Adsorption gasförmiger Schadstoffe
Lesen Sie diesen Artikel, um mehr über die Adsorption gasförmiger Schadstoffe bei der Konstruktion von Festbettadsorbern zu erfahren.
Einführung in die Adsorption gasförmiger Schadstoffe:
Wenn eine Flüssigkeit, die einige dispergierte Substanzen enthält, mit einigen speziell behandelten / hergestellten festen Teilchen in Kontakt gebracht wird, können die Moleküle der dispergierten Substanzen auf den Oberflächen der festen Teilchen zurückgehalten werden. Dieses Phänomen wird als Adsorption bezeichnet.
Das feste Material wird als Adsorbens bezeichnet und die auf einem Adsorbens zurückgehaltene Substanz wird als Adsorbat bezeichnet. Adsorption ist nicht nur eine wirksame Methode zur Entfernung von Schadstoffen aus gasförmigen Strömen, sondern auch zur Verminderung von durch Wasser übertragenen Schadstoffen. Das Phänomen der Adsorption wurde experimentell untersucht, und es wurden verschiedene Theorien vorgeschlagen, um die Beobachtungen zu erklären. Eine Theorie, die die meisten Beobachtungen erklären könnte, muss jedoch noch entwickelt werden.
Es wird vermutet, dass eine Wechselwirkung zwischen den Adsorbatmolekülen und den aktiven Stellen auf der Adsorbensoberfläche die Retention eines Adsorbats an einem Adsorbens verursacht. Die interaktive Kraft, die zur Adsorption führt, wurde theoretisch entweder physikalischer oder chemischer Natur. Wenn ein Adsorbat aufgrund einer physikalischen Anziehungskraft gehalten wird, wird der Vorgang als physikalische Adsorption bezeichnet.
Die dabei entstehende Wärmemenge ist nahezu gleich der latenten Kondensationswärme des Adsorbats. Die Anziehungskraft, die eine physikalische Adsorption bewirkt, ist von Natur aus schwach, daher können die adsorbierten Moleküle von den Feststoffteilchen entweder durch Erhöhen der Systemtemperatur oder durch Verringern des Partialdrucks des Adsorbats (durch Evakuieren oder Durchleiten) entfernt (desorbiert) werden Inertgas) oder durch die kombinierte Wirkung der beiden. Der Desorptionsprozess ist endotherm.
In einigen Fällen bleibt ein Adsorbat aufgrund chemischer Bindung zwischen den beiden auf einer Adsorbensoberfläche zurück. Dies bedeutet nicht, dass sich eine neue chemische Verbindung bildet, sondern die Haftkraft ist ziemlich stark. Ein solches Verfahren wird als Chemisorption bezeichnet. Es zeichnet sich durch die Entwicklung einer relativ großen Wärmemenge aus, die in der Größenordnung der einer exothermen chemischen Reaktion ähnelt. Die Chemisorption ist nahezu irreversibel. Während der Entfernung einer chemisorbierten Substanz unterliegen die Adsorbatmoleküle häufig chemischen Veränderungen.
Da sowohl Chemisorption als auch physikalische Adsorption auf der Adsorbensoberfläche stattfinden, sollte ein gutes Adsorbens eine große spezifische Oberfläche (Oberfläche pro Masseneinheit) aufweisen. Die spezifische Oberfläche nimmt mit der Abnahme der Partikelgröße und der Porosität der Adsorbenspartikel zu. Um ein gutes Adsorbens zu sein, sollten die Feststoffteilchen nicht nur eine hohe spezifische Fläche haben, sondern auch geeignete interaktive Kraft- / Wirkstellen in Bezug auf das spezifische Adsorbat besitzen.
Die pro Masseeinheit eines Adsorbens zurückgehaltene Masse an Adsorbat würde sich auf die Adsorbatkonzentration in der Flüssigkeit im Gleichgewicht bei einer gegebenen Temperatur beziehen. Basierend auf Langmuirs Analyse des Phänomens kann die Gleichgewichtsbeziehung als ausgedrückt werden
X * i = mY i 1 / n …… …………………… (4.54)
wobei X * i = Masse des Adsorbats, die pro Masseneinheit eines Adsorbens zurückgehalten wird, und Yi = Masse des Adsorbats, das in einer Masseneinheit des Fluids (Trägergas) im Gleichgewicht vorhanden ist.
m und n sind spezifische Konstanten für ein bestimmtes Adsorbat-Adsorbens-System. Sie sind temperaturabhängig.
