Gaz Kirleticilerin Adsorpsiyonu

Sabit yataklı adsorber tasarım yaklaşımıyla gaz halindeki kirleticilerin adsorpsiyonu hakkında bilgi edinmek için bu makaleyi okuyun.

Gaz Kirleticilerin Adsorpsiyonuna Giriş:

Bazı dağılmış maddeleri içeren bir sıvı bazı özel işlem görmüş / hazırlanmış katı parçacıklarla temas ettiğinde, dağılmış maddelerin molekülleri katı parçacıkların yüzeylerinde tutulabilir. Bu fenomen adsorpsiyon olarak adlandırılır.

Katı maddeye adsorban denir ve adsorbanda tutulan maddeye adsorbat denir. Adsorpsiyon yalnızca kirletici maddelerin gaz akışından uzaklaştırılmasında değil aynı zamanda su kaynaklı kirleticilerin azaltılmasında da etkili bir yöntemdir. Adsorpsiyon olgusu deneysel olarak araştırılmış ve gözlemleri açıklamak için çeşitli teoriler önerilmiştir. Ancak gözlemlerin çoğunu açıklayabilecek bir teori henüz geliştirilmemiştir.

Adsorbül molekülleri ile adsorban yüzeyindeki aktif bölgeler arasındaki bir etkileşimin, adsorbent üzerinde bir adsorbatın tutulmasına neden olduğu varsayılmaktadır. Adsorpsiyonu meydana getiren etkileşimli kuvvet, doğada fiziksel veya kimyasal olarak teorikleştirilmiştir. Bir fiziksel adsorbat kuvveti nedeniyle tutulursa, işleme fiziksel adsorpsiyon denir.

Bu işlem sırasında gelişen ısı miktarı, adsorbatın yoğunlaşmadaki gizli ısısı ile hemen hemen aynıdır. Fiziksel adsorpsiyon sağlayan çekici kuvveti doğada zayıftır, bu nedenle adsorbe edilmiş moleküller, sistem sıcaklığını yükselterek veya adsorbatın kısmi basıncını azaltarak (tahliye ederek veya bir ısı geçirerek) katı partiküllerden çıkarılabilir (desorbe edilebilir). inert gaz) veya ikisinin kombine etkisi ile. Desorpsiyon işlemi endotermiktir.

Bazı durumlarda, ikisi arasındaki kimyasal bağ nedeniyle bir adsorban yüzeyinde bir adsorbat tutulur. Yeni bir kimyasal bileşiğin oluştuğu anlamına gelmez, ancak yapışma kuvveti oldukça güçlüdür. Böyle bir işlem kemisorpsiyon olarak adlandırılır. Ekzotermik bir kimyasal reaksiyonunkine benzer şekilde nispeten büyük miktarda ısı oluşması ile karakterize edilir. Kemisorpsiyon neredeyse geri dönüşümsüz bir süreçtir. Kimyasal olarak emilmiş bir maddenin çıkarılması sırasında adsorbat molekülleri genellikle kimyasal değişikliklere uğrar.

Hem adsorpsiyon hem de fiziksel adsorpsiyon adsorban yüzeyinde meydana geldiğinden, iyi bir adsorban büyük bir spesifik yüzey alanına sahip olmalıdır (birim kütle başına yüzey alanı). Spesifik yüzey alanı, partikül ebadındaki azalma ve adsorban partiküllerin porozitesindeki artış ile artar. İyi bir adsorban olmak için katı tanecikler sadece yüksek spesifik alana sahip olmamalı, aynı zamanda spesifik adsorbatla ilgili uygun etkileşimli kuvvet / aktif bölgelere sahip olmalıdır.

Bir adsorbanın birim kütlesi başına tutulan adsorbat kütlesi, belirli bir sıcaklıkta dengede bulunan sıvıdaki adsorbat konsantrasyonuyla ilişkili olacaktır. Langmuir'in fenomen analizine dayanarak denge ilişkisi şu şekilde ifade edilebilir:

X * i = mY1 / n …… ……………………… (4.54)

burada X * i = adsorbat kütlesi bir adsorbanın birim kütlesinde tutulur ve Y = = dengede akışkanın (taşıyıcı gaz) bir kütlesinde bulunan adsorbat kütlesi.

m ve n, belirli bir adsorbat-adsorban sistemi için belirli sabitlerdir. Sıcaklığa bağlıdırlar.

