Adsorption av gasformiga föroreningar

Läs den här artikeln för att lära dig om adsorption av gasformiga föroreningar med fast säng adsorber design approach.

Introduktion till adsorption av gasformiga föroreningar:

När en vätska innehållande vissa dispergerade ämnen bringas i kontakt med vissa speciellt behandlade / beredda fasta partiklar kan molekylerna av de dispergerade substanserna bibehållas på ytorna hos de fasta partiklarna. Detta fenomen benämns adsorption.

Det fasta materialet kallas ett adsorbent och substansen som kvarhålles på ett adsorbent benämnes som adsorbat. Adsorption är inte bara en effektiv metod för avlägsnande av föroreningar från gasströmmar, men också för att minska vattenburna föroreningar. Förekomsten av adsorption har undersökts experimentellt och olika teorier har föreslagits för att förklara observationerna. Men en teori, som kan förklara de flesta observationerna, är ännu inte utvecklad.

Det antas att en interaktion mellan adsorbatmolekylerna och de aktiva ställena på adsorbentytan medför retention av ett adsorbat på ett adsorbent. Den interaktiva kraften, som medför adsorption, har teoretiserats som fysisk eller kemisk av natur. När ett adsorbat hålls på grund av fysisk attraktiv kraft kallas processen fysisk adsorption.

Mängden värme som utvecklas under denna process är nästan densamma som den latenta värmen för kondensation av adsorbatet. Den attraktiva kraften, som medför fysisk adsorption, är svag i naturen, följaktligen kan de adsorberade molekylerna avlägsnas (desorberas) från de fasta partiklarna antingen genom att höja systemtemperaturen eller genom att minska partikeltrycket hos adsorbatet (genom evakuering eller genom att inert gas) eller genom den kombinerade effekten av de två. Desorptionsprocessen är en endoterm.

I vissa fall behålls ett adsorbat på en adsorbentyta på grund av kemisk bindning mellan de två. Det betyder inte att en ny kemisk förening bildas, men vidhäftningskraften är ganska stark. En sådan process kallas kemisorption. Det kännetecknas av utvecklingen av relativt stor mängd värme, vilket är lika i storleksordningen som för en exoterm kemisk reaktion. Kemisorption är nästan en irreversibel process. Under borttagning av en kemiserad substans genomgår adsorbatmolekylerna ofta kemiska förändringar.

Eftersom både kemisorption och fysikalisk adsorption uppträder på adsorbentytan, bör en bra adsorbent ha en stor specifik yta (yta per massanhet). Den specifika ytarean ökar med minskningen i partikelstorlek och ökning i porositeten hos adsorbentpartiklarna. För att vara en bra adsorbent borde de fasta partiklarna inte bara ha ett högt specifikt område utan också ha lämpliga interaktiva kraft / aktiva ställen med avseende på det specifika adsorbatet.

Massan av adsorbat kvarhållen per enhetsmassa av ett adsorbent skulle vara relaterat till adsorbatkoncentrationen i vätskan vid jämvikt vid en given temperatur. Baserat på Langmuirs analys av fenomenet kan jämviktsrelationen uttryckas som

X * i = mY i 1 / n ...... ........................... (4, 54)

där X * i = adsorbatmängden, som behålls per enhetsmassa av ett adsorbent, och Yi = adsorbatmängden som jag presenterar i en enhetsmassa av vätskan (bärargasen) vid jämvikt.

m och n är specifika konstanter för ett specifikt adsorbat-adsorbentsystem. De är temperaturberoende.

För n ≤ 1 anses adsorptionsprocessen vara gynnsam och för n> 1 är den icke-gynnsam. För ett specifikt adsorbat-adsorbentsystem beror de numeriska värdena på m och n på adsorbentens tillverkningsprocess. De utvärderas experimentellt.

När en adsorbent har uppnått jämvikt med avseende på ett adsorbat skulle det inte kunna absorbera adsorbatet ytterligare. Adsorbenten måste antingen kasseras eller regenereras för återanvändning. För regenerering av ett adsorbent och eller återvinning av adsorbatet upphettas vanligtvis det använda adsorbenten medan en ström av en inert gas passerar över den.

Vid fysisk adsorption används normalt ånga eller luft vid en måttlig temperatur (100 ° C eller mer). Den desorberade substansen kan samlas (om den är värdefull) eller vidarebehandlas före bortskaffande. För regenerering av ett adsorbent från en kemisorptionsprocess passeras emellertid luft vid hög temperatur över det använda adsorbenten, varvid den adsorberade substansen blir oxiderad och avlägsnad.

