امتزاز الملوثات الغازية
اقرأ هذه المقالة للتعرف على امتزاز الملوثات الغازية باستخدام طريقة تصميم وسادة السرير الثابتة.
مقدمة لامتصاص الملوثات الغازية:
عندما يتم احتواء السوائل التي تحتوي على بعض المواد المشتتة مع بعض الجسيمات الصلبة المعالجة / المحضرة بشكل خاص ، يمكن الاحتفاظ بجزيئات المواد المشتتة على أسطح الجسيمات الصلبة. هذه الظاهرة تسمى امتزاز.
يشار إلى المادة الصلبة على أنها مادة ممتزة ، ويطلق على المادة المحتفظ بها على مادة ممتزات كثيف. الامتزاز ليس فقط طريقة فعالة لإزالة الملوثات من التدفقات الغازية ، ولكن أيضا للحد من الملوثات التي تنقلها المياه. وقد تم دراسة ظاهرة الامتزاز تجريبيا وتم اقتراح نظريات مختلفة لشرح الملاحظات. لكن النظرية ، التي قد تفسر معظم الملاحظات ، لم يتم تطويرها بعد.
ومن المفترض أن التفاعل بين جزيئات كثف والمواقع النشطة على سطح الممتزات يسبب احتجاز كثف على الممتزات. القوة النظرية ، التي تجلب الامتزاز ، وقد نظري إما طبيعيا أو كيميائيا في الطبيعة. عندما يتم الاحتفاظ بـ adorb بسبب قوة جذابة فعلية ، يشار إلى العملية بالامتزاز المادي.
كمية الحرارة المتطورة خلال هذه العملية هي تقريبا نفس الحرارة الكامنة للتكاثف من الإدمصاص. القوة الجذابة ، التي تجلب الامتزاز الجسدي ضعيفة في طبيعتها ، وبالتالي يمكن إزالة الجزيئات الممتزعة (الممتصة) من الجزيئات الصلبة إما عن طريق رفع درجة حرارة النظام أو عن طريق تقليل الضغط الجزئي للمادة الممتصة (عن طريق الإخلاء أو عن طريق تمرير الغاز الخامل) أو من خلال التأثير المشترك للاثنين. عملية الامتزاز هي عملية ماصة للحرارة.
في بعض الحالات يتم الاحتفاظ بالمادة الممتزة على سطح ممتص بسبب الترابط الكيميائي بين الاثنين. لا يعني ذلك أنه تم تكوين مركب كيميائي جديد ، لكن قوة الالتصاق قوية إلى حد ما. تسمى هذه العملية كإمتصاص كيميائي. يتميز بتطور كمية كبيرة نسبيا من الحرارة ، والتي هي مماثلة في الحجم إلى أن من تفاعل كيميائي طارد للحرارة. الإمتصاص الكيميائي يكاد يكون عملية لا رجعة فيها. أثناء إزالة مادة كيميائية مضغوطة ، تخضع جزيئات كثف في كثير من الأحيان إلى تغيرات كيميائية.
بما أن كلا من الامتصاص الكيميائي والامتزاز الجسدي يحدثان على السطح المازَّع ، فيجب أن يكون للممتاز الجيد مساحة سطح كبيرة (المساحة السطحية لكل وحدة كتلة). تزداد مساحة السطح المحددة مع انخفاض حجم الجسيمات وزيادة مسامية الجسيمات الممتزّة. لكي تكون ملامسا جيدا يجب ألا يكون للجسيمات الصلبة مساحة عالية محددة فحسب ، بل تمتلك أيضا مواقع تفاعلية / نشطة نشطة فيما يتعلق بالامتصاص المحدد.
إن كتلة مادة الامتصاص المحتفظ بها لكل وحدة كتلة من الممتز سوف تكون مرتبطة بتركيز كثف في السائل عند التوازن عند درجة حرارة معينة. استنادا إلى تحليل Langmuir للظاهرة يمكن التعبير عن علاقة التوازن كما
X * i = mY i 1 / n …………………… (4.54)
حيث X * i = mass of adsorbate i retained per unit mass of an الممتازة ، و Y i = mass of adsorbate i present in a unit mass of the fluid (gas carrier) at equilibrium.
m و n هي ثوابت محددة لنظام محدد يمتزج - adsorbate. انهم يعتمدون على درجة الحرارة.
