Absorbsjon av gassformige forurensninger (med beregninger)
Les denne artikkelen for å lære om absorpsjon av gassformige forurensninger: - 1. Introduksjon til absorpsjonsprosess 2. Absorpsjonsteori 3. Absorptjonsutstyr og 4. Emballasjertårn.
Introduksjon til absorpsjonsprosessen:
Når en avfallsgass som inneholder noen gassformige forurensninger, bringes i direkte kontakt med væske, kan noen av forurensningene overføres til væsken. Denne overføringsprosessen kan oppstå enten på grunn av oppløselighet av forurensningene i væsken eller på grunn av kjemiske reaksjoner av forurensningene med væsken eller med noen kjemikalier som er tilstede i væsken.
Overføringsprosessen uten noen kjemisk reaksjon kalles fysisk absorpsjon, og at med kjemisk reaksjon (er) kalles absorpsjon ledsaget av kjemisk reaksjon. I den (fysiske) absorpsjonsprosessen betegnes løsningsmiddelet (gassformig forurensning) som absorbat og løsningsmiddelet (væske) som absorberingsmiddelet. Gassen som bærer absorbatet refereres til som bæregassen.
Denne prosessen er en reversibel, det vil si under visse omstendigheter oppstår overføring av løsemiddel fra gassfasen til væskefasen, og under noen andre situasjoner skjer overføring i motsatt retning. Den andre prosessen, nemlig absorpsjon ledsaget av kjemisk reaksjon, er en irreversibel en, det vil si overføring skjer bare fra gassfasen.
Den fysiske absorpsjonsprosessen skjer gjennom følgende trinn:
1. Oppløselige (gassformige) molekyler migrerer fra hoveddelen av gassfasen til grensen for gass / væskefase (grensesnitt) ved molekylær og / eller eddy-diffusjon;
2. Overføring av absorbatmolekyler over grensesnittet;
3. Overføring av absorbatmolekyler inn i hoveddelen av absorbenten ved molekylær og / eller eddy-diffusjon.
I tilfelle av en absorpsjon ledsaget av kjemisk reaksjonsprosess de første to trinnene ligner de av en fysisk absorpsjonsprosess. Imidlertid, under det tredje trinnet, reagerer absorbatmolekylene med reaktanten som er tilstede i absorbenten og danner ny forbindelse (er).
Absorpsjonsteori:
Overføring av en kjemisk art mellom en gassfase og en væskefase finner sted på grunn av en potensiell forskjell mellom artene mellom fasene. Denne potensielle forskjellen refereres til som den kjemiske potensielle gradienten. Når et kjemisk potensial av en art blir det samme i de to faser som er i kontakt med hverandre, sies de å være i likevekt.
Under denne tilstanden skjer ingen nettoverføring av arten mellom fasene. Når fasene ikke er i likevekt med hensyn til en art, skjer overføringen fra fasen der dens kjemiske potensial er høyere til den andre fasen der potensialet er lavere.
Det kjemiske potensialet til en art i en bestemt fase er relatert, men ikke lik konsentrasjonen i den fasen. Når to faser i kontakt med hverandre når likevekt med hensyn til en art, vil konsentrasjonen i de respektive faser være relatert til hverandre. Et slikt forhold betegnes som likevektsforhold. Likevektsforholdet til en kjemisk art i et gass-væskesystem kan uttrykkes som avhengig og kan også være konsentrasjon (x A ) avhengig.
Den numeriske verdien av H A er avhengig av løsemiddel-løsningsmiddelsystemet. Generelt øker det med økning i temperaturen.
Et alternativt uttrykk for likevektsforholdet er
Hastigheten til masseoverføring av en art fra en fase (gass) til en annen fase (væske) per enhet av grensesnittareal er uttrykt som
hvor N a = mol av løsemiddel A overført fra gassfasen til væskefasen per grensesnittareal per enhet per tid,
ky A, k XA = henholdsvis hver enkelt gass / væskefas masseoverføringskoeffisient,
Ky A, K xa = samlet gass / væskefase masseoverføringskoeffisient henholdsvis,
y * = likevektsgassfasekonsentrasjon tilsvarende volumfasekonsentrasjonen X 1,
x * = likevekts væskefase-konsentrasjon som svarer til massegassfasekonsentrasjonen y g,
X 1, X 1 = oppløsnings konsentrasjon ved henholdsvis grensesnittet og bulkvæskefasen.
y i, y g = løsemiddelkonsentrasjon i henholdsvis grensesnittet og massegassfasen.
