Absorption av gasformiga föroreningar (med beräkningar)

Läs den här artikeln för att lära dig om absorptionen av gasformiga föroreningar: - 1. Introduktion till absorptionsprocessen 2. Absorptionsteori 3. Absorptionsutrustning och 4. Förpackad torndesignmetod.

Introduktion till absorptionsprocessen:

När en spillgas som innehåller några gasformiga föroreningar bringas i direkt kontakt med en vätska, kan några av föroreningarna överföras till vätskan. Denna överföringsprocess kan uppstå antingen på grund av solubilisering av föroreningarna i vätskan eller på grund av kemiska reaktioner hos föroreningarna med vätskan eller med vissa kemikalier i vätskan.

Överföringsprocessen utan någon kemisk reaktion benämns fysisk absorption och som med kemiska reaktioner betecknas som absorption åtföljd av kemisk reaktion. I den (fysikaliska) absorptionsprocessen benämns lösningsmedlet (gasformigt förorenande ämne) som absorbat och lösningsmedlet (vätska) som absorbent. Gasen som bär absorbatet kallas bärgasen.

Denna process är en reversibel, det vill säga under vissa omständigheter sker överföring av lösningsmedel från gasfasen till vätskefasen och under vissa andra situationer sker överföring i motsatt riktning. Den andra processen, nämligen absorption åtföljd av kemisk reaktion, är en irreversibel, det vill säga överföring sker endast från gasfasen.

Den fysiska absorptionen sker genom följande steg:

1. De lösliga (gasformiga) molekylerna migrerar från huvuddelen av gasfasen till gränsen mellan gas och vätskefas (gränssnitt) genom molekylär och / eller spridningsdiffusion;

2. Överföring av absorberande molekyler över gränssnittet;

3. Överföring av absorptionsmolekyler i bulk av absorberingsmedlet genom molekylär och / eller eddydiffusion.

I fallet med en absorption åtföljd av kemisk reaktionsprocess liknar de två första stegen samma som för en fysikalisk absorptionsprocess. Under det tredje steget reagerar absorptionsmolekylerna med reaktanten närvarande i absorbenten och bildar nya föreningar.

Absorptionsteori:

Överföring av en kemisk art mellan en gasfas och en vätskefas sker på grund av en potentiell skillnad av arten mellan faserna. Denna potentiella skillnad kallas den kemiska potentiella gradienten. När en kemisk potential blir samma i de två faserna som står i kontakt med varandra, sägs de vara i jämvikt.

Under detta tillstånd sker ingen nettoöverföring av arten mellan faserna. När faserna inte är i jämvikt med avseende på en art uppträder dess överföring från den fas i vilken dess kemiska potential är högre till den andra fasen där dess potential är lägre.

Den kemiska potentialen hos en art i en viss fas är relaterad men inte lika med dess koncentration i den fasen. När två faser, i kontakt med varandra, når jämvikt med avseende på en art, skulle dess koncentration i respektive fas vara relaterad till varandra. Ett sådant förhållande betecknas som jämviktsförhållande. Jämviktsförhållandet mellan en kemisk art i ett gas-vätskesystem kan uttryckas som beroende och kan också vara beroende av (x A ).

Det numeriska värdet av H A beror på lösningsmedelslösningsmedelssystemet. Generellt ökar det med temperaturökning.

Ett alternativt uttryck för jämviktsrelationen är

Massöverföringen av en art från en fas (gas) till en annan fas (vätska) per enhet av gränsområdet uttrycks som

där Na = mol av lösningsmedel A överförd från gasfasen till vätskefasen per gränssnitt per enhet per tidsenhet,

ky A, k XA = enskild gas / vätskefas massaöverföringskoefficient,

Ky A, K xa = övergripande gas / vätskefas massaöverföringskoefficient,

y * = jämviktsgasfaskoncentration motsvarande volympasskoncentrationen X 1,

x * = jämviktsvätskefasskoncentration som motsvarar bulkgasfaskoncentrationen y g,

X 1, X 1 = lösta koncentration vid gränssnittet respektive bulkvätskefasen.

y i, y g = lösta koncentration vid gränssnittet respektive bulkgasfasen.

