Hấp thụ các chất ô nhiễm dạng khí (Có tính toán)

Đọc bài viết này để tìm hiểu về sự hấp thụ các chất ô nhiễm dạng khí: - 1. Giới thiệu về quá trình hấp thụ 2. Lý thuyết hấp thụ 3. Thiết bị hấp thụ và 4. Phương pháp thiết kế tháp đóng gói.

Giới thiệu về quá trình hấp thụ:

Khi một loại khí thải có chứa một số chất ô nhiễm dạng khí được tiếp xúc trực tiếp với chất lỏng, một số chất ô nhiễm có thể được chuyển sang chất lỏng. Quá trình chuyển giao này có thể xảy ra do sự hòa tan các chất ô nhiễm trong chất lỏng hoặc do các phản ứng hóa học của các chất ô nhiễm với chất lỏng hoặc với một số hóa chất có trong chất lỏng.

Quá trình chuyển mà không có bất kỳ phản ứng hóa học nào được gọi là sự hấp thụ vật lý và với (các) phản ứng hóa học được gọi là sự hấp thụ kèm theo phản ứng hóa học. Trong quá trình hấp thụ (vật lý), chất tan (chất ô nhiễm dạng khí) được gọi là chất hấp thụ và dung môi (chất lỏng) là chất hấp thụ. Khí mang chất hấp thụ được gọi là khí mang.

Quá trình này là một quá trình thuận nghịch, nghĩa là, trong một số trường hợp nhất định, việc chuyển chất tan xảy ra từ pha khí sang pha lỏng và trong một số tình huống khác, quá trình chuyển đổi diễn ra theo hướng ngược lại. Quá trình khác, cụ thể là sự hấp thụ kèm theo phản ứng hóa học là một quá trình không thể đảo ngược, đó là sự chuyển giao chỉ xảy ra từ pha khí.

Quá trình hấp thụ vật lý diễn ra thông qua các bước sau:

1. Các phân tử chất tan (khí) di chuyển từ phần lớn pha khí sang ranh giới pha khí-lỏng (giao diện) bằng cách khuếch tán phân tử và / hoặc xoáy;

2. Chuyển các phân tử hấp thụ trên giao diện;

3. Chuyển các phân tử hấp thụ vào phần lớn chất hấp thụ bằng cách khuếch tán phân tử và / hoặc xoáy.

Trong trường hợp hấp thụ kèm theo quá trình phản ứng hóa học, hai bước đầu tiên tương tự như bước hấp thụ vật lý. Tuy nhiên, trong bước thứ ba, các phân tử hấp thụ phản ứng với chất phản ứng có trong chất hấp thụ và tạo thành (các) hợp chất mới.

Lý thuyết hấp thụ:

Chuyển một loài hóa học giữa pha khí và pha lỏng diễn ra do sự khác biệt tiềm năng của loài giữa các pha. Sự khác biệt tiềm năng này được gọi là độ dốc tiềm năng hóa học. Khi tiềm năng hóa học của một loài trở nên giống nhau trong hai pha tiếp xúc với nhau, chúng được cho là ở trạng thái cân bằng.

Trong điều kiện này, không có sự chuyển giao ròng của loài diễn ra giữa các giai đoạn. Khi các pha không ở trạng thái cân bằng đối với một loài, thì sự chuyển giao của nó xảy ra từ pha trong đó tiềm năng hóa học của nó cao hơn pha khác trong đó tiềm năng của nó thấp hơn.

Tiềm năng hóa học của một loài trong một pha cụ thể có liên quan nhưng không bằng nồng độ của nó trong pha đó. Khi hai pha, tiếp xúc với nhau, đạt đến trạng thái cân bằng đối với một loài, nồng độ của nó trong các pha tương ứng sẽ liên quan đến nhau. Một mối quan hệ như vậy được gọi là quan hệ cân bằng. Mối quan hệ cân bằng của một loài hóa học trong hệ thống chất lỏng khí có thể được biểu thị là phụ thuộc và cũng có thể phụ thuộc nồng độ (x A ).

Giá trị bằng số của H A phụ thuộc vào hệ dung môi chất tan. Nói chung, nó tăng khi tăng nhiệt độ.

Một biểu thức thay thế của mối quan hệ cân bằng là

Tốc độ truyền khối của một loài từ một pha (khí) sang pha khác (lỏng) trên một đơn vị diện tích giao thoa được biểu thị bằng

Trong đó N a = số mol chất tan A chuyển từ pha khí sang pha lỏng trên một đơn vị diện tích giao thoa trên một đơn vị thời gian,

ky A, k XA = hệ số chuyển khối pha khí / lỏng riêng lẻ tương ứng,

Ky A, K xa = hệ số chuyển khối pha khí / lỏng tổng thể tương ứng,

y * = nồng độ pha khí cân bằng tương ứng với nồng độ pha lỏng khối lượng lớn X 1,

x * = nồng độ pha lỏng cân bằng tương ứng với nồng độ pha khí lớn y g,

X 1, X 1 = nồng độ chất tan tại giao diện và pha lỏng tương ứng.

y i, y g = nồng độ chất tan tại giao diện và pha khí lớn tương ứng.

