Absorpcja zanieczyszczeń gazowych (z obliczeniami)

Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej na temat absorpcji zanieczyszczeń gazowych: 1. Wstęp do procesu absorpcji 2. Teoria absorpcji 3. Sprzęt absorpcyjny i 4. Podejście do projektowania wież upakowanych.

Wprowadzenie do procesu absorpcji:

Gdy gaz odpadowy zawierający niektóre zanieczyszczenia gazowe zostanie doprowadzony do bezpośredniego kontaktu z cieczą, część zanieczyszczeń może zostać przeniesiona do cieczy. Ten proces przenoszenia może nastąpić w wyniku rozpuszczania zanieczyszczeń w cieczy lub w wyniku reakcji chemicznych zanieczyszczeń z cieczą lub z niektórymi związkami chemicznymi obecnymi w cieczy.

Proces przenoszenia bez jakiejkolwiek reakcji chemicznej określany jest jako absorpcja fizyczna, a reakcja chemiczna (reakcje chemiczne) określana jest jako absorpcja wraz z reakcją chemiczną. W (fizycznym) procesie absorpcji substancja rozpuszczona (zanieczyszczenie gazem) jest określana jako absorbent, a rozpuszczalnik (ciecz) jako absorbent. Gaz przenoszący absorbent określa się jako gaz nośny.

Proces ten jest odwracalny, to znaczy w pewnych okolicznościach przeniesienie substancji rozpuszczonej następuje z fazy gazowej do fazy ciekłej, a w niektórych innych sytuacjach przeniesienie odbywa się w przeciwnym kierunku. Drugi proces, a mianowicie absorpcja, której towarzyszy reakcja chemiczna, jest nieodwracalna, to znaczy transfer zachodzi tylko z fazy gazowej.

Fizyczny proces absorpcji odbywa się poprzez następujące kroki:

1. Cząsteczki substancji rozpuszczonej (w postaci gazowej) migrują od większości fazy gazowej do granicy faz gaz-ciecz (interfejs) poprzez dyfuzję molekularną i / lub wirową;

2. Przenoszenie cząsteczek absorbowanych przez interfejs;

3. Przenoszenie cząsteczek absorbowanych do wnętrza absorbera przez dyfuzję molekularną i / lub wirową.

W przypadku absorpcji, której towarzyszy proces reakcji chemicznej, pierwsze dwa etapy są podobne do procesu absorpcji fizycznej. Jednak w trzecim etapie cząsteczki absorbowane reagują z reagentem obecnym w absorbencie i tworzą nowy związek (związki).

Teoria absorpcji:

Przenoszenie związku chemicznego między fazą gazową i fazą ciekłą zachodzi z powodu potencjalnej różnicy gatunków między fazami. Ta potencjalna różnica jest określana jako gradient potencjału chemicznego. Kiedy potencjał chemiczny gatunku staje się taki sam w dwóch fazach, które stykają się ze sobą, mówi się, że są w równowadze.

Pod tym warunkiem nie następuje przeniesienie netto gatunku między fazami. Gdy fazy nie są w równowadze w odniesieniu do gatunku, to jego przenoszenie następuje w fazie, w której jej potencjał chemiczny jest wyższy od drugiej fazy, w której jej potencjał jest niższy.

Potencjał chemiczny gatunku w danej fazie jest związany, ale nie jest równy jego stężeniu w tej fazie. Gdy dwie fazy, będące w kontakcie ze sobą, osiągną równowagę w stosunku do gatunku, jego stężenie w odpowiednich fazach będzie powiązane ze sobą. Taką relację określa się mianem relacji równowagowej. Relacja równowagi związku chemicznego w układzie gaz-ciecz może być wyrażona jako zależna i może być również zależna od stężenia (xA).

Wartość liczbowa H A zależy od układu solute-solvent. Ogólnie wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Alternatywnym wyrazem stosunku równowagi jest

Szybkość przenikania masy danego gatunku z jednej fazy (gazu) do innej fazy (ciecz) na jednostkę powierzchni międzyfazowej wyraża się jako

gdzie N a = liczba moli substancji rozpuszczonej A przeniesiona z fazy gazowej do fazy ciekłej na jednostkę powierzchni międzyfazowej w jednostce czasu,

ky A, k XA = indywidualny współczynnik masy masy gazu / cieczy odpowiednio,

Ky A, K xa = ogólny stosunek masy masy gazu / fazy ciekłej, odpowiednio,

y * = stężenie fazy gazowej w stanie równowagi odpowiadające stężeniu fazy ciekłej X 1,

x * = równowagowe stężenie fazy ciekłej odpowiadające stężeniu fazy gazowej w masie y g,

X 1, X 1 = stężenie substancji rozpuszczonej odpowiednio na granicy faz i objętościowej fazy ciekłej.

yi, y g = stężenie substancji rozpuszczonej odpowiednio na granicy faz i fazy gazowej.

