Dujinių teršalų absorbcija (su skaičiavimais)
Perskaitykite šį straipsnį, kad sužinotumėte apie dujinių teršalų absorbciją: - 1. Įvadas į absorbcijos procesą 2. Absorbcijos teorija 3. Absorbcijos įranga ir 4. Supakuotas bokšto projektavimo metodas.
Įvadas į absorbcijos procesą:
Kai išmetamųjų dujų, turinčių tam tikrų dujinių teršalų, patenka tiesiai į skystį, kai kurie teršalai gali patekti į skystį. Šis perkėlimo procesas gali vykti arba dėl teršalų tirpinimo skystyje arba dėl cheminių teršalų reakcijų su skysčiu arba kai kuriomis cheminėmis medžiagomis, esančiomis skystyje.
Perdavimo procesas be jokios cheminės reakcijos vadinamas fizine absorbcija, o cheminė reakcija (-os) vadinama absorbcija kartu su chemine reakcija. (Fizikoje) absorbcijos procese tirpalas (dujinis teršalas) vadinamas absorbentu ir tirpikliu (skystu) kaip absorbentu. Dujos, turinčios absorbentą, vadinamos nešančiomis dujomis.
Šis procesas yra grįžtamas, ty tam tikromis aplinkybėmis tirpalo perdavimas vyksta iš dujų fazės į skystąją fazę, o kai kuriais kitais atvejais perdavimas vyksta priešinga kryptimi. Kitas procesas, ty absorbcija kartu su chemine reakcija yra negrįžtamas, ty perdavimas vyksta tik iš dujų fazės.
Fizinis sugerties procesas vyksta pagal šiuos veiksmus:
1. Tirpiosios (dujinės) molekulės iš pagrindinės dujų fazės migruoja į dujų ir skysčio fazės ribą (sąsają) molekulinės ir (arba) sūkurinės difuzijos būdu;
2. Absorbuojančių molekulių perkėlimas per sąsają;
3. Absorbuojančių molekulių perkėlimas į didžiausią absorbento dalį, naudojant molekulinę ir (arba) sūkurinę difuziją.
Jei absorbuojama kartu su cheminės reakcijos procesu, pirmieji du žingsniai yra panašūs į fizinio sugėrimo procesą. Tačiau trečiajame etape absorbcinės molekulės reaguoja su absorbentu esančiu reagentu ir sudaro naują junginį (-us).
Absorbcijos teorija:
Cheminių medžiagų pernešimas tarp dujų fazės ir skystosios fazės vyksta dėl galimo rūšių skirtumo tarp fazių. Šis potencialus skirtumas vadinamas cheminio potencialo gradientu. Kai dviejų rūšių cheminės medžiagos cheminis potencialas tampa vienodas, jie yra pusiausvyroje.
Pagal šią sąlygą tarp fazių nėra grynojo rūšies perdavimo. Kai fazės nėra pusiausvyros rūšies atžvilgiu, tada jos perdavimas vyksta nuo fazės, kai jo cheminis potencialas yra didesnis, negu kitame etape, kuriame jo potencialas yra mažesnis.
Rūšies cheminis potencialas tam tikroje fazėje yra susijęs, bet ne lygus jo koncentracijai šiame etape. Kai dvi fazės, besiliečiančios viena su kita, pasiekia pusiausvyrą rūšies atžvilgiu, jos koncentracija atitinkamose fazėse būtų susijusi viena su kita. Toks ryšys vadinamas pusiausvyros santykiu. Cheminės medžiagos pusiausvyros santykis dujų ir skysčių sistemoje gali būti išreikštas kaip priklausomas ir taip pat gali būti priklausomas nuo koncentracijos (x A ).
H A skaitinė vertė priklauso nuo tirpiklių sistemos. Paprastai jis didėja esant temperatūros padidėjimui.
Alternatyvi pusiausvyros santykio išraiška
Masės pernešimo iš vienos fazės (dujų) į kitą fazę (skystą) per sąsajos ploto vienetą greitis išreiškiamas kaip
kur Na = tirpalo A moliai, perkelti iš dujų fazės į skystąją fazę vieneto paviršiaus ploto vienetui,
ky A, k XA = atskiras dujų / skysčio fazės masės perdavimo koeficientas,
Ky A, K xa = bendras dujų / skysčio fazės masės perdavimo koeficientas,
y * = pusiausvyros dujų fazės koncentracija, atitinkanti masės skystosios fazės koncentraciją X 1,
x * = pusiausvyros skystosios fazės koncentracija, atitinkanti didmeninės dujų fazės koncentraciją y g,
X 1, X 1 = tirpiosios medžiagos koncentracija atitinkamai sąveikos ir biriosios skysčio fazėje.
y i, y g = atitinkamai tirpios koncentracijos sąsajos ir birių dujų fazėje.