Các hệ số chuyển giao cá nhân và tổng thể có liên quan.

Phương trình (4.45) và (4.46) cho thấy mối quan hệ của chúng.

Hệ số chuyển khối riêng lẻ k x và k y có thể được tính bằng các phương trình thực nghiệm thường được biểu thị bằng α, m và n là các hằng số có giá trị số phụ thuộc vào bên trong bộ hấp thụ. Các thông tin liên quan về những điều này có thể được tìm thấy trong các cuốn sách về Chuyển giao hàng loạt.

Trong đó Sh = Sherwood, k l / D AB

Re = số Reynold, lU µ /

Sc = Schmidt số lượng / ρ D AB

l = Kích thước đặc trưng của phần bên trong hấp thụ

U = Vận tốc chất lỏng tuyến tính trong chất hấp thụ

D AB = Độ khuếch tán phân tử của loài A trong hỗn hợp loài A và B

Cùi = Độ nhớt của chất lỏng,

= Mật độ chất lỏng

Thiết bị hấp thụ:

Mục đích của thiết bị hấp thụ là đưa dòng khí và dòng chất lỏng tiếp xúc mật thiết với nhau để chất tan (chất gây ô nhiễm khí) có thể dễ dàng chuyển từ pha khí sang pha lỏng. Cần lưu ý ở đây rằng trong quá trình này, chất ô nhiễm chỉ được chuyển từ pha khí sang pha lỏng và nó không được chuyển thành chất vô hại. Nếu nó được mong muốn để phục hồi chất tan vì giá trị kinh tế của nó, thì nó sẽ được giải trừ sau đó từ giải pháp.

Các thiết bị có thể được sử dụng để thực hiện quá trình hấp thụ là: tháp đóng gói, tháp tấm, buồng phun và máy chà sàn venturi. Trong số các thiết bị được sử dụng thường xuyên nhất là một tòa tháp đóng gói, khá hiệu quả và tương đối ít tốn kém. Nó là một cột dọc hình trụ với bao bì bên trong nó.

Các bao bì có thể được làm bằng nhựa hoặc kim loại hoặc gốm, cung cấp diện tích bề mặt lớn hơn trên một đơn vị khối lượng đóng gói để tiếp xúc với chất lỏng khí. Đóng gói của hình học khác nhau và kích cỡ có sẵn. Các tiêu chí để chọn một hình dạng và kích thước đóng gói là diện tích bề mặt lớn, tỷ lệ khoảng trống giường cao và chi phí thấp hơn. Phần trống giường cao hơn cung cấp ít khả năng chống lại dòng khí và chất lỏng.

Các bộ phận khác của giường đóng gói là nhà phân phối chất lỏng, nhà phân phối lại, hỗ trợ đóng gói và nhà phân phối khí. Thông thường trong một tháp đóng gói, chất lỏng chảy xuống trên bề mặt đóng gói dưới dạng màng và khí chảy lên trong khoảng trống qua màng chất lỏng.

Tháp tấm có ba loại khác nhau: tấm sàng, tấm nắp bong bóng và khay van. Một tháp tấm là một tàu hình trụ với một số tấm ngang xếp chồng lên nhau, cách nhau một khoảng cách. Chất hấp thụ (chất lỏng) đi vào đỉnh tháp chảy qua từng tấm và đổ xuống, đồng thời tạo thành một vũng trên mỗi tấm.

Khí chứa chất tan / chất hòa tan (chất ô nhiễm) đi vào dưới cùng của tháp và chảy lên. Nó đi vào từng tấm thông qua các lỗ nhỏ và bong bóng qua bể chứa chất lỏng trên đó. Chuyển chất tan từ pha khí sang pha lỏng diễn ra khi bọt khí qua bể.

Trong trường hợp các tấm sàng, các lỗ (qua đó dòng khí) nhỏ và không được che. Trong trường hợp khay nắp bong bóng và khay van, các lỗ có đường kính lớn hơn (so với các tấm sàng) và được che một phần. Các tháp tấm khá hiệu quả nhưng chúng đắt hơn các tháp đóng gói.

Buồng phun có thể có hoặc không có bao bì. Chất lỏng được giới thiệu ở trên cùng dưới dạng phun và nó chảy xuống, trong khi dòng khí có thể nằm ngang hoặc thẳng đứng. Chúng thường kém hiệu quả hơn các tháp đóng gói / tấm.

