Adsorptie van gasvormige verontreinigende stoffen

Lees dit artikel om meer te weten te komen over de adsorptie van gasvormige verontreinigingen met een aanpak met een vast bed-adsorptieontwerp.

Inleiding tot adsorptie van gasvormige verontreinigende stoffen:

Wanneer een vloeistof die enige gedispergeerde stoffen bevat in contact wordt gebracht met enkele speciaal behandelde / bereide vaste deeltjes, kunnen de moleculen van de gedispergeerde stoffen worden vastgehouden op de oppervlakken van de vaste deeltjes. Dit fenomeen wordt aangeduid als adsorptie.

Het vaste materiaal wordt een adsorptiemiddel genoemd en de substantie die achterblijft op een adsorbens wordt aangeduid als adsorbaat. Adsorptie is niet alleen een effectieve methode voor het verwijderen van verontreinigende stoffen uit gasvormige stromen, maar ook voor de bestrijding van door water verspreide verontreinigende stoffen. Het fenomeen van adsorptie is experimenteel onderzocht en verschillende theorieën zijn voorgesteld om de waarnemingen te verklaren. Maar een theorie, die de meeste waarnemingen kan verklaren, moet nog worden ontwikkeld.

Aangenomen wordt dat een interactie tussen de adsorbaatmoleculen en de actieve plaatsen op het adsorbensoppervlak retentie van een adsorbaat op een adsorbens veroorzaakt. De interactieve kracht, die adsorptie teweegbrengt, is theoretisch zowel fysisch als chemisch van aard. Wanneer een adsorbaat wordt vastgehouden vanwege fysische aantrekkingskracht, wordt naar het proces verwezen als fysieke adsorptie.

De hoeveelheid warmte die vrijkomt tijdens dit proces is bijna hetzelfde als de latente condensatiewarmte van het adsorbaat. De aantrekkende kracht, die fysische adsorptie bewerkstelligt, is zwak van aard, daarom kunnen de geadsorbeerde moleculen worden verwijderd (gedesorbeerd) van de vaste deeltjes, hetzij door de systeemtemperatuur te verhogen of door de partiële druk van het adsorbaat te verminderen (door evacuatie of door een inert gas) of door het gecombineerde effect van de twee. Het desorptieproces is endotherm.

In sommige gevallen wordt een adsorbaat vastgehouden op een adsorberend oppervlak vanwege chemische binding tussen de twee. Het betekent niet dat er een nieuwe chemische verbinding wordt gevormd, maar de hechtingskracht is vrij sterk. Zo'n proces wordt chemisorptie genoemd. Het wordt gekenmerkt door de evolutie van relatief een grote hoeveelheid warmte, die vergelijkbaar is in grootte met die van een exotherme chemische reactie. Chemisorptie is bijna een onomkeerbaar proces. Tijdens het verwijderen van een chemisorbedde stof ondergaan de adsorbaatmoleculen vaak chemische veranderingen.

Omdat zowel chemisorptie als fysische adsorptie plaatsvinden op het adsorbensoppervlak, moet een goed adsorbens een groot specifiek oppervlak hebben (oppervlak per eenheid massa). Het specifieke oppervlak neemt toe met de afname in deeltjesgrootte en toename in porositeit van de adsorberende deeltjes. Om een ​​goed adsorbens te zijn, moeten de vaste deeltjes niet alleen een hoog specifiek oppervlak hebben, maar ook de juiste interactieve kracht / actieve plaatsen met betrekking tot het specifieke adsorbaat bezitten.

De hoeveelheid adsorbaat die per massa-eenheid van een adsorptiemiddel wordt vastgehouden zou in verband kunnen worden gebracht met de adsorbaatconcentratie in het fluïdum bij evenwicht bij een gegeven temperatuur. Op basis van de analyse van Langmuir van het fenomeen kan de evenwichtsrelatie worden uitgedrukt als:

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

waarbij X * _i = massa van adsorbaat i vastgehouden per eenheidsmassa van een adsorptiemiddel, en Yi = massa van adsorbaat dat aanwezig is in een eenheidsmassa van het fluïdum (dragergas) bij equilibrium.

m en n zijn specifieke constanten voor een specifiek adsorbaat-adsorbenssysteem. Ze zijn temperatuurafhankelijk.

