Absorption af gasformige forurenende stoffer (med beregninger)
Læs denne artikel for at lære om absorption af gasformige forurenende stoffer: - 1. Introduktion til absorptionsproces 2. Absorptionsteori 3. Absorptionsudstyr og 4. Pakketårn Designmetode.
Introduktion til absorptionsproces:
Når en affaldsgas indeholdende nogle luftforurenende stoffer bringes i direkte kontakt med en væske, kan nogle af forureningerne overføres til væsken. Denne overførselsproces kan forekomme enten på grund af opløsning af forurenende stoffer i væsken eller på grund af kemiske reaktioner af forurenende stoffer med væsken eller med nogle kemikalier, der er til stede i væsken.
Overføringsprocessen uden nogen kemisk reaktion betegnes som fysisk absorption, og at der ved kemiske reaktioner betegnes som absorption ledsaget af kemisk reaktion. I den (fysiske) absorptionsproces betegnes det faste stof (gasformigt forurenende stof) som absorber og opløsningsmidlet (flydende) som absorberende middel. Gassen, som bærer absorbatet, betegnes som bæregassen.
Denne proces er en reversibel, dvs. under visse omstændigheder sker overførsel af opløst stof fra gasfasen til væskefasen, og under nogle andre situationer sker overførsel i modsat retning. Den anden proces, nemlig absorption ledsaget af kemisk reaktion er en irreversibel, dvs. overførsel sker kun fra gasfasen.
Den fysiske absorptionsproces finder sted gennem følgende trin:
1. De opløste (gasformige) molekyler migrerer fra hovedparten af gasfasen til grænsen mellem gas og flydende fase (grænseflade) ved molekylær og / eller eddy diffusion;
2. Overførsel af absorberingsmolekyler over grænsefladen;
3. Overførsel af absorptionsmolekyler ind i bulk af absorbenten ved molekylær og / eller eddy diffusion.
I tilfælde af en absorption ledsaget af kemisk reaktionsproces svarer de første to trin til dem, der er af en fysisk absorptionsproces. Imidlertid reagerer absorptionsmolekylerne under det tredje trin med reaktanten, der er til stede i det absorberende stof og danner en ny forbindelse (er).
Absorptionsteori:
Overførsel af en kemisk art mellem en gasfase og en flydende fase finder sted på grund af en potentiel forskel mellem arten mellem faserne. Denne potentielle forskel betegnes som den kemiske potentielle gradient. Når et kemisk potentiale bliver samme i de to faser i kontakt med hinanden, siges de at være i ligevægt.
Under denne betingelse finder der ingen netoverførsel af arten sted mellem faser. Når faser ikke er i ligevægt med hensyn til en art, sker overførslen fra den fase, hvor dens kemiske potentiale er højere til den anden fase, hvor dens potentiale er lavere.
Det kemiske potentiale af en art i en bestemt fase er relateret, men ikke lig med dens koncentration i den fase. Når to faser i kontakt med hinanden når ligevægt med hensyn til en art, vil koncentrationen i de respektive faser være relateret til hinanden. Et sådant forhold betegnes som ligevægt. Ligevægtsforholdet mellem en kemisk art i et gas-væskesystem kan udtrykkes som afhængig og kan også være afhængig af koncentrationen (x A ).
Den numeriske værdi af H A afhænger af opløsningsmiddelsystemets opløsningsmiddel. Generelt øges det med temperaturstigning.
Et alternativt udtryk for ligevægtsrelationen er
Mængden af masseoverførsel af en art fra en fase (gas) til en anden fase (væske) pr. Enhed af grænsefladeområde udtrykkes som
hvor N a = mol opløst A overført fra gasfasen til væskefasen pr. enhed grænsefladeareal pr. tidsenhed,
ky A, k XA = henholdsvis individuel gas / væskefase masseoverførselskoefficient,
Ky A, K xa = samlet gas / væskefase masseoverførselskoefficient henholdsvis
y * = ligevægt gasfasekoncentration svarende til bulkvæskefasekoncentrationen X1,
x * = ligevægtskoncentration af flydende fase svarende til bulkgasfasekoncentrationen y g,
X 1, X 1 = opløst koncentration i henholdsvis grænsefladen og bulkvæskefasen.
y i, y g = opløst koncentration i henholdsvis grænsefladen og bulkgasfasen.
