Absorptie van gasvormige verontreinigende stoffen (met berekeningen)
Lees dit artikel om meer te weten te komen over de absorptie van gasvormige verontreinigende stoffen: - 1. Inleiding tot absorptieproces 2. Absorptietheorie 3. Absorptieapparatuur en 4. Conceptuele benadering van torenontwerp.
Inleiding tot absorptieproces:
Wanneer een afgas met bepaalde gasvormige verontreinigingen in direct contact met een vloeistof wordt gebracht, kunnen sommige verontreinigende stoffen in de vloeistof terechtkomen. Dit overdrachtsproces kan plaatsvinden hetzij door solubilisatie van de verontreinigende stoffen in de vloeistof of door chemische reacties van de verontreinigende stoffen met de vloeistof of met een of meer chemicaliën die in de vloeistof aanwezig zijn.
Het overdrachtsproces zonder enige chemische reactie wordt fysische absorptie genoemd en dat met chemische reactie (s) wordt aangeduid als absorptie vergezeld door een chemische reactie. In het (fysische) absorptieproces wordt de opgeloste stof (gasvormige verontreinigende stof) aangeduid als absorbeermiddel en het oplosmiddel (vloeistof) als het absorptiemiddel. Het gas dat het absorbaat draagt, wordt aangeduid als het dragergas.
Dit proces is een omkeerbaar proces, dat wil zeggen dat onder bepaalde omstandigheden de overdracht van opgeloste stof plaatsvindt van de gasfase naar de vloeistoffase en in sommige andere situaties vindt de overdracht plaats in de tegenovergestelde richting. Het andere proces, namelijk absorptie vergezeld door een chemische reactie, is een onomkeerbare, dat wil zeggen dat de overdracht alleen plaatsvindt vanuit de gasfase.
Het fysieke absorptieproces vindt plaats door de volgende stappen:
1. De opgeloste (gasvormige) moleculen migreren van de bulk van de gasfase naar de grens van de gas-vloeistoffase (grensvlak) door moleculaire en / of eddy-diffusie;
2. Overdracht van absorptiemoleculen over de interface;
3. Overdracht van absorptiemoleculen in de bulk van het absorptiemiddel door moleculaire en / of eddy-diffusie.
In het geval van een absorptie die gepaard gaat met een chemisch reactieproces lijken de eerste twee stappen op die van een fysiek absorptieproces. Tijdens de derde stap reageren de absorptiemoleculen echter met de reactant die in het absorptiemiddel aanwezig is en vormen nieuwe verbinding (en).
Absorptie Theorie:
Overdracht van een chemische verbinding tussen een gasfase en een vloeibare fase vindt plaats vanwege een potentiaalverschil van de soort tussen de fasen. Dit potentiaalverschil wordt de chemische potentiaalgradiënt genoemd. Wanneer het chemische potentieel van een soort hetzelfde wordt in de twee fasen in contact met elkaar, wordt gezegd dat ze in evenwicht zijn.
Onder deze omstandigheden vindt er geen netto overdracht van de soort tussen de fasen plaats. Wanneer de fasen niet in evenwicht zijn met betrekking tot een soort, vindt de overdracht plaats vanuit de fase waarin de chemische potentiaal hoger is naar de andere fase waarin de potentiaal ervan lager is.
Het chemische potentieel van een soort in een bepaalde fase is gerelateerd, maar niet gelijk aan de concentratie in die fase. Wanneer twee fasen, in contact met elkaar, een evenwicht bereiken met betrekking tot een soort, zou de concentratie ervan in de respectieve fasen aan elkaar gerelateerd zijn. Zo'n relatie wordt genoemd als evenwichtsrelatie. De evenwichtsrelatie van een chemische stof in een gas-vloeistofsysteem kan worden uitgedrukt als afhankelijk en kan ook afhankelijk van de concentratie (x A ) zijn.
De numerieke waarde van H A hangt af van het opgeloste oplosmiddelsysteem. Over het algemeen neemt het toe met toename van de temperatuur.
Een alternatieve uitdrukking van de evenwichtsrelatie is
De snelheid van massaoverdracht van een soort van de ene fase (gas) naar de andere fase (vloeistof) per eenheid grensvlak wordt uitgedrukt als
waarin Na = molen opgeloste stof A per eenheidstijd van de gasfase naar de vloeistoffase wordt overgebracht per eenheid grensvlak,
ky A, k XA = individuele massaoverdrachtscoëfficiënt in gas / vloeibare fase,
Ky A, K xa = totale massaoverdrachtscoëfficiënt in gas / vloeibare fase,
y * = evenwichtsgasfaseconcentratie overeenkomend met de concentratie in de bulkvloeistoffase X 1,
x * = evenwichtsconcentratie in de vloeibare fase overeenkomend met de concentratie van de gasconcentratie in de bulk y g,
X 1, X 1 = opgeloste concentratie bij respectievelijk de interface en de bulkvloeistoffase.
y i, y g = opgeloste concentratie bij respectievelijk de interface- en de bulkgasfase.
