Adsorbsjon av gassformige forurensninger

Les denne artikkelen for å lære om adsorpsjon av gassformige forurensninger med fast seng adsorber design tilnærming.

Introduksjon til adsorpsjon av gassformige forurensninger:

Når en væske inneholdende noen dispergerte stoffer bringes i kontakt med noen spesielt behandlede / preparerte faste partikler, kan molekylene av de dispergerte substansene beholdes på overflatene av de faste partikler. Dette fenomenet betegnes som adsorpsjon.

Det faste materialet refereres til som et adsorbent, og stoffet som holdes på et adsorbent, kalles som adsorbat. Adsorbsjon er ikke bare en effektiv metode for fjerning av forurensende stoffer fra gassformige strømmer, men også for å redusere vannbårne forurensninger. Fenomenet adsorpsjon har blitt undersøkt eksperimentelt og ulike teorier har blitt foreslått for å forklare observasjonene. Men en teori, som kan forklare de fleste observasjonene, er ennå ikke utviklet.

Det antas at en interaksjon mellom adsorbatmolekylene og de aktive steder på adsorbentoverflaten forårsaker retensjon av et adsorbat på et adsorbent. Den interaktive kraften, som medfører adsorpsjon, har blitt teoretisert som fysisk eller kjemisk i naturen. Når et adsorbat holdes på grunn av fysisk attraktiv kraft, kalles prosessen som fysisk adsorpsjon.

Mengden varme som utvikles under denne prosessen er nesten den samme som den latente varme av kondensering av adsorbatet. Den attraktive kraften, som medfører fysisk adsorpsjon, er svak i naturen, derfor kan de adsorberte molekylene fjernes (desorbert) fra de faste partikler enten ved å heve systemtemperaturen eller ved å redusere partialtrykket av adsorbatet (ved evakuering eller ved å passere en inert gass) eller ved den kombinerte effekten av de to. Desorpsjonsprosessen er en endoterm.

I noen tilfeller beholdes et adsorbat på en adsorbentoverflate på grunn av kjemisk binding mellom de to. Det betyr ikke at en ny kjemisk forbindelse dannes, men kraften av adhesjon er ganske sterk. En slik prosess betegnes som kjemisorpsjon. Det er preget av utviklingen av relativt stor mengde varme, som er lik i stor grad til den for en eksoterm kjemisk reaksjon. Kjemisorpsjon er nesten en irreversibel prosess. Under fjerning av et kjemikaliert stoff undergår adsorbatmolekylene ofte kjemiske endringer.

Siden både kjemisorpsjon og fysisk adsorpsjon forekommer på adsorbentoverflaten, bør et godt adsorbent ha et stort bestemt overflateareal (overflateareal pr. Massenhet). Det bestemte overflatearealet øker med nedsatt partikkelstørrelse og økning i porøsiteten av adsorbentpartiklene. For å være en god adsorbent bør de faste partiklene ikke bare ha høyt spesifikt område, men også ha riktige interaktive kraft / aktive steder med hensyn til det spesifikke adsorbatet.

Massen av adsorbat beholdt per massenhet av et adsorbent ville være relatert til adsorbatkonsentrasjonen i væsken ved likevekt ved en gitt temperatur. Basert på Langmuirs analyse av fenomenet kan likevektsrelasjonen uttrykkes som

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

hvor X * i = masse adsorbat jeg beholder per massenhet av en adsorpsjonsmiddel, og Yi = masse adsorbat jeg presenterer i en enhetsmasse av væsken (bærergassen) ved likevekt.

m og n er spesifikke konstanter for et spesifikt adsorbat-adsorbentsystem. De er temperaturavhengige.

For n ≤ 1 anses adsorpsjonsprosessen for å være gunstig, og for n> 1 er det ikke gunstig. For et spesifikt adsorbat-adsorpsjonssystem er de numeriske verdier av m og n avhengig av fremstillingsprosessen av adsorbenten. De evalueres eksperimentelt.

Når en adsorbent har oppnådd likevekt med hensyn til et adsorbat, ville det ikke være i stand til å absorbere adsorbatet ytterligere. Adsorbenten må enten kastes eller regenereres for gjenbruk. For regenerering av et adsorbent og eller gjenvinning av adsorbatet oppvarmes vanligvis det brukte adsorbenten mens en strøm av en inert gass overføres.

Ved fysisk adsorpsjonsprosess brukes normalt damp eller luft ved moderat temperatur (100 ° C eller mer). Det desorberte stoffet kan samles inn (hvis det er verdifullt) eller behandles videre før avhending. For regenerering av et adsorbent fra en kjemisorpsjonsprosess passeres imidlertid luft ved høy temperatur over det brukte adsorbent hvorved det adsorberte stoffet blir oksydert og fjernet.

Kommercielt brukte adsorbenter er aktivert karbon, silika, silikagel, molekylsikre (alumina silikater), aluminiumoksyd og noen andre metalloksyder. Det mest brukte adsorbenten er granulert aktivert karbon (GAC).