Indywidualne i ogólne współczynniki transferu są ze sobą powiązane.

Równanie (4.45) i (4.46) pokazują ich związek.

Indywidualny współczynnik przenikania masy kx i ky można obliczyć za pomocą równań empirycznych ogólnie wyrażanych jako α, m oraz n są stałymi, których wartości liczbowe zależą od wewnętrznych elementów absorbera. Odpowiednie informacje na ich temat można znaleźć w książkach o przekazywaniu zbiorowym.

gdzie Sh = Sherwood, k l / D AB

Re = liczba Reynoldsa, lU ρ / μ

Sc = liczba Schmidta μ / ρ D AB

l = Charakterystyczny wymiar wewnętrznych elementów absorbera

U = Liniowa prędkość płynu w absorberze

D AB = Dyfuzyjność molekularna gatunków A w mieszaninie gatunków A i B.

μ = lepkość płynu,

ρ = Gęstość płynu

Sprzęt absorpcyjny:

Celem urządzenia absorpcyjnego jest doprowadzenie strumienia gazu i strumienia cieczy do bliskiego kontaktu ze sobą tak, aby substancja rozpuszczona (gazowy czynnik zanieczyszczający) mogła łatwo przenieść się z fazy gazowej do fazy ciekłej. Należy tu zauważyć, że w tym procesie zanieczyszczenie jest jedynie przenoszone z fazy gazowej tylko do fazy ciekłej i nie jest przekształcane w substancję nieszkodliwą. Jeśli pożądane jest odzyskanie substancji rozpuszczonej ze względu na jej wartość ekonomiczną, wówczas należy desorbować ją później z roztworu.

Sprzęt, który może być wykorzystany do przeprowadzenia procesu absorpcji, to: upakowana wieża, wieża płytowa, komora natryskowa i skruber Venturiego. Spośród nich najczęściej używanym sprzętem jest upakowana wieża, która jest dość wydajna i relatywnie mniej kosztowna. Jest to cylindryczna pionowa kolumna z wypełnieniem wewnątrz.

Opakowania mogą być wykonane z tworzywa sztucznego lub metalu lub ceramiki, które zapewniają większą powierzchnię na jednostkową upakowaną objętość dla kontaktu gaz-ciecz. Dostępne są opakowania o różnych geometriach i rozmiarach. Kryteriami doboru geometrii i wielkości opakowania są duże powierzchnie, duża ilość pustych przestrzeni i niższe koszty. Większa frakcja pustych przestrzeni zapewnia mniejszą oporność na przepływ gazu i cieczy.

Pozostałe części wewnętrzne złoża upakowanego są dystrybutorem cieczy, redystrybutorami, podpaską i dystrybutorem gazu. Zwykle w upakowanej wieży ciecz spływa nad powierzchnią pakowania w postaci folii, a gaz przepływa przez pustą przestrzeń przez ciekłe folie.

Wieże blaszane są trzema różnymi typami: płytą sitową, płytką nakrywkową i tacą zaworową. Wieża talerzowa jest cylindrycznym naczyniem z kilkoma poziomymi płytami ułożonymi jeden nad drugim, rozmieszczonymi w pewnej odległości od siebie. Absorbent (ciecz) wchodząca na szczyt wieży przepływa przez każdą płytkę i spływa kaskadą w dół, tworząc jednocześnie pulę na każdej płytce.

Gaz zawierający substancję rozpuszczoną / substancje rozpuszczone (zanieczyszczenia) wchodzi na dno wieży i przepływa. Wchodzi ona na każdą płytkę przez małe otwory i bąbelki poprzez znajdujący się na niej płynny basen. Przenoszenie substancji rozpuszczonej z fazy gazowej do fazy ciekłej następuje, gdy gaz przepływa przez basen.

W przypadku płytek sitowych otwory (przez które przepływa gaz) są małe i nie są zakryte. W przypadku tacek z nasadkami do pęcherzyków i tac zaworowych, otwory mają większą średnicę (niż płytki sitowe) i są częściowo pokryte. Wieże płytowe są dość wydajne, ale są droższe niż wieże z wypełnieniem.

Komory natryskowe mogą być z lub bez uszczelnienia. Ciecz jest wprowadzana u góry w postaci rozpylonej cieczy i spływa, podczas gdy przepływ gazu może być poziomy lub pionowy. Są one generalnie mniej wydajne niż wieże z pakietem / płytą.