Voor n ≤ 1 wordt het adsorptieproces als gunstig beschouwd en voor n> 1 is het ongunstig. Voor een specifiek adsorbaat-adsorbenssysteem zijn de numerieke waarden van m en n afhankelijk van het fabricageproces van het adsorbens. Die worden experimenteel geëvalueerd.

Als een adsorbens eenmaal een evenwicht heeft bereikt met betrekking tot een adsorbaat, zou het niet in staat zijn om het adsorbaat verder te absorberen. Het adsorbens moet worden weggegooid of worden geregenereerd voor hergebruik. Voor regeneratie van een adsorbens en / of terugwinning van het adsorbaat wordt in het algemeen het verbruikte adsorbens verwarmd terwijl een stroom inert gas eroverheen wordt gevoerd.

In het geval van een fysisch adsorptieproces wordt normaal gesproken stoom of lucht met een gematigde temperatuur (100 ° C of meer) gebruikt. De gedesorbeerde stof kan worden verzameld (indien waardevol) of verder worden behandeld voor verwijdering. Voor regeneratie van een adsorbens uit een chemisorptieproces wordt echter bij hoge temperatuur lucht over het verbruikte adsorbens geleid, waardoor de geadsorbeerde stof wordt geoxideerd en verwijderd.

Commercieel gebruikte adsorbentia zijn actieve kool, silica, silicagel, moleculaire zeven (aluminiumoxidesilicaten), aluminiumoxide en enkele andere metaaloxiden. Het meest gebruikte adsorbens is korrelvormige actieve kool (GAC).

Veelgebruikte adsorbers zijn vast-bedtypen, die in cycli worden gebruikt. Een adsorber met vast bed bestaat uit een behuizing die een bed van korrelvormige absorberende deeltjes bevat. Als een vloeistofstroom met h verontreinigende stof (adsorbaat) door het bed stroomt, wordt de verontreinigende stof geadsorbeerd.

Geleidelijk raken de adsorbensdeeltjes verzadigd. Zodra de verontreinigende stof in de behandelde stroom een ​​vooraf bepaald niveau bereikt zoals bepaald in de normen voor verontreinigingsbeheersing, wordt het adsorptieproces onderbroken en wordt het bed geregenereerd. Na het regenereren van het bed wordt het weer op gang gebracht.

Een adsorbersysteem kan verschillende configuraties hebben. De eenvoudigste zou een systeem met twee bedden zijn, waarbij wanneer het ene bed wordt geregenereerd, het andere online is. Een betere opstelling zou een systeem met drie bedden zijn, waarbij twee bedden in serie worden gebruikt, terwijl de derde geregenereerd wordt. In een dergelijke opstelling fungeert het tweede bed als het polijstbed. Wanneer de volumetrische stroomsnelheid van een te behandelen fluïdumstroom nogal groot is, kunnen verschillende eenheden parallel worden bediend.

Andere adsorptiemiddelen met een vast bed, gefluïdiseerd bed en bewegend bed worden ook gebruikt. Ze worden zonder onderbreking gebruikt voor regeneratie. Uit deze bedden worden gedeeltelijk afgewerkte adsorbensdeeltjes verwijderd, geregenereerd buiten de bedden en continu teruggevoerd. In dergelijke eenheden ondergaan de adsorbensdeeltjes afslijting als gevolg van afschilfering tussen deeltjes, evenals door slijtage van de wand.

De stroom vaste deeltjes in deze adsorbers is mogelijk niet soepel. Het ophouden van adsorbens zou echter veel minder zijn vergeleken met dat in een vast bedsysteem met dezelfde capaciteit. Aangezien regeneratie buiten de adsorber wordt uitgevoerd, kan deze indien nodig onder drastische omstandigheden worden uitgevoerd.

