Absorption de polluants gazeux (avec calculs)
Lisez cet article pour en savoir plus sur l’absorption des polluants gazeux: - 1. Introduction au processus d’ absorption 2. Théorie de l’ absorption 3. Équipement d’absorption et 4. Approche de la conception de la tour compacte.
Introduction au processus d'absorption:
Lorsqu'un gaz résiduaire contenant des polluants gazeux est mis en contact direct avec un liquide, certains polluants peuvent être transférés dans le liquide. Ce processus de transfert peut être dû soit à la solubilisation des polluants dans le liquide, soit à des réactions chimiques des polluants avec le liquide, soit avec un ou plusieurs produits chimiques présents dans le liquide.
Le processus de transfert sans aucune réaction chimique est appelé absorption physique et celui avec réaction (s) chimique (s) est appelé absorption accompagnée d'une réaction chimique. Dans le processus d'absorption (physique), le soluté (polluant gazeux) est appelé absorbant et le solvant (liquide) absorbant. Le gaz qui transporte l'absorbat est appelé gaz vecteur.
Il s’agit d’un processus réversible, c’est-à-dire que dans certaines circonstances, le soluté subit un transfert de la phase gazeuse vers la phase liquide et, dans d’autres cas, un transfert en sens inverse. L’autre processus, à savoir l’absorption accompagnée d’une réaction chimique, est irréversible, c’est-à-dire que le transfert n’est effectué qu’en phase gazeuse.
Le processus d'absorption physique se déroule à travers les étapes suivantes:
1. Les molécules de soluté (gazeux) migrent de la majeure partie de la phase gazeuse vers la limite (interface) phase gaz-liquide par diffusion moléculaire et / ou par tourbillonnement;
2. Transfert de molécules absorbées à travers l'interface;
3. Transfert des molécules absorbées dans la majeure partie de l'absorbant par diffusion moléculaire et / ou tourbillonnaire.
Dans le cas d'une absorption accompagnée d'un processus de réaction chimique, les deux premières étapes sont similaires à celles d'un processus d'absorption physique. Cependant, au cours de la troisième étape, les molécules absorbées réagissent avec le réactif présent dans l’absorbant et forment un ou plusieurs nouveaux composés.
Théorie de l'absorption:
Le transfert d'une espèce chimique entre une phase gazeuse et une phase liquide a lieu en raison d'une différence potentielle de l'espèce entre les phases. Cette différence de potentiel est appelée gradient de potentiel chimique. Lorsque le potentiel chimique d'une espèce devient identique dans les deux phases en contact l'une avec l'autre, on dit qu'elles sont en équilibre.
Dans ces conditions, aucun transfert net de l'espèce n'a lieu entre les phases. Lorsque les phases ne sont pas en équilibre vis-à-vis d'une espèce, son transfert s'effectue de la phase dans laquelle son potentiel chimique est supérieur à l'autre phase dans laquelle son potentiel est inférieur.
Le potentiel chimique d'une espèce dans une phase donnée est lié mais différent de sa concentration dans cette phase. Lorsque deux phases, au contact l'une de l'autre, atteignent l'équilibre par rapport à une espèce, sa concentration dans les phases respectives serait liée l'une à l'autre. Une telle relation est appelée relation d'équilibre. La relation d'équilibre d'une espèce chimique dans un système gaz-liquide peut être exprimée en tant que dépendance et peut également être fonction de la concentration (x A ).
La valeur numérique de H A dépend du système soluté-solvant. Généralement, il augmente avec la température.
Une autre expression de la relation d'équilibre est
Le taux de transfert de masse d’une espèce d’une phase (gaz) à une autre phase (liquide) par unité de surface interfaciale est exprimé par
où N a = moles de soluté A transféré de la phase gazeuse à la phase liquide par unité d'interface interfaciale par unité de temps,
ky A, k XA = coefficient de transfert de masse individuel phase liquide / gaz,
Ky A, K xa = coefficient de transfert de masse global gaz / phase liquide, respectivement,
y * = concentration en phase gazeuse à l'équilibre correspondant à la concentration en masse de la phase liquide X 1,
x * = concentration en phase liquide à l'équilibre correspondant à la concentration en phase gazeuse en vrac y g,
X 1, X 1 = concentration en soluté à l’interface et phase liquide dans la masse, respectivement.
y i, y g = concentration en soluté à l'interface et phase gazeuse dans la masse, respectivement.