Vanligvis brukte adsorber er fast sengetype, som drives i sykluser. En fast seng adsorber består av et hus som inneholder en seng av granulære absorberende partikler. Som en væskestrøm som bærer h forurensende (adsorbat) strømmer gjennom sengen, blir forurensningen adsorbert.

Etter hvert blir adsorbentpartiklene mettet. Når forurensningsstoffet i den behandlede strømmen når et forhåndsbestemt nivå som angitt i forurensningskontrollstandardene, blir adsorpsjonsprosessen stoppet og sengen regenerert. Etter regenerering av sengen, blir den satt på strøm igjen.

Et adsorberingssystem kan ha flere konfigurasjoner. Den enkleste ville være et to-sengs system, der når en seng blir regenerert, vil den andre være online. Et bedre arrangement ville være et tre-sengs system hvor to senger opereres i serie mens den tredje ville bli regenerert. I en slik oppstilling fungerer den andre sengen som poleringssengen. Når volumetrisk strømningshastighet av en fluidstrøm som skal behandles, er ganske stor, kan flere enheter drives parallelt.

Annet enn fast seng, fluidisert seng og flyttebed adsorbere brukes også. De drives uten avbrudd for regenerering. Fra disse sengene fjernes delvis brukte adsorbentpartikler, regenereres utenfor sengene og returneres kontinuerlig. I slike enheter undergår adsorpsjonspartiklene slitasje på grunn av interpartikkel-slitasje, samt på grunn av veggnedsetting.

Strømning av faste partikler i disse adsorberne kan ikke være glatt. Imidlertid vil holdingen av adsorbent være mye mindre sammenlignet med det i et fastbordsystem med samme kapasitet. Siden regenerering gjøres utenfor adsorberen, kan den utføres under drastiske forhold, om nødvendig.

Fast seng Adsorber Design Approach:

Når en væskestrøm inneholdende et adsorbat går inn i en fastsats-adsorber, finner det meste av adsorpsjonen sted på tilførselsenden for å begynne med. Gradvis blir adsorbenspartiklene nær næringsendelen mettet med adsorbat, og den effektive adsorpsjonssonen skifter mot utgangsenden. Den delen av en adsorber hvor det meste av adsorpsjonen finner sted, refereres til som den effektive adsorpsjonssonen. Figur 4.12 viser progressiv metning av en adsorpsjonsbunn i en adsorber under prosessen. Det viser også at den effektive adsorpsjonssonen (Z Q ) endelig når utgangssiden.

Figur 4.13 viser at adsorbatkonsentrasjonen (Y) i den behandlede strømmen øker når operasjonen utvikler seg og til slutt til tiden Θ = Θ B blir konsentrasjonen Y B. Hvis adsorbatet er et forurensende stoff, vil Y B stå for sin maksimale tillatte utslippskonsentrasjon fra miljøforurensningspunktet. Tiden Θ B refereres til som gjennombruddstid.

Fortsettelse av adsorpsjonsprosessen utover Θ B vil resultere i ytterligere økning i forurensende konsentrasjon utover Y B i den behandlede avløpsstrøm. Ved Θ = Θ B skal operasjonen avbrytes og sengen skal regenereres.

Ved å designe en fast seng adsorber for å redusere gassburet forurensende må man estimere sitt tverrsnittsareal og sin pakkede høyde for å ha en forhåndsvalgt "gjennombruddstid" Θ B.

Følgende informasjon vil være nødvendig for designformål:

1. Strømningshastighet for influensastrømmen, G;

2. Forurensende konsentrasjon i influensa,

3. Maksimalt tillatt forurensningskonsentrasjon i det behandlede avløpet, Y B ;

4. Pre-selected 'break through time' Θ B, og

5. Kjennetegn ved den valgte adsorbenten.

Kolonnets tverrsnittsareal av en adsorber kan estimeres ved å bruke følgende uttrykk:

Normalt for kommersielle enheter er den overflateaktive gasshastigheten som er anvendt i området fra 6 til 24 m / min. Hvis det drives med høyere hastighet, vil trykkfallet over sengen være høyere, og dermed vil driftskostnaden (energi) være mer. For estimering av kolonnens innløps- og utløpsrørdiameter velges gasshastigheten i området 600-900 m / min. For estimering av den belagte sengenes høyde, L 0, antar man en Θ B. Basert på dette og kjennetegnene til den valgte adsorbent kan den belagte sengerhøyde LO beregnes ved å bruke enten en tommelfingerregeltilnærming eller en analytisk tilnærming.