N ≤ 1 için, adsorpsiyon işlemi elverişli olarak kabul edilir ve n> 1 için elverişsizdir. Belirli bir adsorbat - adsorban sistemi için m ve n'nin sayısal değerleri adsorbanın üretim işlemine bağlıdır. Bunlar deneysel olarak değerlendirilir.

Bir adsorban, bir adsorbata nazaran dengeye eriştiğinde, adsorbatı daha fazla absorbe edemeyecektir. Adsorban, atılmak veya yeniden kullanım için yenilenmek zorundadır. Bir adsorbanın rejenerasyonu ve / veya adsorbatın geri kazanılması için, genellikle harcanan adsorban, üzerinde bir inert gaz akımı geçirilirken ısıtılır.

Fiziksel bir adsorpsiyon prosesi durumunda, normal olarak, ortalama bir sıcaklıkta (100 ° C veya daha fazla) buhar veya hava kullanılır. Desorbe edilmiş madde (değerliyse) toplanabilir veya atılmadan önce daha fazla işlenebilir. Bununla birlikte, bir kimyasal adsorpsiyon işleminden bir adsorbanın rejenerasyonu için harcanan adsorbanın üstünden yüksek sıcaklıkta hava geçirilir, böylece adsorbe edilen madde oksitlenir ve uzaklaştırılır.

Ticari olarak kullanılan adsorbanlar, aktif karbon, silika, silika jeli, moleküler elekler (alümina silikatlar), alümina ve diğer bazı metal oksitlerdir. En yaygın kullanılan adsorban granüler aktif karbondur (GAC).

Yaygın olarak kullanılan adsorbe ediciler, döngü halinde işletilen sabit yataklı tiplerdir. Sabit yataklı bir adsorber, granül emici parçacıkların bir yatağını içeren bir mahfazadan oluşur. H kirletici maddeyi (adsorbat) taşıyan bir akışkan akışı yataktan akarken, kirletici adsorbe olur.

Yavaş yavaş adsorban partiküller doymuş hale gelir. Arıtılmış akımdaki kirletici madde, kirlilik kontrol standartlarında öngörüldüğü şekilde önceden belirlenmiş bir seviyeye ulaştığında, adsorpsiyon işlemi kesilir ve yatak yeniden üretilir. Yatağın yenilenmesinden sonra tekrar tekrar akışa alınır.

Bir adsorber sistemi birkaç konfigürasyona sahip olabilir. En basit olanı, bir yatak yenilendiğinde diğerinin çevrimiçi olacağı iki yataklı bir sistem olacaktır. Daha iyi bir düzenleme, iki yatağın seri olarak çalıştırıldığı, üçüncünün de yenileneceği üç yataklı bir sistem olacaktır. Böyle bir düzende ikinci yatak parlatma yatağı görevi görür. Muamele edilecek bir akışkan akışının hacimsel akış hızı oldukça büyük olduğunda, birkaç ünite paralel olarak çalıştırılabilir.

Sabit yatak dışında akışkan yatak ve hareketli yatak adsorbe edicileri de kullanılmaktadır. Yenilenme için herhangi bir kesinti olmadan çalıştırılırlar. Bu yataklardan kısmen harcanan adsorban partiküller uzaklaştırılır, yatakların dışında yeniden oluşturulur ve sürekli olarak geri döndürülür. Bu tür birimlerde, adsorban tanecikler, tanecikler arası aşınmadan ve ayrıca duvar aşınmasından dolayı yıpranır.

Bu adsorderlerde katı parçacıkların akışı düzgün olmayabilir. Bununla birlikte, adsorbanın tutulması aynı kapasiteye sahip sabit yataklı bir sisteme kıyasla çok daha az olacaktır. Rejenerasyon adsorbanın dışında yapıldığından, gerektiğinde sert koşullar altında gerçekleştirilebilir.

