Dujinių teršalų adsorbcija

Perskaitykite šį straipsnį, kad sužinotumėte apie dujinių teršalų adsorbciją su fiksuoto sluoksnio adsorbcijos modeliu.

Įvadas į dujinių teršalų adsorbciją:

Kai skystis, turintis tam tikrų disperguotų medžiagų, liečiasi su kai kuriomis specialiai apdorotomis / paruoštomis kietosiomis dalelėmis, disperguotų medžiagų molekulės gali likti ant kietų dalelių paviršių. Šis reiškinys vadinamas adsorbcija.

Kieta medžiaga vadinama adsorbentu ir medžiaga, laikoma ant adsorbento, vadinama adsorbatu. Adsorbcija yra ne tik veiksmingas būdas pašalinti teršalus iš dujinių srautų, bet ir mažinti vandens teršalus. Eksperimentiškai ištirtas adsorbcijos fenomenas ir siūlomos įvairios teorijos, skirtos paaiškinti. Tačiau teorija, kuri gali paaiškinti daugumą pastabų, dar turi būti sukurta.

Manoma, kad adsorbuojančių molekulių sąveika su adsorbentų paviršiaus aktyviomis vietomis sukelia adsorbento sulaikymą ant adsorbento. Interaktyvi jėga, kuri sukelia adsorbciją, buvo teoriškai apibūdinta kaip fizinė arba cheminė. Kai adsorbatas laikomas dėl fizinės patrauklumo jėgos, procesas vadinamas fizine adsorbcija.

Šio proceso metu išsivysčiusios šilumos kiekis yra beveik toks pat kaip latentinė adsorbato kondensacijos šiluma. Patraukli jėga, dėl kurios atsiranda fizinė adsorbcija, yra silpna, todėl adsorbuotos molekulės gali būti pašalintos (desorbuojamos) iš kietųjų dalelių arba pakeliant sistemos temperatūrą, arba sumažinant dalinį adsorbato slėgį (evakuuojant arba praeinant iš oro). inertinių dujų) arba bendrų šių dviejų efektų. Desorbcijos procesas yra endoterminis.

Kai kuriais atvejais adsorbatas pasilieka ant adsorbento paviršiaus dėl cheminių jungčių tarp dviejų. Tai nereiškia, kad susidaro naujas cheminis junginys, tačiau sukibimo jėga yra gana stipri. Toks procesas vadinamas chemisorbcija. Jis pasižymi santykinai didelio šilumos kiekio pokyčiu, kuris yra panašus į egzoterminės cheminės reakcijos dydį. Chemisorbcija yra beveik negrįžtamas procesas. Pašalinus cheminę medžiagą, adsorbato molekulėse dažnai vyksta cheminiai pokyčiai.

Kadangi adsorbento paviršiuje atsiranda tiek chemisorbcija, tiek fizinė adsorbcija, geras adsorbentas turi turėti didelį specifinį paviršiaus plotą (paviršiaus ploto vieneto masė). Specifinis paviršiaus plotas didėja sumažėjus dalelių dydžiui ir padidėjus adsorbentų dalelių poringumui. Norint būti geru adsorbentu, kietosios dalelės turi turėti ne tik aukštą specifinę sritį, bet ir turėti atitinkamas interaktyvias jėgas / aktyvias vietas specifinės adsorbato atžvilgiu.

Adsorbato masė, laikoma adsorbento masės vienetui, būtų susieta su adsorbato koncentracija skystyje, esant pusiausvyrai tam tikroje temperatūroje. Remiantis Langmuiro fenomeno analize, pusiausvyros santykis gali būti išreikštas kaip

X * _i = mY _i ^{1 / n} …… ……………………… (4.54)

kur X * _i = adsorbato masė, laikoma adsorbento masės vienetui, ir Y _i = adsorbato masė, esanti skysčio (nešančiosios dujos) vieneto masėje pusiausvyros sąlygomis.

m ir n yra specifinės specifinės adsorbento adsorbento sistemos konstantos. Jie priklauso nuo temperatūros.