For å finne den belagte sengenes høyde ved hjelp av en tommelfingerregel, er den nødvendige informasjonen: (i) "adsorpsjonskapasiteten" ( Xc ) av det valgte adsorbent og (ii) bulkdensiteten (pb) av adsorbenten. Adsorpsjonskapasiteten Xc er definert som massen av adsorbat som en massemasse av et adsorpsjonsmiddel kan adsorbere under behandling av en tilstrømningsgasstrøm som har en forurensende konsentrasjon YO og derved redusere forurensningskonsentrasjonen til sin tillatte begrensningsverdi Y B i den behandlede gass .

Xc og pb kan enten oppnås fra en adsorbentprodusent / leverandør eller estimeres eksperimentelt i et laboratorium. Laboratoriebaserte data ville være mer pålitelige for designformål. Når disse dataene er tilgjengelige, kan den totale masse av adsorbent som kreves, beregnes ved å bruke Eq. (4, 55).

Den tilsvarende senghøyde (L0) kan oppnås ved å benytte Eq. (4.56)

Senghøyde L 0 kan beregnes i henhold til den analytiske tilnærmingen ved bruk av ekv. (4.57)

hvor Θ = metningsgrad av total adsorbentsjikt ved tid dB, uttrykt som en brøkdel,

og X s = forurensende konsentrasjon på adsorbent i likevekt med gassfase-konsentrasjon Y 0 uttrykt som et vektforhold.

X x kan estimeres enten ved bruk av ekv. (4.54) eller utnytte eksperimentelt oppnådde likevektsdata.

Det skal bemerkes at ved tid Θ B fra starten av prosessen ville den største del av sengen (unntatt adsorpsjonssonen Z a nær utgangssiden av kolonnen) være mettet. Sone Z a ville være delvis mettet. Derfor kan Θ uttrykkes som

Det er nå klart at for å finne L 0 må man først estimere f og Z a .

Gassfasematerialets balanseekvasjon for et adsorbat over en elemental senghøyde dZ i adsorpsjonssonen Z Q over et tidsintervall dΘ kan skrives som

Hvor ɛ = ugyldig fraksjon og a = overflateareal per enhet pakket volum.

Det siste uttrykket på høyre side av Eq. (4, 60), er liten i forhold til de andre betingelsene, kan bli oversett og ligningen kan omskrives som

Den integrerte formen av Eq. (4, 61) kan skrives som

og Y * = likevekts gassfaseforurensende konsentrasjon tilsvarende den adsorberte forurensningskonsentrasjonen X på adsorbentoverflaten.

kan evalueres numerisk eller grafisk ved hjelp av et plott som ligner på figur 4.14. Imidlertid oppstår et problem som svarer til Y = YO, y * = Y 0 og derfor vil N OG være uendelig. For å omgå denne vanskeligheten er N OG tilnærmet som

hvor Ye er tildelt en tallverdi litt mindre enn K 0

For å estimere H OG er det nødvendig å kjenne de numeriske verdiene for K y og a. I fravær av slik informasjon kan man ha et estimat av H oc ved hjelp av figur 4.15, for hvilken den nødvendige informasjonen er ɛ og d p .

hvor ɛ = bed void fraksjon,

og d p = gjennomsnittlig adsorbentpartikkeldiameter

Etter evaluering av Z a ved bruk av ekv. (4, 62), f skal beregnes numerisk ved bruk av Eq. (4, 59). Endelig blir Θ og LO evaluert ved å bruke Eq. (4, 58) og ekv. (4, 57).

Eksempel 4.4:

En fast seng adsorber skal konstrueres for adsorpsjon av aceton fra luft som har en innledende konsentrasjon, Y 0 = 0, 024 kg aceton / kg luft ved 30 ° C ved anvendelse av granulert aktivert karbon (GAC). Den volumetriske gasstrømningshastigheten er 12000 m3 / time. Den tillatte acetonkonsentrasjonen (YB) i den behandlede gassen kan tas som 0, 001 kg aceton / kg luft og bulkdensitet av GAC (pb) som 400 kg / m3. Likevektsdataene er som vist nedenfor.

Løsning:

I fravær av annen spesifikk informasjon relatert til dette designproblemet, antas følgende:

Ved å bruke de antatte verdiene til Θ B, overfladisk hastighet og H QG og informasjon spesifisert i problemet, estimeres den adsorberte høyden L 0 ved hjelp av tommelfingerreguleringsmetoden ved å bruke følgende ligninger / relasjoner:

Til slutt aksepterer adsorber-pakket høyde L 0 som beregnet ved bruk av ekv. (4.56), Θ B omberegnes etter analytisk tilnærming.

Plotting av de tilveiebragte likevektsdataene og tegning av en passende driftslinje resulterte i en figur som ligner den i figur 4.14. Fra dette tallet er verdien av X s funnet å være 0, 177. For estimering N OG og f ved numerisk integrasjon leses de nødvendige verdiene for Y, X og Y * fra figuren og de beregnede verdiene for


Anbefalt

Nyttige notater om enzympapain og enzympepsin
2019
Notater om markedsføring planlegging prosess: 4 trinn
2019
Topp 7 hovedroller av en rektor
2019