Individet och de övergripande överföringskoefficienterna är relaterade.

Ekvation (4, 45) och (4, 46) visar deras relation.

Den individuella massöverföringskoefficienten kx och ky kan beräknas med empiriska ekvationer som i allmänhet uttrycks som a, m och n är konstanter vars numeriska värden beror på absorberinspiralerna. Den relevanta informationen om dessa kan hittas i böcker om massöverföring.

där Sh = Sherwood, kI / D AB

Re = Reynolds nummer, lU p / μ

Sc = Schmidt nummer μ / ρ D AB

l = Karaktäristiska dimensioner hos absorberinspiralerna

U = Linjär vätskehastighet i absorbenten

D AB = Molecular diffusivity av art A i en blandning av arterna A och B

μ = Vätskeviskositet,

p = vätsketäthet

Absorptionsutrustning:

Syftet med en absorptionsutrustning är att bringa en gasström och en vätskeström till nära kontakt med varandra, så att ett lösningsmedel (ett gasformigt förorenande ämne) lätt kan överföras från gasfasen till vätskefasen. Det bör här noteras att genom denna process endast en förorenande substans överförs från en gasfas endast till en vätskefas och den omvandlas inte till en oskadlig substans. Om det är önskvärt att återvinna lösningsmedlet på grund av dess ekonomiska värde, skall det därefter desorberas från lösningen.

Utrustningen som kan användas för att utföra en absorptionsprocess är: ett packat torn, plåt torn, sprutkammare och venturi skrubber. Av dessa är den mest använda utrustningen ett packat torn, vilket är ganska effektivt och relativt billigare. Det är en cylindrisk vertikal kolonn med packning inuti den.

Förpackningen kan vara tillverkad av plast eller metall eller keramik, vilket ger större yta per enhet packad volym för gas-vätskekontakt. Förpackningar med olika geometrier och storlekar finns tillgängliga. Kriterierna för att välja en pack geometri och storlek är stor yta, hög säng tomrum och lägre kostnad. Högre bäddrumsfraktion ger mindre motståndskraft mot gas- och vätskeflöde.

De andra inre delarna av en packad säng är en flytande distributör, omfördelare, ett förpackningsstöd och en gasfördelare. Normalt i ett packat torn flyter vätskan ner över förpackningsytan i form av filmer och gasen strömmar upp genom tomrummet förbi vätskefilmerna.

Tallrikstornen är av tre olika slag: silplatta, bubbelkåpa och ventilbricka. Ett plåt torn är ett cylindriskt kärl med flera horisontella plattor staplade en över varandra, åtskilda på ett avstånd från varandra. Den absorberande (vätska) som kommer in i toppen av ett torn strömmar över varje platta och kaskader ner, medan man bildar en pool på varje platta.

Gasen som innehåller en upplösning / lösningsmedel (föroreningar) kommer in i botten av tornet och rinner upp. Den går in i varje platta genom små hål och bubblor genom den flytande poolen på den. Överföring av lösningsmedlet från gasfasen till vätskefasen sker när gasen bubblar genom poolen.

Vid siktplattor är hålen (genom vilken gas strömmar) små och de är inte täckta. När det gäller bubbelkapsbrickor och ventilbrickor är hålen större diameter (än siktplattor) och är delvis täckta. Tallrikstornen är ganska effektiva men de är dyrare än de packade tornen.

Spraykammare kan vara med eller utan förpackning. Vätskan införs på toppen i form av en spray och den strömmar ner, medan gasflödet kan vara horisontellt eller vertikalt. Dessa är i allmänhet mindre effektiva än de packade / platta tornen.

I venturi-skrubber introduceras både gas och vätska vid konvergerande änden av en venturi och de flyter samtidigt. I någon utrustning införs vätskan i halsen. När vätskan bryts upp i små droppar ger det ett stort kontaktområde för massöverföring. Dess effektivitet som absorber är låg.