N ≤ 1 atveju adsorbcijos procesas laikomas palankiu ir n> 1 jis yra nepalankus. Specifinei adsorbentų adsorbentinei sistemai m ir n skaitmeninės vertės priklauso nuo adsorbento gamybos proceso. Jie vertinami eksperimentiškai.

Kai adsorbentas pasieks pusiausvyrą adsorbato atžvilgiu, jis nebegali absorbuoti adsorbato. Adsorbentas turi būti išmetamas arba regeneruojamas pakartotiniam naudojimui. Adsorbento regeneravimui ir adsorbato regeneravimui paprastai panaudotas adsorbentas kaitinamas, kai per jį teka inertinių dujų srautas.

Fizinio adsorbcijos proceso metu paprastai naudojamas garas arba oras esant vidutinei temperatūrai (100 ° C ar daugiau). Desorbuota medžiaga gali būti surinkta (jei ji yra vertinga) arba toliau apdorojama prieš šalinimą. Tačiau, norint regeneruoti adsorbentą iš chemisorbcijos proceso, per praleistą adsorbentą perduodamas aukštoje temperatūroje oras, o adsorbuota medžiaga oksiduojasi ir pašalinama.

Komerciniais tikslais naudojami adsorbentai yra aktyvuota anglis, silicio dioksidas, silikagelis, molekuliniai sietai (aliuminio silikatai), aliuminio oksidas ir kai kurie kiti metalų oksidai. Dažniausiai naudojamas adsorbentas yra granuliuota aktyvuota anglis (GAC).

Dažniausiai naudojami adsorbentai - tai fiksuoto sluoksnio tipas, kuris naudojamas ciklais. Fiksuotas sluoksnio adsorbentas susideda iš korpuso, kuriame yra granuliuotų absorbuojančių dalelių. Kadangi skystis teka teršalą (adsorbatą) teka per lovą, teršalas tampa adsorbuojamas.

Palaipsniui adsorbuojančios dalelės tampa prisotintos. Kai teršalas apdorotame sraute pasiekia nustatytą taršos kontrolės standartuose nustatytą lygį, adsorbcijos procesas nutraukiamas ir lova yra regeneruojama. Po lovos regeneravimo jis vėl įkraunamas.

Adsorbcijos sistema gali turėti keletą konfigūracijų. Paprasčiausias būtų dviaukštė sistema, kurioje, kai bus atnaujinama viena lova, kita būtų internete. Geresnis susitarimas būtų trijų lovų sistema, kurioje dvi lovos būtų valdomos nuosekliai, o trečioji - regeneruojama. Tokiu būdu antroji lova veikia kaip poliravimo lova. Kai apdorojamo skysčio srauto tūrio srautas yra gana didelis, tuomet galima valdyti kelis vienetus.

Be fiksuoto sluoksnio, taip pat naudojami skystojo sluoksnio ir judančių sluoksnių adsorbentai. Jie eksploatuojami be jokio pertrūkio. Iš šių sluoksnių iš dalies išimtos dalelės pašalinamos, regeneruojamos už lovų ir nuolat grąžinamos. Tokiuose agregatuose adsorbentų dalelės patiria susitraukimą dėl dalelių susidūrimo su dalelėmis, taip pat dėl ​​dilimo dėl sienos.

Kietųjų dalelių srautas šiuose adsorbentuose gali būti nevienodas. Tačiau adsorbento sulaikymas būtų daug mažesnis už tą patį pajėgumą turinčios fiksuotos lovos sistemos. Kadangi regeneravimas atliekamas ne adsorbentui, jis gali būti atliekamas drastiškomis sąlygomis, jei reikia.

