Aufnahme gasförmiger Schadstoffe (mit Berechnungen)

Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die Absorption gasförmiger Schadstoffe zu erfahren: - 1. Einführung in den Absorptionsprozess 2. Absorptionstheorie 3. Absorptionsausrüstung und 4. Konzept des gepackten Turms.

Einführung in den Absorptionsprozess:

Wenn ein Abgas, das einige gasförmige Schadstoffe enthält, in direkten Kontakt mit einer Flüssigkeit gebracht wird, können einige der Schadstoffe in die Flüssigkeit übergehen. Dieser Übertragungsprozess kann entweder aufgrund der Löslichkeit der Schadstoffe in der Flüssigkeit oder aufgrund chemischer Reaktionen der Schadstoffe mit der Flüssigkeit oder mit einigen in der Flüssigkeit vorhandenen Chemikalien erfolgen.

Der Transfervorgang ohne chemische Reaktion wird als physikalische Absorption bezeichnet und derjenige mit chemischen Reaktion (en) als Absorption, die von einer chemischen Reaktion begleitet wird. Beim (physikalischen) Absorptionsprozess wird der gelöste Stoff (gasförmiger Schadstoff) als Absorbat und das Lösungsmittel (Flüssigkeit) als Absorptionsmittel bezeichnet. Das das Absorbat tragende Gas wird als Trägergas bezeichnet.

Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, unter bestimmten Umständen erfolgt die Übertragung des gelösten Stoffes von der Gasphase in die flüssige Phase und in einigen anderen Situationen erfolgt die Übertragung in die entgegengesetzte Richtung. Der andere Prozess, nämlich die Absorption, begleitet von einer chemischen Reaktion, ist ein irreversibler Prozess, d. H. Die Übertragung erfolgt nur aus der Gasphase.

Der physikalische Absorptionsprozess erfolgt in folgenden Schritten:

1. Die gelösten (gasförmigen) Moleküle wandern durch eine molekulare und / oder Wirbeldiffusion von der Masse der Gasphase zur Grenze zwischen Gas und flüssiger Phase (Grenzfläche).

2. Transfer von absorbierten Molekülen über die Grenzfläche;

3. Transfer von Absorbatmolekülen in die Masse des Absorptionsmittels durch molekulare und / oder Wirbeldiffusion.

Im Falle einer Absorption, die von einem chemischen Reaktionsprozess begleitet wird, sind die ersten beiden Schritte denen eines physikalischen Absorptionsprozesses ähnlich. Während des dritten Schritts reagieren die Absorbatmoleküle jedoch mit dem im Absorptionsmittel vorhandenen Reaktanten und bilden eine oder mehrere neue Verbindungen.

Absorptionstheorie:

Der Transfer einer chemischen Spezies zwischen einer Gasphase und einer flüssigen Phase erfolgt aufgrund eines möglichen Unterschieds der Spezies zwischen den Phasen. Diese Potentialdifferenz wird als chemischer Potentialgradient bezeichnet. Wenn das chemische Potenzial einer Spezies in den zwei miteinander in Kontakt stehenden Phasen gleich wird, wird gesagt, dass sie im Gleichgewicht sind.

Unter dieser Bedingung findet kein Nettotransfer der Art zwischen den Phasen statt. Wenn die Phasen in Bezug auf eine Spezies nicht im Gleichgewicht sind, erfolgt ihre Übertragung von der Phase, in der ihr chemisches Potential höher ist, in die andere Phase, in der ihr Potential niedriger ist.

Das chemische Potenzial einer Spezies in einer bestimmten Phase ist abhängig von ihrer Konzentration in dieser Phase. Wenn zwei Phasen, die miteinander in Kontakt stehen, ein Gleichgewicht in Bezug auf eine Spezies erreichen, würde ihre Konzentration in den jeweiligen Phasen miteinander in Beziehung stehen. Eine solche Beziehung wird als Gleichgewichtsbeziehung bezeichnet. Die Gleichgewichtsbeziehung einer chemischen Spezies in einem Gas-Flüssigkeitssystem kann als abhängig ausgedrückt werden und kann auch von der Konzentration (x A ) abhängig sein.