Individet og den samlede overførselskoefficient er relateret.
Ligning (4, 45) og (4, 46) viser deres forhold.
Den individuelle masseoverførselskoefficient k x og k y kan beregnes ved anvendelse af empiriske ligninger, der generelt er udtrykt som a, m og n er konstanter, hvis numeriske værdier er afhængige af absorberinterne. De relevante oplysninger om disse findes i bøger om masseoverførsel.
hvor Sh = Sherwood, k1 / D AB
Re = Reynolds nummer, lU ρ / μ
Sc = Schmidt nummer μ / ρ D AB
l = Karakteristisk dimension af absorberens indre
U = Lineær væskehastighed i absorberen
D AB = Molekylær diffusivitet af art A i en blanding af arter A og B
μ = væskeviskositet,
ρ = væsketæthed
Absorptionsudstyr:
Formålet med et absorptionsudstyr er at bringe en gasstrøm og en væskestrøm ind i tæt kontakt med hinanden, således at et opløst stof (et gasformigt forurenende stof) let kan overføres fra gasfasen til væskefasen. Det skal her bemærkes, at ved denne proces kun et forurenende stof kun overføres fra en gasfase til en flydende fase, og det omdannes ikke til et uskadeligt stof. Hvis det er ønskeligt at genoprette det opløste stof på grund af dets økonomiske værdi, skal det derefter desorbedes fra opløsningen.
Udstyret, som kan anvendes til at udføre en absorptionsproces, er: et pakket tårn, pladetårn, sprøjtekammer og venturi-skrubber. Af disse er det mest brugte udstyr et pakket tårn, hvilket er ret effektivt og relativt billigere. Det er en cylindrisk lodret søjle med pakning inde i den.
Pakningen kan være lavet af plastik eller metal eller keramik, som giver større overfladeareal pr. Enhed pakket volumen til gas-væskekontakt. Emballage er af forskellige geometrier og størrelser til rådighed. Kriterierne for valg af pakningsgeometri og -størrelse er store overfladearealer, høj seng tomrumsfraktion og lavere omkostninger. Højere søjle fraktion giver mindre modstandsdygtighed mod gas og væskestrøm.
De øvrige internals i en pakket seng er en flydende distributør, omfordelere, en pakningsstøtte og en gasdistributør. Normalt i et pakket tårn strømmer væsken ned over pakningsfladen i form af film, og gassen strømmer op gennem hulrummet forbi væskefilmene.
Pladetårne er af tre forskellige typer: sigteplade, boblehætteplade og ventilbakke. Et plade tårn er en cylindrisk beholder med flere vandrette plader stablet oven over hinanden, adskilt i nogen afstand fra hinanden. Den absorberende (væske), der kommer ind i toppen af et tårn, strømmer over hver plade og kaskader ned, mens der dannes en pulje på hver plade.
Gassen indeholdende et opløst stof / opløsningsmidler (forurenende stoffer) kommer ind i bunden af tårnet og strømmer op. Den kommer ind i hver plade gennem små huller og bobler gennem den flydende pool på den. Overførsel af opløst stof fra gasfasen til væskefasen finder sted, når gassen bobler gennem puljen.
I tilfælde af sigteplader er hullerne (gennem hvilke gas strømmer) små, og de er ikke dækket. I tilfælde af boblekappebakker og ventilbakker er hullerne af større diameter (end dem af sigteplader) og delvist dækket. Pladetårne er ret effektive, men de er dyrere end de pakkede tårne.
Spraykamre kan være med eller uden pakning. Væsken indføres øverst i form af en sprøjte, og den strømmer ned, mens gasstrømmen kan være vandret eller lodret. Disse er generelt mindre effektive end de pakkede / plade tårne.