Für n ≤ 1 wird der Adsorptionsprozess als günstig angesehen und für n> 1 ist er ungünstig. Für ein bestimmtes Adsorbat-Adsorbens-System hängen die numerischen Werte von m und n vom Herstellungsprozess des Adsorbens ab. Diese werden experimentell bewertet.
Sobald ein Adsorbens ein Gleichgewicht in Bezug auf ein Adsorbat erreicht hat, könnte es das Adsorbat nicht weiter absorbieren. Das Adsorbens muss zur Wiederverwendung entweder verworfen oder regeneriert werden. Zur Regeneration eines Adsorbens und / oder zur Wiedergewinnung des Adsorbats wird im Allgemeinen das verbrauchte Adsorbens erhitzt, während ein Inertgasstrom darüber geleitet wird.
Im Falle eines physikalischen Adsorptionsprozesses wird normalerweise Dampf oder Luft mit mäßiger Temperatur (100 ° C oder mehr) verwendet. Die desorbierte Substanz kann vor ihrer Entsorgung gesammelt (falls wertvoll) oder weiterbehandelt werden. Zur Regeneration eines Adsorbens aus einem Chemisorptionsverfahren wird jedoch Luft bei hoher Temperatur über das verbrauchte Adsorbens geleitet, wodurch die adsorbierte Substanz oxidiert und entfernt wird.
Kommerziell verwendete Adsorbentien sind Aktivkohle, Siliciumdioxid, Silicagel, Molekularsiebe (Aluminiumoxidsilikate), Aluminiumoxid und einige andere Metalloxide. Das am häufigsten verwendete Adsorbens ist Aktivkohle in Granulatform (GAC).
Üblicherweise verwendete Adsorber sind Festbetttypen, die im Takt betrieben werden. Ein Festbettadsorber besteht aus einem Gehäuse, das ein Bett aus körnigen absorbierenden Partikeln enthält. Wenn ein Fluidstrom, der den Schadstoff (Adsorbat) trägt, durch das Bett fließt, wird der Schadstoff adsorbiert.
Allmählich werden die Adsorbenspartikel gesättigt. Sobald der Schadstoff in dem behandelten Strom ein vorbestimmtes Niveau erreicht, wie es in den Umweltnormen festgelegt ist, wird der Adsorptionsprozess abgebrochen und das Bett regeneriert. Nach der Regeneration des Bettes wird es wieder in Betrieb gesetzt.
Ein Adsorbersystem kann mehrere Konfigurationen haben. Das einfachste wäre ein Zwei-Bett-System, bei dem, wenn ein Bett regeneriert wird, das andere online ist. Eine bessere Anordnung wäre ein Drei-Betten-System, bei dem zwei Betten in Reihe betrieben werden, während das dritte regeneriert würde. In einem solchen Aufbau dient das zweite Bett als Polierbett. Wenn der Volumenstrom eines zu behandelnden Fluidstroms ziemlich groß ist, können mehrere Einheiten parallel betrieben werden.
Andere als Festbett-, Fließbett- und Fließbettadsorber werden ebenfalls verwendet. Sie werden ohne Unterbrechung zur Regeneration betrieben. Von diesen Betten werden teilweise verbrauchte Adsorbenspartikel entfernt, außerhalb der Betten regeneriert und kontinuierlich zurückgegeben. In solchen Einheiten werden die Adsorbenspartikel durch Abrieb zwischen den Partikeln sowie durch Wandabrieb einem Abrieb ausgesetzt.
Der Feststoffstrom in diesen Adsorbern ist möglicherweise nicht gleichmäßig. Das Aufhalten des Adsorbens wäre jedoch viel geringer als bei einem Festbettsystem mit der gleichen Kapazität. Da die Regeneration außerhalb des Adsorbers erfolgt, kann sie erforderlichenfalls unter drastischen Bedingungen durchgeführt werden.