Vast Bed Adsorber Ontwerp aanpak:

Wanneer een vloeistofstroom die een adsorbaat bevat een adsorber met een vast bed binnentreedt, vindt de meeste adsorptie plaats aan het begin van de toevoer. Geleidelijk worden de adsorberende deeltjes die aanwezig zijn nabij het toevoereinde verzadigd met adsorbaat en verschuift de effectieve adsorptiezone naar het uitgangseinde. Dat deel van een adsorber waar de meeste adsorptie plaatsvindt, wordt de effectieve adsorptiezone genoemd. Figuur 4.12 toont progressieve verzadiging van een adsorbensbed in een adsorber tijdens het proces. Het toont ook dat de effectieve adsorptiezone ( _ZQ ) uiteindelijk het uitgangseinde bereikt.

Figuur 4.13 laat zien dat de adsorbaat concentratie (Y) in de behandelde stroom toeneemt naarmate de operatie vordert en uiteindelijk op tijdstip Θ = Θ _{B wordt} de concentratie Y _B. Als het adsorbaat een verontreinigende stof is, dan staat Y _B voor zijn maximaal toelaatbare emissieconcentratie vanuit milieu-oogpunt. De tijd Θ _B wordt de doorbraaktijd genoemd.

Voortzetting van het adsorptieproces boven Θ _B zou resulteren in een verdere toename van de concentratie van verontreinigende stoffen boven YB in de behandelde effluentstroom. Bij Θ = Θ _{B moet} de bewerking worden stopgezet en moet het bed worden geregenereerd.

Bij het ontwerp van een adsorbeerder met vast bed voor de bestrijding van verontreinigende gassen moet het oppervlak van de dwarsdoorsnede en de gepakte hoogte ervan worden ingeschat om een ​​vooraf gekozen "doorbraaktijd" Θ _{B te hebben} .

De volgende informatie is vereist voor ontwerpdoeleinden:

1. Stroomsnelheid van de influentstroom, G;

2. concentratie van de verontreinigende stof in het influent,

3. de maximaal toelaatbare verontreinigingsconcentratie in het behandelde effluent, YB;

4. Voorgeselecteerde 'doorbraaktijd' Θ _B, en

5. Kenmerken van het geselecteerde adsorbens.

Het kolomdoorsnedeoppervlak van een adsorber kan worden geschat met behulp van de volgende uitdrukking:

Normaal gesproken is voor commerciële eenheden de toegepaste superficiële gassnelheid in het bereik van 6 tot 24 m / min. Indien met een hogere snelheid zou worden gewerkt, zou de drukval over het bed hoger zijn en dienovereenkomstig zouden de werkings- (energie) kosten meer zijn. Voor het schatten van de kolominlaat- en uitlaatpijldiameter wordt de gassnelheid geselecteerd in het bereik van 600-900 m / min. Voor het schatten van de hoogte van het gepakte bed, L ₀, neemt men een Θ _{B aan} . Op basis hiervan en de kenmerken van het geselecteerde adsorbens kan de gepakte bedhoogte LO worden berekend met behulp van een duimregelbenadering of een analytische benadering.

Voor het vinden van de hoogte van het gepakte bed met behulp van een duimregelbenadering is de vereiste informatie: (i) de 'adsorptiecapaciteit' ( _Xc ) van het geselecteerde adsorbens en (ii) de bulkdichtheid (pb) van het adsorbens. De adsorptiecapaciteit X _c wordt gedefinieerd als de massa van adsorbaat die een eenheidsmassa van een adsorbens kan adsorberen terwijl een influentgasstroom met een verontreinigingsconcentratie YO wordt behandeld en daardoor de concentratie verontreinigende stoffen tot de toelaatbare grenswaarde YB in het behandelde gas wordt verlaagd .

X _c en p _b kunnen worden verkregen van een fabrikant / leverancier van adsorbentia of worden experimenteel in een laboratorium geschat. Laboratoriumgegevens zouden betrouwbaarder zijn voor ontwerpdoeleinden. Zodra deze gegevens beschikbaar zijn, kan de totale vereiste hoeveelheid adsorbens worden berekend met behulp van Vgl. (4, 55).

De overeenkomstige bedhoogte (Lo) kan worden verkregen door gebruik te maken van Verg. (4, 56)

De bedhoogte Lo kan worden berekend volgens de analytische methode met behulp van Verg. (4, 57)

waarbij Θ = mate van verzadiging van het totale adsorbensbed op tijdstip dB, uitgedrukt als een fractie,

en Xs = verontreinigingsconcentratie op adsorbens in evenwicht met gasfaseconcentratie Yo uitgedrukt als een gewichtsverhouding.