Der numerische Wert von H A hängt vom Lösungsmittelsystem ab. Im Allgemeinen steigt sie mit zunehmender Temperatur.

Ein alternativer Ausdruck der Gleichgewichtsbeziehung ist

Die Massentransferrate einer Spezies von einer Phase (Gas) zu einer anderen Phase (Flüssigkeit) pro Einheit der Grenzflächenfläche wird ausgedrückt als

N a = Mol des gelösten Stoffs A, der pro Einheitsgrenzflächenfläche pro Zeiteinheit von der Gasphase in die flüssige Phase überführt wird,

ky A, k XA = jeweiliger Massentransferkoeffizient Gas / Flüssigphase,

Ky A, K xa = Gesamt-Massentransferkoeffizient Gas / Flüssigphase,

y * = Gleichgewicht der Gasphasenkonzentration entsprechend der Flüssigphasenkonzentration X 1,

x * = Gleichgewicht der Flüssigphasenkonzentration entsprechend der Gasphasenkonzentrationskonzentration y g,

X 1, X 1 = Konzentration des gelösten Stoffes an der Grenzfläche bzw. in der flüssigen Massenphase.

yi, yg = Konzentration des gelösten Stoffes an der Grenzfläche bzw. in der Volumengasphase.

Die individuellen und die Gesamtübertragungskoeffizienten hängen zusammen.

Gleichung (4.45) und (4.46) zeigen ihre Beziehung.

Der individuelle Stoffübergangskoeffizient k x und k y kann unter Verwendung von empirischen Gleichungen berechnet werden, die allgemein ausgedrückt werden als, m und n Konstanten sind, deren numerische Werte von den Absorber-Einbauten abhängen. Die relevanten Informationen dazu finden Sie in Büchern über Massentransfer.

wobei Sh = Sherwood, k l / D AB ist

Re = Reynoldszahl, lU ρ / µ

Sc = Schmidtzahl µ / ρ D AB

l = charakteristische Abmessung der Absorbereinbauten

U = lineare Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Absorber

D AB = Molekulare Diffusivität der Spezies A in einer Mischung der Spezies A und B

µ = Fluidviskosität,

= Flüssigkeitsdichte

Absorptionsausrüstung:

Der Zweck einer Absorptionsausrüstung besteht darin, einen Gasstrom und einen Flüssigkeitsstrom in engen Kontakt miteinander zu bringen, so dass ein gelöster Stoff (ein gasförmiger Schadstoff) leicht von der Gasphase in die Flüssigphase übergehen kann. Hierbei ist zu beachten, dass durch dieses Verfahren ein Schadstoff lediglich von einer Gasphase in eine flüssige Phase überführt wird und nicht in eine unschädliche Substanz umgewandelt wird. Wenn es erwünscht ist, den gelösten Stoff wegen seines wirtschaftlichen Wertes wiederzugewinnen, muss er anschließend aus der Lösung desorbiert werden.

Die Ausrüstung, die zur Durchführung eines Absorptionsprozesses verwendet werden kann, sind: ein gepackter Turm, ein Plattenturm, eine Sprühkammer und ein Venturiwäscher. Von diesen ist das am häufigsten verwendete Gerät ein gepackter Turm, der ziemlich effizient und relativ kostengünstig ist. Es ist eine zylindrische vertikale Säule, in der sich Packungen befinden.

Die Packungen können aus Kunststoff oder Metall oder Keramik bestehen, die eine größere Oberfläche pro Packungsvolumen für den Gas-Flüssigkeits-Kontakt bieten. Es sind Packungen mit unterschiedlichen Geometrien und Größen erhältlich. Die Kriterien für die Wahl der Packungsgeometrie und -größe sind eine große Oberfläche, ein hoher Betthohlraumanteil und niedrigere Kosten. Eine höhere Betthohlraumfraktion bietet einen geringeren Widerstand gegen den Gas- und Flüssigkeitsstrom.

