Adsorbimento di inquinanti gassosi

Leggi questo articolo per conoscere l'adsorbimento di inquinanti gassosi con un approccio di progettazione di un letto fisso.

Introduzione all'adsorbimento di inquinanti gassosi:

Quando un fluido contenente alcune sostanze disperse viene portato a contatto con alcune particelle solide appositamente trattate / preparate, le molecole delle sostanze disperse possono essere trattenute sulle superfici delle particelle solide. Questo fenomeno è definito come adsorbimento.

Il materiale solido è indicato come un adsorbente e la sostanza trattenuta su un adsorbente è definita come adsorbato. L'adsorbimento non è solo un metodo efficace per la rimozione di inquinanti dai flussi gassosi, ma anche per l'abbattimento degli inquinanti trasportati dall'acqua. Il fenomeno dell'adsorbimento è stato studiato sperimentalmente e varie teorie sono state proposte per spiegare le osservazioni. Ma una teoria, che potrebbe spiegare la maggior parte delle osservazioni, deve ancora essere sviluppata.

Si presume che un'interazione tra le molecole di adsorbato e i siti attivi sulla superficie adsorbente causi la ritenzione di un adsorbato su un adsorbente. La forza interattiva, che comporta l'adsorbimento, è stata teorizzata come di natura fisica o chimica. Quando un adsorbato viene trattenuto a causa della forza fisica attraente, il processo viene definito adsorbimento fisico.

La quantità di calore sviluppata durante questo processo è quasi la stessa del calore latente di condensazione dell'adsorbato. La forza attrattiva, che provoca adsorbimento fisico, è debole in natura, quindi le molecole adsorbite possono essere rimosse (desorbite) dalle particelle solide alzando la temperatura del sistema o riducendo la pressione parziale dell'adsorbato (mediante evacuazione o passando un gas inerte) o dall'effetto combinato dei due. Il processo di desorbimento è endotermico.

In alcuni casi un adsorbato viene trattenuto su una superficie adsorbente a causa del legame chimico tra i due. Ciò non significa che si formi un nuovo composto chimico, ma la forza di adesione è piuttosto forte. Tale processo è definito come chemisorbimento. È caratterizzato dall'evoluzione di una relativamente grande quantità di calore, che è simile in grandezza a quella di una reazione chimica esotermica. Il chemisorbimento è quasi un processo irreversibile. Durante la rimozione di una sostanza chemisorbita le molecole di adsorbato spesso subiscono cambiamenti chimici.

Poiché sia ​​il chemisorbimento che l'adsorbimento fisico si verificano sulla superficie adsorbente, un buon adsorbente dovrebbe avere una superficie specifica ampia (superficie per unità di massa). L'area superficiale specifica aumenta con la diminuzione delle dimensioni delle particelle e l'aumento della porosità delle particelle adsorbenti. Per essere un buon adsorbente le particelle solide non dovrebbero avere solo un'area specifica alta ma anche possedere una corretta forza interattiva / siti attivi rispetto allo specifico adsorbato.

La massa di adsorbato trattenuto per unità di massa di un adsorbente sarebbe correlata alla concentrazione di adsorbato nel fluido all'equilibrio ad una data temperatura. Sulla base dell'analisi del fenomeno di Langmuir, la relazione di equilibrio può essere espressa come

X * _i = mY _i ^{1 / n} ...... ........................... (4.54)

dove X * _i = massa di adsorbato che ho trattenuto per unità di massa di un adsorbente, e Y _i = massa di adsorbato presente in una unità di massa del fluido (gas di trasporto) in equilibrio.

me n sono costanti specifiche per uno specifico sistema adsorbente-adsorbente. Sono dipendenti dalla temperatura.

Per n ≤ 1, il processo di adsorbimento è considerato favorevole e per n> 1 non è favorevole. Per uno specifico sistema adsorbente-adsorbente i valori numerici di m ed n dipendono dal processo di fabbricazione dell'adsorbente. Questi sono valutati sperimentalmente.

Una volta che l'adsorbente ha raggiunto l'equilibrio rispetto ad un adsorbato, non sarebbe in grado di assorbire ulteriormente l'adsorbato. L'adsorbente deve essere scartato o rigenerato per il riutilizzo. Per la rigenerazione di un adsorbente e il recupero dell'adsorbato, generalmente l'adsorbente esaurito viene riscaldato mentre viene attraversato da un flusso di gas inerte.

Nel caso di un processo di adsorbimento fisico, viene normalmente utilizzato vapore o aria a temperatura moderata (100 ° C o più). La sostanza desorbita può essere raccolta (se di valore) o ulteriormente trattata prima dello smaltimento. Tuttavia, per la rigenerazione di un adsorbente da un processo di chemisorbimento, l'aria ad alta temperatura viene fatta passare sopra l'adsorbente esaurito per cui la sostanza adsorbita viene ossidata e rimossa.

Gli adsorbenti utilizzati commercialmente sono carbone attivo, silice, gel di silice, setacci molecolari (silicati di allumina), allumina e alcuni altri ossidi metallici. L'adsorbente più comunemente utilizzato è il carbone attivo granulare (GAC).