Trong máy lọc khí venturi cả khí và chất lỏng được giới thiệu ở đầu hội tụ của venturi và chúng chảy đồng thời. Trong một số thiết bị, chất lỏng được đưa vào họng. Khi chất lỏng vỡ thành những giọt nhỏ, nó cung cấp diện tích tiếp xúc lớn để truyền khối. Hiệu quả của nó như là một chất hấp thụ thấp.

Khi được lên kế hoạch sử dụng tháp đóng gói hoặc tháp tấm, dòng khí phải được xử lý trước để loại bỏ vật chất hạt vì nếu không các hạt có thể tích tụ trong tháp và do đó làm tắc nghẽn nó. Tuy nhiên, khi buồng phun (không đóng gói) hoặc máy chà venturi được sử dụng làm chất hấp thụ, việc làm sạch trước khí là không cần thiết

Phương pháp thiết kế tháp đóng gói:

Do các cột hấp thụ đóng gói thường được sử dụng để hấp thụ các chất ô nhiễm khí từ các dòng khí, nên phương pháp thiết kế của cột như vậy được nêu dưới đây.

Trước khi hấp thụ trong cột được đóng gói, một luồng khí có ảnh hưởng phải trải qua các biện pháp xử lý sau:

Làm mát các dòng khí có ảnh hưởng sẽ làm giảm tốc độ dòng thể tích của nó và tăng độ hòa tan của chất ô nhiễm trong dung môi được chọn. Kết quả là kích thước của chất hấp thụ sẽ nhỏ hơn và lượng dung môi cần thiết sẽ ít hơn.

Trong quá trình hấp thụ, mỗi chất ô nhiễm có trong dòng khí sẽ bị loại bỏ ở một mức độ nào đó hoặc mức độ khác tùy thuộc vào độ hòa tan của nó. Dung môi được chọn. Một dung môi được lựa chọn chủ yếu để loại bỏ một chất ô nhiễm cụ thể và một chất hấp thụ được thiết kế để đạt được mức độ loại bỏ chất ô nhiễm cụ thể đó.

Trong khi chọn một dung môi phù hợp, các yếu tố / thông số cần xem xét là:

1. Độ hòa tan cao của chất hấp thụ mục tiêu,

2. Áp suất hơi thấp của dung môi ở nhiệt độ vận hành,

3. Giá thấp,

4. Độc tính thấp / không, và

5. Liệu dung môi sẽ được thu hồi và tái sử dụng.

Dữ liệu và thông tin cần thiết để thiết kế một bộ hấp thụ là:

(i) Tốc độ dòng chảy tối đa (dự kiến) của khí mang, G mol / giờ;

(ii) Nhiệt độ và áp suất của dòng khí ảnh hưởng;

(iii) Nồng độ chất gây ô nhiễm được nhắm mục tiêu trong chất ảnh hưởng và mức độ loại bỏ mong muốn của nó;

(iv) Dữ liệu hòa tan / quan hệ cân bằng;

và (v) Loại bao bì, kích thước của nó và các đặc tính khác.

Một khi những thông tin này có sẵn, người ta sẽ có thể tính toán như sau bằng các phương trình thích hợp và từ đó thiết kế một bộ hấp thụ phù hợp.

(i) Tốc độ dòng dung môi cần thiết, L mol / giờ,

(ii) Đường kính cột D,

(iii) Chiều cao cột Z,

(iv) Áp suất giảm trên giường đóng gói.

Tỷ lệ dung môi cần thiết:

Tốc độ dung môi tối thiểu (L mjn ) có thể được tính toán giả sử rằng dung môi rời khỏi chất hấp thụ sẽ trở nên bão hòa đối với nồng độ chất tan trong dòng khí có ảnh hưởng. Hình 4.11 cho thấy một sơ đồ nguyên lý của một chất hấp thụ đóng gói.

Một biểu thức cho L min có được bằng cách sắp xếp lại phương trình cân bằng chất tan trên một chất hấp thụ,

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

trong đó X 1, * = Y 1 / m

X l, X 2 = nồng độ chất tan trong dung môi ở đầu ra và đầu vào tương ứng, tính theo đơn vị tỷ lệ mol,

Y 1, Y 2 = nồng độ chất tan pha khí ở đầu vào và đầu ra tương ứng, tính theo đơn vị tỷ lệ mol.

Trong thực tế X 2 và X 1, sẽ được biết đến. Y 2 sẽ liên quan đến Y 1 thông qua mức độ loại bỏ mong muốn, nghĩa là hiệu quả loại bỏ,

Y 2 = Y 1, (1- r ), ᶯ r = hiệu quả loại bỏ,

Đánh giá L min bằng phương trình. (4.48) sẽ phù hợp nếu mối quan hệ cân bằng là tuyến tính, nghĩa là Y = mX và m độc lập với X. Trong hầu hết các trường hợp, nồng độ chất tan (chất ô nhiễm) trong pha khí sẽ thấp và do đó m sẽ không phụ thuộc vào X.