Die anderen Einbauten eines Festbetts sind ein Flüssigkeitsverteiler, Umverteiler, eine Verpackungshilfe und ein Gasverteiler. Normalerweise fließt die Flüssigkeit in einem gepackten Turm in Form von Filmen über die Packungsoberfläche und das Gas strömt durch den Hohlraum an den Flüssigkeitsfilmen vorbei.

Plattentürme gibt es in drei verschiedenen Ausführungen: Siebplatte, Glockenblech und Ventilboden. Ein Plattenturm ist ein zylindrischer Behälter mit mehreren übereinander gestapelten horizontalen Platten, die einen gewissen Abstand voneinander haben. Das Absorptionsmittel (Flüssigkeit), das oben in einen Turm eindringt, fließt über jede Platte und fällt nach unten, während sich auf jeder Platte ein Becken bildet.

Das Gas, das gelöste Stoffe enthält, tritt am Boden des Turms ein und strömt nach oben. Sie dringt durch kleine Löcher in jede Platte ein und blubbert durch das Flüssigkeitsbecken. Die Übertragung des gelösten Stoffes von der Gasphase in die flüssige Phase findet statt, wenn das Gas durch den Pool sprudelt.

Bei Siebplatten sind die Löcher (durch die Gas strömt) klein und diese nicht abgedeckt. Im Falle von Glockenböden und Ventilböden haben die Löcher einen größeren Durchmesser (als die der Siebplatten) und sind teilweise abgedeckt. Die Plattentürme sind ziemlich effizient, aber sie sind teurer als die vollgepackten Türme.

Sprühkammern können mit oder ohne Verpackung sein. Die Flüssigkeit wird oben in Form eines Sprays eingebracht und fließt nach unten, während der Gasstrom horizontal oder vertikal sein kann. Diese sind im Allgemeinen weniger effizient als die gepackten Türme.

In Venturiwäschern werden sowohl Gas als auch Flüssigkeit am konvergierenden Ende eines Venturirohrs eingeführt und strömen gleichzeitig. In einigen Geräten wird die Flüssigkeit am Hals eingeführt. Wenn die Flüssigkeit in kleine Tröpfchen zerfällt, bietet sie eine große Kontaktfläche für den Stoffübergang. Sein Wirkungsgrad als Absorber ist gering.

Wenn geplant ist, entweder einen gepackten Turm oder einen Plattenturm zu verwenden, sollte der Gasstrom vorbehandelt werden, um Feststoffe zu entfernen, da sich sonst die Partikel im Turm ansammeln und dadurch verstopfen können. Wenn jedoch eine Sprühkammer (ohne Packung) oder ein Venturiwäscher als Absorber verwendet wird, ist eine Vorreinigung des Gases nicht unbedingt erforderlich

Design-Ansatz für verpackte Tower:

Da gepackte Absorptionskolonnen häufiger zum Absorbieren gasförmiger Schadstoffe aus Gasströmen verwendet werden, wird der Entwurfsansatz einer solchen Kolonne nachfolgend beschrieben.

Vor der Absorption in einer gepackten Säule sollte ein einströmender Gasstrom den folgenden Vorbehandlungen unterzogen werden:

Das Abkühlen der einströmenden Gasströme würde dessen Volumenstrom reduzieren und die Löslichkeit des Schadstoffs bzw. der Schadstoffe in dem ausgewählten Lösungsmittel erhöhen. Infolgedessen wird die Größe des Absorbers geringer und die erforderliche Lösungsmittelmenge geringer.