Individet og overføringskoeffisientene er relatert.
Ligning (4, 45) og (4, 46) viser deres forhold.
Den individuelle masseoverføringskoeffisienten k x og k y kan beregnes ved bruk av empiriske ligninger som generelt uttrykkes som a, m og n er konstanter hvis numeriske verdier er avhengige av absorberinnretningene. Relevant informasjon om disse kan bli funnet i bøker om masseoverføring.
hvor Sh = Sherwood, k1 / D AB
Re = Reynolds tall, lU ρ / μ
Sc = Schmidt nummer μ / ρ D AB
l = Karakteristisk dimensjon av absorberinnretningene
U = Lineær væskehastighet i absorberen
D AB = Molekylær diffusivitet av art A i en blanding av arter A og B
μ = væskeviskositet,
p = væsketetthet
Absorptjonsutstyr:
Formålet med et absorpsjonsutstyr er å bringe en gasstrøm og en væskestrøm inn i nær kontakt med hverandre, slik at et oppløsningsmiddel (et gassformig forurensende stoff) lett kan overføres fra gassfasen til væskefasen. Det skal bemerkes at ved denne prosessen bare en forurensning overføres fra en gassfase til en væskefase, og den omdannes ikke til en uskadelig substans. Hvis det er ønskelig å gjenopprette løsemiddelet på grunn av dets økonomiske verdi, så skal det desorberes senere fra løsningen.
Utstyret som kan brukes til å utføre en absorpsjonsprosess er: et pakket tårn, plate tårn, sprøytekammer og venturi skrubber. Av disse er det mest brukte utstyret et pakket tårn, som er ganske effektivt og relativt billigere. Det er en sylindrisk vertikal kolonne med pakning er inne i den.
Pakningen kan være laget av plast eller metall eller keramikk, som gir større overflateareal pr. Enhet pakket volum for gass-væskekontakt. Emballasje med forskjellige geometrier og størrelser er tilgjengelig. Kriteriene for valg av pakningsgeometri og -størrelse er stort overflateareal, høy søylefraksjon og lavere kostnad. Høyere søylefraksjon gir mindre motstand mot gass og væskestrøm.
De andre internals i en pakket seng er en flytende distributør, omfordeler (e), en pakningsstøtte og en gassfordeler. Normalt i et pakket tårn strømmer væsken ned over pakningsflaten i form av filmer, og gassen strømmer opp gjennom tomrummet forbi væskefilmene.
Plate tårnene er av tre forskjellige typer: silkeplate, bobleplugg og ventilbrett. Et plate tårn er et sylindrisk kar med flere horisontale plater stablet en over en annen, avstanden i noen avstand fra hverandre. Den absorberende (flytende) inngangen på toppen av et tårn strømmer over hver plate og kaskader ned, mens du danner et basseng på hver plate.
Gassen som inneholder et oppløsningsmiddel / løsemidler (forurensende stoffer) kommer inn i bunnen av tårnet og strømmer opp. Den går inn i hver tallerken gjennom små hull og bobler gjennom det flytende bassenget på den. Overføring av oppløsningen fra gassfasen til væskefasen finner sted når gassen bobler gjennom bassenget.
Ved siktplater er hullene (gjennom hvilken gass strømmer) små og dekkes ikke. I tilfelle av boblekapsler og ventilbrett er hullene større diameter (enn silkeplater) og dekkes delvis. Tallerken tårnene er ganske effektive, men de er dyrere enn de pakkede tårnene.
Spraykamre kan være med eller uten pakking. Væsken blir introdusert øverst i form av en spray og det strømmer ned, mens gasstrømmen kan være horisontal eller vertikal. Disse er generelt mindre effektive enn de pakkede / platetårnene.