Gli adsorbitori comunemente usati sono a letto fisso, che funzionano in cicli. Un adsorbitore a letto fisso è costituito da un alloggiamento contenente un letto di particelle assorbenti granulari. Come una corrente fluida che trasporta h inquinante (adsorbato) scorre attraverso il letto, l'inquinante viene adsorbito.

A poco a poco le particelle assorbenti si saturano. Una volta che l'inquinante nella corrente trattata raggiunge un livello predeterminato come previsto dagli standard di controllo dell'inquinamento, il processo di adsorbimento viene interrotto e il letto viene rigenerato. Dopo la rigenerazione del letto, viene rimesso in funzione.

Un sistema di adsorbimento può avere diverse configurazioni. Il più semplice sarebbe un sistema a due letti in cui quando un letto viene rigenerato l'altro sarà online. Una soluzione migliore sarebbe un sistema a tre letti in cui due letti sono gestiti in serie mentre il terzo verrà rigenerato. In tale configurazione il secondo letto funge da letto di lucidatura. Quando la portata volumetrica di una corrente di fluido da trattare è piuttosto grande, allora è possibile utilizzare più unità parallelamente.

Vengono utilizzati anche altri tipi di letto fisso, letto fluido e adsorbitori mobili. Sono operati senza alcuna interruzione per la rigenerazione. Da questi letti vengono rimosse particelle adsorbenti parzialmente spente, rigenerate all'esterno dei letti e restituite in modo continuo. In tali unità le particelle adsorbenti subiscono attrito a causa dell'abrasione inter-particellare, nonché a causa dell'abrasione della parete.

Il flusso di particelle solide in questi adsorbitori potrebbe non essere regolare. Tuttavia, la tenuta di adsorbente sarebbe molto inferiore rispetto a quella di un sistema a letto fisso avente la stessa capacità. Poiché la rigenerazione avviene al di fuori del dispositivo di adsorbimento, può essere eseguita in condizioni drastiche, se necessario.

Approccio alla progettazione di Adsorber per letto fisso:

Quando una corrente fluida contenente un adsorbato entra in un adsorbitore a letto fisso, la maggior parte dell'adsorbimento avviene all'inizio del feed per iniziare. A poco a poco le particelle adsorbenti presenti vicino alla fine dell'alimentazione si saturano di adsorbato e l'effettiva zona di adsorbimento si sposta verso la fine dell'uscita. Quella parte di un adsorbitore in cui si verifica la maggior parte dell'adsorbimento viene definita zona di adsorbimento effettiva. La Figura 4.12 mostra la saturazione progressiva di un letto adsorbente in un adsorbitore durante il processo. Mostra anche che la zona di adsorbimento effettiva ( _ZQ ) raggiunge infine la fine dell'uscita.

La figura 4.13 mostra che la concentrazione di adsorbato (Y) nella corrente trattata aumenta con il progredire dell'operazione e infine nel tempo Θ = Θ _B la concentrazione diventa Y _B. Se l'adsorbato è un inquinante, allora Y _B rappresenterebbe la concentrazione di emissione massima consentita dal punto di vista dell'inquinamento ambientale. Il tempo Θ _B è indicato come tempo di attraversamento.

La continuazione del processo di adsorbimento oltre Θ _B comporterebbe un ulteriore aumento della concentrazione di inquinanti oltre Y _B nella corrente degli effluenti trattati. A Θ = Θ _B l'operazione deve essere interrotta e il letto deve essere rigenerato.

Nel progettare un sistema di adsorbimento a letto fisso per l'abbattimento degli inquinanti gassosi si deve stimare la sua area della sezione trasversale e la sua altezza imballata in modo da avere un "tempo di attraversamento" preselezionato Θ _B.

Le seguenti informazioni sarebbero necessarie per la progettazione:

1. Portata del flusso influente, G;

2. Concentrazione di inquinanti nell'influente,

3. La concentrazione massima ammissibile di inquinante nell'effluente trattato, Y _B ;

4. 'Tempo di attraversamento' preselezionato Θ _B, e

5. Caratteristiche dell'adsorbente selezionato.

L'area della sezione trasversale della colonna di un adsorbitore può essere stimata utilizzando la seguente espressione:

Normalmente per unità commerciali la velocità del gas superficiale impiegata è compresa tra 6 e 24 m / min. Se operasse ad una velocità maggiore, la caduta di pressione attraverso il letto sarebbe più alta e di conseguenza il costo operativo (energia) sarebbe maggiore. Per stimare il diametro del tubo di ingresso e di uscita della colonna, la velocità del gas viene selezionata nell'intervallo 600-900 m / min. Per la stima dell'altezza del letto impaccato, L ₀, si presuppone un Θ _B. Sulla base di questo e delle caratteristiche dell'adsorbente selezionato, l'altezza del letto impaccato L _O può essere calcolata utilizzando un approccio con regola del pollice o un approccio analitico.

