Assorbimento di inquinanti gassosi (con calcoli)

Leggi questo articolo per conoscere l'assorbimento degli inquinanti gassosi: 1. Introduzione al processo di assorbimento 2. Teoria dell'assorbimento 3. Apparecchiatura di assorbimento e 4. Approccio al design a torre imballato.

Introduzione al processo di assorbimento:

Quando un gas di scarico contenente alcuni inquinanti gassosi viene messo in contatto diretto con un liquido, alcuni degli inquinanti possono essere trasferiti nel liquido. Questo processo di trasferimento può verificarsi a causa della solubilizzazione degli inquinanti nel liquido o a causa di reazioni chimiche degli inquinanti con il liquido o con alcune sostanze chimiche presenti nel liquido.

Il processo di trasferimento senza alcuna reazione chimica è definito come assorbimento fisico e quello con reazione chimica (s) è definito come assorbimento accompagnato da reazione chimica. Nel processo di assorbimento (fisico) il soluto (inquinante gassoso) è definito come assorbito e il solvente (liquido) come assorbente. Il gas che trasporta l'assorbito è indicato come gas di trasporto.

Questo processo è reversibile, cioè in determinate circostanze il trasferimento del soluto avviene dalla fase gassosa alla fase liquida e in alcune altre situazioni il trasferimento avviene nella direzione opposta. L'altro processo, cioè l'assorbimento accompagnato da una reazione chimica è irreversibile, cioè il trasferimento avviene solo dalla fase gassosa.

Il processo di assorbimento fisico avviene attraverso i seguenti passaggi:

1. Le molecole solute (gassose) migrano dalla massa della fase gassosa al confine della fase gas-liquido (interfaccia) mediante diffusione molecolare e / o parassita;

2. Trasferimento di molecole assorbite attraverso l'interfaccia;

3. Trasferimento delle molecole assorbite nella maggior parte dell'assorbente mediante diffusione molecolare e / o parassita.

Nel caso di un assorbimento accompagnato da un processo di reazione chimica, i primi due passaggi sono simili a quelli di un processo di assorbimento fisico. Tuttavia, durante la terza fase le molecole assorbite reagiscono con il reagente presente nell'assorbente e formano nuovi composti.

Teoria dell'assorbimento:

Il trasferimento di una specie chimica tra una fase gassosa e una fase liquida avviene a causa di una potenziale differenza della specie tra le fasi. Questa potenziale differenza è indicata come gradiente di potenziale chimico. Quando il potenziale chimico di una specie diventa lo stesso nelle due fasi in contatto tra loro, si dice che siano in equilibrio.

In questa condizione, nessun trasferimento netto delle specie avviene tra le fasi. Quando le fasi non sono in equilibrio rispetto a una specie, allora il suo trasferimento avviene dalla fase in cui il suo potenziale chimico è più alto rispetto all'altra fase in cui il suo potenziale è inferiore.

Il potenziale chimico di una specie in una particolare fase è correlato ma non è uguale alla sua concentrazione in quella fase. Quando due fasi, a contatto tra loro, raggiungono l'equilibrio rispetto a una specie, la sua concentrazione nelle rispettive fasi sarebbe correlata l'una con l'altra. Tale relazione è definita come relazione di equilibrio. La relazione di equilibrio di una specie chimica in un sistema gas-liquido può essere espressa come dipendente e può anche essere la concentrazione (x A ) dipendente.

Il valore numerico di H A dipende dal sistema soluto-solvente. Generalmente aumenta con l'aumento della temperatura.

Un'espressione alternativa della relazione di equilibrio è

La velocità di trasferimento di massa di una specie da una fase (gas) a un'altra fase (liquido) per unità di area interfacciale è espressa come

dove N a = moli del soluto A trasferiti dalla fase gassosa alla fase liquida per unità di superficie interfaccia per unità di tempo,

ky A, k XA = coefficiente di trasferimento di massa della singola fase gas / liquido rispettivamente,

Ky A, K xa = coefficiente di trasferimento di massa complessivo di fase gas / liquido rispettivamente,

y * = concentrazione della fase gassosa di equilibrio corrispondente alla concentrazione di fase liquida alla rinfusa X 1,

x * = concentrazione della fase liquida di equilibrio corrispondente alla concentrazione di fase gassosa in massa y g,

X 1, X 1 = concentrazione del soluto rispettivamente all'interfaccia e alla fase liquida sfusa.

y i, y g = concentrazione del soluto rispettivamente all'interfaccia e alla fase gassosa.