I venturi-skrubber introduceres både gas og væske ved den konvergerende ende af en venturi, og de strømmer samtidigt. I noget udstyr indføres væsken i halsen. Da væsken bryder op i små dråber, giver den et stort kontaktområde til masseoverførsel. Dens effektivitet som absorber er lav.
Når det er planlagt at anvende enten et pakket tårn eller et pladetårn, bør gasstrømmen forbehandles for at fjerne partikler, da ellers partiklerne kan akkumulere i tårnet og derved tilstoppe det. Når et sprøjtekammer (uden emballering) eller en venturi skrubber anvendes som en absorber, er forrensning af gassen imidlertid ikke væsentlig
Packed Tower Design Approach:
Da pakkede absorptionskolonner hyppigere anvendes til at absorbere gasformige forurenende stoffer fra gasstrømme, er designtilstanden for en sådan søjle beskrevet nedenfor.
Før absorption i en pakket søjle skal en tilstrømningsgasstrøm gennemgå følgende forbehandlinger:
Afkøling af de indstrømmende gasstrømme ville reducere dens volumenstrømningshastighed og øge opløseligheden af forurenende stoffer i det valgte opløsningsmiddel. Som følge heraf vil absorbentens størrelse være mindre, og mængden af opløsningsmiddel, der kræves, vil være mindre.
Under absorption vil hver af de forurenende stoffer, som er til stede i en gasstrøm, fjernes i nogen grad eller andet afhængigt af dets opløselighed i det valgte opløsningsmiddel. Et opløsningsmiddel vælges primært til fjernelse af et bestemt forurenende stof, og en absorber er udformet således, at den ønskede grad af fjernelse af det specifikke forurenende stof opnås.
Ved valg af et egnet opløsningsmiddel er de faktorer / parametre, der skal overvejes, :
1. Høj opløselighed af den målrettede absorbat,
2. Lavt damptryk af opløsningsmidlet ved driftstemperaturen,
3. Lav pris,
4. Lav / ingen toksicitet, og
5. Om opløsningsmidlet skal udvindes og genanvendes.
De data og oplysninger, der er nødvendige for at designe en absorber, er:
(i) Maksimal (forventet) strømningshastighed for bæregasen, G mol / time;
(ii) Temperatur og tryk af den indstrømmende gasstrøm;
(iii) Koncentration af det målrettede forurenende stof i indflydelsen og dets ønskede grad af fjernelse
(iv) Opløselighedsdata / ligevægtsrelation
og (v) pakningstypen, dens størrelse og andre egenskaber
Når disse oplysninger foreligger, ville man kunne beregne følgende ved brug af egnede ligninger og derved konstruere en passende absorber.
(i) Krævet opløsningsmiddelstrømningshastighed, L mol / time,
(ii) kolonne diameter D,
(iii) Kolonnehøjde Z,
(iv) trykfald over den fyldte seng
Nødvendig opløsningsmiddelhastighed:
Den mindste opløsningsmiddelhastighed (L mjn ) kan beregnes under antagelse af, at opløsningsmidlet, som forlader absorberen, vil blive mættet med hensyn til opløsningsmiddelkoncentrationen i den indstrømmende gasstrøm. Figur 4.11 viser et skematisk diagram af en pakket absorber.
Et udtryk for L min opnås ved omarrangering af den opløste balancebalance over en absorber,
L min = G (Y1 -Y2) / X * 1 - X2
hvor X 1, * = Y 1 / m
X1, X2 = opløst koncentration i opløsningsmidlet ved henholdsvis udløb og indløb, i molforholdsenhed,
Y1, Y2 = gasfaseopløsningskoncentration ved henholdsvis indløb og udløb, i molforholdsenhed.
