Adsorption de polluants gazeux
Lisez cet article pour en savoir plus sur l'adsorption de polluants gazeux avec une approche de conception d'adsorbeur à lit fixe.
Introduction à l'adsorption de polluants gazeux:
Lorsqu'un fluide contenant des substances dispersées est mis en contact avec des particules solides spécialement traitées / préparées, les molécules des substances dispersées peuvent être retenues à la surface des particules solides. Ce phénomène est appelé adsorption.
Le matériau solide est appelé adsorbant et la substance retenue sur un adsorbant est appelée adsorbat. L'adsorption est non seulement une méthode efficace pour éliminer les polluants des flux gazeux, mais également pour réduire les polluants en suspension dans l'eau. Le phénomène d'adsorption a été étudié expérimentalement et diverses théories ont été proposées pour expliquer les observations. Mais une théorie, qui peut expliquer la plupart des observations, reste à développer.
On présume qu'une interaction entre les molécules d'adsorbat et les sites actifs à la surface de l'adsorbant entraîne la rétention d'un adsorbat sur un adsorbant. La force interactive, qui entraîne l'adsorption, a été théorisée comme étant de nature physique ou chimique. Lorsqu'un adsorbat est retenu en raison de la force d'attraction physique, le processus est appelé adsorption physique.
La quantité de chaleur dégagée au cours de ce processus est presque identique à la chaleur latente de condensation de l'adsorbat. La force d'attraction, qui provoque l'adsorption physique, est de nature faible. Par conséquent, les molécules adsorbées peuvent être enlevées (désorbées) des particules solides, soit en élevant la température du système, soit en réduisant la pression partielle de l'adsorbat (par évacuation ou en faisant passer gaz inerte) ou par l’effet combiné des deux. Le processus de désorption est endothermique.
Dans certains cas, un adsorbat est retenu sur une surface d'adsorbant en raison de la liaison chimique entre les deux. Cela ne signifie pas qu'un nouveau composé chimique est formé, mais la force d'adhésion est plutôt forte. Un tel processus est appelé chimisorption. Elle se caractérise par l’évolution d’une quantité de chaleur relativement importante, d’une ampleur similaire à celle d’une réaction chimique exothermique. La chimisorption est un processus presque irréversible. Lors du retrait d'une substance chimisorbée, les molécules d'adsorbat subissent souvent des modifications chimiques.
Étant donné que la chimisorption et l'adsorption physique se produisent à la fois sur la surface de l'adsorbant, un bon adsorbant devrait avoir une grande surface spécifique (surface par unité de masse). La surface spécifique augmente avec la diminution de la taille des particules et l'augmentation de la porosité des particules adsorbantes. Pour être un bon adsorbant, les particules solides doivent non seulement avoir une surface spécifique élevée, mais également posséder des sites de force interactive / actifs appropriés par rapport à l'adsorbat spécifique.
La masse d'adsorbat retenue par unité de masse d'un adsorbant serait liée à la concentration en adsorbat dans le fluide à l'équilibre à une température donnée. D'après l'analyse du phénomène effectuée par Langmuir, la relation d'équilibre peut être exprimée comme suit:
X * i = mY i 1 / n …… ……………………… (4.54)
où X * i = masse d'adsorbat i retenue par unité de masse d'un adsorbant et Y i = masse d'adsorbat i présente dans une unité de masse du fluide (gaz porteur) à l'équilibre.
m et n sont des constantes spécifiques pour un système adsorbant-adsorbant spécifique. Ils dépendent de la température.
Pour n ≤ 1, le processus d'adsorption est considéré comme favorable et pour n> 1, il est défavorable. Pour un système adsorbant-adsorbant spécifique, les valeurs numériques de m et n dépendent du processus de fabrication de l'adsorbant. Celles-ci sont évaluées expérimentalement.
Une fois que l'adsorbant a atteint l'équilibre par rapport à un adsorbat, il ne sera plus en mesure d'absorber l'adsorbat. L'adsorbant doit être jeté ou régénéré pour être réutilisé. Pour la régénération d'un adsorbant et / ou la récupération de l'adsorbat, l'adsorbant usé est généralement chauffé pendant le passage d'un courant de gaz inerte.
