Adsorção de poluentes gasosos
Leia este artigo para aprender sobre a adsorção de poluentes gasosos com abordagem de design de adsorção de leito fixo.
Introdução à Adsorção de Poluentes Gasosos:
Quando um fluido contendo algumas substâncias dispersas é posto em contacto com algumas partículas sólidas especialmente tratadas / preparadas, as moléculas das substâncias dispersas podem ser retidas nas superfícies das partículas sólidas. Este fenômeno é denominado adsorção.
O material sólido é referido como um adsorvente e a substância retida em um adsorvente é denominada como adsorbato. A adsorção não é apenas um método eficaz para a remoção de poluentes de correntes gasosas, mas também para a redução de poluentes de origem hídrica. O fenômeno da adsorção tem sido investigado experimentalmente e várias teorias têm sido propostas para explicar as observações. Mas uma teoria, que pode explicar a maioria das observações, ainda está por ser desenvolvida.
Presume-se que uma interação entre as moléculas de adsorvato e os sítios ativos na superfície adsorvente causem a retenção de um adsorvente em um adsorvente. A força interativa, que produz adsorção, foi teorizada como sendo física ou química. Quando um adsorvato é mantido devido à força física atrativa, o processo é referido como adsorção física.
A quantidade de calor que se desenvolve durante este processo é quase igual ao calor latente de condensação do adsorbato. A força atrativa, que provoca adsorção física é fraca por natureza, portanto as moléculas adsorvidas podem ser removidas (dessorvidas) das partículas sólidas, elevando a temperatura do sistema ou reduzindo a pressão parcial do adsorvato (por evacuação ou por passagem gás inerte) ou pelo efeito combinado dos dois. O processo de dessorção é endotérmico.
Em alguns casos, um adsorvato é retido em uma superfície adsorvente por causa da ligação química entre os dois. Isso não significa que um novo composto químico é formado, mas a força de adesão é bastante forte. Tal processo é denominado como quimissorção. É caracterizada pela evolução de uma quantidade relativamente grande de calor, que é similar em magnitude àquela de uma reação química exotérmica. A quimissorção é quase um processo irreversível. Durante a remoção de uma substância quimicamente absorvida, as moléculas de adsorvato sofrem frequentemente alterações químicas.
Uma vez que tanto a quimissorção quanto a adsorção física ocorrem na superfície adsorvente, um bom adsorvente deve ter uma grande área superficial específica (área superficial por unidade de massa). A área superficial específica aumenta com a diminuição do tamanho das partículas e aumenta a porosidade das partículas adsorventes. Para ser um bom adsorvente, as partículas sólidas não devem ter apenas uma área específica alta, mas também possuir uma força interativa adequada / locais ativos em relação ao adsorbato específico.
A massa de adsorbato retido por unidade de massa de um adsorvente estaria relacionada com a concentração de adsorbato no fluido em equilíbrio a uma determinada temperatura. Com base na análise de Langmuir do fenômeno, a relação de equilíbrio pode ser expressa como
X * i = m y i 1 / n …… ……………………… (4.54)
onde X * i = massa de adsorbato i retido por unidade de massa de um adsorvente e Y i = massa de adsorvato i presente em uma unidade de massa do fluido (gás de arraste) em equilíbrio.
m e n são constantes específicas para um sistema adsorvente adsorvente específico. Eles são dependentes da temperatura.
Para n ≤ 1, o processo de adsorção é considerado favorável e para n> 1 é desfavorável. Para um adsorvente específico - sistema adsorvente, os valores numéricos de m e n dependem do processo de fabricação do adsorvente. Aqueles são avaliados experimentalmente.
Uma vez que um adsorvente tenha atingido o equilíbrio em relação a um adsorbato, ele não seria capaz de absorver mais o adsorvato. O adsorvente deve ser descartado ou regenerado para reutilização. Para regeneração de um adsorvente e / ou recuperação do adsorbato, geralmente o adsorvente gasto é aquecido enquanto um fluxo de gás inerte é passado sobre ele.
No caso de um processo físico de adsorção, normalmente é utilizado vapor ou ar a uma temperatura moderada (100 ° C ou mais). A substância dessorvida pode ser coletada (se valiosa) ou tratada posteriormente antes do descarte. No entanto, para a regeneração de um adsorvente a partir de um processo de adsorção química, o ar a alta temperatura é passado através do adsorvente gasto, pelo que a substância adsorvida é oxidada e removida.
Os adsorventes utilizados comercialmente são carvão ativado, sílica, sílica gel, peneiros moleculares (silicatos de alumina), alumina e alguns outros óxidos metálicos. O adsorvente mais comumente usado é o carvão ativado granular (GAC).