Designansatz für Festbettadsorber:
Wenn ein Fluidstrom, der ein Adsorbat enthält, in einen Festbettadsorber eintritt, findet der Großteil der Adsorption am Zufuhrende statt, um damit zu beginnen. Allmählich werden die nahe dem Zufuhrende vorhandenen Adsorbenspartikel mit Adsorbat gesättigt und die effektive Adsorptionszone verschiebt sich in Richtung des Austrittsendes. Der Teil eines Adsorbers, an dem der größte Teil der Adsorption stattfindet, wird als effektive Adsorptionszone bezeichnet. Abbildung 4.12 zeigt die progressive Sättigung eines Adsorbensbettes in einem Adsorber während des Prozesses. Es zeigt auch, dass die effektive Adsorptionszone (Z Q ) schließlich das Austrittsende erreicht.
Abbildung 4.13 zeigt, dass die Adsorbatkonzentration (Y) im behandelten Strom mit fortschreitender Operation steigt und schließlich zum Zeitpunkt ϴ = ϴ B die Konzentration zu Y B wird . Wenn das Adsorbat ein Schadstoff ist, würde Y B aus Sicht der Umweltverschmutzung für seine maximal zulässige Emissionskonzentration stehen. Die Zeit ϴ B wird als Durchbruchzeit bezeichnet.
Eine Fortsetzung des Adsorptionsprozesses über ϴ B hinaus würde zu einer weiteren Erhöhung der Schadstoffkonzentration über YB im behandelten Abwasserstrom führen. Bei ϴ = ϴ B ist der Betrieb einzustellen und das Bett zu regenerieren.
Bei der Konstruktion eines Festbettadsorbers zur Verminderung gasförmiger Schadstoffe muss dessen Querschnittsfläche und Packungshöhe geschätzt werden, um eine vorab ausgewählte "Durchbruchzeit" B zu erhalten .
Die folgenden Informationen sind für Designzwecke erforderlich:
1. Flussrate des Zuflussstroms, G;
2. Schadstoffkonzentration im Zulauf
3. die maximal zulässige Schadstoffkonzentration im behandelten Abwasser, Y B ;
4. Vorausgewählte Durchbruchzeit ' B und
5. Eigenschaften des ausgewählten Adsorbens.
Die Säulenquerschnittsfläche eines Adsorbers kann unter Verwendung des folgenden Ausdrucks geschätzt werden:
Normalerweise liegt für kommerzielle Einheiten die verwendete Oberflächengasgeschwindigkeit im Bereich von 6 bis 24 m / min. Wenn mit einer höheren Geschwindigkeit gearbeitet wird, wäre der Druckabfall über dem Bett höher und folglich die Betriebskosten (Energiekosten) höher. Zur Schätzung des Kolonneneinlass- und -auslassrohrdurchmessers wird die Gasgeschwindigkeit im Bereich von 600 bis 900 m / min gewählt. Für die Abschätzung der Höhe des gepackten Betts L 0 wird a ϴ B angenommen . Basierend auf diesem und den Eigenschaften des ausgewählten Adsorbens kann die Höhe des gepackten Betts L 0 entweder unter Verwendung eines Daumenregelansatzes oder eines analytischen Ansatzes berechnet werden.
Für die Ermittlung der Schütthöhe unter Verwendung einer Daumenregelmethode sind folgende Informationen erforderlich: (i) die "Adsorptionskapazität" (X c ) des ausgewählten Adsorbens und (ii) die Schüttdichte (p b ) des Adsorbens. Die Adsorptionskapazität X c ist definiert als die Masse des Adsorbats, die eine Einheitsmasse eines Adsorbens adsorbieren kann, während ein einströmender Gasstrom mit einer Schadstoffkonzentration Y 0 behandelt wird, wodurch die Schadstoffkonzentration auf den zulässigen Grenzwert Y B in dem behandelten Gas verringert wird .
X c und p b können entweder von einem Adsorbens-Hersteller / Lieferanten erhalten werden oder experimentell in einem Labor geschätzt werden. Laborbasierte Daten wären für Designzwecke zuverlässiger. Sobald diese Daten verfügbar sind, kann die Gesamtmasse des Adsorbens unter Verwendung von Gl. (4, 55).
Die entsprechende Betthöhe (L 0 ) kann unter Verwendung von Gl. (4.56)
Die Betthöhe L 0 kann gemäß dem analytischen Ansatz unter Verwendung von Gl. (4.57)
wobei degree = Sättigungsgrad des gesamten Adsorbensbettes zum Zeitpunkt d B, ausgedrückt als Bruchteil,
und X s = Schadstoffkonzentration am Adsorbens im Gleichgewicht mit der Gasphasenkonzentration Y 0, ausgedrückt als Gewichtsverhältnis.