Sabit Yataklı Adsorber Tasarım Yaklaşımı:

Bir adsorbatı içeren bir akışkan akımı sabit yataklı bir adsorbere girdiğinde, adsorpsiyonun çoğu başlamak için besleme ucunda gerçekleşir. Yavaş yavaş, besleme ucunun yakınında bulunan adsorban partiküller adsorbe ile doygun hale gelir ve etkili adsorpsiyon bölgesi çıkış ucuna doğru kayar. Bir adsorpsiyonun çoğu adsorpsiyonun gerçekleştiği kısmı, etkili adsorpsiyon bölgesi olarak adlandırılır. Şekil 4.12, işlem sırasında bir adsorbandaki bir adsorban yatağının ilerleyici doygunluğunu göstermektedir. Ayrıca, etkili adsorpsiyon bölgesinin (Z Q ) nihayet çıkış sonuna ulaştığını da gösterir.

Şekil 4.13, işlem görmüş akıştaki adsorbat konsantrasyonunun (Y) işlem ilerledikçe arttığını ve nihayet ϴ = ϴ B zamanında arttığını ve konsantrasyonun YB olduğunu göstermektedir. Eğer adsorbat bir kirletici ise, YB çevre kirliliği açısından izin verilen maksimum emisyon konsantrasyonunu temsil edecektir. B zamanı, zamanın sonu olarak adlandırılır.

Adsorpsiyon işleminin ϴ B'nin ötesinde devam etmesi, arıtılmış atık su akışında YB dışındaki kirletici konsantrasyonunda daha fazla artışa yol açacaktır. ϴ = ϴ B'de işlem durur ve yatak yenilenir.

Gaz kaynaklı kirleticilerin azaltılması için sabit yataklı bir adsorber tasarlanırken, önceden seçilmiş bir 'zaman geçtikçe' olması için kesit alanını ve paketlenmiş yüksekliğini tahmin etmek gerekir ϴ B.

Tasarım amacıyla aşağıdaki bilgiler gerekli olacaktır:

1. Akan akımın akış hızı, G;

2. Akışkandaki kirletici konsantrasyonu,

3. Arıtılmış atık su içinde izin verilen maksimum kirletici madde konsantrasyonu, YB;

4. Önceden seçilmiş 'zaman aşımına uğramış' ϴ B, ve

5. Seçilen adsorbanın özellikleri.

Bir adsorbanın sütun kesit alanı aşağıdaki ifade kullanılarak tahmin edilebilir:

Normalde ticari birimler için kullanılan yüzeysel gaz hızı 6 ila 24 m / dak aralığındadır. Daha yüksek bir hızda çalıştırılırsa yatak boyunca basınç düşüşü daha yüksek olur ve sonuç olarak işletme (enerji) maliyeti daha fazla olur. Kolon giriş ve çıkış borusu çapını tahmin etmek için gaz hızı 600-900 m / dak aralığında seçilir. Paketlenmiş yatak yüksekliğinin tahmini için, L 0, biri ϴ B kabul eder. Buna ve seçilen adsorbanın özelliklerine göre, paketlenmiş yatak yüksekliği LO, bir başparmak kuralı yaklaşımı ya da analitik bir yaklaşım kullanılarak hesaplanabilir.

Bir başparmak kuralı yaklaşımı kullanarak dolgulu yatak yüksekliğini bulmak için gereken bilgiler şunlardır: (i) seçilen adsorbanın 'adsorpsiyon kapasitesi' (X c ) ve (ii) adsorbanın kütle yoğunluğu (p b ). Adsorpsiyon kapasitesi Xc, bir adsorbanın bir birim kütlesinin, bir kirletici konsantrasyonuna ( O) sahip olan bir etkili gaz akışını işlemden geçirirken adsorbe edebildiği ve böylece işlenen gazdaki kirletici konsantrasyonunu izin verilen sınırlayıcı değer B'ye indirgeyen adsorbat kütlesi olarak tanımlanır. .

Xc ve pb, bir adsorban üreticisinden / tedarikçisinden elde edilebilir veya deneysel olarak bir laboratuarda tahmin edilebilir. Laboratuar tabanlı veriler tasarım amacıyla daha güvenilir olacaktır. Bu veriler bir kez mevcut olduğunda, gerekli olan toplam adsorban kütlesi Denklem kullanılarak hesaplanabilir. (4.55).

Eşdeğer yatak yüksekliği (L 0 ) Eşitlik değeri kullanılarak elde edilebilir. (4.56)

Yatak yüksekliği L 0, Denklem kullanılarak analitik yaklaşıma göre hesaplanabilir. (4.57)

ϴ = db'deki toplam adsorban yatağın doyma derecesi, bir kısım olarak ifade edilir,

ve Xs = ağırlık oranı olarak ifade edilen Y0 gaz fazı konsantrasyonu ile dengede adsorbandaki kirletici konsantrasyon.