بالنسبة إلى n ≤ 1 ، تعتبر عملية الامتصاص مواتية و n> 1 غير ملائمة. بالنسبة إلى نظام مكثف محدد - نظام ممتز ، تعتمد القيم العددية لـ m و n على عملية تصنيع الممتزات. يتم تقييم تلك تجريبيا.
وبمجرد أن يحصل الامتصاص على توازن فيما يتعلق بالمادة الممتصة ، فلن يكون قادراً على امتصاص الإدمصاص أكثر من ذلك. يجب إزالة المادة الماصة أو إعادة إنشائها لإعادة استخدامها. لتجديد الامتصاص و أو الاستعادة من كثف ، عادة ما يتم تسخين الممتز المستنفد أثناء مرور تيار من غاز خامل فوقه.
في حالة عملية الامتزاز الفيزيائي ، يتم استخدام البخار أو الهواء بدرجة حرارة معتدلة (100 درجة مئوية أو أكثر). يمكن جمع المادة المستحلبة (إذا كانت قيمة) أو معالجتها قبل التخلص منها. ومع ذلك ، بالنسبة لتجديد مادة الامتصاص من عملية امتصاص كيميائي ، يتم تمرير الهواء عند درجة حرارة عالية على الممتزات المستنفذة حيث يتم أكسدة المادة الممتزة المؤكسدة وإزالتها.
والممتزات المستخدمة تجاريا هي الكربون المنشط ، والسليكا ، وهلام السيليكا ، والمناخل الجزيئية (سيليكات الألومينا) ، والألومينا وبعض أكاسيد المعادن الأخرى. وأكثر المواد الماصة استخدامًا هي الكربون المنشط المحبب (GAC).
المزوازين شائعة الاستخدام هي نوع سرير ثابت ، والتي تعمل في دورات. يتكون غلاف السرير الثابت من مبيت يحتوي على سرير من جزيئات ماصة حبيبية. عندما يتدفق تيار السائل الذي يحمل h الملوث (كثف) خلال السرير ، يحصل الملوث على الملوث.
تدريجيا تصبح الجزيئات الممتزة مشبعة. وبمجرد وصول المادة الملوثة في تيار المعالجة إلى مستوى محدد مسبقًا كما هو منصوص عليه في معايير مكافحة التلوث ، يتم إيقاف عملية الامتزاز ويتم إعادة تكوين السرير. بعد تجديد السرير ، يتم وضعه مرة أخرى.
قد يكون نظام adsorber عدة تكوينات. وأبسطها سيكون نظامًا يحتوي على سريرين ، حيث يتم إعادة توليد السرير الآخر على الإنترنت. سيكون الترتيب الأفضل هو نظام من ثلاثة أسِرَّة يتم فيه تشغيل سريرين في سلسلة ، بينما يتم تجديد النظام الثالث. في مثل هذا الإعداد ، يعمل السرير الثاني كسرير تلميع. عندما يكون معدل التدفق الحجمي لتدفق السائل المراد معالجته كبيرًا إلى حد ما ، فقد يتم تشغيل عدة وحدات بشكل متزامن.
وبخلاف السرير الثابت ، يتم أيضًا استخدام السرير المميع ومكثفات السرير المتحركة. يتم تشغيلها دون أي انقطاع للتجديد. من هذه الأسِرّة تُزال جزيئات الممتز جزئياً ، ويتم تجديدها خارج الأسِرّة وتُعاد باستمرار. في هذه الوحدات تخضع الجزيئات الممتزة للتآكل بسبب التآكل بين الجسيمات ، وكذلك بسبب تآكل الجدار.
قد لا يكون تدفق الجزيئات الصلبة في هذه الممتزات سلسًا. ومع ذلك ، فإن عملية امتصاص المادة الممتزة تكون أقل بكثير مقارنة بنظام التخزين الثابت الذي يتمتع بنفس السعة. وبما أن التجديد يتم خارج الادمصاص ، فإنه يمكن تنفيذه تحت شروط صارمة ، إذا لزم الأمر.