Les coefficients de transfert individuel et global sont liés.
Les équations (4.45) et (4.46) montrent leur relation.
Le coefficient de transfert de masse individuel k x et k y peut être calculé à l'aide d'équations empiriques généralement exprimées par α, m et n sont des constantes dont les valeurs numériques dépendent des éléments internes de l'absorbeur. Les informations pertinentes à ce sujet peuvent être trouvées dans des livres sur le transfert de masse.
où Sh = Sherwood, k l / D AB
Re = nombre de Reynolds, lU ρ / µ
Sc = nombre de Schmidt µ / ρ D AB
l = dimension caractéristique des internes de l'absorbeur
U = Vitesse linéaire du fluide dans l'absorbeur
D AB = diffusivité moléculaire de l'espèce A dans un mélange d'espèces A et B
µ = viscosité du fluide,
ρ = densité du fluide
Equipement d'absorption:
Le but d'un équipement d'absorption est d'amener un flux de gaz et un flux de liquide en contact étroit l'un avec l'autre de sorte qu'un soluté (un polluant gazeux) puisse être facilement transféré de la phase gazeuse à la phase liquide. Il convient de noter ici que, par ce procédé, un polluant est simplement transféré d’une phase gazeuse à une phase liquide uniquement et qu’il n’est pas converti en une substance inoffensive. Si l'on souhaite récupérer le soluté en raison de sa valeur économique, il doit être désorbé ultérieurement de la solution.
Les équipements pouvant être utilisés pour réaliser un processus d’absorption sont les suivants: tour à garnissage, tour à plaques, chambre de pulvérisation et laveur à venturi. Parmi ceux-ci, le plus souvent utilisé est une tour à garnissage, qui est assez efficace et relativement moins coûteuse. C'est une colonne verticale cylindrique avec un emballage à l'intérieur.
Les garnitures peuvent être en plastique ou en métal ou en céramique, offrant une plus grande surface par unité de volume emballé pour le contact gaz-liquide. Des emballages de différentes géométries et tailles sont disponibles. Les critères de choix de la géométrie et de la taille de la garniture sont une grande surface, une fraction de vide du lit élevée et un coût inférieur. Une fraction de vide de lit supérieure offre moins de résistance aux flux de gaz et de liquide.
Les autres composants internes d’un lit compacté sont un distributeur de liquide, des redistributeurs, un support d’emballage et un distributeur de gaz. Normalement, dans une tour à garnissage, le liquide s'écoule sur la surface du garnissage sous forme de films et le gaz remonte à travers l'espace vide au-delà des films liquides.
Les tours à plateaux sont de trois types différents: plateaux perforés, plateaux à bulles et plateaux de vannes. Une tour à plaques est un récipient cylindrique avec plusieurs plaques horizontales superposées, espacées les unes des autres. L'absorbant (liquide) qui pénètre au sommet d'une tour coule à travers chaque plaque et tombe en cascade tout en formant une piscine sur chaque plaque.
Le gaz contenant un soluté / des solutés (polluants) pénètre au bas de la tour et monte. Il entre dans chaque assiette par de petits trous et fait des bulles dans le liquide qui s'y trouve. Le transfert du soluté de la phase gazeuse à la phase liquide a lieu lorsque le gaz bouillonne à travers la piscine.
Dans le cas des plaques perforées, les trous (à travers lesquels le gaz circule) sont petits et ceux-ci ne sont pas recouverts. Dans le cas des plateaux à bouchons et des plateaux à vannes, les trous ont un diamètre plus grand (que celui des tamis) et sont partiellement recouverts. Les tours à plaques sont assez efficaces mais elles sont plus chères que les tours à garnissage.