Kommersiellt använda adsorbenter är aktiverat kol, kiseldioxid, silikagel, molekylsiktar (aluminiumoxidsilikater), aluminiumoxid och några andra metalloxider. Det mest använda adsorbenten är granulärt aktivt kol (GAC).

Vanligen använda adsorberingar är fasta sängtyp, som används i cykler. En fast bäddadsorbering består av ett hus innehållande en bädd av granulära absorberande partiklar. När en vätskeström som transporterar h förorenande medel (adsorbat) strömmar genom sängen blir föroreningen adsorberad.

Gradvis blir adsorbentpartiklarna mättade. När föroreningen i den behandlade strömmen når en förutbestämd nivå som anges i föroreningsstandarderna, avbryts adsorptionsprocessen och bädden regenereras. Efter regenerering av sängen sätts den på ström igen.

Ett adsorberingssystem kan ha flera konfigurationer. Den enklaste skulle vara ett tvåsängssystem där en annan säng skulle regenereras, den andra skulle vara online. Ett bättre arrangemang skulle vara ett trebäddssystem där två sängar drivs i serie medan den tredje skulle regenereras. I en sådan uppsättning fungerar den andra sängen som poleringsbädden. När den volymetriska flödeshastigheten hos en fluidström som ska behandlas är ganska stor kan flera enheter drivas parallellt.

Annat än fast säng, fluidiserad bädd och rörbädds adsorber används också. De drivs utan avbrott för regenerering. Från dessa sängar avlägsnas partiellt borttagna adsorbentpartiklar, regenereras utanför sängarna och returneras kontinuerligt. I sådana enheter genomgår adsorbentpartiklarna slitning på grund av slipning mellan partiklarna, liksom på grund av väggnötning.

Flöde av fasta partiklar i dessa adsorber kan inte vara slät. Fasthållningen av adsorbent skulle emellertid vara mycket mindre jämfört med den i ett fastbäddssystem med samma kapacitet. Eftersom regenereringen görs utanför adsorberingen kan den utföras under drastiska förhållanden, om så är nödvändigt.

Fixed Bed Adsorber Design Approach:

När en vätskeström innehållande ett adsorbat träder in i en adsorber med fast bädd, sker det mesta av adsorptionen vid matningsänden till att börja med. Gradvis blir adsorbentpartiklarna närvarande nära matningsänden mättade med adsorbat och den effektiva adsorptionszonen skiftar mot utgångsänden. Den del av en adsorber där det mesta av adsorption äger rum kallas den effektiva adsorptionszonen. Figur 4.12 visar progressiv mättnad av en adsorbentbädd i en adsorber under processen. Det visar också att den effektiva adsorptionszonen (Z Q ) äntligen når utgångsänden.

Figur 4.13 visar att adsorbatkoncentrationen (Y) i den behandlade strömmen ökar när operationen fortskrider och slutligen vid tiden Θ = Θ B blir koncentrationen Y B. Om adsorbatet är ett förorenande ämne, skulle Y B stå för sin maximala tillåtna utsläppskoncentration ur miljöföroreningssynpunkt. Tiden Θ B kallas genombrottstiden.

Fortsättning av adsorptionsprocessen utöver Θ B skulle resultera i ytterligare ökning av förorenande koncentration utöver Y B i den behandlade utflödesströmmen. Vid Θ = Θ B ska operationen avbrytas och bädden ska regenereras.

Vid utformning av en fast säng adsorber för minskning av gasburna föroreningar måste man uppskatta dess tvärsnittsarea och dess packade höjd för att ha en förutbestämd "genombrottstid" Θ B.

Följande information skulle vara nödvändig för designändamål:

1. Flödeshastigheten för influensaflödet, G;

2. Föroreningskoncentration i influensa,

3. Den högsta tillåtna förorenande koncentrationen i det behandlade utflödet, Y B ;

4. Pre-selected "break through time" Θ B, och

5. Egenskaper hos den valda adsorbenten.

Kolonnets tvärsnittsarea hos en adsorber kan uppskattas med användning av följande uttryck:

Normalt för kommersiella enheter är den ytliga gashastigheten som användes inom intervallet 6 till 24 m / min. Om man kör med högre hastighet skulle tryckfallet över sängen vara högre och följaktligen skulle driftskostnaden (energi) vara mer. För uppskattning av kolonnens inlopps- och utloppsrördiameter väljes gashastigheten i intervallet 600-900 m / min. För uppskattning av packbäddshöjden, L 0, antar man en Θ B. Baserat på detta och egenskaperna hos den valda adsorbenten kan den packade bäddhöjden LO beräknas med antingen en tumregelreglering eller en analytisk metod.