I praksis X 2 og X 1 ville være kendt. Y 2 ville være relateret til Y 1 gennem den ønskede fjernelsesgrad, dvs. fjernelseseffektiviteten,
Y 2 = Y 1, (1-ᶯ r ), ᶯ r = fjernelse effektivitet,
Evaluering af L min ved anvendelse af Eq. (4, 48) ville være korrekt, hvis ligevægtsforholdet var lineært, dvs. Y = mX og m uafhængigt af X. I de fleste tilfælde ville koncentrationen af opløst stof (forurenende stof) i gasfasen være lav, og derfor ville m være uafhængig af X.
Den faktiske opløsningsmiddelhastighed er normalt taget som
L faktisk, = 1-25 til 2, 0 gange L min .
Det skal her påpeges, at en absorber aldrig er designet til at tage L faktisk - L min, da det ville resultere i en meget høj værdi af Z Q.
Når L faktisk øges, vil den beregnede kolonnehøjde falde, men kolonnens tværsnit vil stige. Den faktiske L bør endelig bestemmes ud fra det samlede pris (initialomkostninger plus driftsomkostninger) synspunkt. En anden faktor, som skal tages i betragtning ved estimering af L faktisk, er den mindste væskefrekvens, der kræves for at væske pakningen i søjlen.
Kolonne Diameter:
Ved en given gas- og væskestrømningshastighed, hvis søjlediameteren er reduceret, vil væsken holde op (væskens masse i søjlen på et hvilket som helst tidspunkt) i søjlen ville stige. Dette ville resultere i et fald i ledigt tomrum for gasstrøm gennem søjlen. Som følge heraf vil gashastigheden (lineær) øges, og gassidetrykfaldet over sengen vil også stige.
Højre gas side trykfald forhindrer væskestrøm. Hvis kolonne diameter reduceres yderligere, vil søjlen blive fyldt op med væske. Denne tilstand kaldes oversvømmelse. Gasmassens hastighed ved denne tilstand betegnes som oversvømmelseshastighed. Driftshastigheden er taget som 60 til 75% af oversvømmelseshastigheden. Baseret på den faktiske driftgashastighed beregnes kolonnens tværsnitsareal ved anvendelse af Eq. (4.49).
Hvor A col = kolonne tværsnitsareal,
G n = overfladisk gasmasses hastighed ved oversvømmelse,
F = fraktion af oversvømmelseshastigheden svarende til hvilken et søjletværsnit estimeres = 0, 6 til 0, 75,
Og Mg = gas (blanding) molekylvægt.
G n afhænger af gas og flydende fysiske egenskaber, såsom pg, p L, μl, pakningsegenskaber og væsken til gasmassestrømforholdet. Det kan estimeres ved hjælp af tegninger, der er tilgængelige i standardbøger om masseoverførsel.
Kolonne højde:
Stabil tilstandsopløselig ligevægt over en elementær pakket højde (fig. 4.11) af en kolonne kan skrives som
Under hensyntagen til det faktum, at opløsningsmidlet overføres fra gasfasen til væskefasen, kan (4, 50) omskrives som
hvor a = pakningsareal pr.
For at opnå et udtryk for den pakkede seng højde Eq. (4.51) er omarrangeret og integreret. Den resulterende ligning er
Z, der således beregnes, står for højden af den pakkede del af en absorber, som er nødvendig for at reducere forurenende koncentration i gasfasen fra Y 1 til Y 2 . Den faktiske højde af en kolonne ville være mere end ZO for at give plads til en demister og en væskedistributør øverst, flydende omfordelere mellem de pakkede sektioner, en gasfordeler, en pakningsunderstøtning og en væsketætning på bunden.
Trykfald over et pakket tårn:
For at estimere trykfaldet over en pakket sektion af en søjle, finder man ud AP / Z (trykfald pr. Enhed pakket senghøjde) baseret på de allerede besluttede driftsparametre, gas-væskesystemets fysiske egenskaber og pakningsegenskaberne udnytte oplysninger tilgængelige i bøger om masseoverførsel. Ved hjælp af denne information estimeres trykket hen over en pakket seng ved hjælp af Eq. (4, 53),
Det faktiske trykfald over et tårn ville være højere end det estimerede ved anvendelse af Eq. (4.53) på grund af de tidligere tårninterne end pakkens.