Les chambres de pulvérisation peuvent être avec ou sans emballage. Le liquide est introduit par le haut sous forme de spray et s’écoule vers le bas, alors que le flux de gaz peut être horizontal ou vertical. Celles-ci sont généralement moins efficaces que les tours à plaques / à plaques.
Dans les épurateurs à venturi, le gaz et le liquide sont introduits à l'extrémité convergente d'un venturi et s'écoulent simultanément. Dans certains équipements, le liquide est introduit au niveau de la gorge. Lorsque le liquide se décompose en petites gouttelettes, il fournit une grande surface de contact pour le transfert de masse. Son efficacité en tant qu'absorbeur est faible.
Lorsqu'il est prévu d'utiliser une tour à garnissage ou une tour à plaques, le flux de gaz doit être prétraité afin d'éliminer les particules, sinon les particules risquent de s'accumuler dans la tour et de les obstruer. Cependant, lorsqu'une chambre de pulvérisation (sans garniture) ou un laveur à venturi est utilisé comme absorbeur, le nettoyage préalable du gaz n'est pas essentiel.
Approche de conception de la tour emballée:
Étant donné que les colonnes d'absorption à garnissage sont plus souvent utilisées pour absorber les polluants gazeux des flux de gaz, l'approche de conception d'une telle colonne est décrite ci-dessous.
Avant d'être absorbé dans une colonne à garnissage, un courant de gaz entrant doit subir les prétraitements suivants:
Le refroidissement des flux de gaz entrant réduirait son débit volumétrique et augmenterait la solubilité du ou des polluants dans le solvant sélectionné. En conséquence, la taille de l'absorbeur sera plus petite et la quantité de solvant requise sera moindre.
Au cours de l'absorption, chacun des polluants présents dans un flux de gaz serait éliminé dans une certaine mesure, en fonction de sa solubilité dans le solvant choisi. Un solvant est principalement sélectionné pour éliminer un polluant spécifique et un absorbeur est conçu de manière à obtenir le degré souhaité d'élimination de ce polluant spécifique.
Lors de la sélection d'un solvant approprié, les facteurs / paramètres à prendre en compte sont les suivants:
1. Haute solubilité de l’absorption ciblée,
2. faible pression de vapeur du solvant à la température de fonctionnement,
3. bas prix,
4. Toxicité faible / nulle et
5. Si le solvant doit être récupéré et réutilisé.
Les données et informations nécessaires à la conception d'un absorbeur sont les suivantes:
i) débit maximal (attendu) du gaz vecteur, G mole / h;
ii) température et pression du flux de gaz entrant;
iii) Concentration du polluant ciblé dans l’influent et son degré d’élimination souhaité;
(iv) données de solubilité / relation d'équilibre;
et v) Le type d'emballage, sa taille et d'autres caractéristiques.
Une fois que ces informations sont disponibles, il est possible de calculer ce qui suit en utilisant des équations appropriées et de concevoir ainsi un absorbeur approprié.
(i) débit de solvant requis, L mole / heure,
(ii) diamètre de la colonne D,
(iii) hauteur de la colonne Z,
(iv) Chute de pression sur le lit garni.
Taux de solvant requis:
Le taux minimal de solvant (L mjn ) peut être calculé en supposant que le solvant quittant l'absorbeur deviendrait saturé par rapport à la concentration de soluté dans le flux de gaz entrant. La figure 4.11 montre un diagramme schématique d'un absorbeur à garnissage.
On obtient une expression de L min en réarrangeant l’équation de la balance du soluté à travers un absorbeur,
L min = G (Y 1 - Y 2 ) / X * 1 - X 2
où X 1, * = Y 1 / m
X l, X 2 = concentration de soluté dans le solvant à la sortie et à l'entrée, respectivement, en unité de rapport molaire,
Y 1, Y 2 = concentration de soluté en phase gazeuse à l'entrée et à la sortie, respectivement, en unité de rapport molaire.
En pratique, X 2 et X 1 seraient connus. Y 2 serait lié à Y 1 par le degré d’élimination souhaité, c’est-à-dire le rendement d’élimination,
Y 2 = Y 1, (1- r ), ᶯ r = efficacité d'élimination,
Evaluation de L min en utilisant Eq. (4.48) serait approprié si la relation d'équilibre était linéaire, c'est-à-dire, Y = mX et m, indépendamment de X. Dans la plupart des cas, la concentration en soluté (polluant) dans la phase gazeuse serait faible et donc, m serait indépendant de X.