I coefficienti di trasferimento individuali e generali sono correlati.

L'equazione (4.45) e (4.46) mostrano la loro relazione.

Il coefficiente di trasferimento di massa individuale k x e ky può essere calcolato utilizzando equazioni empiriche generalmente espresse come α, m e n sono costanti i cui valori numerici dipendono dagli interni dell'assorbitore. Le informazioni pertinenti su questi possono essere trovate nei libri sul trasferimento di massa.

dove Sh = Sherwood, k l / D AB

Re = numero di Reynolds, lU ρ / μ

Sc = numero di Schmidt μ / ρ D AB

l = Dimensione caratteristica degli interni dell'assorbitore

U = velocità del fluido lineare nell'assorbitore

D AB = Diffusività molecolare della specie A in una miscela di specie A e B

μ = Viscosità fluida,

ρ = Densità del fluido

Attrezzatura di assorbimento:

Lo scopo di un'apparecchiatura di assorbimento è di portare una corrente di gas e una corrente liquida in intimo contatto l'uno con l'altro in modo che un soluto (un inquinante gassoso) possa essere facilmente trasferito dalla fase gassosa alla fase liquida. Si noti qui che con questo processo un inquinante viene semplicemente trasferito da una fase gassosa a una fase liquida e non viene convertito in una sostanza innocua. Se si desidera recuperare il soluto a causa del suo valore economico, allora deve essere desorbito successivamente dalla soluzione.

Le attrezzature che possono essere utilizzate per eseguire un processo di assorbimento sono: una torre impaccata, una torre a piastre, una camera di nebulizzazione e uno scrubber di Venturi. Di questi, l'attrezzatura più utilizzata è una torre impacchettata, che è abbastanza efficiente e relativamente meno costosa. È una colonna verticale cilindrica con le guarnizioni al suo interno.

L'imballaggio può essere fatto di plastica o metallo o ceramica, che forniscono una superficie maggiore per unità di volume imballato per contatto gas-liquido. Sono disponibili confezioni di diverse geometrie e dimensioni. I criteri per la scelta della geometria e delle dimensioni dell'imballaggio sono una grande area superficiale, un alto numero di letti e una riduzione dei costi. La frazione del letto più alta offre meno resistenza al flusso di gas e liquido.

Gli altri componenti interni di un letto imballato sono un distributore di liquidi, ridistributori, un supporto di imballaggio e un distributore di gas. Normalmente in una torre impaccata il liquido scorre verso il basso sulla superficie di imballaggio sotto forma di film e il gas scorre attraverso lo spazio vuoto oltre i film liquidi.

Le torri del piatto sono di tre tipi differenti: piatto del setaccio, piatto del cappuccio della bolla e vassoio della valvola. Una torre a piastre è un recipiente cilindrico con diverse piastre orizzontali impilate una sopra l'altra, distanziate a una certa distanza l'una dall'altra. L'assorbente (liquido) che entra nella parte superiore di una torre scorre attraverso ciascuna piastra e scende a cascata, formando una piscina su ciascuna piastra.

Il gas contenente un soluto / soluti (inquinanti) entra nella parte inferiore della torre e scorre verso l'alto. Entra in ogni piatto attraverso piccoli fori e bolle attraverso la piscina liquida su di esso. Il trasferimento del soluto dalla fase gassosa alla fase liquida avviene quando il gas bolle attraverso la piscina.

Nel caso delle piastre di setaccio i fori (attraverso i quali scorre il gas) sono piccoli e quelli non sono coperti. Nel caso di vassoi con coperchio a bolle e vassoi delle valvole, i fori hanno un diametro maggiore (rispetto a quelli delle piastre del setaccio) e sono parzialmente coperti. Le torri del piatto sono abbastanza efficienti ma sono più costose delle torri imballate.