Während der Absorption würde jeder der in einem Gasstrom vorhandenen Schadstoffe abhängig von seiner Löslichkeit in dem ausgewählten Lösungsmittel zu einem gewissen Ausmaß oder zu einem anderen Ausmaß entfernt werden. Ein Lösungsmittel wird hauptsächlich zum Entfernen eines bestimmten Schadstoffs ausgewählt und ein Absorber ist so gestaltet, dass er den gewünschten Grad der Entfernung dieses spezifischen Schadstoffs erreicht.

Bei der Auswahl eines geeigneten Lösungsmittels sind folgende Faktoren / Parameter zu berücksichtigen:

1. hohe Löslichkeit des anvisierten Absorbats

2. niedriger Dampfdruck des Lösungsmittels bei der Betriebstemperatur

3. Niedriger Preis

4. Toxizität niedrig / null und

5. Ob das Lösungsmittel zurückgewonnen und wiederverwendet werden soll.

Die für die Gestaltung eines Absorbers erforderlichen Daten und Informationen sind:

(i) maximale (erwartete) Flussrate des Trägergases, G Mol / Stunde;

(ii) Temperatur und Druck des einströmenden Gasstroms;

(iii) Konzentration des anvisierten Schadstoffs im Zufluss und dessen gewünschter Abtragungsgrad;

(iv) Löslichkeitsdaten / Gleichgewichtsverhältnis;

und (v) die Art der Verpackung, ihre Größe und andere Merkmale.

Sobald diese Informationen verfügbar sind, könnte man das Folgende anhand geeigneter Gleichungen berechnen und dadurch einen geeigneten Absorber entwerfen.

(i) erforderliche Fließgeschwindigkeit des Lösungsmittels, L mol / h,

(ii) Säulendurchmesser D,

(iii) Säulenhöhe Z

(iv) Druckabfall über dem Festbett.

Erforderliche Lösungsmittelrate:

Die minimale Lösungsmittelrate ( Lmjn ) kann unter der Annahme berechnet werden, dass das den Absorber verlassende Lösungsmittel bezüglich der Konzentration des gelösten Stoffes in dem einströmenden Gasstrom gesättigt würde. Abbildung 4.11 zeigt eine schematische Darstellung eines gepackten Absorbers.

Ein Ausdruck für L min wird erhalten, indem die Gleichgewichtsgleichung über einen Absorber neu angeordnet wird.

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

wobei X 1, * = Y 1 / m

X 1, X 2 = Konzentration des gelösten Stoffes im Lösungsmittel am Auslass bzw. am Einlass in Molverhältniseinheit,

Y 1, Y 2 = Konzentration der gelösten Gasphase am Einlass bzw. Auslass in Molverhältniseinheit.

In der Praxis wären X 2 und X 1 bekannt. Y 2 wäre durch seinen gewünschten Entfernungsgrad, dh die Entfernungseffizienz, auf Y 1 bezogen.

Y 2 = Y 1, (1 - ᶯ r ), ᶯ r = Entfernungseffizienz,

Bewertung von L min unter Verwendung von Gl. (4.48) wäre angemessen, wenn die Gleichgewichtsbeziehung linear wäre, dh Y = mX und m unabhängig von X. In den meisten Fällen wäre die Konzentration des gelösten Stoffs (Schadstoffs) in der Gasphase niedrig und daher wäre m unabhängig von X.

Die tatsächliche Lösungsmittelrate wird normalerweise als angenommen

L ist, = 1-25 bis 2, 0 mal L min .

Es sollte hier darauf hingewiesen werden, dass ein Absorber niemals so ausgelegt wird, dass er L actual - L min nimmt, da dies zu einem sehr hohen Wert von Z Q führen würde .

Wenn L actual erhöht wird, würde sich die berechnete Säulenhöhe verringern, der Säulenquerschnitt würde jedoch zunehmen. Der tatsächliche L- Wert sollte abschließend aus Sicht der Gesamtkosten (Anschaffungskosten plus Betriebskosten) festgelegt werden. Ein weiterer Faktor, der bei der Schätzung von List berücksichtigt werden sollte, ist der Mindestflüssigkeitsgrad, der zum Benetzen der Packungen in der Säule erforderlich ist.

