Adsorción de contaminantes gaseosos
Lea este artículo para obtener información sobre la adsorción de contaminantes gaseosos con un enfoque de diseño de adsorbedor de lecho fijo.
Introducción a la adsorción de contaminantes gaseosos:
Cuando un fluido que contiene algunas sustancias dispersas se pone en contacto con algunas partículas sólidas especialmente tratadas / preparadas, las moléculas de las sustancias dispersas pueden retenerse en las superficies de las partículas sólidas. Este fenómeno se denomina como adsorción.
El material sólido se denomina adsorbente y la sustancia retenida en un adsorbente se denomina adsorbato. La adsorción no solo es un método eficaz para eliminar contaminantes de las corrientes gaseosas, sino también para reducir los contaminantes del agua. El fenómeno de la adsorción se ha investigado experimentalmente y se han propuesto varias teorías para explicar las observaciones. Pero aún no se ha desarrollado una teoría que pueda explicar la mayoría de las observaciones.
Se presume que una interacción entre las moléculas de adsorbato y los sitios activos en la superficie del adsorbente provoca la retención de un adsorbato en un adsorbente. La fuerza interactiva, que provoca la adsorción, se ha teorizado como de naturaleza física o química. Cuando un adsorbato se mantiene debido a una fuerza física atractiva, el proceso se denomina adsorción física.
La cantidad de calor evolucionado durante este proceso es casi la misma que el calor latente de condensación del adsorbato. La fuerza atractiva, que provoca la adsorción física, es de naturaleza débil, por lo que las moléculas adsorbidas pueden eliminarse (desorberse) de las partículas sólidas ya sea elevando la temperatura del sistema o reduciendo la presión parcial del adsorbato (por evacuación o pasando una gas inerte) o por el efecto combinado de los dos. El proceso de desorción es endotérmico.
En algunos casos, un adsorbato se retiene en una superficie adsorbente debido a la unión química entre los dos. No significa que se forme un nuevo compuesto químico, sino que la fuerza de adhesión es bastante fuerte. Tal proceso se denomina como quimisorción. Se caracteriza por la evolución de una cantidad relativamente grande de calor, que es similar en magnitud a la de una reacción química exotérmica. La quimisorción es casi un proceso irreversible. Durante la eliminación de una sustancia química, las moléculas de adsorbato a menudo experimentan cambios químicos.
Dado que tanto la quimisorción como la adsorción física se producen en la superficie del adsorbente, un buen adsorbente debe tener una gran área de superficie específica (área de superficie por unidad de masa). El área de superficie específica aumenta con la disminución del tamaño de partícula y el aumento de la porosidad de las partículas adsorbentes. Para ser un buen adsorbente, las partículas sólidas no solo deben tener un área específica alta, sino también poseer una fuerza interactiva adecuada / sitios activos con respecto al adsorbato específico.
La masa de adsorbato retenido por unidad de masa de un adsorbente estaría relacionada con la concentración de adsorbato en el fluido en equilibrio a una temperatura dada. Sobre la base del análisis de Langmuir del fenómeno, la relación de equilibrio puede expresarse como
X * i = mY i 1 / n …… ……………………… (4.54)
donde X * i = masa de adsorbato i retenido por unidad de masa de un adsorbente, e Y i = masa de adsorbato i presente en una masa unitaria del fluido (gas portador) en equilibrio.
myn son constantes específicas para un sistema específico de adsorbente adsorbente. Son dependientes de la temperatura.
Para n ≤ 1, el proceso de adsorción se considera favorable y para n> 1 no es favorable. Para un sistema específico de adsorbato-adsorbente, los valores numéricos de m y n dependen del proceso de fabricación del adsorbente. Esos son evaluados experimentalmente.
Una vez que un adsorbente ha alcanzado el equilibrio con respecto a un adsorbato, no podría absorber más el adsorbato. El adsorbente debe desecharse o regenerarse para su reutilización. Para la regeneración de un adsorbente y / o la recuperación del adsorbato, generalmente el adsorbente gastado se calienta mientras se pasa una corriente de un gas inerte sobre él.
En el caso de un proceso de adsorción física, normalmente se utiliza vapor o aire a una temperatura moderada (100 ° C o más). La sustancia desorbida puede recolectarse (si es valiosa) o tratarse más antes de su eliminación. Sin embargo, para la regeneración de un adsorbente a partir de un proceso de quimisorción, el aire a alta temperatura se pasa sobre el adsorbente gastado, por lo que la sustancia adsorbida se oxida y se elimina.
Los adsorbentes utilizados comercialmente son carbón activado, sílice, gel de sílice, tamices moleculares (silicatos de alúmina), alúmina y algunos otros óxidos metálicos. El adsorbente más utilizado es el carbón activado granular (CAG).