När det är planerat att använda antingen ett packat torn eller ett plåttorn ska gasflödet förbehandlas för att avlägsna partikelformigt material, eftersom partiklarna annars kan ackumuleras i tornet och därigenom täppa till det. När en spraykammare (utan förpackning) eller en venturi-skrubber används som absorberare är emellertid förrengöring av gasen inte nödvändig

Packad Tower Design Approach:

Eftersom packade absorptionskolonner används oftare för att absorbera gasformiga föroreningar från gasflöden beskrivs designmetoden för en sådan kolonn nedan.

Före absorption i en packad kolonn bör en influensgasström genomgå följande förbehandlingar:

Kylning av inflödesgasströmmarna skulle minska sin volymetriska flödeshastighet och öka lösligheten hos föroreningarna i det valda lösningsmedlet. Som ett resultat blir absorbans storlek mindre och mängden lösningsmedel som krävs är mindre.

Under absorptionen skulle var och en av de föroreningar som föreligger i en gasström avlägsnas i viss utsträckning eller annat beroende på dess löslighet i det valda lösningsmedlet. Ett lösningsmedel väljs primärt för att avlägsna ett specifikt förorenande ämne och en absorber utformas för att uppnå den önskade graden av borttagning av det specifika förorenande ämnet.

Vid val av ett lämpligt lösningsmedel är de faktorer / parametrar som skall beaktas:

1. Hög löslighet för den riktade absorbaten,

2. Lågt ångtryck av lösningsmedlet vid driftstemperaturen,

3. Lågt pris,

4. Låg / ingen toxicitet, och

5. Huruvida lösningsmedlet skall återvinnas och återanvändas.

De data och information som krävs för att designa en absorber är:

(i) Maximal (förväntad) flödeshastighet för bärargasen, G mol / h;

(ii) Temperatur och tryck för inflödesgasströmmen;

iii) Koncentration av det riktade förorenande ämnet i influensa och dess önskade borttagningsgrad

(iv) Löslighetsdata / jämviktsrelation;

och (v) Typ av förpackning, dess storlek och andra egenskaper.

När dessa uppgifter är tillgängliga skulle man kunna beräkna följande med hjälp av lämpliga ekvationer och därmed designa en lämplig absorberare.

(i) Erforderlig lösningsmedelflödeshastighet, L mol / h,

(ii) kolonndiameter D,

(iii) Kolumnhöjd Z,

(iv) Tryckfall över den packade sängen.

Obligatorisk lösningsmedel:

Den minsta lösningsmedelshastigheten (L mjn ) kan beräknas under förutsättning att lösningsmedlet som lämnar absorbenten skulle bli mättat med avseende på koncentrationen av lösningsmedel i inflödesgasströmmen. Figur 4.11 visar ett schematiskt diagram över en packad absorberare.

Ett uttryck för Lmin erhålls genom omarrangering av lösningsmedelsbalansekvationen över en absorberare,

Lmin = G (Y1-Y2) / X * 1 - X2

där X 1, * = Y 1 / m

X1, X2 = lös koncentration i lösningsmedlet vid respektive utlopp och inlopp, i molförhållande enhet,

Y 1, Y 2 = koncentration av gasfaslösning vid inlopp och utlopp, i molförhållande enhet.

I praktiken X 2 och X 1 skulle vara känd. Y 2 skulle vara relaterad till Y 1 genom den önskade graden av borttagning, dvs borttagningseffektiviteten,

Y 2 = Y 1, (1- r ), r = borttagningseffektivitet,

Utvärdering av L min med användning av ekv. (4, 48) skulle vara korrekt om jämviktsförhållandet var linjärt, dvs Y = mX och m oberoende av X. I de flesta fall skulle koncentrationen av lösningsmedel (förorenande) i gasfasen vara låg och följaktligen skulle m vara oberoende av X.