Dans le cas d'un processus d'adsorption physique, on utilise normalement de la vapeur ou de l'air à une température modérée (100 ° C ou plus). La substance désorbée peut être collectée (si nécessaire) ou davantage traitée avant d'être éliminée. Cependant, pour la régénération d'un adsorbant issu d'un processus de chimisorption, de l'air à température élevée passe sur l'adsorbant usé, ce qui permet d'oxyder et d'éliminer la substance adsorbée.
Les adsorbants utilisés dans le commerce sont le charbon actif, la silice, le gel de silice, les tamis moléculaires (silicates d'alumine), l'alumine et certains autres oxydes métalliques. L'adsorbant le plus couramment utilisé est le charbon actif granulaire (CAG).
Les adsorbeurs couramment utilisés sont du type à lit fixe, qui fonctionnent par cycles. Un adsorbeur à lit fixe consiste en un boîtier contenant un lit de particules absorbantes granulaires. Lorsqu'un flux de fluide transportant h un polluant (adsorbat) traverse le lit, le polluant est adsorbé.
Peu à peu, les particules d'adsorbant deviennent saturées. Une fois que le polluant dans le flux traité atteint un niveau prédéterminé, comme stipulé dans les normes de contrôle de la pollution, le processus d'adsorption est interrompu et le lit est régénéré. Après régénération du lit, il est remis en service.
Un système adsorbeur peut avoir plusieurs configurations. Le plus simple serait un système à deux lits dans lequel, lorsqu'un lit est en cours de régénération, l'autre serait en ligne. Un meilleur arrangement serait un système à trois lits dans lequel deux lits sont exploités en série tandis que le troisième serait régénéré. Dans un tel montage, le deuxième lit fait office de lit de polissage. Lorsque le débit volumétrique d'un flux de fluide à traiter est plutôt grand, plusieurs unités peuvent alors être utilisées en parallèle.
Outre le lit fixe, des adsorbeurs à lit fluidisé et à lit mobile sont également utilisés. Ils fonctionnent sans interruption pour la régénération. De ces lits, les particules d'adsorbant partiellement utilisées sont retirées, régénérées à l'extérieur des lits et renvoyées en continu. Dans de telles unités, les particules adsorbantes subissent une usure due à l'abrasion entre particules, ainsi qu'à l'abrasion des parois.
Le flux de particules solides dans ces adsorbeurs peut ne pas être lisse. Cependant, la capacité de rétention de l'adsorbant serait bien moindre comparée à celle d'un système à lit fixe ayant la même capacité. La régénération étant effectuée en dehors de l'adsorbeur, elle peut être effectuée dans des conditions extrêmes, si nécessaire.
Méthode de conception d'adsorbeur à lit fixe:
Lorsqu'un flux de fluide contenant un adsorbat pénètre dans un adsorbeur à lit fixe, la plus grande partie de l'adsorption a lieu à la fin de l'alimentation. Peu à peu, les particules d'adsorbant présentes près de l'extrémité d'alimentation deviennent saturées en adsorbat et la zone d'adsorption efficace se déplace vers l'extrémité de sortie. La partie d'un adsorbeur où se produit la plus grande partie de l'adsorption est appelée zone d'adsorption effective. La figure 4.12 montre la saturation progressive d'un lit d'adsorbant dans un adsorbeur au cours du processus. Il montre également que la zone d'adsorption effective (Z Q ) atteint enfin l'extrémité de sortie.
La figure 4.13 montre que la concentration en adsorbat (Y) dans le flux traité augmente au fur et à mesure de la progression de l'opération et finalement, au temps = ϴ B, la concentration devient Y B. Si l'adsorbat est un polluant, alors Y B correspondrait à sa concentration d'émission maximale admissible du point de vue de la pollution de l'environnement. Le temps ϴ B est appelé temps de passage.