Os adsorventes comumente usados são do tipo fixo, que são operados em ciclos. Um adsorvedor de leito fixo consiste de um alojamento contendo um leito de partículas absorventes granulares. À medida que um fluxo de fluido transportando h poluente (adsorbato) flui através do leito, o poluente é adsorvido.
Gradualmente, as partículas adsorventes ficam saturadas. Uma vez que o poluente no fluxo tratado atinja um nível predeterminado, conforme estipulado nos padrões de controle de poluição, o processo de adsorção é descontinuado e o leito é regenerado. Após a regeneração da cama, é colocado em fluxo novamente.
Um sistema de adsorção pode ter várias configurações. O mais simples seria um sistema de duas camas no qual, quando uma cama estivesse sendo regenerada, a outra estaria on-line. Um arranjo melhor seria um sistema de três leitos no qual dois leitos são operados em série enquanto o terceiro seria regenerado. Em tal configuração, a segunda cama atua como a cama de polimento. Quando a taxa de fluxo volumétrica de uma corrente de fluido a ser tratada é bastante grande, então várias unidades podem ser operadas paralelamente.
Outros adsorvedores de leito fixo, leito fluidizado e leito móvel também são usados. Eles são operados sem qualquer interrupção para regeneração. A partir desses leitos, partículas parcialmente adsorvidas são removidas, regeneradas fora dos leitos e devolvidas continuamente. Nestas unidades, as partículas adsorventes sofrem atrito devido à abrasão entre partículas, bem como devido à abrasão da parede.
O fluxo de partículas sólidas nestes adsorventes pode não ser suave. No entanto, a retenção de adsorvente seria muito menor em comparação com a de um sistema de leito fixo com a mesma capacidade. Como a regeneração é feita fora do adsorvedor, pode ser realizada sob condições drásticas, se necessário.
Abordagem de Design de Adsorção de Cama Fixa:
Quando um fluxo de fluido contendo um adsorvente entra em um adsorvedor de leito fixo, a maior parte da adsorção ocorre no final do feed para começar. Gradualmente, as partículas adsorventes presentes perto da extremidade de alimentação ficam saturadas com adsorvato e a zona de adsorção eficaz desloca-se em direção à extremidade de saída. A parte de um adsorber onde ocorre a maior parte da adsorção é chamada de zona de adsorção efetiva. A Figura 4.12 mostra a saturação progressiva de um leito adsorvente em um adsorvedor durante o processo. Também mostra que a zona de adsorção efetiva (Z Q ) finalmente chega ao final da saída.
A Figura 4.13 mostra que a concentração de adsorbato (Y) na corrente tratada aumenta à medida que a operação progride e, finalmente, no tempo ϴ = ϴ B, a concentração se torna Y B. Se o adsorvato for um poluente, então Y B representaria sua concentração máxima de emissão permissível do ponto de vista da poluição ambiental. O tempo ϴ B é referido como o tempo de passagem.
A continuação do processo de adsorção além de ϴ B resultaria em aumento adicional na concentração de poluentes além de Y B na corrente de efluente tratada. Em ϴ = ϴ B, a operação deve ser interrompida e o leito deve ser regenerado.
Ao projetar um adsorvedor de leito fixo para a redução do poluente carregado com gás, é necessário estimar sua área de seção transversal e sua altura compactada, de modo a ter um 'tempo de penetração' pré-selecionado ϴ B.
As seguintes informações seriam necessárias para fins de design:
1. Caudal do fluxo afluente, G;
2. Concentração de poluentes no afluente,
3. A concentração máxima admissível de poluentes no efluente tratado, Y B ;
4. Pré-selecionado 'tempo de pausa' ϴ B e
5. Características do adsorvente selecionado.
A área da seção transversal da coluna de um adsorvedor pode ser estimada usando a seguinte expressão:
Normalmente, para unidades comerciais, a velocidade superficial do gás empregada está na faixa de 6 a 24 m / min. Se operada a uma velocidade mais alta, a queda de pressão através do leito seria maior e, conseqüentemente, o custo operacional (energia) seria maior. Para estimar o diâmetro do tubo de entrada e saída da coluna, a velocidade do gás é selecionada na faixa de 600 a 900 m / min. Para a estimativa da altura do leito empacotado, L 0, assume-se um ϴ B. Com base nisso e nas características do adsorvente selecionado, a altura do leito empacotado L O pode ser calculada usando uma abordagem de regra de polegar ou uma abordagem analítica.