X _x kan worden geschat met behulp van Eq. (4.54) of met behulp van experimenteel verkregen evenwichtsgegevens.

Er dient hier te worden opgemerkt dat op het tijdstip OO vanaf de start van het proces het grootste gedeelte van het bed (met uitzondering van de adsorptiezone Za nabij het uitgangseinde van de kolom) verzadigd zou zijn. De Zone Z _a zou gedeeltelijk verzadigd zijn. Vandaar dat Θ kan worden uitgedrukt als

Het is nu duidelijk dat om L ₀ te vinden, men eerst F en Z _a moet schatten.

De gasfase materiaalbalansvergelijking van een adsorbaat over een elementaire bedhoogte dZ in de adsorptiezone ZQ gedurende een tijdsinterval d2 kan worden geschreven als

Waarbij vo = lege fractie en a = oppervlakte per eenheid verpakt volume.

De laatste term aan de rechterkant van Vgl. (4.60), zijnde klein in vergelijking met de andere termen, kan worden verwaarloosd en de vergelijking kan worden herschreven als

De geïntegreerde vorm van Eq. (4.61) kan als volgt worden geschreven

en Y * = evenwichtsgasfase-verontreinigingsconcentratie overeenkomend met de geadsorbeerde verontreinigingsconcentratie X op het adsorbensoppervlak.

kan numeriek of grafisch worden geëvalueerd met behulp van een plot vergelijkbaar met Fig. 4.14. Er doet zich echter een probleem voor als overeenkomend met Y = Y _O, y * = Y ₀ en daarom zou N _OG oneindig zijn. Om deze moeilijkheid te omzeilen wordt N _OG geschat als

waarbij aan Ye een numerieke waarde is toegewezen die iets kleiner is dan K ₀

Voor het schatten van H _OG is het noodzakelijk om de numerieke waarden van K _y en a te weten. Bij afwezigheid van dergelijke informatie kan men een schatting van _{Hoc hebben} met behulp van Fig. 4.15 waarvoor de vereiste informatie ɛ en d _{p is} .

waarbij ɛ = bedbodemfractie,

en d _p = gemiddelde diameter van de adsorbensdeeltjes

Na evaluatie van Za met gebruik van Eq. (4.62), f moet numeriek worden berekend met behulp van Vgl. (4, 59). Ten slotte worden Θ en L _O geëvalueerd met behulp van Vgl. (4.58) en Vgl. (4.57) respectievelijk.

Voorbeeld 4.4:

Een adsorber met vast bed moet worden ontworpen voor adsorptie van aceton uit lucht met een beginconcentratie, Yo = 0, 024 kg aceton / kg lucht bij 30 ° C met behulp van gegranuleerde actieve kool (GAC). Het volumetrische gasdebiet is 12000 m ³ / uur. De toelaatbare acetonconcentratie (YB) in het behandelde gas kan worden genomen als 0, 001 kg aceton / kg lucht en bulkdichtheid van GAC (pb) als 400 kg / m3. De evenwichtsgegevens zijn zoals hieronder vermeld.

Oplossing:

Bij afwezigheid van andere specifieke informatie met betrekking tot dit ontwerpprobleem, wordt het volgende verondersteld:

Met behulp van de aangenomen waarden van Θ _B, de oppervlakkige snelheid en H _QG en de informatie die in het probleem is gespecificeerd, wordt de ingepakte adsorberhoogte Lo geschat met behulp van de duimregelaanpak met behulp van de volgende vergelijkingen / relaties:

Tenslotte het accepteren van de in een pakket verpakte hoogte Lo, berekend met behulp van Verg. (4.56), Θ _B wordt herberekend volgens de analytische methode.

Het uitzetten van de geleverde evenwichtsgegevens en het tekenen van een geschikte bedieningslijn resulteerde in een figuur die vergelijkbaar is met die van figuur 4.14. Uit die figuur blijkt de waarde van X _s 0.177 te zijn. Voor de schatting N _OG en f door numerieke integratie worden de vereiste waarden van Y, X en Y * uit de figuur en de berekende waarden van