Le camere di nebulizzazione possono essere con o senza imballaggio. Il liquido viene introdotto nella parte superiore sotto forma di uno spray e scorre verso il basso, mentre il flusso del gas può essere orizzontale o verticale. Questi sono generalmente meno efficienti delle torri imballate / lastre.

Negli scrubber di Venturi sia il gas che il liquido vengono introdotti all'estremità convergente di un Venturi e fluiscono contemporaneamente. In alcune apparecchiature il liquido viene introdotto alla gola. Quando il liquido si rompe in piccole gocce, fornisce un'ampia area di contatto per il trasferimento di massa. La sua efficienza come assorbitore è bassa.

Quando si prevede di utilizzare una torre impaccata o una torre di piastra, la corrente di gas deve essere pretrattata per rimuovere il particolato, altrimenti le particelle potrebbero accumularsi nella torre e quindi ostruirla. Tuttavia, quando una camera di nebulizzazione (senza baderne) o un depuratore di venturi viene utilizzata come assorbitore, la pulizia preliminare del gas non è essenziale

Approccio al design a torre imballato:

Poiché le colonne di assorbimento impacchettate sono più spesso utilizzate per assorbire inquinanti gassosi da flussi di gas, l'approccio progettuale di tale colonna è descritto di seguito.

Prima dell'assorbimento in una colonna impaccata, un flusso di gas influente deve essere sottoposto ai seguenti pretrattamenti:

Il raffreddamento delle correnti di gas influenti ridurrebbe la sua portata volumetrica e aumenterebbe la solubilità degli inquinanti nel solvente selezionato. Di conseguenza, la dimensione dell'assorbitore sarà minore e la quantità di solvente richiesta sarà inferiore.

Durante l'assorbimento ciascuno degli inquinanti presenti in una corrente gassosa verrebbe rimosso in una certa misura o altro a seconda della sua solubilità nel solvente selezionato. Un solvente è selezionato principalmente per la rimozione di uno specifico inquinante e un assorbitore è progettato in modo da ottenere il grado desiderato di rimozione di quello specifico inquinante.

Mentre si seleziona un solvente adatto, i fattori / parametri da considerare sono:

1. Alta solubilità dell'assorbito mirato,

2. Bassa tensione di vapore del solvente alla temperatura di esercizio,

3. Prezzo basso,

4. Tossicità bassa / nulla e

5. Se il solvente deve essere recuperato e riutilizzato.

I dati e le informazioni necessari per progettare un assorbitore sono:

(i) Portata massima (prevista) del gas di trasporto, mole / ora G;

(ii) temperatura e pressione del flusso di gas influente;

(iii) concentrazione dell'inquinante mirato nell'influente e il grado di rimozione desiderato;

(iv) dati di solubilità / relazione di equilibrio;

e (v) il tipo di imballaggio, le sue dimensioni e altre caratteristiche.

Una volta disponibili queste informazioni, è possibile calcolare quanto segue utilizzando le equazioni appropriate e quindi progettare un assorbitore adatto.

(i) Portata del solvente richiesta, L mole / ora,

(ii) diametro della colonna D,

(iii) altezza della colonna Z,

(iv) Caduta di pressione attraverso il letto impaccato.

Tasso solvente richiesto:

Il tasso minimo di solvente (L mjn ) può essere calcolato assumendo che il solvente che lascia l'assorbitore si saturi rispetto alla concentrazione di soluto nella corrente di gas influente. La Figura 4.11 mostra un diagramma schematico di un assorbitore imballato.

Un'espressione per L min si ottiene riorganizzando l'equazione del bilancio del soluto attraverso un assorbitore,

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

dove X 1, * = Y 1 / m

X 1, X 2 = concentrazione del soluto nel solvente rispettivamente in uscita e in entrata, in unità di rapporto molare,

Y 1, Y 2 = concentrazione del soluto in fase gassosa rispettivamente all'ingresso e all'uscita, in unità di rapporto molare.

In pratica X 2 e X 1, sarebbero noti. Y 2 sarebbe correlato a Y 1 attraverso il grado di rimozione desiderato, ovvero l'efficienza di rimozione,

Y 2 = Y 1, (1-ᶯ r ), ᶯ r = efficienza di rimozione,

Valutazione di L min usando l'Eq. (4.48) sarebbe corretto se la relazione di equilibrio fosse lineare, cioè Y = mX e m indipendente da X. Nella maggior parte dei casi la concentrazione di soluto (inquinante) nella fase gassosa sarebbe bassa e quindi m sarebbe indipendente da X.