De individuele en de algemene overdrachtscoëfficiënten zijn gerelateerd.
Vergelijking (4.45) en (4.46) tonen hun relatie.
De individuele massaoverdrachtscoëfficiënt k x en k y kan worden berekend met behulp van empirische vergelijkingen die over het algemeen worden uitgedrukt als α, m en n zijn constanten waarvan de numerieke waarden afhangen van de inwendige delen van de absorber. De relevante informatie hierover is te vinden in boeken over massaoverdracht.
waar Sh = Sherwood, k l / D AB
Re = Reynolds-nummer, lU ρ / μ
Sc = Schmidt-getal μ / ρ D AB
l = kenmerkende dimensie van de inwendige delen van de absorber
U = lineaire vloeistofsnelheid in de absorber
DAB = Moleculaire diffusiecoëfficiënt van soort A in een mengsel van soorten A en B
μ = Vloeistof Viscositeit,
ρ = vloeistofdichtheid
Absorptie apparatuur:
Het doel van een absorptie-inrichting is om een gasstroom en een vloeistofstroom in innig contact met elkaar te brengen, zodat een opgeloste stof (een gasvormige verontreinigende stof) gemakkelijk van de gasfase naar de vloeibare fase kan worden overgebracht. Hierbij moet worden opgemerkt dat door deze werkwijze een verontreinigende stof slechts wordt overgebracht van een gasfase naar een vloeibare fase en deze niet wordt omgezet in een onschadelijke stof. Als het gewenst is om de opgeloste stof terug te winnen vanwege zijn economische waarde, dan moet deze later van de oplossing worden gedesorbeerd.
De apparatuur die kan worden gebruikt om een absorptieproces uit te voeren, is: een gevulde toren, plaatstoren, spuitkamer en venturi-wasser. Hiervan is de meest gebruikte apparatuur een volgepakte toren, die vrij efficiënt en relatief minder kostbaar is. Het is een cilindrische verticale kolom met pakkingen erin.
De pakkingen kunnen zijn gemaakt van kunststof of metaal of keramiek, die een grotere oppervlakte per eenheid gepakt volume voor gas-vloeistof contact verschaffen. Verpakkingen met verschillende geometrieën en afmetingen zijn beschikbaar. De criteria voor het kiezen van een pakkinggeometrie en -afmeting zijn grote oppervlakte, hoge bed-holte fractie en lagere kosten. Een grotere fractie van het bed van het bed biedt minder weerstand tegen gas- en vloeistofstroming.
De andere onderdelen van een gepakt bed zijn een vloeistofverdeler, herdistributeurs, een pakkingsteun en een gasverdeler. Gewoonlijk stroomt de vloeistof in een gepakte kolom omlaag over het pakkingoppervlak in de vorm van films en stroomt het gas door de lege ruimte voorbij de vloeistoffilms.
Plaattorens zijn van drie verschillende types: zeefplaat, bubble cap-plaat en ventielbak. Een plaatstoren is een cilindrisch vat met verschillende horizontale platen die boven elkaar zijn gestapeld, op enige afstand van elkaar. Het absorberende materiaal (vloeistof) dat de bovenkant van een toren binnenkomt, stroomt over elke plaat en loopt naar beneden, terwijl een pool op elke plaat wordt gevormd.
Het gas dat een opgeloste stof / opgeloste stoffen (verontreinigende stoffen) bevat komt de bodem van de toren binnen en stroomt omhoog. Het komt in elke plaat door kleine gaatjes en borrelt door het vloeistofbad erop. De overdracht van de opgeloste stof van de gasfase naar de vloeistoffase vindt plaats wanneer het gas door het zwembad borrelt.
In het geval van zeefplaten zijn de gaten (waardoorheen het gas stroomt) klein en die zijn niet bedekt. In het geval van borrelklembladen en klepplaten zijn de gaten van grotere diameter (dan die van zeefplaten) en gedeeltelijk bedekt. De bordtorens zijn behoorlijk efficiënt, maar ze zijn duurder dan de volgepakte torens.