Asmenys ir bendri perdavimo koeficientai yra susiję.
(4.45) ir (4.46) lygtis rodo jų santykį.
Individualus masės perdavimo koeficientas k x ir k y gali būti apskaičiuojamas naudojant empirines lygtis, paprastai išreikštas α, m ir n yra konstantos, kurių skaitinės vertės priklauso nuo absorberio vidų. Atitinkamą informaciją apie juos galima rasti knygose dėl masinio perkėlimo.
kur Sh = Sherwood, k l / D AB
Re = Reynoldso skaičius, lU ρ / µ
Sc = Schmidt skaičius µ / ρ D AB
l = absorberio vidinių matmenų matmenys
U = tiesinis skysčio greitis absorberyje
D AB = A rūšies molekulinė difuzija A ir B rūšių mišinyje
µ = skysčių klampumas,
ρ = skysčio tankis
Absorbcijos įranga:
Absorbcijos įrenginio paskirtis - duoti dujų srautą ir skysčio srautą į artimus kontaktus vienas su kitu, kad tirpiklis (dujinis teršalas) galėtų lengvai perkelti iš dujų fazės į skystą fazę. Pažymėtina, kad šiuo procesu teršalas tik perkeliamas iš dujų fazės tik į skystą fazę ir nėra paverstas nekenksminga medžiaga. Jei norima išsiskirti tirpalu dėl savo ekonominės vertės, vėliau jis turi būti desorbuojamas iš tirpalo.
Įranga, kuri gali būti naudojama absorbcijos procesui atlikti, yra: supakuotas bokštas, plokščių bokštas, purškimo kamera ir venturi skruberis. Iš šių dažniausiai naudojamų įrenginių yra supakuotas bokštas, kuris yra gana efektyvus ir santykinai pigesnis. Tai cilindro formos vertikali stulpelis su pakuotės viduje.
Pakuotės gali būti pagamintos iš plastiko arba metalo arba keramikos, kurios suteikia didesnį paviršiaus plotą viename supakuoto tūrio kiekyje dujų ir skysčio sąlyčiui. Yra įvairių geometrinių ir dydžių pakuočių. Pakavimo geometrijos ir dydžio pasirinkimo kriterijai yra didelis paviršiaus plotas, aukšto sluoksnio tuščia frakcija ir mažesnės kainos. Didesnė dugno tūrio frakcija suteikia mažiau atsparumo dujų ir skysčio srautui.
Kiti supakuotos lovos vidiniai elementai yra skystas skirstytuvas, perskirstikliai (-ai), pakavimo atrama ir dujų skirstytuvas. Paprastai supakuotame bokšte skystis teka žemyn per pakavimo paviršių plėvelių pavidalu, o dujos teka per tuščią erdvę, esančią virš skystųjų plėvelių.
Plokštelių bokštai yra trijų skirtingų tipų: sieto plokštelė, burbuliukų dangtelis ir vožtuvo dėklas. Plokštelinis bokštas yra cilindrinis indas, turintis keletą horizontalių plokščių, sukrautų viena nuo kitos, išdėstytas tam tikru atstumu vienas nuo kito. Absorbentas (skystis), patekęs į bokšto viršų, teka per kiekvieną plokštę ir kaskadų žemyn, o kiekvienoje plokštėje sudaro baseiną.
Dujos, kurių sudėtyje yra tirpalo / tirpiklių (teršalų), patenka į bokšto dugną ir teka. Jis įeina į kiekvieną plokštelę per mažas skylutes ir burbuliukus per jo skystąjį baseiną. Tirpalo perkėlimas iš dujų fazės į skystą fazę vyksta, kai dujų burbuliukai perpylia per baseiną.
Sietinių plokščių atveju skylės (per kurias teka dujų srautai) yra mažos ir jos nėra padengtos. Burbuliukų dangtelių ir vožtuvų padėklų skylės yra didesnio skersmens (nei sietų plokštės) ir yra iš dalies uždengtos. Plokšteliniai bokštai yra gana veiksmingi, tačiau jie yra brangesni nei supakuoti bokštai.
Purškimo kameros gali būti su pakuotėmis arba be jų. Skystis patenka į viršų purškimo pavidalu ir teka žemyn, o dujų srautas gali būti horizontalus arba vertikalus. Jie paprastai yra mažiau veiksmingi nei supakuoti / plokšteliniai bokštai.