I venturi-skrubber blir både gass og væske introdusert ved den konvergerende enden av en venturi og de strømmer samtidig. I noe utstyr blir væsken introdusert i halsen. Da væsken bryter opp i små dråper, gir den et stort kontaktområde for masseoverføring. Dens effektivitet som absorber er lav.
Når det er planlagt å bruke enten et pakket tårn eller et platetårn, bør gassstrømmen forhåndsbehandles for å fjerne partikkelformet materiale, da ellers partiklene kan akkumulere i tårnet og derved tette det. Når et sprøytekammer (uten pakking) eller en venturi skrubber brukes som en absorber, er det imidlertid ikke nødvendig med forrensing av gassen
Packed Tower Design Approach:
Siden pakkede absorpsjonskolonner blir oftere brukt for å absorbere gassformige forurensninger fra gasstrømmer, er utformingen av en slik kolonne skissert nedenfor.
Før absorpsjon i en pakket kolonne skal en tilstrømningsgasstrøm gjennomgå følgende forbehandlinger:
Kjøling av de innstrømmende gasstrømmene vil redusere dens volumetriske strømningshastighet og øke oppløseligheten av forurenende stoffer i det valgte løsningsmiddel. Som et resultat vil absorbentens størrelse bli mindre og mengden av løsningsmiddel som kreves vil være mindre.
Under absorpsjonen vil hver av de forurensende stoffer som er til stede i en gasstrøm, bli fjernet i noen grad eller annet, avhengig av dets oppløselighet i det valgte løsningsmiddel. Et løsningsmiddel er primært valgt for å fjerne et bestemt forurensende stoff og en absorber er utformet for å oppnå ønsket grad av fjerning av det spesifikke forurensende stoffet.
Ved valg av et egnet løsningsmiddel er de faktorer / parametere som skal vurderes, :
1. Høy oppløselighet av målrettet absorbat,
2. Lavt damptrykk av løsningsmidlet ved driftstemperaturen,
3. Lav pris,
4. Lav / null toksisitet, og
5. Om løsningsmidlet skal utvinnes og gjenbrukes.
Dataene og informasjonen som kreves for å designe en absorber er:
(i) Maksimal (forventet) strømningshastighet av bæregassen, G mol / time;
(ii) Temperatur og trykk av den innstrømmende gasstrømmen;
(iii) Konsentrasjon av målrettet forurensende stoff i influensa og ønsket grad av fjerning;
(iv) Løselighetsdata / likevektsrelasjon;
og (v) type emballasje, dens størrelse og andre egenskaper.
Når disse opplysningene er tilgjengelige, kan man beregne følgende ved å bruke passende ligninger og derved designe en egnet absorber.
(i) Nødvendig væskestrømningshastighet, L mol / time,
(ii) kolonnediameter D,
(iii) Kolonnehøyde Z,
(iv) Trykkfall over den pakkede sengen.
Nødvendig løsningsmiddelhastighet:
Den minimale løsningsmiddelhastigheten (L mjn ) kan beregnes under antagelse at løsningsmidlet som forlater absorbenten ville bli mettet med hensyn til løsemiddelkonsentrasjonen i den innstrømmende gasstrømmen. Figur 4.11 viser et skjematisk diagram over en pakket absorber.
Et uttrykk for L min er oppnådd ved å omorganisere løsningsbalansekvasjonen over en absorber,
L min = G (Y1-Y2) / X * 1 - X2
hvor X 1, * = Y 1 / m
X1, X2 = løsemiddelkonsentrasjon i løsningsmidlet ved henholdsvis utløp og innløp, i molforholds-enhet,
Y 1, Y 2 = gassfaseoppløsningskonsentrasjon ved henholdsvis innløp og utløp, i molforholdsenhet.