Den faktiska lösningsmedelshastigheten är normalt betraktad som

L faktiskt, = 1-25 till 2, 0 gånger L min .

Det bör påpekas här att en absorber aldrig är konstruerad att ta L faktiskt - L min eftersom det skulle resultera i ett mycket högt värde av Z Q.

När L faktiskt ökar kommer den beräknade kolonnhöjden att minska, men kolonntvärsnittet ökar. L- faktiska bör bestämas slutligen från den totala kostnaden (initialkostnad plus driftskostnad) synvinkel. En annan faktor som bör beaktas vid uppskattning av L faktiskt är den minsta vätskefrekvens som krävs för att väta packningen i kolonnen.

Kolonn Diameter:

Vid en given gas- och vätskeflödeshastighet om kolonndiametern reduceras, håller vätskan upp (vätskemassan i kolonnen vid vilken som helst stund) i kolonnen att öka. Detta skulle resultera i en minskning av tillgängligt tomrum för gasflöde genom kolonnen. Följaktligen skulle gashastigheten (linjär) öka och gassidans tryckfall över sängen ökar också.

Högre gassidans tryckfall hindrar vätskeflödet. Om kolonndiametern minskas ytterligare kommer kolonnen att fyllas med vätska. Detta tillstånd kallas översvämning. Gasmassans hastighet vid detta tillstånd betecknas som översvämningshastighet. Driftgashastigheten tas som 60 till 75% av översvämningshastigheten. Baserat på aktuell driftgashastighet beräknas kolonnens tvärsnittsarea med användning av ekv. (4, 49).

Där A kol = kolonn tvärsnittsarea,

G n = ytlig gasmasshastighet vid översvämning,

F = fraktion av översvämningshastigheten som motsvarar vilken en kolonntvärsnitt uppskattas = 0, 6 till 0, 75,

Och Mg = gas (blandning) molekylvikt.

G n beror på de gas- och vätskeformiga egenskaperna, såsom pg, p L, μl, förpackningsegenskaper och flödeshastigheten för vätska till gasmassan. Det kan beräknas med hjälp av tomter som finns i standardböcker om Massöverföring.

Kolumnhöjd:

Stabil tillståndslös balansbalans över en elementär packad höjd (fig 4.11) i en kolumn kan skrivas som

Med hänsyn till det faktum att lösningsmedlet överförs från gasfasen till vätskefasen kan (4, 50) omskrivas som

där a = förpackningsyta per enhet förpackad bäddvolym.

För att erhålla ett uttryck för den packade bäddhöjden Eq. (4.51) är omarrangerad och integrerad. Den resulterande ekvationen är

Z 0 beräknat sålunda står för höjden på den packade sektionen av en absorber, vilket är nödvändigt för att minska koncentrationen av föroreningar i gasfasen från Y 1 till Y 2 . Den faktiska höjden på en kolonn skulle vara mer än ZO för att ge utrymme för en demister och en vätskedistributör överst, flytande omfördelare mellan de packade sektionerna, en gasfördelare, ett förpackningsstöd och en vätsketätning på botten.

Tryckfall över ett packat torn:

För att uppskatta tryckfallet över en packad sektion av en kolonn finner man ut AP / Z (tryckfall per enhet packad bäddhöjd) baserat på de redan bestämda driftsparametrarna, gas-vätskesystemets fysikaliska egenskaper och förpackningsegenskaperna utnyttja information som finns tillgänglig i böcker om massöverföring. Med hjälp av denna information uppskattas tryckkroppen över en packad säng med hjälp av ekv. (4, 53),

Det faktiska tryckfallet över ett torn skulle vara högre än det som uppskattas med användning av ekv. (4.53) på grund av tornets internister som nämns tidigare än förpackningen.


Rekommenderas

Sannolikhet: Betydelse, begrepp och betydelse
2019
Youngs femstegsmodell av kreativ process i reklam för en produkt
2019
Enkla, förenade och komplexa meningar
2019