امتصاص الملوثات الغازية (مع الحسابات)

قراءة هذه المادة لمعرفة المزيد عن امتصاص الملوثات الغازية: - 1. مقدمة لعملية امتصاص 2. نظرية الامتصاص 3. معدات امتصاص و 4. نهج تصميم برج معبأة.

مقدمة لعملية الامتصاص:

عندما يتم احتواء غاز ضار يحتوي على بعض الملوثات الغازية على اتصال مباشر مع سائل ، قد يتم نقل بعض الملوثات إلى السائل. قد تحدث عملية النقل هذه إما بسبب ذوبان الملوثات في السائل أو بسبب التفاعلات الكيميائية للملوثات مع السائل أو ببعض المواد الكيميائية الموجودة في السائل.

ويطلق على عملية النقل دون أي تفاعل كيميائي على أنها امتصاص فيزيائي وأنه مع تفاعل كيميائي (ق) ويسمى الامتصاص المصاحب للتفاعل الكيميائي. في عملية الامتصاص (الفيزيائية) يُطلق على المذيب (الملوث الغازي) الامتصاص والمذيب (السائل) كالممتص. يشار إلى الغاز الذي يحمل الامتصاص باسم الغاز الناقل.

هذه العملية قابلة للانعكاس ، أي في ظروف معينة يحدث انتقال المذاب من الطور الغازي إلى الطور السائل وتحت بعض المواقف الأخرى يحدث النقل في الاتجاه المعاكس. العملية الأخرى ، وهي الامتصاص المصاحب للتفاعل الكيميائي هي عملية لا رجعة فيها ، أي أن النقل يحدث من الطور الغازي فقط.

تتم عملية الامتصاص الفيزيائي من خلال الخطوات التالية:

1. الجزيئات المذابة (الغازية) تهاجر من الجزء الأكبر من الطور الغازي إلى حدود الطور الغازية السائلة (السطح البيني) عن طريق الانتشار الجزيئي و / أو الدوامي ؛

2. نقل جزيئات الامتصاص عبر الواجهة ؛

3. نقل جزيئات الامتصاص إلى الجزء الأكبر من المادة الماصة عن طريق الانتشار الجزيئي و / أو الدوامي.

في حالة الامتصاص مصحوبة بعملية تفاعل كيميائي ، تكون الخطوتان الأوليان مماثلتين لخطوات عملية الامتصاص الفيزيائي. ومع ذلك ، أثناء الخطوة الثالثة تتفاعل جزيئات الامتصاص مع المادة المتفاعلة الموجودة في المادة الماصة وتشكل المركب (المركبات) الجديد.

نظرية الامتصاص:

يحدث نقل نوع كيميائي بين الطور الغازي والطور السائل بسبب اختلاف محتمل في الأنواع بين المراحل. ويشار إلى هذا الاختلاف المحتمل باسم التدرج الكيميائي المحتمل. عندما تصبح الإمكانات الكيميائية لأحد الأنواع متماثلة في المرحلتين المتصلين ببعضها البعض ، يقال إنها تكون في حالة توازن.

في ظل هذه الحالة ، لا يحدث أي نقل صافي للأنواع بين المراحل. عندما لا تكون الأطوار متوازنة فيما يتعلق بنوع ما ، يحدث انتقالها من المرحلة التي تكون فيها إمكاناتها الكيميائية أعلى إلى المرحلة الأخرى التي تكون فيها إمكاناتها أقل.

ترتبط الإمكانية الكيميائية لأحد الأنواع في مرحلة معينة ولكن لا تساوي تركيزها في تلك المرحلة. عندما تصل مرحلتان ، في اتصال مع بعضهما البعض ، إلى التوازن فيما يتعلق بالأنواع ، سيكون تركيزها في المراحل المعنية متصلاً ببعضها البعض. تسمى هذه العلاقة كعلاقة متوازنة. يمكن التعبير عن علاقة التوازن لأنواع كيميائية في نظام الغاز السائل على أنها معتمة ويمكن أيضًا أن تكون مرتبطة (x A ) تابعة.