W płuczkach Venturiego zarówno gaz, jak i ciecz są wprowadzane na zbieżnym końcu zwężki Venturiego i przepływają jednocześnie. W niektórych urządzeniach płyn wprowadza się do gardła. Gdy ciecz rozpada się na małe kropelki, zapewnia dużą powierzchnię kontaktu dla przenoszenia masy. Jego skuteczność jako absorbera jest niska.

Kiedy planowane jest użycie albo wieży upakowanej albo wieży płytowej, strumień gazu powinien być wstępnie oczyszczony w celu usunięcia cząstek stałych, ponieważ w przeciwnym razie cząstki mogą gromadzić się w wieży, a tym samym zatykać ją. Jednakże, gdy jako absorber stosuje się komorę natryskową (bez opakowania) lub skruber Venturiego, wstępne czyszczenie gazu nie jest niezbędne

Podejście oparte na konstrukcji z pakietem Tower:

Ponieważ upakowane kolumny absorpcyjne są częściej wykorzystywane do pochłaniania zanieczyszczeń gazowych ze strumieni gazu, podejście konstrukcyjne takiej kolumny jest przedstawione poniżej.

Przed wchłonięciem w upakowanej kolumnie strumieniowy strumień gazu powinien zostać poddany następującym obróbkom wstępnym:

Chłodzenie strumieni gazu wpływającego zmniejszyłoby jego objętościowe natężenie przepływu i zwiększyło rozpuszczalność zanieczyszczeń w wybranym rozpuszczalniku. W wyniku tego rozmiar absorbera będzie mniejszy, a wymagana ilość rozpuszczalnika będzie mniejsza.

Podczas absorpcji każde zanieczyszczenie obecne w strumieniu gazu zostanie usunięte w pewnym stopniu lub w inny sposób, w zależności od jego rozpuszczalności w wybranym rozpuszczalniku. Rozpuszczalnik wybiera się przede wszystkim w celu usunięcia określonego zanieczyszczenia, a absorber zaprojektowano tak, aby osiągnąć pożądany stopień usunięcia tego konkretnego zanieczyszczenia.

Przy wyborze odpowiedniego rozpuszczalnika czynniki / parametry, które należy uwzględnić, to:

1. Wysoka rozpuszczalność docelowego absorbatu,

2. Niskie ciśnienie pary rozpuszczalnika w temperaturze roboczej,

3. Niska cena,

4. Niska / zerowa toksyczność, oraz

5. Czy rozpuszczalnik ma być odzyskiwany i ponownie wykorzystywany.

Dane i informacje wymagane do zaprojektowania absorbera to:

(i) Maksymalne (oczekiwane) natężenie przepływu gazu nośnego, G mole / godz .;

(ii) Temperatura i ciśnienie strumienia gazu wpływającego;

(iii) Stężenie docelowego zanieczyszczenia w strumieniu i jego pożądany stopień usunięcia;

(iv) Relacja rozpuszczalności / stosunek równowagi;

oraz (v) rodzaj opakowania, jego rozmiar i inne cechy.

Gdy te informacje będą dostępne, można obliczyć następujące wartości za pomocą odpowiednich równań, a tym samym zaprojektować odpowiedni absorber.

(i) Wymagane natężenie przepływu rozpuszczalnika, L mole / godz.,

(ii) Średnica kolumny D,

(iii) Wysokość kolumny Z,

(iv) Spadek ciśnienia na wypełnionym złożu.

Wymagana stopa rozpuszczalnika:

Minimalna szybkość rozpuszczalnika (L mjn ) może być obliczona przy założeniu, że rozpuszczalnik opuszczający absorber będzie nasycony w stosunku do stężenia substancji rozpuszczonej w strumieniu gazu wpływającego. Rysunek 4.11 pokazuje schematyczny diagram upakowanego absorbera.

Wyrażenie dla L min otrzymuje się poprzez zmianę układu równania równowagi substancji rozpuszczonej na pochłaniacz,

L min = G (Y 1 -Y 2 ) / X * 1 - X 2

gdzie X 1, * = Y 1 / m

X 1, X 2 = stężenie substancji rozpuszczonej w rozpuszczalniku odpowiednio na wylocie i na wlocie, w jednostce stosunku molowego,

Y 1, Y 2 = stężenie substancji rozpuszczonej w fazie gazowej odpowiednio na wlocie i wylocie, w jednostce stosunku molowego.

W praktyce X 2 i X 1 byłyby znane. Y 2 byłby powiązany z Y 1 poprzez pożądany stopień usunięcia, tj. Skuteczność usuwania,

Y 2 = Y 1, (1-ᶯ r ), ᶯ r = skuteczność usuwania,

Ocena L min za pomocą równ. (4.48) byłoby właściwe, gdyby stosunek równowagi był liniowy, tj. Y = mX im niezależne od X. W większości przypadków stężenie substancji rozpuszczonej (zanieczyszczenia) w fazie gazowej byłoby niskie, a zatem m byłby niezależny od X.

