie wchłonąć adsorbatu dalej. Adsorbent musi zostać odrzucony lub zregenerowany do ponownego użycia. W celu regeneracji adsorbentu i / lub odzysku adsorbatu, ogólnie zużyty adsorbent ogrzewa się, przepuszczając nad nim strumień gazu obojętnego.

W przypadku fizycznego procesu adsorpcji zwykle stosuje się parę lub powietrze w umiarkowanej temperaturze (100 ° C lub więcej). Desorbowana substancja może być zebrana (jeśli jest wartościowa) lub poddana dalszej obróbce przed usunięciem. Jednakże w celu regeneracji adsorbentu z procesu chemisorpcji powietrze w wysokiej temperaturze przepuszcza się nad zużytym adsorbentem, dzięki czemu zaadsorbowana substancja zostaje utleniona i usunięta.

Komercyjnie stosowanymi adsorbentami są węgiel aktywny, krzemionka, żel krzemionkowy, sita molekularne (krzemiany glinu), tlenek glinu i niektóre inne tlenki metali. Najczęściej stosowanym adsorbentem jest ziarnisty węgiel aktywny (GAC).

Powszechnie stosowane adsorbery są typu z nieruchomym złożem, które działają w cyklach. Adsorber z nieruchomym złożem składa się z obudowy zawierającej złoże ziarnistych cząstek chłonnych. Gdy strumień płynu przenoszący zanieczyszczenie h (adsorbat) przepływa przez złoże, adsorbowane jest zanieczyszczenie.

Stopniowo cząsteczki adsorbentu stają się nasycone. Kiedy poziom zanieczyszczeń w oczyszczonym strumieniu osiągnie wcześniej określony poziom, zgodnie z normami kontroli zanieczyszczeń, proces adsorpcji zostaje przerwany i złoże ulega regeneracji. Po regeneracji złoża ponownie wprowadza się strumień.

Układ adsorpcyjny może mieć kilka konfiguracji. Najprostszym z nich byłby system z dwoma łóżkami, w którym, gdy jedno łóżko jest regenerowane, drugi byłby online. Lepszym rozwiązaniem byłby system z trzema łóżkami, w którym dwa łóżka byłyby obsługiwane szeregowo, a trzeci byłby regenerowany. W takim ustawieniu drugie łóżko działa jak łóżko polerujące. Gdy objętościowe natężenie przepływu strumienia płynu, który ma być poddany obróbce, jest raczej duże, wówczas kilka jednostek może działać równolegle.

Inne niż złoże stałe, złoże fluidalne i adsorber z ruchomym złożem są również stosowane. Są one obsługiwane bez żadnej przerwy w regeneracji. Z tych złóż częściowo zużyte cząstki adsorbentu są usuwane, regenerowane poza złożami i wracane w sposób ciągły. W takich jednostkach cząstki adsorbentu ulegają ścieraniu wskutek ścierania między cząstkami, a także w wyniku ścierania ściany.

Przepływ cząstek stałych w tych adsorberach może nie być płynny. Jednak zatrzymanie adsorbentu byłoby znacznie mniejsze w porównaniu z układem ze stałym złożem mającym taką samą pojemność. Ponieważ regeneracja odbywa się poza adsorberem, może być przeprowadzona w drastycznych warunkach, jeśli to konieczne.

Naprawiono podejście projektowe Bed Adsorber:

Kiedy strumień płynu zawierający adsorbaty wchodzi do adsorbera z nieruchomym złożem, większość adsorpcji ma miejsce na początku zasilania. Stopniowo cząstki adsorbentu obecne w pobliżu końca zasilającego nasycają się adsorbatem, a efektywna strefa adsorpcji przesuwa się w kierunku końca wyjściowego. Ta część adsorbera, w której zachodzi większa część adsorpcji, jest określana jako efektywna strefa adsorpcji. Rysunek 4.12 pokazuje progresywne nasycenie złoża adsorbentu w adsorberze podczas procesu. Pokazuje również, że efektywna strefa adsorpcji (Z Q ) ostatecznie osiąga koniec wyjścia.

Rysunek 4.13 pokazuje, że stężenie adsorbatu (Y) w traktowanym strumieniu wzrasta wraz z postępem operacji i ostatecznie w czasie Θ = Θ B stężenie staje się YB. Jeżeli adsorbat będzie zanieczyszczeniem, wówczas Y B będzie oznaczać maksymalne dopuszczalne stężenie emisji z punktu widzenia zanieczyszczenia środowiska. Czas Θ B nazywany jest czasem przełamania.

Kontynuacja procesu adsorpcji powyżej Θ B spowodowałaby dalszy wzrost stężenia zanieczyszczeń poza Y B w poddanym obróbce strumieniu wypływającym. W Θ = Θ B operacja ma zostać przerwana, a łóżko ma zostać zregenerowane.

Przy projektowaniu adsorbera z nieruchomym złożem w celu redukcji zanieczyszczeń gazowych należy oszacować jego pole przekroju poprzecznego i wysokość jego upakowania, aby uzyskać wstępnie wybrany "czas przebicia" Θ B.

Poniższe informacje będą wymagane do celów projektowych:

1. Natężenie przepływu strumienia wpływającego, G;

2. Stężenie zanieczyszczeń w płynie,

3. Maksymalne dopuszczalne stężenie zanieczyszczeń w oczyszczonym ścieku, Y B ;

4. Wstępnie wybrany "czas przebicia" Θ B, i

5. Charakterystyka wybranego adsorbentu.

Powierzchnię przekroju poprzecznego adsorbera można oszacować za pomocą następującego wyrażenia:

Zwykle w przypadku jednostek komercyjnych stosowana prędkość powierzchniowa gazu mieści się w zakresie od 6 do 24 m / min. Przy działaniu z większą prędkością spadek ciśnienia w złożu byłby wyższy i w konsekwencji koszt eksploatacji (energii) byłby większy. W celu oszacowania średnicy rury wlotowej i wylotowej kolumny prędkość gazu wybiera się w zakresie 600-900 m / min. Dla oszacowania wysokości złożonego złoża, L0, zakłada się Θ B. W oparciu o to i charakterystykę wybranego adsorbentu, wysokość złożonego złoża L0 można obliczyć za pomocą podejścia opartego na zasadzie kciuka lub podejścia analitycznego.