Para encontrar a altura do leito empacotado usando uma abordagem de régua de polegar, as informações necessárias são: (i) a 'capacidade de adsorção' ( Xc ) do adsorvente selecionado e (ii) a densidade aparente (pb) do adsorvente. A capacidade de adsorção X c é definida como a massa de adsorvente que uma massa unitária de um adsorvente pode absorver ao tratar uma corrente de gás influente com uma concentração de poluente YO e assim reduzir a concentração de poluente ao seu valor limite permitido Y B no gás tratado .
X c e p b podem ser obtidos de um fabricante / fornecedor de adsorvente ou estimados experimentalmente em laboratório. Dados baseados em laboratório seriam mais confiáveis para fins de projeto. Uma vez que estes dados estejam disponíveis, a massa total de adsorvente requerida pode ser calculada usando a Eq. (4, 55).
A altura do leito correspondente (L0) pode ser obtida utilizando a Eq. (4, 56)
A altura do leito L 0 pode ser calculada de acordo com a abordagem analítica usando a Eq. (4, 57)
onde ϴ = grau de saturação do leito adsorvente total no tempo d B, expresso como uma fração,
e X s = concentrao de poluentes no adsorvente em equilrio com a concentrao da fase gasosa Y0 expressa como uma proporo em peso.
X x pode ser estimado usando a Eq. (4.54) ou utilizando dados de equilíbrio obtidos experimentalmente.
Deve-se notar aqui que, no tempo ϴ B desde o início do processo, a porção principal do leito (exceto a zona de adsorção Za próxima à extremidade de saída da coluna) estaria saturada. A Zona Z seria parcialmente saturada. Portanto, ϴ pode ser expresso como
Agora é evidente que, para encontrar L 0, é preciso estimar f e Z a no início.
A equação de balanço do material da fase gasosa de um adsorbato através de uma altura do leito elementar dZ na zona de adsorção ZQ ao longo de um intervalo de tempo dϴ pode ser escrita como
Onde ɛ = fração de vazio e a = área de superfície por volume de unidade compactada.
O último termo do lado direito da Eq. (4.60), sendo pequena em comparação com os outros termos, pode ser negligenciada e a equação pode ser reescrita como
A forma integrada da Eq. (4.61) pode ser escrito como
e Y * = concentração do poluente em fase gasosa de equilíbrio correspondente à concentração de poluente adsorvido X na superfície adsorvente.
pode ser avaliado numericamente ou graficamente, com a ajuda de um gráfico semelhante ao da Fig. 4.14. No entanto, surge um problema como correspondendo a Y = Y O, y * = Y 0 e, portanto, N OG seria infinito. Para contornar essa dificuldade, N OG é aproximado como
onde Ye é atribuído um valor numérico um pouco menor que K 0
Para estimar o H OG é necessário conhecer os valores numéricos de K y e a. Na ausência de tal informação, pode-se ter uma estimativa de H oc com a ajuda da Fig. 4.15, para a qual a informação requerida é ɛ e d p .
onde ɛ = fração vazia do leito,
e d p = diâmetro médio das partículas adsorventes
Após avaliação de Z a usando Eq. (4.62), f deve ser calculado numericamente usando a Eq. (4, 59). Finalmente ϴ e L O são avaliados usando Eq. (4.58) e Eq. (4, 57), respectivamente.
Exemplo 4.4:
Um adsorvedor de leito fixo deve ser projetado para adsorção de acetona a partir de ar com uma concentração inicial, Y0 = 0, 024 kg de acetona / kg de ar a 30 ° C usando carvão ativado granulado (GAC). O caudal de gás volumétrico é de 12000 m3 / h. A concentração permitida de acetona (YB) no gás tratado pode ser tomada como 0, 001 kg de acetona / kg de ar e densidade aparente de GAC (pb) como 400 kg / m3. Os dados de equilíbrio estão listados abaixo.
Solução:
Na ausência de qualquer outra informação específica relacionada a este problema de projeto, assume-se o seguinte:
Usando os valores assumidos de ϴ B, a velocidade superficial e H QG e a informação especificada no problema, a altura do adsorvedor L 0 é estimada com a ajuda da abordagem de regra de polegar utilizando as seguintes equações / relações:
Finalmente aceitando a altura embalada adsorvente L 0 como calculado usando Eq. (4.56), ϴ B é recalculado seguindo a abordagem analítica.
A plotagem dos dados de equilíbrio fornecidos e o desenho de uma linha de operação apropriada resultou em uma figura similar à da Figura 4.14. A partir dessa figura, o valor de Xs é 0, 177. Para estimativa N OG ef por integração numérica, os valores requeridos de Y, X e Y * são lidos da figura e os valores calculados de