I praksis X 2 og X 1 vil være kjent. Y 2 ville være relatert til Y 1 gjennom sin ønskede grad av fjerning, dvs. fjerningseffektiviteten,
Y 2 = Y 1, (1- r ), ᶯ r = fjerningseffektivitet,
Evaluering av L min ved bruk av ekv. (4, 48) ville være riktig hvis likevektsforholdet var lineært, dvs. Y = mX og m uavhengig av X. I de fleste tilfeller vil løsningen (forurensende) konsentrasjon i gassfasen være lav og derfor ville m være uavhengig av X.
Den faktiske løsningsmiddelhastigheten er normalt tatt som
L faktisk, = 1-25 til 2, 0 ganger L min .
Det skal påpekes her at en absorber aldri er designet for å ta L faktisk - L min, da det ville resultere i en svært høy verdi av Z Q.
Når L faktisk økes, vil den beregnede kolonnens høyde reduseres, men kolonnens tverrsnitt vil øke. Den faktiske L skal endelig avgjøres fra det totale kostpriset (innledende kostnad pluss driftskostnad) synspunkt. En annen faktor som bør tas i betraktning for estimering av L faktisk er den minste flytende hastigheten som kreves for å vaske emballasjen i kolonnen.
Kolonne Diameter:
Ved en gitt gass- og væskestrømningshastighet hvis kolonnediameteren er redusert, vil væsken holde opp (væskens masse i kolonnen når som helst) i kolonnen øke. Dette vil resultere i en reduksjon i ledig tomrom for gassstrømning gjennom kolonnen. Følgelig vil gasshastigheten (lineær) øke og gasssidetrykkfallet over sengen vil også øke.
Høyere gass side trykkfall hindrer væskestrøm. Hvis kolonnediameteren blir ytterligere redusert, vil kolonnen fylle opp med væske. Denne tilstanden kalles flom. Gassmassens hastighet ved denne tilstand betegnes som flomhastighet. Driftshastigheten er tatt som 60 til 75% av flomhastigheten. Basert på den faktiske driftsgasshastigheten beregnes kolonnens tverrsnittsområde ved bruk av ekv. (4, 49).
Hvor A kol = kolonne tverrsnittsareal,
G n = overfladisk gassmassestrøm ved oversvømmelse,
F = fraksjon av flomhastigheten som svarer til hvilken en kolonnesnitt er estimert = 0, 6 til 0, 75,
Og Mg = gass (blanding) molekylvekt.
G n avhenger av gass- og væskefysiske egenskaper som pg, p L, μl, pakkeegenskaper og væsken til gassmassestrømforholdet. Det kan estimeres ved hjelp av tomter som er tilgjengelige i standardbøker på masseoverføring.
Kolonnehøyde:
Stabil tilstandsoppløselig ligningsligning over en elementær pakket høyde (figur 4.11) av en kolonne kan skrives som
Med tanke på det faktum at løsemiddelet overføres fra gassfasen til væskefasen, kan (4, 50) omskrives som
hvor a = pakningsflate pr.
For å oppnå et uttrykk for den belagte senghøyde Eq. (4.51) er omarrangert og integrert. Den resulterende ligningen er
Z 0 som således beregnes står for høyden på den pakkede delen av en absorber, som er nødvendig for å redusere forurensningskonsentrasjonen i gassfasen fra Y 1 til Y 2 . Den faktiske høyden på en kolonne vil være mer enn ZO for å gi plass til en demister og en væskedistribuert øverst, flytende omfordeler (e) mellom de pakkede seksjoner, en gassfordeler, en pakningsstøtte og en flytende forsegling på bunnen.
Trykkfall over et pakket tårn:
For å estimere trykkfallet over en pakket del av en kolonne, finner man ut AP / Z (trykkfall per enhetsbelagt senghøyde) basert på de allerede bestemte driftsparametrene, gass-væskesystemets fysiske egenskaper og pakningsegenskapene bruke informasjon som er tilgjengelig i bøker om masseoverføring. Ved å bruke denne informasjonen, er trykkopptaket over en pakket seng anslått ved hjelp av Eq. (4, 53),
Det faktiske trykkfallet over et tårn ville være høyere enn det som ble estimert ved bruk av Eq. (4.53) på grunn av tårninterne som tidligere er nevnt enn pakkingens.