تعتمد القيمة العددية لـ H A على نظام المذيب المذاب. عموما يزداد مع زيادة في درجة الحرارة.

التعبير البديل عن علاقة التوازن هو

يتم التعبير عن معدل نقل الكتلة من أحد الأنواع من طور (غاز) إلى طور آخر (سائل) لكل وحدة من المنطقة البينية.

حيث N a = moles من المذاب A المنقولة من الطور الغازي إلى الطور السائل لكل وحدة بينية وحدة لكل وحدة زمنية ،

ky A ، k XA = معامل انتقال الكتلة الفردية للغاز / السائل على التوالي ،

Ky A ، K xa = إجمالي معامل نقل الكتلة في المرحلة الغازية / السائلة على التوالي ،

y * = تركيز الطور المتوازن للغاز المقابل لتركيز الطور السائل السائب X 1 ،

x * = تركيز الطور السائل المتوازن المقابل لتركيز الطور الغازي بالجملة y g ،

X 1 ، X 1 = تركيز المذاب في السطح البيني والجزء السائل السائل على التوالي.

y i ، y g = تركيز الذائب عند السطح البيني ومجموع الغازات السائبة على التوالي.

ترتبط معاملات التحويل الفردية والشاملة.

تظهر المعادلة (4.45) و (4.46) علاقتهما.

يمكن حساب معامل انتقال الكتلة الفردية k x و k y باستخدام معادلات تجريبية يتم التعبير عنها بشكل عام كـ α و m و n ، وهي ثوابت تعتمد قيمها العددية على الامتصاص الداخلي. ويمكن الاطلاع على المعلومات ذات الصلة حول هذه في الكتب على النقل الجماعي.

حيث Sh = Sherwood، k l / D AB

Re = Reynolds number، lU ρ / µ

Sc = رقم Schmidt µ / ρ D AB

l = البعد المميز للامتصاص الداخلي

U = سرعة السائل الخطية في الامتصاص

D AB = الانتشار الجزيئي للأنواع A في خليط من الأنواع A و B

µ = اللزوجة السائلة ،

Fl = كثافة السوائل

معدات الامتصاص:

إن الغرض من معدات الامتصاص هو جلب تيار غاز و تيار سائل إلى اتصال حميم ببعضهما البعض حتى يمكن نقل المذيب (ملوث غازي) بسهولة من الطور الغازي إلى الطور السائل. وتجدر الإشارة هنا إلى أنه من خلال هذه العملية يتم نقل الملوثات فقط من مرحلة الغاز إلى مرحلة سائلة فقط ولا يتم تحويلها إلى مادة غير ضارة. إذا كان من المطلوب استعادة المادة المذابة بسبب قيمتها الاقتصادية ، فيجب أن يتم امتصاصها بعد ذلك من المحلول.

المعدات التي يمكن استخدامها لتنفيذ عملية الامتصاص هي: برج معبأ ، وبرج لوحة ، وغرفة رذاذ وغسيل أجهزة تنقية الهواء. ومن بين هذه المعدات الأكثر استخدامًا برجًا معبأًا ، وهو فعال جدًا وأقل تكلفة نسبيًا. إنه عمود رأسي أسطواني مع وجود داخل الحشوة.

قد تكون مصنوعة من البلاستيك أو المعدن أو السيراميك ، والتي توفر مساحة أكبر لكل وحدة حجم معبأة للاتصال الغاز السائل. تتوفر حزم من الأشكال الهندسية المختلفة والأحجام. إن معايير اختيار هندسة وحجم التغليف هي مساحة سطح كبيرة ، وكسر فراش عالي في الفراش وتكلفة أقل. يوفر الجزء السفلي من الفراغ في السرير مقاومة أقل للغاز وتدفق السائل.