Venturi skruberiuose tiek dujos, tiek skystis tiekiami į Venturi srauto konvergencinį galą ir teka kartu. Kai kuriuose įrenginiuose skystis patenka į gerklę. Kadangi skystis suskirsto į mažus lašelius, jis suteikia didelį kontaktinį plotą masiniam perdavimui. Jo efektyvumas kaip absorberis yra mažas.
Kai planuojama naudoti arba supakuotą bokštą, arba plokštelinį bokštą, dujų srautas turi būti iš anksto apdorotas, kad būtų pašalintos kietosios dalelės, nes priešingu atveju dalelės gali kauptis bokšte ir taip užkimšti. Tačiau, kai kaip absorberis naudojamas purškimo kamera (be pakuotės) arba venturi skruberis, išankstinis dujų valymas nėra būtinas
Supakuotas bokšto projektavimo metodas:
Kadangi supakuotos absorbcijos kolonos yra dažniau naudojamos dujiniams teršalams absorbuoti iš dujų srautų, šio stulpelio projektinis metodas aprašytas toliau.
Prieš įsisavinant pakuotoje kolonėlėje, dujų srautas turi būti apdorojamas taip:
Dujinių dujų srautų aušinimas sumažintų jo tūrinį srautą ir padidintų teršalo (-ų) tirpumą pasirinktame tirpiklyje. Dėl to absorberio dydis bus mažesnis ir reikiamo tirpiklio kiekis bus mažesnis.
Absorbcijos metu kiekvienas dujų sraute esantis teršalas būtų pašalintas tam tikru mastu ar kitaip, priklausomai nuo jo tirpumo pasirinktoje tirpiklyje. Tirpiklis pirmiausia parinktas tam, kad būtų pašalintas konkretus teršalas, ir absorberis yra sukurtas taip, kad būtų pasiektas norimas šio konkretaus teršalo šalinimo laipsnis.
Renkantis tinkamą tirpiklį, reikia atsižvelgti į šiuos veiksnius: \ t
1. Didelis tirpios absorbcijos tirpumas, \ t
2. Žemas tirpiklio garų slėgis darbinėje temperatūroje, \ t
3. Žema kaina,
4. Mažas / nulinis toksiškumas;
5. Ar tirpiklis turi būti panaudotas ir pakartotinai naudojamas.
Duomenys ir informacija, reikalinga absorberio projektavimui:
i) Didžiausias (numatomas) nešančiųjų dujų srautas, G mol / h;
(ii) dujų srauto temperatūra ir slėgis;
(iii) tikslinio teršalo koncentracija joje ir norimas pašalinimo laipsnis;
(iv) Tirpumo duomenys / pusiausvyros santykis;
ir v) pakuotės tipas, dydis ir kitos savybės.
Kai tik bus gauta tokia informacija, būtų galima apskaičiuoti toliau nurodytus dydžius, naudojant atitinkamas lygtis ir taip sukurti tinkamą absorberį.
(i) Reikalingas tirpiklio srautas, L mol / h,
(ii) stulpelio skersmuo D,
iii) stulpelio aukštis Z,
(iv) Slėgio kritimas pakuotėje.
Reikalingas tirpiklio lygis:
Mažiausias tirpiklio greitis (L mjn ) gali būti apskaičiuojamas darant prielaidą, kad tirpiklis, išeinantis iš absorberio, taptų prisotintas, atsižvelgiant į tirpiosios koncentracijos įtaką dujų sraute. 4.11 pav. Pavaizduota supakuoto absorberio schema.
L min ekspresija gaunama pertvarkant tirpalo balanso lygtį per absorberį,
L min = G (Y 1 -Y2) / X * 1 - X2
kur X1, * = Y 1 / m
X l, X 2 = tirpiklio koncentracija tirpiklyje atitinkamai išleidimo ir įleidimo angoje, molio santykio vienetas,
Y1, Y2 = dujų fazės tirpių koncentracija atitinkamai įėjimo ir išleidimo angoje.
Praktikoje X 2 ir X 1 būtų žinomi. Y2 būtų susijęs su Y1 per pageidaujamą pašalinimo laipsnį, ty pašalinimo efektyvumą,
Y 2 = Y 1, (1-ᶯ r ), ᶯ r = pašalinimo efektyvumas,
L min įvertinimas naudojant Eq. (4.48) būtų tinkamas, jei pusiausvyros santykis būtų tiesinis, ty Y = mX ir m nepriklausomas nuo X. Daugeliu atvejų tirpalo (teršalo) koncentracija dujų fazėje būtų maža ir todėl m būtų nepriklausoma nuo X.