Los adsorbedores de uso común son de tipo de lecho fijo, que se operan en ciclos. Un dispositivo de adsorción de lecho fijo consiste en un alojamiento que contiene un lecho de partículas absorbentes granulares. A medida que una corriente fluida que transporta h contaminante (adsorbato) fluye a través del lecho, el contaminante se adsorbe.
Gradualmente las partículas adsorbentes se saturan. Una vez que el contaminante en la corriente tratada alcanza un nivel predeterminado según lo estipulado en los estándares de control de contaminación, el proceso de adsorción se interrumpe y el lecho se regenera. Después de la regeneración de la cama, se pone en marcha de nuevo.
Un sistema de adsorción puede tener varias configuraciones. El más simple sería un sistema de dos camas en el cual cuando una cama se regenera, la otra estaría en línea. Una mejor disposición sería un sistema de tres camas en el que dos camas se operen en serie, mientras que la tercera se regeneraría. En una configuración de este tipo, la segunda cama actúa como la cama de pulido. Cuando la velocidad de flujo volumétrico de una corriente de fluido a tratar es bastante grande, entonces varias unidades pueden operarse paralelamente.
Además del lecho fijo, también se utilizan adsorbedores de lecho fluidizado y lecho móvil. Son operados sin ninguna interrupción para la regeneración. De estos lechos, las partículas adsorbentes parcialmente gastadas se eliminan, se regeneran fuera de los lechos y se devuelven continuamente. En tales unidades, las partículas adsorbentes sufren desgaste debido a la abrasión entre partículas, así como debido a la abrasión de la pared.
El flujo de partículas sólidas en estos adsorbedores puede no ser suave. Sin embargo, la retención del adsorbente sería mucho menor en comparación con la de un sistema de lecho fijo que tenga la misma capacidad. Dado que la regeneración se realiza fuera del adsorbente, se puede llevar a cabo en condiciones drásticas, si es necesario.
Enfoque de diseño de adsorbedor de cama fija:
Cuando una corriente de fluido que contiene un adsorbato ingresa en un adsorbente de lecho fijo, la mayor parte de la adsorción tiene lugar en el extremo de alimentación para comenzar. Gradualmente, las partículas adsorbentes presentes cerca del extremo de alimentación se saturan con adsorbato y la zona de adsorción efectiva se desplaza hacia el extremo de salida. La parte de un adsorbente donde se realiza la mayor parte de la adsorción se conoce como la zona de adsorción efectiva. La Figura 4.12 muestra la saturación progresiva de un lecho adsorbente en un adsorbente durante el proceso. También muestra que la zona de adsorción efectiva (Z Q ) finalmente llega al final de la salida.
La figura 4.13 muestra que la concentración de adsorbato (Y) en la corriente tratada aumenta a medida que avanza la operación y, finalmente, en el momento ϴ = ϴ B, la concentración se convierte en Y B. Si el adsorbato es un contaminante, entonces Y B representaría su máxima concentración de emisión permisible desde el punto de vista de la contaminación ambiental. El tiempo ϴ B se conoce como el tiempo de interrupción.
La continuación del proceso de adsorción más allá de B resultaría en un aumento adicional en la concentración de contaminante más allá de Y B en la corriente de efluente tratada. En ϴ = ϴ B, la operación debe interrumpirse y la cama debe regenerarse.
Al diseñar un dispositivo de adsorción de lecho fijo para reducir el contaminante de gases, se debe estimar su área de sección transversal y su altura de empaquetado para tener una "ruptura a través del tiempo" preseleccionada ϴ B.
La siguiente información sería requerida para propósitos de diseño:
1. Caudal de la corriente influyente, G;
2. Concentración de contaminantes en el afluente.
3. La concentración máxima permisible de contaminantes en el efluente tratado, Y B ;
4. 'Interrumpir el tiempo' preseleccionado ϴ B, y
5. Características del adsorbente seleccionado.
El área de sección transversal de la columna de un adsorbente se puede estimar usando la siguiente expresión:
Normalmente, para unidades comerciales, la velocidad de gas superficial empleada está en el rango de 6 a 24 m / min. Si se opera a una velocidad más alta, la caída de presión a través del lecho sería mayor y, en consecuencia, el costo de operación (energía) sería mayor. Para estimar el diámetro de la tubería de entrada y salida de la columna, la velocidad del gas se selecciona en el rango de 600 a 900 m / min. Para la estimación de la altura del lecho empacado, L 0, se supone que ϴ B. Basándose en esto y en las características del adsorbente seleccionado, la altura del lecho empacado L O se puede calcular utilizando un enfoque de la regla del pulgar o un enfoque analítico.