Il tasso di solvente effettivo è normalmente assunto come

L attuale, = 1-25 a 2.0 volte il L min .

Va sottolineato qui che un assorbitore non è mai progettato prendendo L reale - L min come risulterebbe in un valore molto alto di Z Q.

All'aumentare di L, l'altezza della colonna calcolata diminuirà, ma la sezione trasversale della colonna aumenterebbe. La L attuale dovrebbe essere definitivamente decisa dal punto di vista del costo totale (costo iniziale più costo operativo). Un altro fattore che dovrebbe essere preso in considerazione per la stima di L effettiva è il tasso liquido minimo richiesto per bagnare l'imballaggio nella colonna.

Diametro della colonna:

Ad una data portata di gas e liquido se il diametro della colonna viene ridotto, il liquido si solleva (la massa di liquido nella colonna in qualsiasi istante) nella colonna aumenterebbe. Ciò comporterebbe una diminuzione dello spazio vuoto disponibile per il flusso di gas attraverso la colonna. Di conseguenza, la velocità del gas (lineare) aumenterebbe e aumenterebbe anche la caduta di pressione sul lato del gas attraverso il letto.

Una maggiore caduta di pressione sul lato del gas ostacola il flusso del liquido. Se il diametro della colonna fosse ulteriormente ridotto, la colonna si riempirebbe di liquido. Questa condizione è indicata come inondazioni. La velocità della massa gassosa a questa condizione è definita velocità di allagamento. La velocità del gas di esercizio è pari al 60-75% della velocità di allagamento. In base all'effettiva velocità del gas di esercizio, l'area della sezione trasversale della colonna viene calcolata utilizzando l'Eq. (4.49).

Dove un'area col colonna = area della sezione trasversale,

G n = velocità superficiale del gas superficiale alle inondazioni,

F = frazione della velocità di piena corrispondente alla quale è stimata una sezione trasversale della colonna = da 0, 6 a 0, 75,

E M g = gas (miscela) peso molecolare.

G n dipende dalle proprietà fisiche del gas e del liquido come p g, p L, μ L, le caratteristiche di imballaggio e il rapporto tra la portata massica da liquido a gas. Può essere stimato con l'aiuto di grafici disponibili nei libri standard su Mass Transfer.

Colonna altezza:

L'equazione del bilancio del soluto stazionario attraverso l'altezza di un elemento elementare (figura 4.11) di una colonna può essere scritta come

Tenendo conto del fatto che il soluto viene trasferito dalla fase gassosa alla fase liquida, (4.50) può essere riscritto come

dove a = superficie di imballaggio per unità di volume del letto imballato.

Per ottenere un'espressione per l'altezza del letto imballato Eq. (4.51) è riorganizzato e integrato. L'equazione risultante è

Z 0 così calcolato indica l'altezza della sezione imballata di un assorbitore, necessaria per ridurre la concentrazione di inquinanti nella fase gassosa da Y 1 a Y 2 . L'altezza effettiva di una colonna sarebbe maggiore di Z 0 al fine di fornire spazio per un demister e un distributore di liquidi nella parte superiore, ridistributori liquidi tra le sezioni imballate, un distributore di gas, un supporto per l'imballaggio e un sigillo liquido in basso.

Perdita di carico attraverso una torre imballata:

Per stimare la caduta di pressione attraverso una sezione impaccata di una colonna si trova AP / Z (caduta di pressione per unità di letto imballata) in base ai parametri operativi già decisi, le proprietà fisiche del sistema gas-liquido e le caratteristiche di imballaggio utilizzando le informazioni disponibili nei libri su Mass Transfer. Usando queste informazioni la pressione si abbassa su un letto impaccato è stimato con l'aiuto di Eq. (4.53),

La caduta di pressione effettiva su una torre sarebbe superiore a quella stimata usando l'Eq. (4.53) a causa degli interni della torre menzionati in precedenza diversi da quelli dell'imballaggio.