أما الأجزاء الداخلية الأخرى للسرير المعبأ فهي موزعة سائلة ، وإعادة توزيع (موزعات) ، ودعم للتعبئة وموزع غاز. عادة في البرج المعبأ يتدفق السائل لأسفل على سطح التغليف على شكل أفلام ويتدفق الغاز لأعلى عبر الفراغ الخارجى بعد الأفلام السائلة.

تتكون أبراج الصفيح من ثلاثة أنواع مختلفة: لوحة الغربال ، لوحة غطاء الفقاعة وصينية الصمام. البرج الطبقي عبارة عن وعاء أسطواني يحتوي على عدة صفائح أفقية مكدسة فوق بعضها البعض ، متباعدة على مسافة من بعضها البعض. تتدفق الماصة (السائلة) التي تدخل في الجزء العلوي من البرج عبر كل لوحة وتتدلى لأسفل ، في حين تشكل تجمعًا على كل لوحة.

يدخل الغاز المحتوي على المذاب / الذائب (الملوثات) في قاع البرج ويتدفق لأعلى. يدخل كل لوحة من خلال الثقوب الصغيرة والفقاعات من خلال تجمع السائل على ذلك. يتم نقل المذاب من الطور الغازي إلى الطور السائل عند فقاعات الغاز عبر البركة.

في حالة صفائح الغربال ، تكون الثقوب (التي تتدفق عبرها الغازات) صغيرة ولا يتم تغطيتها. في حالة صوانى غطاء الفقاعة وصواني الصمامات ، تكون الفتحات ذات قطر أكبر (من تلك الموجودة في صفائح الغربال) ويتم تغطيتها جزئيًا. أبراج الألواح ذات كفاءة عالية لكنها أكثر تكلفة من الأبراج المعبأة.

قد تكون غرف رذاذ مع أو بدون التعبئة. يتم إدخال السائل في الأعلى في شكل رذاذ ويتدفق إلى الأسفل ، في حين أن تدفق الغاز قد يكون أفقيًا أو رأسيًا. هذه بشكل عام أقل كفاءة من أبراج معبأة / لوحة.

في أجهزة الغسيل الفنتوري يتم إدخال كل من الغاز والسائل عند الطرف المتقارب من فنتوري ويتدفقان في وقت واحد. في بعض المعدات يتم إدخال السائل في الحلق. عندما ينقسم السائل إلى قطيرات صغيرة ، فإنه يوفر منطقة اتصال كبيرة لنقل الكتلة. فعاليتها كممتص منخفضة.

عندما يتم التخطيط لاستخدام إما برج معبأ أو برج صفيحة ، يجب معالجة تيار الغاز مسبقًا لإزالة المادة الجسيمية ، وإلا قد تتجمع الجسيمات في البرج وبالتالي تسدها. ومع ذلك ، عند استخدام غرفة رذاذ (بدون تعبئة) أو جهاز غسيل فنتوري كممتص ، فإن التنظيف المسبق للغاز ليس ضروريًا

نهج تصميم البرج المعبأ:

وحيث إن أعمدة الامتصاص المعبأة غالبا ما تستخدم لامتصاص الملوثات الغازية من تدفقات الغاز ، فإن منهج التصميم لهذا العمود موضح أدناه.

قبل الامتصاص في عمود معبأ يجب أن يخضع تيار الغاز المؤثر للمعالجة المسبقة التالية:

ومن شأن تبريد مجاري الغاز المؤثرة أن يقلل من معدل التدفق الحجمي ويزيد من قابلية ذوبان الملوثات (الملوثات) في المذيب المختار. ونتيجة لذلك ، سيكون حجم وحدة الامتصاص أصغر وستكون كمية المذيبات المطلوبة أقل.