Le taux de solvant réel est normalement considéré comme
L réel, = 1-25 à 2, 0 fois le L min .
Il convient de souligner ici qu’un absorbeur n’est jamais conçu en prenant L réel - L min car il en résulterait une valeur très élevée de Z Q.
Lorsque vous augmentez la valeur réelle de L, la hauteur de colonne calculée diminue, mais la section transversale de la colonne augmente. Le L réel devrait être finalement décidé du point de vue du coût total (coût initial plus coût d'exploitation). Un autre facteur à prendre en compte pour l'estimation de L réel est le débit de liquide minimal requis pour mouiller l'emballage dans la colonne.
Diamètre de la colonne:
À des débits de gaz et de liquide donnés, si le diamètre de la colonne est réduit, la rétention de liquide (la masse de liquide dans la colonne à tout moment) dans la colonne augmente. Cela entraînerait une diminution de l'espace vide disponible pour le flux de gaz à travers la colonne. En conséquence, la vitesse du gaz (linéaire) augmenterait et la chute de pression côté gaz augmenterait également à travers le lit.
Une chute de pression plus élevée du côté gaz empêche le débit de liquide. Si le diamètre de la colonne était réduit davantage, la colonne serait remplie de liquide. Cette condition est appelée inondation. La vitesse de la masse de gaz dans cette condition est appelée vitesse d’inondation. La vitesse de fonctionnement du gaz correspond à 60 à 75% de la vitesse d'inondation. Sur la base de la vitesse de fonctionnement réelle du gaz, la section de la colonne est calculée à l'aide de Eq. (4, 49).
Où A col = aire de la section transversale de la colonne,
G n = vitesse superficielle de la masse gazeuse lors de l'inondation,
F = fraction de la vitesse d'inondation correspondant à l'estimation de la section de la colonne = 0, 6 à 0, 75,
Et M g = poids moléculaire du gaz (mélange).
G n dépend des propriétés physiques du gaz et du liquide, telles que p g, p L, µ L, des caractéristiques de tassement et du taux de débit massique liquide / gaz. Il peut être estimé à l'aide de parcelles disponibles dans des ouvrages standard sur le transfert de masse.
Hauteur de la colonne:
L’équation de l’équilibre des solutés à l’état stable sur une hauteur de remplissage élémentaire (Fig. 4.11) d’une colonne peut être écrite ainsi:
Compte tenu du fait que le soluté est transféré de la phase gazeuse à la phase liquide, (4.50) peut être réécrit comme suit:
où a = surface d'emballage par unité de volume de lit emballé.
Pour obtenir une expression de la hauteur du lit plié Eq. (4.51) est réorganisé et intégré. L'équation qui en résulte est
Z 0 ainsi calculé représente la hauteur de la section garnie d'un absorbeur, ce qui est nécessaire pour réduire la concentration de polluants dans la phase gazeuse de Y 1 à Y 2 . La hauteur réelle d'une colonne serait supérieure à Z O afin de laisser de la place pour un désembueur et un distributeur de liquide en haut, des redistributeurs de liquide entre les sections garnies, un distributeur de gaz, un support de garnissage et un joint liquide. au fond.
Chute de pression sur une tour remplie:
Pour estimer la chute de pression sur une section remplie d'une colonne, on découvre AP / Z (perte de charge par unité de hauteur de lit compacté) sur la base des paramètres de fonctionnement déjà définis, des propriétés physiques du système gaz-liquide et des caractéristiques de garnissage. en utilisant les informations disponibles dans les livres sur le transfert de masse. En utilisant ces informations, la chute de pression sur un lit compacté est estimée à l'aide de l'équation d'équation. (4, 53),
La chute de pression réelle dans une tour serait supérieure à celle estimée en utilisant l'équation. (4.53) à cause des éléments internes de la tour mentionnés plus haut autres que ceux de l'emballage.