Säulendurchmesser

Bei einer gegebenen Gas- und Flüssigkeitsdurchflussrate, wenn der Kolonnendurchmesser verringert wird, würde die Flüssigkeit (in jedem Moment die Flüssigkeitsmasse in der Kolonne) in der Kolonne ansteigen. Dies würde zu einer Verringerung des verfügbaren Hohlraums für den Gasstrom durch die Säule führen. Folglich würde die Gasgeschwindigkeit (linear) zunehmen und der gasseitige Druckabfall über das Bett würde ebenfalls zunehmen.

Ein höherer gasseitiger Druckabfall behindert den Flüssigkeitsstrom. Wenn der Säulendurchmesser weiter verringert wird, wird die Säule mit Flüssigkeit gefüllt. Dieser Zustand wird als Fluten bezeichnet. Die Gasmassengeschwindigkeit in diesem Zustand wird als Flutgeschwindigkeit bezeichnet. Die Betriebsgasgeschwindigkeit beträgt 60 bis 75% der Flutgeschwindigkeit. Basierend auf der tatsächlichen Betriebsgasgeschwindigkeit wird die Säulenquerschnittsfläche unter Verwendung von Gl. (4.49).

Wobei A col = Spaltenquerschnittsfläche ist,

G n = oberflächliche Gasmassengeschwindigkeit bei Flutung

F = Bruchteil der Flutgeschwindigkeit, für den ein Säulenquerschnitt auf 0, 6 bis 0, 75 geschätzt wird.

Und M g = Molekulargewicht des Gases (Gemisches).

Gn hängt von den physikalischen Eigenschaften des Gases und der Flüssigkeit ab, wie pg, pL, µL, den Packungseigenschaften und dem Verhältnis von Flüssigkeit zu Gasmassenstrom. Es kann mit Hilfe von Plots geschätzt werden, die in Standardbüchern zum Massentransfer verfügbar sind.

Spaltenhöhe:

Die Gleichgewichtsgleichgewichtsgleichung eines stationären Zustands über eine gepackte Elementarhöhe (Fig. 4.11) einer Spalte kann als geschrieben werden

In Anbetracht der Tatsache, dass der gelöste Stoff von der Gasphase in die flüssige Phase überführt wird, kann (4.50) umgeschrieben werden als

wobei a = Packungsfläche pro Packungsbettvolumeneinheit.

Um einen Ausdruck für die Höhe des gepackten Betts Gl. (4.51) wird neu angeordnet und integriert. Die resultierende Gleichung lautet

Die so berechnete Z 0 steht für die Höhe des gepackten Abschnitts eines Absorbers, die erforderlich ist, um die Schadstoffkonzentration in der Gasphase von Y 1 auf Y 2 zu reduzieren. Die tatsächliche Höhe einer Kolonne wäre größer als Z 0, um Platz für einen Demister und einen Flüssigkeitsverteiler oben zu schaffen, Flüssigkeitsumverteiler zwischen den gepackten Abschnitten, einen Gasverteiler, einen Packungshalter und eine Flüssigkeitssiegelung unten.

Druckabfall in einem vollgepackten Turm:

Um den Druckabfall über einen gepackten Abschnitt einer Kolonne abzuschätzen, wird AP / Z (Druckabfall pro Packungsbetthöhe) anhand der bereits festgelegten Betriebsparameter, der physikalischen Eigenschaften des Gas-Flüssigkeits-Systems und der Packungseigenschaften ermittelt Verwendung der in Büchern über Massentransfer verfügbaren Informationen. Anhand dieser Informationen wird der Druckabfall über ein gepacktes Bett mit Hilfe von Gl. (4.53)

Der tatsächliche Druckabfall über einem Turm wäre höher als der mit Gl. (4.53) wegen der zuvor erwähnten Turmeinbauten mit Ausnahme der Verpackung.


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