X x kann entweder unter Verwendung von Gl. (4.54) oder unter Verwendung experimentell erhaltener Gleichgewichtsdaten.
Es sei hier angemerkt, dass zum Zeitpunkt ϴB ab Beginn des Prozesses der Hauptteil des Betts (außer der Adsorptionszone Za nahe dem Ausgangsende der Kolonne) gesättigt wäre. Die Zone Z a wäre teilweise gesättigt. Also kann ϴ ausgedrückt werden als
Es ist nun offensichtlich, dass man zuerst f und Z a schätzen muss, um L 0 zu finden.
Die Gasphasenmaterialbilanzgleichung eines Adsorbats über eine Elementbetthöhe dZ in der Adsorptionszone ZQ über ein Zeitintervall dϴ kann als geschrieben werden
Wobei ɛ = Hohlraumanteil und a = Oberfläche pro Packungsvolumeneinheit.
Der letzte Ausdruck auf der rechten Seite von Gl. (4.60), klein im Vergleich zu den anderen Ausdrücken, kann vernachlässigt werden und die Gleichung kann als neu geschrieben werden
Die integrierte Form von Gl. (4.61) kann geschrieben werden als
und Y * = Gleichgewichtsgasphasen-Schadstoffkonzentration entsprechend der Konzentration an adsorbiertem Schadstoff X auf der Adsorbensoberfläche.
kann numerisch oder grafisch ausgewertet werden, indem ein Diagramm ähnlich wie in Abb. 4.14 verwendet wird. Es ergibt sich jedoch ein Problem dahingehend, dass es Y = Y 0, y * = Y 0 entspricht und daher wäre N OG unendlich. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, wird N OG als angenähert
wobei Ye ein Zahlenwert zugewiesen wird, der etwas kleiner als K 0 ist
Um H OG zu schätzen, müssen die numerischen Werte von K y und a bekannt sein. In Ermangelung solcher Informationen kann mit Hilfe von Abb. 4.15 eine Schätzung von H oc vorgenommen werden, für die die erforderlichen Informationen p und d p sind .
wobei bed = Betthohlraumanteil,
und d p = durchschnittlicher Adsorbens-Partikeldurchmesser
Nach der Bewertung von Z a mit Gl. (4.62) ist f numerisch mit Gl. (4, 59). Zum Schluss werden ϴ und L O mit Gl. (4.58) und Gl. (4.57).
Beispiel 4.4:
Ein Festbettadsorber ist für die Adsorption von Aceton aus Luft mit einer Anfangskonzentration von Y 0 = 0, 024 kg Aceton / kg bei 30 ° C unter Verwendung von Aktivkohlegranulat (GAC) ausgelegt. Die volumetrische Gasströmungsrate beträgt 12000 m 3 / h. Die zulässige Acetonkonzentration (Y B ) im behandelten Gas kann als 0, 001 kg Aceton / kg Luft und die Schüttdichte von GAC (p b ) als 400 kg / m 3 angenommen werden . Die Gleichgewichtsdaten sind nachstehend aufgeführt.
Lösung:
Wenn keine weiteren spezifischen Informationen zu diesem Designproblem vorhanden sind, wird Folgendes angenommen:
Unter Verwendung der angenommenen Werte von ϴ B, der Oberflächengeschwindigkeit und H QG und der im Problem angegebenen Informationen wird die Höhe des gepackten Adsorbers L 0 mit Hilfe des Daumenregelansatzes unter Verwendung der folgenden Gleichungen / Beziehungen geschätzt:
Schließlich wird die Packungshöhe L 0 des Adsorbers akzeptiert, die unter Verwendung von Gl. (4.56) wird ϴ B nach dem analytischen Ansatz neu berechnet.
Die Aufzeichnung der gelieferten Gleichgewichtsdaten und das Zeichnen einer geeigneten Arbeitslinie ergab eine Abbildung ähnlich der in Abb. 4.14. Aus dieser Zahl ergibt sich ein Wert von Xs von 0, 177. Für die Abschätzung N OG und f durch numerische Integration werden die erforderlichen Werte von Y, X und Y * aus der Figur und die berechneten Werte von gelesen