W celu ustalenia wysokości złożonego złoża za pomocą reguły kciuka wymagana jest informacja: (i) "zdolność adsorpcji" (X c ) wybranego adsorbentu i (ii) gęstość nasypową (pb) adsorbentu. Zdolność adsorpcji X c definiuje się jako masę adsorbatu, którą masa jednostkowa adsorbentu może adsorbować podczas obróbki strumienia gazu wpływającego o stężeniu zanieczyszczenia Y0, a tym samym zmniejszyć stężenie zanieczyszczeń do jego dopuszczalnej wartości granicznej YB w traktowanym gazie. .

X c i p b mogą być uzyskane od producenta / dostawcy adsorbentu lub oszacowane eksperymentalnie w laboratorium. Dane laboratoryjne byłyby bardziej wiarygodne dla celów projektowych. Gdy te dane są dostępne, całkowita masa potrzebnego adsorbentu może być obliczona przy użyciu równania. (4.55).

Odpowiednią wysokość złoża (L0) można uzyskać stosując równanie. (4.56)

Wysokość złoża L0 może być obliczona zgodnie z podejściem analitycznym z wykorzystaniem równania. (4.57)

gdzie Θ = stopień nasycenia całkowitego złoża adsorbentu w czasie dB, wyrażony jako ułamek,

i Xs = stężenie zanieczyszczeń na adsorbencie w równowadze ze stężeniem fazy gazowej Y0 wyrażonym jako stosunek wagowy.

X x można oszacować za pomocą równania. (4.54) lub wykorzystując doświadczalnie uzyskane dane równowagi.

Należy tu zauważyć, że w czasie Θ B od początku procesu główna część złoża (z wyjątkiem strefy adsorpcji Za blisko końca wyjściowego kolumny) byłaby nasycona. Strefa Z a byłaby częściowo nasycona. Dlatego Θ można wyrazić jako

Jest teraz oczywiste, że aby znaleźć L 0, trzeba najpierw oszacować f i Z a .

Równania bilansu materiałowego fazy gazowej adsorbentu na wysokości złoża pierwiastkowego dZ w strefie adsorpcji Z Q w przedziale czasowym dΘ można zapisać jako

Gdzie ɛ = pusta frakcja i a = powierzchnia na jednostkę zapakowanej objętości.

Ostatni termin po prawej stronie równania. (4.60), będąc małym w porównaniu z innymi terminami, można zaniedbać i równanie można przepisać jako

Zintegrowana forma równania. (4.61) można zapisać jako

i Y * = stężenie fazy gazowej równowagi gazowej odpowiadające zaadsorbowanemu stężeniu X zanieczyszczenia na powierzchni adsorbentu.

może być oszacowany numerycznie lub graficznie przy pomocy wykresu podobnego do Rys. 4.14. Powstaje jednak problem związany z Y = Y O, y * = Y 0, a zatem N OG będzie nieskończony. Aby obejść ten problem, N OG jest przybliżony jako

gdzie Ye ma przypisaną wartość liczbową nieco mniejszą niż K 0

Aby oszacować H OG należy znać wartości liczbowe K y i a. W przypadku braku takich informacji można oszacować H oc za pomocą rys. 4.15, dla którego wymagane informacje to ɛ i d p .

gdzie ɛ = frakcja pustych przestrzeni,

i dp = średnia średnica cząstek adsorbentu

Po ocenie Z a za pomocą Eq. (4.62), f należy obliczać liczbowo, stosując równanie. (4.59). Ostatecznie Θ i L O są oceniane przy użyciu równania. (4.58) i Eq. (4.57) odpowiednio.

Przykład 4.4:

Adsorber z nieruchomym złożem ma być przeznaczony do adsorpcji acetonu z powietrza o początkowym stężeniu, Y0 = 0, 024 kg acetonu / kg powietrza w temperaturze 30 ° C z użyciem granulowanego aktywnego węgla (GAC). Objętościowe natężenie przepływu gazu wynosi 12000 m3 / h. Dopuszczalne stężenie acetonu (Y B ) w oczyszczanym gazie można przyjąć jako 0, 001 kg acetonu / kg powietrza i gęstości nasypowej GAC (p b ) jako 400 kg / m3. Dane równowagi są wymienione poniżej.

Rozwiązanie:

Wobec braku jakichkolwiek innych szczegółowych informacji związanych z tym problemem projektowym przyjmuje się, co następuje:

Wykorzystując założone wartości Θ B, prędkości powierzchniowej i H QG oraz informacje określone w problemie, wysokość adsorbera upakowanego L 0 szacuje się za pomocą podejścia opartego na regułach kciuka, wykorzystując następujące równania / relacje:

Ostatecznie akceptacja wysokości upakowania adsorbera L0 obliczona z wykorzystaniem równania. (4.56), Θ B jest ponownie obliczany zgodnie z podejściem analitycznym.

Wykreślenie dostarczonych danych równowagi i narysowanie odpowiedniej linii operacyjnej dało wynik podobny do tego z Rys. 4.14. Na tej podstawie wartość X s wynosi 0, 177. Dla oszacowania N OG i f przez integrację numeryczną wymagane wartości Y, X i Y * są odczytywane z figury i obliczone wartości