Sproeikamers kunnen met of zonder verpakkingen zijn. De vloeistof wordt bovenaan in de vorm van een spray ingebracht en deze stroomt naar beneden, terwijl de gasstroom horizontaal of verticaal kan zijn. Deze zijn over het algemeen minder efficiënt dan de gepakte / platentorens.
In venturi-wassers worden gas en vloeistof aan het convergerende einde van een venturi ingebracht en vloeien ze gelijktijdig. In sommige apparatuur wordt de vloeistof bij de keel geïntroduceerd. Als de vloeistof in kleine druppeltjes uiteenvalt, biedt deze een groot contactoppervlak voor massaoverdracht. De efficiëntie als absorptiemiddel is laag.
Wanneer het de bedoeling is om ofwel een gepakte toren of een plaatstoren te gebruiken, moet de gasstroom worden voorbehandeld om deeltjesmateriaal te verwijderen, omdat anders de deeltjes zich in de toren kunnen ophopen en daardoor verstoppen. Wanneer een sproeikamer (zonder verpakking) of een venturi-wasser als absorber wordt gebruikt, is het vooraf reinigen van het gas echter niet essentieel
'Packed Tower Design Approach':
Omdat gepakte absorptiekolommen meer worden gebruikt voor het absorberen van gasvormige verontreinigingen uit gasstromen, wordt de ontwerpbenadering van een dergelijke kolom hieronder geschetst.
Voorafgaand aan absorptie in een gepakte kolom moet een influentgasstroom de volgende voorbehandelingen ondergaan:
Koeling van de influent gasstromen zou zijn volumetrische stroomsnelheid verlagen en de oplosbaarheid van de verontreinigende stof (fen) in het gekozen oplosmiddel verhogen. Als gevolg hiervan zal de grootte van de absorbeerder kleiner zijn en zal de vereiste hoeveelheid oplosmiddel minder zijn.
Tijdens de absorptie zou elk van de verontreinigende stoffen die in een gasstroom aanwezig zijn in enige mate of anders worden verwijderd, afhankelijk van de oplosbaarheid ervan in het gekozen oplosmiddel. Een oplosmiddel wordt primair gekozen voor het verwijderen van een specifieke verontreinigende stof en een absorptie-inrichting is ontworpen om de gewenste graad van verwijdering van die specifieke verontreinigende stof te bereiken.
Bij het kiezen van een geschikt oplosmiddel zijn de factoren / parameters die moeten worden overwogen:
1. Hoge oplosbaarheid van de gerichte absorptie,
2. Lage dampspanning van het oplosmiddel bij de bedrijfstemperatuur,
3. Lage prijs,
4. Lage / nul-toxiciteit, en
5. Of het oplosmiddel moet worden teruggewonnen en opnieuw worden gebruikt.
De gegevens en informatie die nodig zijn voor het ontwerpen van een absorber zijn:
(i) maximale (verwachte) stroomsnelheid van het dragergas, G mol / uur;
(ii) Temperatuur en druk van de influent gasstroom;
(iii) Concentratie van de beoogde verontreinigende stof in het influent en de gewenste mate van verwijdering;
(iv) Oplosbaarheidgegevens / evenwichtsrelatie;
en (v) het soort verpakking, de grootte en andere kenmerken.
Zodra deze informatie beschikbaar is, zou men het volgende kunnen berekenen met behulp van geschikte vergelijkingen en daardoor een geschikte absorbeerder ontwerpen.
(i) Vereist oplosmiddeldebiet, L mol / uur,
(ii) Kolomdiameter D,
(iii) Kolomhoogte Z,
(iv) Drukval over het gepakte bed.
Vereiste Solvent Rate:
De minimale oplosmiddelsnelheid (L mjn ) kan worden berekend aannemende dat het oplosmiddel dat de absorptie- inrichting verlaat, verzadigd raakt met betrekking tot de opgeloste concentratie in de ingaande gasstroom. Figuur 4.11 toont een schematisch diagram van een gepakte absorbeerder.
Een uitdrukking voor L min wordt verkregen door de vergelijking van de opgeloste stof over een absorbeerder te herschikken,
L min = G (Y 1 -Y 2 ) / X * 1 - X 2
waar X 1, * = Y 1 / m
X l, X 2 = opgeloste concentratie in het oplosmiddel aan de uitlaat en inlaat respectievelijk in de eenheid met molaire verhouding,
Y 1, Y 2 = gasfase opgeloste stof concentratie aan de inlaat en uitlaat respectievelijk in molverhouding eenheid.