Fiksuoto lovos adsorberio projektavimo metodas:

Kai skysčio srautas, turintis adsorbentą, patenka į fiksuoto sluoksnio adsorbentą, didžioji dalis adsorbcijos prasideda pašarų gale. Palaipsniui prie maitinimo galo esančios adsorbentinės dalelės prisotinamos adsorbatu ir efektyvi adsorbcijos zona pereina prie išėjimo galo. Ši adsorberio dalis, kurioje vyksta didžiausia adsorbcija, vadinama veiksminga adsorbcijos zona. 4.12 paveiksle parodyta, kad adsorbento sluoksnis adsorbatoriuje yra progresyvus proceso metu. Tai taip pat rodo, kad efektyvi adsorbcijos zona (Z _Q ) pagaliau pasiekia išėjimo galą.

4.13 pav. Parodyta, kad adsorbato koncentracija (Y) apdorotame sraute didėja, kai operacija vyksta ir pagaliau ϴ = ϴ _B metu koncentracija tampa Y _B. Jei adsorbatas yra teršalas, Y _B atitiktų didžiausią leistiną išmetamųjų teršalų koncentraciją aplinkos taršos požiūriu. Laikas ϴ _B vadinamas pertraukos laiku.

Tęsiant adsorbcijos procesą po ϴ _B, dar labiau padidėtų teršalų koncentracija už Y _B ribos apdorotame nuotekų sraute. ϴ = ϴ _B atveju operacija turi būti nutraukta ir lova turi būti regeneruojama.

Projektuojant fiksuoto sluoksnio adsorbentą, skirtą dujoms teršiančiam teršalui mažinti, reikia įvertinti jo skerspjūvio plotą ir pakuotės aukštį, kad būtų iš anksto pasirinktas „pertraukos laikas“ ϴ _B.

Projektavimo tikslu reikalinga ši informacija:

1. Įtakos srauto srautas, G;

2. Teršalo koncentracija,

3. Didžiausia leistina teršalų koncentracija apdorotame nuotekoje, Y _B ;

4. Pasirinktas „pertraukos laikas“ ϴ _B ir

5. Pasirinkto adsorbento savybės.

Adsorbero kolonėlės skerspjūvio plotas gali būti įvertintas naudojant šią išraišką:

Paprastai komerciniams vienetams naudojamas paviršinis dujų greitis yra nuo 6 iki 24 m / min. Jei važiavimas vyksta didesniu greičiu, slėgio kritimas per lovą būtų didesnis, todėl veikimo (energijos) sąnaudos būtų didesnės. Vertinant kolonėlės įleidimo ir išleidimo vamzdžio skersmenį, dujų greitis pasirenkamas nuo 600–900 m / min. Apskaičiuojant supakuotą lovos aukštį, L ₀, prisiimamas a ϴ _B. Remiantis tuo ir pasirinkto adsorbento charakteristikomis, supakuotas lovos aukštis L _O gali būti apskaičiuojamas naudojant nykščio taisyklės arba analitinį metodą.

Norint rasti supakuotą lovos aukštį, naudojant nykščio taisyklę, reikalinga informacija yra: (i) pasirinkto adsorbento „adsorbcijos talpa“ (Xc) ir (ii) adsorbento tankis (pb). Adsorbcijos talpa X _c apibrėžiama kaip adsorbato masė, kurią adsorbento masės vienetas gali adsorbuoti, kai apdorojantis dujų srautą, turintį teršalų koncentraciją Y _O, ir taip sumažina teršalo koncentraciją iki leistinos ribinės vertės YB apdorotoje dujų dalyje .

Xc ir pb gali būti gaunami iš adsorbentų gamintojo / tiekėjo arba eksperimentiškai apskaičiuoti laboratorijoje. Laboratorijos duomenys būtų patikimesni projektavimo tikslams. Kai tik bus gauti šie duomenys, bendra reikiama adsorbento masė gali būti apskaičiuota naudojant Eq. (4.55).

Atitinkamą lovos aukštį (L ₀ ) galima gauti naudojant Eq. (4.56)

Lovos aukštis L ₀ gali būti apskaičiuojamas pagal analitinį metodą, naudojant Eq. (4.57)

kur ϴ = viso adsorbento sluoksnio prisotinimo laipsnis dB metu, išreiškiamas kaip frakcija, \ t

ir X _s = teršalo koncentracija adsorbentui pusiausvyroje su dujų fazės koncentracija Y _0, išreikšta svorio santykiu.