نهج تصميم السرير ثابت adsorber:
عندما يدخل تيار سوائل يحتوي على مادة adsorbate إلى مادة إمتصاص سريرية ثابتة ، فإن معظم الإمتزاز يحدث في نهاية التغذية للبدء به. تدريجيا تصبح الجزيئات الممتزة الموجودة بالقرب من طرف التغذية مشبعة بالامتصاص وتزول منطقة الامتصاص الفعالة نحو نهاية المخرج. ويشار إلى هذا الجزء من مادة adorber حيث يحدث معظم الامتزاز باسم منطقة الامتصاص الفعالة. يوضح الشكل 4.12 تشبع التقدمي لسرير ممتز في مادة ممتصة خلال العملية. كما يوضح أيضًا أن منطقة الامتصاص الفعالة (Z Q ) تصل أخيراً إلى نهاية الخروج.
ويبين الشكل 4-13 أن تركيز كثف (Y) في التيار المعالَج يزيد مع تقدم العملية ، وأخيرا في الوقت ϴ = ϴ B يصبح التركيز Y B. إذا كانت المادة الممتصة عبارة عن مادة ملوثة ، فستقف Y B عند تركيزها الأقصى المسموح به للانبعاثات من وجهة نظر التلوث البيئي. ويشار إلى الوقت ϴ B باسم الاختراق عبر الزمن.
سوف يؤدي استمرار عملية الامتزاز إلى ما بعد B إلى زيادة إضافية في تركيز الملوثات إلى ما وراء Y B في تيار النفايات السائلة المعالجة. عند ϴ = ϴ B يجب إيقاف العملية وإعادة تجديد السرير.
عند تصميم ملقط سرير ثابت من أجل تخفيف الملوثات المنقولة بالغاز ، يتعين على المرء تقدير مساحة المقطع العرضي وارتفاعه المعبأ بحيث يكون "اختراقاً مع الزمن" محدداً مسبقاً.
ستكون المعلومات التالية مطلوبة لغرض التصميم:
1. معدل التدفق من التيار المؤثر ، G ؛
2. تركيز الملوثات في المؤثر ،
3. الحد الأقصى لتركيز الملوث المسموح به في النفايات السائلة المعالجة ، Y B ؛
4. اخترت مسبقا "اختراق الوقت" ب ، و
5. خصائص مختارة الممتزة.
يمكن تقدير مساحة المقطع العرضي للامتداد باستخدام التعبير التالي:
بالنسبة للوحدات التجارية عادة ، تتراوح سرعة الغاز السطحية المستخدمة بين 6 و 24 م / دقيقة. إذا تم تشغيله بسرعة أعلى ، فإن انخفاض الضغط عبر السرير سيكون أعلى وبالتالي تكون تكلفة التشغيل (الطاقة) أكثر. لتقدير قطر عمود ومخرج أنبوب الإخراج يتم اختيار سرعة الغاز في نطاق 600-900 م / دقيقة. لتقدير ارتفاع السرير المرزوم ، L 0 ، يفترض أحد أن ϴ B. وبناءً على هذا ومميزات الممتز المختارة ، يمكن حساب ارتفاع السرير المرزوم L O باستخدام طريقة قاعدة الإبهام أو أسلوب تحليلي.
لإيجاد ارتفاع السرير المرزوم باستخدام نهج حكم الإبهام ، فإن المعلومات المطلوبة هي: (1) "سعة الامتصاص" (X ج ) للممتز المختار و (2) الكثافة الظاهرية (p b ) للممتاز. يتم تعريف قدرة الامتصاص X c على أنها كتلة الامتصاص والتي قد تمتزج كتلة وحدة من الممتز عند معالجة تيار غاز مؤثر بتركيز ملوث Y Y وبالتالي تقليل تركيز الملوثات إلى قيمته المسموح بها المسموح بها Y B في الغاز المعالج .
يمكن الحصول على X c و p b إما من مُصنِّع / مورّد ماص أو يقدَّر تجريبياً في المختبر. البيانات المعملية سوف تكون أكثر موثوقية لغرض التصميم. وبمجرد إتاحة هذه البيانات ، يمكن حساب الكتلة الإجمالية من الممتزات المطلوبة باستخدام المعادل. (4.55).
يمكن الحصول على ارتفاع السرير المقابل (L 0 ) باستخدام المعادل. (4.56)
يمكن حساب ارتفاع السرير L 0 وفقًا للنهج التحليلي باستخدام المعادل. (4.57)
حيث ϴ = درجة تشبع السرير الممزق الكلي في الوقت d b ، معبراً عنه كسسر ،
و X s = تركيز الملوثات على الممتز في حالة توازن مع تركيز الطور الغازي معبراً عنه كنسبة وزنية.