Faktinis tirpiklio greitis paprastai laikomas
L faktinis, = 1-25 iki 2, 0 karto didesnis už L min .
Čia reikia pažymėti, kad absorberis niekada nėra suprojektuotas atsižvelgiant į L faktinį - L min, nes tai lemtų labai didelę Z Q vertę.
Kadangi L faktinis skaičius padidėja, apskaičiuotas stulpelio aukštis sumažės, tačiau stulpelio skerspjūvis padidėtų. Galutinė „L“ vertė turėtų būti galutinai nuspręsta atsižvelgiant į bendrą kainą (pradinė kaina ir veiklos sąnaudos). Kitas faktorius, į kurį reikia atsižvelgti apskaičiuojant L faktinį dydį, yra minimalus skysčio greitis, reikalingas pakuotės sudrėkinimui stulpelyje.
Stulpelio skersmuo:
Esant tam tikram dujų ir skysčio srautui, jei kolonėlės skersmuo sumažėja, skystis laikytųsi (skysčio masė kolonėlėje bet kuriuo metu) stulpelyje padidėtų. Dėl to sumažėtų esama tuščia erdvė dujų srautui per kolonėlę. Todėl padidėtų dujų greitis (tiesinis) ir padidėtų dujų pusės slėgio kritimas per lovą.
Didesnis dujų slėgio kritimas trukdo skysčio srautui. Jei kolonėlės skersmuo bus toliau mažinamas, stulpelis bus užpildytas skysčiu. Ši sąlyga vadinama potvyniu. Dujų masės greitis esant tokioms sąlygoms vadinamas potvynių greičiu. Veikimo dujų greitis yra 60–75% užtvindymo greičio. Remiantis faktiniu dujų greičiu, stulpelio skerspjūvio plotas apskaičiuojamas naudojant Eq. (4.49).
Kur A col = stulpelio skerspjūvio plotas,
G n = paviršinis dujų masės greitis užtvindant,
F = užtvindymo greičio, atitinkančio kolonėlės skerspjūvio vertę, dalis yra 0, 6–0, 75;
Ir M g = dujų (mišinio) molekulinė masė.
G n priklauso nuo dujų ir skysčio fizinių savybių, pvz., P g, p L, µ L, pakavimo charakteristikos ir skysčio iki dujų masės srauto santykio. Tai gali būti apskaičiuota naudojant apskaitos barelius, esančius standartinėse knygose apie masę.
Stulpelio aukštis:
Stulpelio elementinės pakuotės aukštyje (4.11 pav.) Gali būti rašoma pastovios būsenos tirpalo balanso lygtis
Atsižvelgiant į tai, kad tirpalas perkeliamas iš dujų fazės į skystąją fazę, (4.50) gali būti perrašytas kaip
kur a = pakavimo paviršiaus plotas, tenkantis vienai pakuotei.
Kad gautumėte pakuotės aukščio Eq. (4.51) yra pertvarkyta ir integruota. Gauta lygtis yra
Tokiu būdu apskaičiuotas Z 0 reiškia pakuotės sugeriamojo skyriaus aukštį, kuris yra būtinas teršalų koncentracijos sumažinimui dujų fazėje nuo Y1 iki Y2. Faktinis stulpelio aukštis būtų didesnis nei Z O, kad būtų užtikrintas viršutinės dulkių ir skysčio skirstytuvo vietos tarp skysčio perskirstiklių (-ų) tarp supakuotų sekcijų, dujų skirstytuvo, pakavimo atramos ir skysčio sandariklio apačioje.
Slėgio kritimas per supakuotą bokštą:
Siekiant įvertinti slėgio kritimą per supakuotą stulpelio dalį, nustatoma AP / Z (slėgio kritimas viename pakuotės aukštyje), remiantis jau nustatytais darbo parametrais, fizinėmis dujų ir skysčio sistemos savybėmis ir pakavimo savybėmis panaudojant informaciją apie masės perkėlimo knygas. Naudojant šią informaciją, apskaičiuojamas slėgio slopinimas per supakuotą lovą, naudojant Eq. (4.53),
Tikrasis slėgio kritimas per bokštą būtų didesnis nei apskaičiuotas naudojant Eq. (4.53) dėl anksčiau minėtų bokšto vidinių dalių, išskyrus pakuotes.