Rzeczywista szybkość rozpuszczalnika jest zwykle przyjmowana jako

L rzeczywista, = 1-25 do 2, 0 razy L min .

Należy tutaj podkreślić, że absorber nigdy nie jest projektowany z L rzeczywista - L min, ponieważ prowadziłoby to do bardzo wysokiej wartości Z Q.

Ponieważ rzeczywiste L jest zwiększone, obliczona wysokość kolumny zmniejszyłaby się, ale przekrój kolumny wzrósłby. Ostateczna L powinna być ostatecznie ustalona na podstawie kosztu całkowitego (koszt początkowy plus koszt operacyjny). Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy szacowaniu rzeczywistej wartości L, jest minimalna szybkość cieczy wymagana do zwilżenia uszczelek w kolumnie.

Średnica kolumny:

Przy danym natężeniu przepływu gazu i cieczy, gdy średnica kolumny jest zmniejszona, wzrasta płyn (masa cieczy w kolumnie w dowolnym momencie) w kolumnie. Spowodowałoby to zmniejszenie dostępnej przestrzeni pustej dla przepływu gazu przez kolumnę. W konsekwencji prędkość gazu (liniowa) wzrósłaby i ciśnienie gazu po stronie spadłoby na łóżko również wzrosłoby.

Wyższy spadek ciśnienia po stronie gazu utrudnia przepływ cieczy. Jeśli średnica kolumny zostanie dodatkowo zmniejszona, kolumna zostanie wypełniona cieczą. Ten stan jest określany jako zalewanie. Prędkość masy gazu w tym stanie jest określana jako prędkość zalewania. Prędkość roboczą gazu przyjmuje się w zakresie od 60 do 75% prędkości zalewania. W oparciu o aktualną prędkość gazu eksploatacyjnego, pole przekroju poprzecznego kolumny oblicza się za pomocą równ. (4, 49).

Gdzie A col = pole przekroju kolumny,

G n = masowa prędkość masowa gazu w czasie powodzi,

F = frakcja prędkości zalewania odpowiadająca określonemu przekrojowi poprzecznemu kolumny = 0, 6 do 0, 75,

A M g = masa cząsteczkowa gazu (mieszaniny).

Gn zależy od właściwości fizycznych gazu i cieczy, takich jak pg, p L, μL, charakterystyki upakowania i stosunek masowego natężenia przepływu cieczy do gazu. Można to oszacować za pomocą działek dostępnych w standardowych książkach dotyczących transferu masy.

Wysokość kolumny:

Równanie równowagi w stanie równowagi statycznej na elementarnej wysokości upakowania (ryc. 4.11) kolumny można zapisać jako

Biorąc pod uwagę fakt, że substancja rozpuszczona jest przenoszona z fazy gazowej do fazy ciekłej, (ppkt 4.50) można przepisać ponownie jako

gdzie a = powierzchnia przestrzeni ładunkowej na jednostkę objętości złoża upakowanego.

Aby uzyskać wyrażenie dla upakowanej wysokości złoża Eq. (4.51) został zmieniony i zintegrowany. Powstałe równanie to

Wyliczone w ten sposób Z0 oznacza wysokość upakowanej sekcji absorbera, która jest konieczna do zmniejszenia stężenia zanieczyszczeń w fazie gazowej od Y1 do Y2. Rzeczywista wysokość kolumny byłaby większa niż Z O w celu zapewnienia miejsca dla odmgławiacza i dystrybutora cieczy u góry, ciekłych redystrybutorów (dystrybutorów) pomiędzy pakowanymi sekcjami, dystrybutora gazu, podpory do pakowania i uszczelki płynnej na dnie.

Spadek ciśnienia w wieżach z pakietami:

W celu oszacowania spadku ciśnienia na upakowanym odcinku kolumny można stwierdzić AP / Z (spadek ciśnienia na jednostkę wysokości złoża upakowanego) w oparciu o już ustalone parametry robocze, właściwości fizyczne układu gaz-ciecz i charakterystyki pakowania wykorzystanie informacji dostępnych w książkach o przekazywaniu zbiorowym. Wykorzystując te informacje, ciśnienie opadające na upakowane łóżko szacuje się za pomocą równania. (4.53),

Rzeczywisty spadek ciśnienia na wieży byłby wyższy niż szacowany przy użyciu równania Eq. (4.53) ze względu na elementy wewnętrzne wieży wspomniane wcześniej, inne niż opakowania.