Para encontrar la altura del lecho empacado utilizando un método de la regla del pulgar, la información requerida es: (i) la 'capacidad de adsorción' ( Xc ) del adsorbente seleccionado y (ii) la densidad aparente (pb) del adsorbente. La capacidad de adsorción X c se define como la masa de adsorbato que una unidad de masa de un adsorbente puede absorber mientras trata una corriente de gas influyente que tiene una concentración de contaminante Y O y, por lo tanto, reduce la concentración de contaminante a su valor límite permisible Y B en el gas tratado. .
X c y p b pueden obtenerse de un fabricante / proveedor de adsorbentes o estimarse experimentalmente en un laboratorio. Los datos basados en laboratorio serían más confiables para propósitos de diseño. Una vez que estos datos estén disponibles, la masa total de adsorbente requerida se puede calcular utilizando la ec. (4.55).
La altura de cama correspondiente (L 0 ) se puede obtener utilizando la ecuación. (4.56)
La altura de la cama L 0 se puede calcular de acuerdo con el enfoque analítico utilizando la ecuación. (4.57)
donde ϴ = grado de saturación del lecho adsorbente total en el momento d B, expresado como una fracción,
y X s = concentración de contaminante en el adsorbente en equilibrio con la concentración en fase gaseosa Y 0 expresada como una relación en peso.
X x se puede estimar usando la ec. (4.54) o utilizando datos de equilibrio obtenidos experimentalmente.
Aquí se debe tener en cuenta que en el momento ϴ B desde el inicio del proceso, la mayor parte del lecho (excepto la zona de adsorción Za cerca del extremo de salida de la columna) estaría saturada. La Zona Za estaría parcialmente saturada. Por lo tanto, ϴ puede expresarse como
Ahora es evidente que para encontrar L 0, uno tiene que estimar f y Z a al principio.
La ecuación de balance de material en fase gaseosa de un adsorbato a través de una altura de lecho elemental dZ en la zona de adsorción Z Q durante un intervalo de tiempo dϴ se puede escribir como
Donde ɛ = fracción vacía y a = área de superficie por unidad de volumen empaquetado.
El último término en el lado derecho de la ecuación. (4.60), siendo pequeño en comparación con los otros términos, puede descuidarse y la ecuación puede reescribirse como
La forma integrada de la ec. (4.61) puede ser escrito como
y Y * = concentración de contaminante en fase gaseosa en equilibrio correspondiente a la concentración de contaminante adsorbida X en la superficie del adsorbente.
se puede evaluar numéricamente o gráficamente tomando la ayuda de una gráfica similar a la Fig. 4.14. Sin embargo, surge un problema que corresponde a Y = Y O, y * = Y 0 y, por lo tanto, N OG sería infinito. Para sortear esta dificultad, N OG se aproxima como
donde Ye tiene asignado un valor numérico ligeramente menor que K 0
Para estimar H OG es necesario conocer los valores numéricos de K y y a. En ausencia de dicha información, se puede tener una estimación de H oc con la ayuda de la figura 4.15 para la cual la información requerida es ɛ y d p .
donde ɛ = fracción de vacío cama,
y d p = diámetro promedio de las partículas adsorbentes
Después de la evaluación de Z a usando la ec. (4.62), f debe calcularse numéricamente utilizando la ec. (4.59). Finalmente, ϴ y L O se evalúan utilizando la ecuación. (4.58) y la ec. (4.57) respectivamente.
Ejemplo 4.4:
Se diseñará un adsorbente de lecho fijo para la adsorción de acetona del aire con una concentración inicial, Y 0 = 0.024 kg de acetona / kg de aire a 30 ° C utilizando carbón activado granulado (GAC). El caudal volumétrico de gas es de 12000 m 3 / h. La concentración de acetona permisible (Y B ) en el gas tratado puede tomarse como 0, 001 kg de acetona / kg de aire y la densidad aparente de GAC (p b ) como 400 kg / m 3 . Los datos de equilibrio se enumeran a continuación.
Solución:
En ausencia de cualquier otra información específica relacionada con este problema de diseño, se asume lo siguiente:
Usando los valores asumidos de ϴ B, la velocidad superficial y H QG y la información especificada en el problema, la altura L 0 del adsorbedor empaquetado se estima con la ayuda del enfoque de la regla del pulgar utilizando las siguientes ecuaciones / relaciones:
Finalmente aceptando la altura empaquetada de adsorbente L 0 como se calcula utilizando la ec. (4.56), ϴ B se recalcula siguiendo el enfoque analítico.
El trazado de los datos de equilibrio suministrados y el dibujo de una línea operativa apropiada dieron como resultado una figura similar a la de la figura 4.14. A partir de esa cifra, se encuentra que el valor de X s es 0.177. Para la estimación N OG y f por integración numérica, los valores requeridos de Y, X e Y * se leen de la figura y los valores calculados de