Per trovare l'altezza del letto imballato usando un approccio con regola del pollice, le informazioni richieste sono: (i) la 'capacità di adsorbimento' (X _c ) dell'adsorbente selezionato e (ii) la densità apparente (p _b ) dell'adsorbente. La capacità di adsorbimento X _c è definita come la massa di adsorbato che una massa unitaria di un adsorbente può adsorbire durante il trattamento di una corrente di gas influente con una concentrazione di inquinanti Y _O e quindi ridurre la concentrazione di inquinanti al suo valore limite ammissibile Y _B nel gas trattato .

X _c e p _b possono essere ottenuti da un produttore / fornitore adsorbente o stimati sperimentalmente in un laboratorio. I dati basati sul laboratorio sarebbero più affidabili per la progettazione. Una volta disponibili questi dati, è possibile calcolare la massa totale di adsorbente richiesta utilizzando l'Eq. (4.55).

L'altezza del letto corrispondente (L ₀ ) può essere ottenuta utilizzando l'Eq. (4.56)

L'altezza del letto L ₀ può essere calcolata secondo l'approccio analitico usando l'Eq. (4.57)

dove Θ = grado di saturazione del letto adsorbente totale al tempo d _B, espresso come frazione,

e X _s = concentrazione di inquinanti sull'adsorbente in equilibrio con la concentrazione di fase gassosa Y ₀ espressa come rapporto in peso.

X _x può essere stimato usando Eq. (4.54) o utilizzando dati di equilibrio ottenuti sperimentalmente.

Si dovrebbe notare qui che al tempo Θ _B dall'inizio del processo, la parte principale del letto (eccetto la zona di adsorbimento Z _a vicino all'estremità di uscita della colonna) sarebbe saturata. La zona Z _a sarebbe parzialmente saturata. Quindi Θ può essere espresso come

È ora evidente che per trovare L ₀ bisogna prima valutare f e Z a.

L'equazione dell'equilibrio del materiale in fase gassosa di un adsorbato su un'altezza del letto elementare dZ nella zona di adsorbimento Z _Q su un intervallo di tempo dΘ può essere scritta come

Dove ɛ = frazione del vuoto e a = area superficiale per unità di volume imballato.

L'ultimo termine sul lato destro dell'Eq. (4.60), essendo piccolo rispetto agli altri termini, può essere trascurato e l'equazione può essere riscritta come

La forma integrata di Eq. (4.61) può essere scritto come

e Y * = concentrazione inquinante della fase gassosa di equilibrio corrispondente alla concentrazione di sostanza inquinante adsorbita X sulla superficie adsorbente.

può essere valutato numericamente o graficamente prendendo l'aiuto di un grafico simile alla Fig. 4.14. Tuttavia, sorge un problema corrispondente a Y = Y _O, y * = Y ₀ e quindi N _OG sarebbe infinito. Per aggirare questa difficoltà N _OG è approssimata come

dove a Ye è assegnato un valore numerico leggermente inferiore a K ₀

Per stimare H _OG è necessario conoscere i valori numerici di K _y e a. In assenza di tali informazioni si può avere una stima di H _oc con l'aiuto di Fig. 4.15 per cui le informazioni richieste sono ɛ _ep d.

dove ɛ = frazione di vuoto letto,

e d _p = diametro medio della particella adsorbente

Dopo la valutazione di Z _a usando Eq. (4.62), f deve essere calcolato numericamente usando l'Eq. (4.59). Alla fine Θ e L _O vengono valutati usando l'Eq. (4.58) ed Eq. (4.57) rispettivamente.

Esempio 4.4:

Un adsorbitore a letto fisso deve essere progettato per l'adsorbimento di acetone dall'aria avente una concentrazione iniziale, Y ₀ = 0, 024 kg di acetone / kg di aria a 30 ° C utilizzando carbone attivo granulato (GAC). La portata del gas volumetrico è di 12000 m ³ / ora. La concentrazione di acetone ammissibile (Y _B ) nel gas trattato può essere pari a 0, 001 kg di acetone / kg di aria e densità apparente di GAC (p _b ) di 400 kg / m ³ . I dati di equilibrio sono elencati di seguito.

Soluzione:

In assenza di altre informazioni specifiche relative a questo problema di progettazione, si assume quanto segue:

Usando i valori assunti di Θ _B, la velocità superficiale e _QG H e le informazioni specificate nel problema, l'altezza dell'ammortizzatore compattato L ₀ viene stimata con l'aiuto dell'approccio della regola del pollice che utilizza le seguenti equazioni / relazioni:

Accettando infine l'altezza del contenitore di adsorbimento L ₀ come calcolato usando l'Eq. (4.56), Θ _B viene ricalcolato seguendo l'approccio analitico.

Il tracciamento dei dati di equilibrio forniti e il disegno di una linea operativa appropriata hanno dato come risultato una figura simile a quella di Fig. 4.14. Da quella figura il valore di X _s risulta essere pari a 0.177. Per la stima N _OG ef per integrazione numerica, i valori richiesti di Y, X e Y * sono letti dalla figura e dai valori calcolati di