X x, Denklem kullanılarak hesaplanabilir. (4.54) veya deneysel olarak elde edilmiş denge verilerinin kullanılması.

Burada, işlemin başlangıcından itibaren ϴ B zamanında, yatağın ana bölümünün (kolonun çıkış ucuna yakın Z adsorpsiyon bölgesi hariç) doygun olacağı belirtilmelidir. Z Bölgesi, kısmen doymuş olur. Dolayısıyla ϴ olarak ifade edilebilir.

Şimdi açıktır ki, L 0 bulmak için ilk önce f ve Z a'yı tahmin etmek zorundadır.

Adsorpsiyon bölgesinde Z Q bir temel yatak yüksekliği dZ boyunca bir adsorbatın gaz faz malzemesi dengesi denklemi, dϴ bir zaman aralığı boyunca şöyle yazılabilir.

Ɛ = Boşluk oranı ve a = birim paketlenmiş hacim başına yüzey alanı.

Eşitlik sağ tarafında son terim. (4.60), diğer terimlere göre küçük olması nedeniyle ihmal edilebilir ve denklem şu şekilde yeniden yazılabilir.

Entegre Denk. (4.61) olarak yazılabilir.

ve Y * = adsorban yüzeyindeki adsorbe edilen kirletici konsantrasyonuna X karşılık gelen denge gazı fazındaki kirletici madde konsantrasyonu.

Şekil 4.14'e benzer bir çizim yardımı ile sayısal veya grafiksel olarak değerlendirilebilir. Bununla birlikte, Y = Y O, y * = Y 0 ' a tekabül eden bir problem ortaya çıkar ve dolayısıyla N OG sonsuz olacaktır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için N OG,

Ye ye K 0 dan biraz daha küçük bir sayısal değer verilir.

H OG'yi tahmin etmek için, K ve a'nın sayısal değerlerini bilmek gerekir. Bu tür bir bilginin yokluğunda, bunun için gereken bilginin p ve d p olduğu, Şekil 4.15'in yardımı ile H oc bir tahmini olabilir.

ɛ = yatak boşluğu fraksiyonu,

ve d p = ortalama adsorban parçacık çapı

Z'nin değerlendirilmesinden sonra Denk. (4.62), eq kullanılarak sayısal olarak hesaplanacaktır. (4.59). Son olarak ϴ ve L O Denklem kullanılarak değerlendirilir. (4.58) ve Denk. (4.57) sırasıyla.

Örnek 4.4:

Granülleştirilmiş aktif karbon (GAC) kullanılarak, başlangıç ​​konsantrasyonuna sahip havadan asetonun, Y 0 = 0.024 kg aseton / kg havadaki havadan adsorbe edilmesi için sabit yataklı bir adsorbe edici tasarlanacaktır. Hacimsel gaz akış hızı 12000 m3 / saattir. Muamele edilen gazdaki izin verilen aseton konsantrasyonu (YB), 0.001 kg aseton / kg hava ve GAC (pb) 'nin kütle yoğunluğu 400 kg / m3 olarak alınabilir. Denge verileri aşağıda listelenmiştir.

Çözüm:

Bu tasarım problemiyle ilgili herhangi bir başka özel bilgi bulunmadığında, aşağıdaki varsayılmaktadır:

ϴ B varsayılan değerleri, yüzeysel hız ve H QG değerleri ve problemde belirtilen bilgiler kullanılarak, paketlenmiş adsorber yüksekliği L 0, aşağıdaki denklemleri / ilişkileri kullanan başparmak kuralı yaklaşımı yardımıyla tahmin edilir:

Son olarak Eşitleyici kullanılarak hesaplanan adsorbe dolu L 0 yüksekliğini kabul etmek. (4.56), ϴ B analitik yaklaşımı takiben yeniden hesaplanır.

Sağlanan denge verilerinin çizilmesi ve uygun bir işletim hattının çizilmesi, Şekil 4.14'dekine benzer bir şekilde sonuçlandı. Bu rakamdan X s değerinin 0, 173 olduğu bulunmuştur. N OG ve f'nin sayısal entegrasyonla tahmininde Y, X ve Y * 'nin gerekli değerleri şekilden ve hesaplanan değerlerden okunur.