يمكن تقدير X x إما باستخدام المعادل. (4.54) أو استخدام بيانات توازن تم الحصول عليها تجريبياً.
وتجدر الإشارة هنا إلى أنه في وقت B من بداية العملية ، سيتم تشبع الجزء الرئيسي من السرير (باستثناء منطقة الامتصاص Z قرب نهاية خروج العمود). المنطقة Z Z ستكون مشبعة جزئيًا. ومن ثم يمكن التعبير عن as ك
ومن الواضح الآن أنه من أجل إيجاد L 0 ، يتعين على المرء تقدير f و Z a في البداية.
يمكن كتابة معادلة توازن مادة الطور الغازي للمادة الممتدة عبر ارتفاع طبقة dZ عنصري في منطقة الامتصاص Z Q خلال فترة زمنية dϴ على النحو التالي:
حيث ɛ = جزء باطل و = مساحة السطح لكل وحدة حجم معبأة.
المصطلح الأخير على الجانب الأيمن من المعادل. (4.60) ، كونها صغيرة مقارنة بالشروط الأخرى ، قد يتم إهمالها ويمكن إعادة كتابة المعادلة كـ
الشكل المتكامل للمعادل. يمكن كتابة (4.61) ك
و Y * = تركيز ملوثات غاز الطور المتوازن المقابل لتركيز الملوثات الممتزوم X على سطح المادة الممتزة.
قد يتم تقييمها عدديًا أو بيانيًا مع مساعدة من قطعة أرض مشابهة للشكل 4.14. ومع ذلك ، هناك مشكلة تنشأ في مقابل Y = Y O ، Y * = Y 0 ومن ثم سيكون N OG لانهائي. للتحايل على هذه الصعوبة ، يتم تقريب N OG
حيث يتم تعيين Ye قيمة عددية أقل بقليل من K 0
لتقدير H OG ، من الضروري معرفة القيم العددية لـ K y و a. في غياب مثل هذه المعلومات ، قد يكون لدى المرء تقدير لـ H oc بمساعدة من الشكل 4.15 الذي تكون عليه المعلومات المطلوبة ɛ و d p .
حيث ɛ = جزء الفراغ السرير ،
و d p = متوسط قطر الجسيم الممتص
بعد تقييم Z باستخدام المعادل. (4.62) ، f يجب حسابها عدديًا باستخدام المعادل. (4.59). أخيرا يتم تقييم ϴ و L O باستخدام المعادلة. (4.58) والمعادل. (4.57) على التوالي.
المثال 4.4:
يتم تصميم أبعاد السرير الثابت لامتصاص الأسيتون من الهواء ذي التركيز الأولي ، Y 0 = 0.024 كجم من الأسيتون / kg عند 30 درجة مئوية باستخدام الكربون النشط المحبب (GAC). معدل تدفق الغاز الحجمي هو 12000 م 3 / ساعة. يمكن أخذ تركيز الأسيتون المسموح به (Y B ) في الغاز المعالج كـ 0.001 كجم من الأسيتون / كجم من الهواء وكثافة GAC (p b ) 400 كجم / م 3 . بيانات الاتزان مذكورة أدناه.
حل:
في حالة عدم وجود أي معلومات محددة أخرى تتعلق بمشكلة التصميم هذه ، يتم افتراض ما يلي:
باستخدام القيم المفترضة لكل من B ، والسرعة السطحية ومفاتيح H QG والمعلومات المحددة في المشكلة ، يُقدر ارتفاع adorber المضغوط L 0 بمساعدة منهج حكم الإبهام باستخدام المعادلات / العلاقات التالية:
وأخيرًا ، يتم قبول ارتفاع معبأة adorber L 0 كما يتم حسابه باستخدام المعادل. (4.56) ، يتم إعادة حساب ϴ B باتباع النهج التحليلي.
نتج عن رسم بياني لبيانات الاتزان المرفقة ورسم خط التشغيل المناسب شكل مماثل للشكل الوارد في الشكل 4.14. من هذا الرقم تم العثور على قيمة X s لتكون 0.177. للتقييم N OG و f بواسطة التكامل العددي ، تتم قراءة القيم المطلوبة لـ Y و X و Y * من الشكل والقيم المحسوبة