أثناء الامتصاص ، يمكن إزالة كل ملوث موجود في تيار غاز إلى حد ما أو آخر اعتمادًا على قابليته للذوبان في .المذيب المختار. يتم اختيار المذيب في المقام الأول لإزالة ملوث محدد وتم تصميم جهاز امتصاص من أجل تحقيق الدرجة المطلوبة لإزالة هذا الملوث المحدد.

عند اختيار مذيب مناسب ، فإن العوامل / المعلمات الواجب مراعاتها هي:

1. الذوبان العالي للامتصاص المستهدفة ،

2. انخفاض ضغط البخار من المذيب عند درجة حرارة التشغيل ،

3. انخفاض السعر ،

4. سمية منخفضة / ضئيلة ، و

.5 ﻣﺎ إذا آﺎن ﺳﻴﺘﻢ اﺳﺘﻌﺎدة اﻟﻤﺬﻳﺐ وإﻋﺎدة اﺳﺘﺨﺪاﻣﻪ.

البيانات والمعلومات اللازمة لتصميم جهاز امتصاص هي:

(1) معدل التدفق الأقصى (المتوقع) للغاز الحامل ، G mole / hr ؛

(2) درجة الحرارة والضغط من تيار الغاز المؤثر ؛

(3) تركيز الملوث المستهدف في المؤثر ودرجة إزالته المرغوبة ؛

(4) علاقة الذوبان / علاقة التوازن ؛

(5) نوع التغليف وحجمه وخصائصه الأخرى.

وبمجرد إتاحة هذه المعلومات ، سيكون باستطاعة المرء حساب ما يلي باستخدام المعادلات المناسبة وبالتالي تصميم ماص مناسب.

(ط) معدل تدفق المذيبات المطلوبة ، L mole / hr ،

(ii) قطر العمود D ،

(iii) ارتفاع العمود Z ،

(4) انخفاض الضغط عبر السرير المعبأ.

معدل المذيبات المطلوبة:

ويمكن حساب الحد الأدنى لمعدل المذيب (L mjn ) على افتراض أن المذيب الذي يغادر الماص سيصبح مشبعًا بالنسبة لتركيز المذب في تيار الغاز المؤثر. يوضح الشكل 4-11 مخططًا تخطيطيًا لممتص معبأ.

يتم الحصول على تعبير لـ L min من خلال إعادة ترتيب معادلة التوازن المذاب عبر جهاز امتصاص ،

L min = G (Y 1 -Y2) / X * 1 - X 2

حيث X 1 ، * = Y 1 / m

X l ، X 2 = تركيز المذاب في المذيب عند المخرج والمدخل على التوالي ، في وحدة نسبة المولي ،

Y 1 ، Y 2 = تركيز المذاب في الطور الغازي عند المدخل والمخرج على التوالي ، في وحدة نسبة المولي.

في الممارسة X 2 و X 1 ، سيكون معروفا. Y 2 ستكون مرتبطة بـ Y 1 من خلال درجة إزالتها المطلوبة ، أي كفاءة الإزالة ،

Y 2 = Y 1 ، (1-ᶯ r ) ، ᶯ r = كفاءة الإزالة ،

تقييم L min باستخدام المعادل. (4.48) يكون مناسبًا إذا كانت علاقة التوازن طوليًا ، أي Y = mX و m مستقل عن X. في معظم الحالات يكون تركيز المذاب (الملوث) في الطور الغازي منخفضًا وبالتالي تكون m مستقلة عن X.

عادة ما يتم أخذ معدل المذيب الفعلي

L الفعلي ، = 1-25 إلى 2.0 مرات L دقيقة .

وتجدر الإشارة هنا إلى أنه لم يتم تصميم وحدة امتصاص أبداً باستخدام L الفعلي - L min حيث أنه سيؤدي إلى قيمة عالية جدًا من Z Q.

كلما زاد L الفعلي ، ينخفض ​​ارتفاع العمود المحسوب ، ولكن يزيد المقطع العرضي للعمود. يجب أن يتم تحديد القيمة الفعلية أخيراً من إجمالي التكلفة (التكلفة المبدئية مضافاً إليها تكلفة التشغيل). عامل آخر يجب أن يؤخذ في الاعتبار لتقدير L الفعلي هو الحد الأدنى لمعدل السائل المطلوب لترطيب التعبئة في العمود.