Tỷ lệ dung môi thực tế thường được lấy là

L thực tế, = 1-25 đến 2, 0 lần L tối thiểu .

Cần chỉ ra ở đây rằng một bộ hấp thụ không bao giờ được thiết kế lấy L thực tế - L min vì nó sẽ mang lại giá trị rất cao của Z Q.

Khi L thực tế được tăng, chiều cao cột tính toán sẽ giảm, nhưng tiết diện cột sẽ tăng. L thực tế cuối cùng phải được quyết định từ quan điểm tổng chi phí (chi phí ban đầu cộng với chi phí vận hành). Một yếu tố khác cần được xem xét để ước tính L thực tế là tốc độ chất lỏng tối thiểu cần thiết để làm ướt bao bì trong cột.

Đường kính cột:

Tại một tốc độ dòng khí và chất lỏng nhất định nếu đường kính cột giảm, chất lỏng giữ (khối lượng chất lỏng trong cột bất kỳ lúc nào) trong cột sẽ tăng lên. Điều này sẽ dẫn đến việc giảm không gian trống có sẵn cho dòng khí qua cột. Do đó, tốc độ khí (tuyến tính) sẽ tăng và áp suất bên khí giảm trên giường cũng sẽ tăng.

Áp suất bên khí cao hơn cản trở dòng chảy chất lỏng. Nếu đường kính cột được giảm thêm, cột sẽ chứa đầy chất lỏng. Tình trạng này được gọi là lũ lụt. Vận tốc khối khí ở điều kiện này được gọi là vận tốc lũ. Vận tốc khí hoạt động được lấy bằng 60 đến 75% vận tốc lũ. Dựa trên vận tốc khí vận hành thực tế, diện tích mặt cắt ngang của cột được tính bằng phương trình. (4, 49).

Trong đó A col = diện tích mặt cắt cột,

G n = vận tốc khối khí bề mặt khi lũ lụt,

F = một phần của tốc độ ngập tương ứng với một mặt cắt ngang cột được ước tính = 0, 6 đến 0, 75,

Và M g = khí (hỗn hợp) trọng lượng phân tử.

G n phụ thuộc vào các tính chất vật lý của khí và lỏng như p g, p L, mật L, đặc tính đóng gói và tỷ lệ lưu lượng khối chất lỏng với khí. Nó có thể được ước tính với sự giúp đỡ của các lô có sẵn trong các cuốn sách tiêu chuẩn về Chuyển giao hàng loạt.

Chiều cao cột:

Phương trình cân bằng chất tan trạng thái ổn định trên một chiều cao đóng gói nguyên tố (Hình 4.11) của một cột có thể được viết là

Có tính đến thực tế là chất tan được chuyển từ pha khí sang pha lỏng, (4.50) có thể được viết lại thành

trong đó a = diện tích bề mặt đóng gói trên một đơn vị khối lượng giường đóng gói.

Để có được một biểu thức cho chiều cao giường đóng gói Eq. (4.51) được sắp xếp lại và tích hợp. Phương trình kết quả là

Do đó, tính toán Z 0 là chiều cao của phần đóng gói của chất hấp thụ, cần thiết để giảm nồng độ chất ô nhiễm trong pha khí từ Y 1 đến Y 2 . Chiều cao thực tế của một cột sẽ nhiều hơn Z O để cung cấp không gian cho bộ phân phối và bộ phân phối chất lỏng ở trên cùng, các bộ phân phối chất lỏng ở giữa các phần được đóng gói, bộ phân phối khí, bộ phận đóng gói và bộ đóng dấu chất lỏng ở phía dưới

Áp suất giảm trên tháp đóng gói:

Để ước tính độ sụt áp trên một phần được đóng gói của cột, người ta tìm ra AP / Z (độ sụt áp trên mỗi đơn vị chiều cao giường đóng gói) dựa trên các thông số vận hành đã được quyết định, tính chất vật lý của hệ thống chất lỏng khí và đặc tính đóng gói sử dụng thông tin có sẵn trong sách về Chuyển giao hàng loạt. Sử dụng thông tin này, áp suất giảm trên giường đóng gói được ước tính với sự trợ giúp của phương trình. (4, 53),

Áp suất giảm thực tế trên một tòa tháp sẽ cao hơn so với ước tính sử dụng phương trình. (4.53) vì các phần bên trong tháp được đề cập trước đó ngoài phần đóng gói.


Đề XuấT

Xác minh cổ phiếu: Mục đích, phương pháp và sự hòa giải của nó
2019
Mục tiêu thiết yếu của phân loại chất thải rắn
2019
Kết hợp các yếu tố rủi ro: 2 Kỹ thuật chung
2019