In de praktijk zouden X 2 en X 1 bekend zijn. Y 2 zou gerelateerd zijn aan Y 1 door de gewenste mate van verwijdering, dwz de verwijderingsefficiëntie,
Y 2 = Y 1, (1-ᶯ r ), ᶯ r = verwijderingsrendement,
Evaluatie van L min met behulp van Eq. (4.48) zou juist zijn als de evenwichtsrelatie lineair zou zijn, dat wil zeggen, Y = mX en m onafhankelijk van X. In de meeste gevallen zou de opgeloste (verontreinigende) concentratie in de gasfase laag zijn en zou m dus onafhankelijk zijn van X.
De werkelijke oplossnelheid wordt normaal genomen als
L actueel, = 1-25 tot 2, 0 keer de L min .
Hierbij moet worden opgemerkt dat een absorber nooit ontworpen is waarbij L feitelijk wordt ingenomen - L min omdat dit zou resulteren in een zeer hoge waarde van ZQ .
Naarmate L daadwerkelijk wordt verhoogd, zou de berekende kolomhoogte afnemen, maar de kolomdwarsdoorsnede zou toenemen. De werkelijke L moet uiteindelijk worden beslist op basis van de totale kosten (initiële kosten plus operationele kosten). Een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het schatten van de werkelijke L, is de minimale vloeistofsnelheid die vereist is voor het bevochtigen van de pakkingen in de kolom.
Kolom diameter:
Bij een gegeven gas- en vloeistofstroomsnelheid als de kolomdiameter wordt verkleind, zou de vloeistof die ophoudt (de massa vloeistof in de kolom op elk moment) in de kolom toenemen. Dit zou resulteren in een afname van beschikbare lege ruimte voor gasstroming door de kolom. Dientengevolge zou de gassnelheid (lineair) toenemen en zou de druk aan de gaszijde over het bed ook toenemen.
Hogere gasdrukverlaging belemmert de vloeistofstroom. Als de kolomdiameter verder wordt verlaagd, wordt de kolom gevuld met vloeistof. Deze toestand wordt overstroming genoemd. De gasmassasnelheid in deze toestand wordt aangeduid als overstromingssnelheid. De bedrijfsgassnelheid wordt als 60 tot 75% van de overstromingssnelheid genomen. Op basis van de werkelijke snelheid van het werkende gas wordt het dwarsdoorsnede-oppervlak van de kolom berekend met behulp van Verg. (4.49).
Waar A col = kolomdoorsnedeoppervlak,
G n = oppervlakkige gasmassasnelheid bij overstroming,
F = fractie van de overstromingssnelheid waarmee een kolomdoorsnede wordt geschat = 0, 6 tot 0, 75,
En M g = gas (mengsel) molecuulgewicht.
G n is afhankelijk van de fysische eigenschappen van het gas en de vloeistof, zoals p g, p L, μ L, pakkingkenmerken en de vloeistof-gasmassastroomsnelheidsverhouding. Het kan worden geschat met behulp van percelen beschikbaar in standaardboeken over massaoverdracht.
Kolom hoogte:
Een evenwichtsvergelijking van de evenwichtstoestand over een elementair verpakte hoogte (figuur 4.11) van een kolom kan als volgt worden geschreven
Rekening houdend met het feit dat de opgeloste stof wordt overgebracht van de gasfase naar de vloeibare fase, kan (4.50) worden herschreven als
waarbij a = verpakkingsoppervlak per eenheid gepakt bedvolume.
Om een uitdrukking voor de hoogte van het gepakte bed te verkrijgen Eq. (4.51) is herschikt en geïntegreerd. De resulterende vergelijking is
Zo berekend Z 0 staat voor de hoogte van de gepakte sectie van een absorbeerder, hetgeen nodig is om de verontreinigingsconcentratie in de gasfase van Y1 tot Y2 te verminderen. De werkelijke hoogte van een kolom is meer dan Z O om ruimte te bieden aan een demister en een vloeistofverdeler aan de bovenkant, vloeibare redistributors (s) tussen de verpakte secties, een gasverdeler, een pakkingsteun en een vloeistofafdichting aan de onderkant.
Drukval over een volle toren:
Om de drukval over een gepakt deel van een kolom te schatten, vindt men AP / Z (drukval per eenheid gepakte bedhoogte) op basis van de reeds besliste bedrijfsparameters, de fysische eigenschappen van het gas-vloeistofsysteem en de pakkingkenmerken. gebruikmakend van informatie beschikbaar in boeken over Massa Transfer. Met behulp van deze informatie wordt de druk die wordt uitgeoefend op een gepakt bed geschat met behulp van Vgl. (4, 53),
De werkelijke drukval over een toren zou hoger zijn dan die geschat met behulp van Vgl. (4.53) vanwege eerder genoemde toreninternals dan de verpakkingen.