قطر العمود:

عند معدل معين من تدفق الغاز والسائل إذا تم تخفيض قطر العمود ، فإن السائل الذي تمسك (كتلة السائل في العمود في أي لحظة) في العمود سيزداد. وهذا من شأنه أن يؤدي إلى انخفاض مساحة الفراغ المتاحة لتدفق الغاز من خلال العمود. وبالتالي ، فإن سرعة الغاز (الخطية) ستزداد ، كما سيزداد الضغط الجانبي للغاز عبر السرير.

ارتفاع ضغط الجانب الغازية يعوق تدفق السائل. إذا تم تخفيض قطر العمود ، سيتم ملء العمود بالسائل. يشار إلى هذا الشرط باسم الفيضانات. وتسمى سرعة الكتلة الغازية في هذه الحالة بأنها سرعة الفيضان. تؤخذ سرعة تشغيل الغاز من 60 إلى 75٪ من سرعة الفيضان. استناداً إلى سرعة التشغيل الفعلية للغاز ، يتم حساب مساحة المقطع العرضي للعمود باستخدام المعادل. (4.49).

حيث A = عمود منطقة المقطع العرضي ،

G = سرعة الكتلة الغازية السطحية في الفيضانات ،

F = جزء من سرعة الفيضان المقابلة التي يقدر فيها مقطع العرض العمودي = 0.6 إلى 0.75 ،

و M g = الغاز (الخليط) الوزن الجزيئي.

وتعتمد G n على الغاز والخصائص الفيزيائية السائلة مثل p g و p L و µ L وخصائص التعبئة والسوائل إلى نسبة معدل تدفق الكتلة الغازية. يمكن تقديرها بمساعدة المؤامرات المتوفرة في الكتب القياسية حول النقل الجماعي.

ارتفاع العمود:

يمكن كتابة معادلة توازن ذرة الحالة الثابتة عبر ارتفاع معبأ عنصري (الشكل 4.11) من عمود ك

مع الأخذ بعين الاعتبار أن الذبابة تنتقل من الطور الغازي إلى الطور السائل ، يمكن إعادة كتابة (4.50)

حيث = مساحة سطح التعبئة لكل وحدة حجم سرير معبأة.

للحصول على تعبير عن ارتفاع السرير المرزوم. (4.51) يعاد ترتيبها وتكاملها. المعادلة الناتجة هي

Z 0 يقاس محسوباً لارتفاع القسم المعبأ من الماص ، وهو ضروري لتقليل تركيز الملوثات في الطور الغازي من Y 1 إلى Y 2 . الارتفاع الفعلي للعمود سيكون أكبر من Z O لتوفير مساحة لموزّع وموزّع سائل في الأعلى ، موزعي (موزعي) سائل بين الأجزاء المعبأة وموزع غاز ودعم للتعبئة وختم سائل في الأسفل.

انخفاض الضغط عبر برج معبأة:

من أجل تقدير انخفاض الضغط عبر مقطع معبأ في عمود ، يكتشف المرء AP / Z (انخفاض الضغط لكل وحدة ارتفاع معبأة) بناءً على معايير التشغيل التي تم تحديدها بالفعل والخصائص الفيزيائية لنظام الغاز والسائل وخصائص التعبئة الاستفادة من المعلومات المتاحة في الكتب حول النقل الجماعي. باستخدام هذه المعلومات ، يتم قياس الضغط عبر سرير معبأ بمساعدة المعادل. (4.53)،

سيكون انخفاض الضغط الفعلي عبر البرج أعلى من المقدار باستخدام المعادل. (4.53) بسبب البرج الداخلي المذكور في وقت سابق بخلاف التعبئة.