För att hitta den höjda packbädden med hjälp av en tumregelregeln är den information som krävs: (i) adsorptionskapaciteten ( Xc ) hos den valda adsorbenten och (ii) adsorbentens bulkdensitet (pb). Adsorptionskapaciteten Xc definieras som adsorbatmassan, vilken enhetsmassa av ett adsorbent kan adsorbera under behandling av en influensgasström med en förorenande koncentration YO och därigenom reducera förorenande koncentrationen till dess tillåtna gränsvärde Y B i den behandlade gasen .

Xc och pb kan antingen erhållas från en adsorbenttillverkare / leverantör eller uppskattas experimentellt i ett laboratorium. Laboratoriebaserade data skulle vara mer tillförlitliga för designändamål. När dessa data är tillgängliga kan den totala massan av adsorbent som krävs beräknas med användning av ekv. (4, 55).

Motsvarande bäddhöjd (LO) kan erhållas med användning av ekv. (4, 56)

Bäddhöjden L 0 kan beräknas enligt analysmetoden med användning av ekv. (4, 57)

där Θ = mättnadsgrad av den totala adsorbentbädden vid tid dB, uttryckt som en fraktion,

och X s = förorenande koncentration på adsorbent i jämvikt med gasfaskoncentrationen Y 0 uttryckt som ett viktförhållande.

X x kan beräknas antingen med användning av ekv. (4.54) eller utnyttja experimentellt erhållna jämviktdata.

Det bör noteras här att vid tiden Θ B från processens början skulle den större delen av bädden (utom adsorptionszonen Za nära utloppsänden av kolonnen) vara mättad. Zon Z a skulle vara delvis mättad. Därför kan Θ uttryckas som

Det är nu uppenbart att för att hitta L 0 måste man först uppskatta f och Z a .

Gasfasmaterialets balansekvation för en adsorbat över en elementär bäddhöjd dZ i adsorptionszonen ZQ över ett tidsintervall dΘ kan skrivas som

Där ɛ = tomrumsfraktion och a = yta per enhet packad volym.

Den sista terminen på höger sida av Eq. (4, 60), som är liten jämfört med de andra termerna, kan försummas och ekvationen kan omskrivas som

Den integrerade formen av ekv. (4, 61) kan skrivas som

och Y * = jämviktsgasfasförorenande koncentration motsvarande den adsorberade förorenande koncentrationen X på adsorbent-ytan.

kan utvärderas numeriskt eller grafiskt med hjälp av en plot som liknar fig 4.14. Ett problem uppstår emellertid som att motsvara Y = YO, y * = Y 0 och följaktligen skulle N OG vara oändlig. För att kringgå denna svårighetsgrad är N OG approximerad som

där Ye har tilldelats ett numeriskt värde något mindre än K 0

För att uppskatta H OCH är det nödvändigt att känna till de numeriska värdena för K y och a. I frånvaro av sådan information kan man ha en uppskattning av H oc med hjälp av fig 4.15 för vilken den information som krävs är ɛ och d p .

där ɛ = bed void fraktion,

och d p = genomsnittlig adsorbentpartikeldiameter

Efter utvärdering av Z a med användning av ekv. (4, 62), f skall beräknas numeriskt med användning av ekv. (4, 59). Slutligen utvärderas Θ och LO med användning av ekv. (4, 58) och ekv. (4, 57).

Exempel 4.4:

En adsorption med fast bädd skall utformas för adsorption av aceton från luft med en initialkoncentration, Y0 = 0, 024 kg aceton / kg luft vid 30 ° C med användning av granulerat aktivt kol (GAC). Den volymetriska gasflödeshastigheten är 12000 m3 / h. Den tillåtna acetonkoncentrationen (Y B ) i den behandlade gasen kan tas som 0, 001 kg aceton / kg luft och bulkdensitet av GAC ( pb ) som 400 kg / m 3 . Jämviktsdata är som listade nedan.

Lösning:

I avsaknad av annan specifik information relaterad till detta designproblem antas följande:

Med hjälp av de antagna värdena för Θ B, ytflödet och H QG och information som specificeras i problemet, uppskattas den packade adsorberhöjden L 0 med hjälp av tumregelregleringens tillvägagångssätt med användning av följande ekvationer / relationer:

Slutligen accepterar den adsorberade packade höjden L 0 som beräknad med användning av ekv. (4.56), Θ B omräknas efter analysmetoden.

Plottning av de tillförda jämviktdata och ritning av en lämplig driftslinje resulterade i en siffra som liknar den i fig 4.14. Från den siffran är värdet av X s att vara 0, 177. För uppskattning N OG och f vid numerisk integration läses de nödvändiga värdena för Y, X och Y * från figuren och de beräknade värdena på