X _x gali būti įvertintas naudojant Eq. (4.54) arba naudojant eksperimentiškai gautus pusiausvyros duomenis.

Pažymėtina, kad ϴ _{B metu} nuo proceso pradžios pagrindinė dugno dalis (išskyrus adsorbcijos zoną Za prie kolonėlės išėjimo galo) būtų prisotinta. Za zona būtų iš dalies prisotinta. Taigi ϴ gali būti išreikštas kaip

Dabar akivaizdu, kad norint rasti L _0, iš pradžių reikia įvertinti f ir Za.

Adsorbato dujinės fazės medžiagos balanso lygtis per elementinio sluoksnio aukštį dZ adsorbcijos zonoje Z _Q gali būti parašyta kaip:

Kur ɛ = tuščia frakcija ir a = paviršiaus plotas, tenkantis vienai pakuotei.

Paskutinis terminas Eq dešinėje pusėje. (4.60), kuris yra mažas, palyginti su kitais terminais, gali būti ignoruojamas ir lygtis gali būti perrašyta kaip

Integruota Eq forma. (4.61) gali būti parašyta kaip

ir Y * = pusiausvyros dujų fazės teršalų koncentracija, atitinkanti adsorbuoto teršalo koncentraciją X adsorbento paviršiuje.

gali būti įvertintas skaitmeniniu arba grafiniu būdu, naudojant sklypą, panašų į 4.14 pav. Tačiau kyla problema, atitinkanti Y = Y _O, y * = Y ₀ ir todėl N _OG būtų begalinis. Siekiant išvengti šio sunkumo, N _OG yra apytiksliai lygus

kur Ye priskiriama skaitmeninė vertė, šiek tiek mažesnė nei K ₀

Norint įvertinti H _OG, būtina žinoti skaitines _Ky ir a reikšmes. Jei tokios informacijos nėra, gali būti pateikiamas H _oc įvertinimas pagal 4.15 pav., Kuriai reikalinga informacija yra ɛ ir d _p .

kur ɛ = lova tuščia frakcija,

ir d _p = vidutinis adsorbento dalelių skersmuo

Įvertinus Z _a . (4.62), f turi būti skaičiuojama skaičiuojant naudojant Eq. (4.59). Galiausiai ϴ ir LO vertinami naudojant Eq. (4.58) ir Eq. (4, 57).

4.4 pavyzdys:

Fiksuotas sluoksnio adsorbentas turi būti suprojektuotas acetono adsorbcijai iš oro, turinčio pradinę koncentraciją, Y ₀ = 0, 024 kg acetono / kg oro 30 ° C temperatūroje, naudojant granuliuotą aktyvintą anglį (GAC). Tūrio dujų srautas yra 12000 m ³ / val. Leistina acetono koncentracija (YB) apdorotose dujose gali būti 0, 001 kg acetono / kg oro ir GAC tankio (p _b ) 400 kg / m ³ . Pusiausvyros duomenys yra tokie, kaip nurodyta toliau.

Sprendimas:

Nesant jokios kitos konkrečios informacijos, susijusios su šia projektavimo problema, laikoma, kad:

Naudojant prielaidas ϴ _B, paviršinį greitį ir H _QG bei informaciją, nurodytą problemoje, supakuotas adsorberio aukštis L ₀ apskaičiuojamas naudojant nykščio taisyklės metodą, naudojant šias lygtis / santykius:

Galiausiai priimant adsorberio pakuotę aukštį L ₀, apskaičiuotą naudojant Eq. (4.56), ϴ _B perskaičiuojamas pagal analitinį metodą.

Pateiktų pateiktų pusiausvyros duomenų ir atitinkamos veikimo linijos brėžinys sudarė panašų skaičių kaip ir 4.14 pav. Iš to skaičiaus X _s vertė yra 0, 177. N _OG ir f skaičiavimas skaičiuojant integraciją, reikiamas Y, X ir Y * reikšmes skaityti iš skaičiaus ir apskaičiuotų verčių.