La poursuite du processus d'adsorption au-delà de B entraînerait une augmentation supplémentaire de la concentration de polluants au-delà de Y B dans le flux d'effluent traité. À ϴ = ϴ B, l'opération doit être interrompue et le lit doit être régénéré.
Lors de la conception d'un adsorbeur à lit fixe pour la réduction des polluants d'origine gazeuse, il est nécessaire d'estimer sa surface transversale et sa hauteur de remplissage de manière à obtenir un «temps de pénétration» B pré-sélectionné.
Les informations suivantes seraient nécessaires pour la conception:
1. Débit du flux entrant, G;
2. Concentration de polluant dans l’affluent,
3. La concentration maximale admissible de polluant dans l'effluent traité, Y B ;
4. 'temps de passage' pré-sélectionné ϴ B, et
5. Caractéristiques de l'adsorbant sélectionné.
La surface transversale d'une colonne d'un adsorbeur peut être estimée à l'aide de l'expression suivante:
Normalement, pour les unités commerciales, la vitesse superficielle du gaz utilisée est comprise entre 6 et 24 m / min. Si elle est utilisée à une vitesse supérieure, la chute de pression sur le lit serait plus importante et, par conséquent, le coût de fonctionnement (énergie) serait supérieur. Pour estimer le diamètre du tuyau d'entrée et de sortie de la colonne, la vitesse du gaz est sélectionnée dans la plage de 600 à 900 m / min. Pour l'estimation de la hauteur du lit, L 0, on suppose a ϴ B. Sur la base de ceci et des caractéristiques de l'adsorbant sélectionné, la hauteur de lit de garnissage L O peut être calculée en utilisant une approche de règle empirique ou une approche analytique.
Pour déterminer la hauteur du lit à l’aide d’une règle du pouce, les informations requises sont les suivantes: (i) la «capacité d’adsorption» (X c ) de l’adsorbant sélectionné et (ii) la densité apparente (p b ) de l’adsorbant. La capacité d'adsorption X c est définie comme la masse d'adsorbat qu'une unité de masse d'un adsorbant peut adsorber lors du traitement d'un flux de gaz entrant présentant une concentration en polluant Y O et réduire ainsi la concentration en polluant à sa valeur limite admissible Y B dans le gaz traité. .
X c et p b peuvent être obtenus auprès d'un fabricant / fournisseur d'adsorbant ou estimés expérimentalement en laboratoire. Les données de laboratoire seraient plus fiables pour la conception. Une fois que ces données sont disponibles, la masse totale d'adsorbant requise peut être calculée à l'aide de l'Eq. (4, 55).
La hauteur de lit correspondante (L 0 ) peut être obtenue en utilisant Eq. (4.56)
La hauteur de lit L 0 peut être calculée selon l'approche analytique en utilisant l'équation. (4.57)
où ϴ = degré de saturation du lit d'adsorbant total à l'instant d B, exprimé sous forme de fraction,
et X s = concentration de polluant sur l'adsorbant en équilibre avec la concentration en phase gazeuse Y 0 exprimée sous forme de rapport en poids.
X x peut être estimé en utilisant Eq. (4.54) ou en utilisant des données d'équilibre obtenues expérimentalement.
Il convient de noter ici qu’au moment B à compter du début du processus, la majeure partie du lit (à l’exception de la zone d’adsorption Za située près de la sortie de la colonne) serait saturée. La zone Za serait partiellement saturée. Par conséquent, peut être exprimé par
Il est maintenant évident que pour trouver L 0, il faut d'abord estimer f et Z a .
L'équation du bilan matière en phase gazeuse d'un adsorbat sur une hauteur de lit élémentaire dZ dans la zone d'adsorption Z Q sur un intervalle de temps dϴ peut être écrite ainsi:
Où ɛ = fraction de vide et a = surface par unité de volume emballé.
Le dernier terme à droite de l'équation (4.60), étant petit par rapport aux autres termes, peut être négligé et l’équation peut être reformulée
La forme intégrée de l'équation (4.61) peut être écrit comme
et Y * = concentration de polluant en phase gazeuse à l'équilibre correspondant à la concentration de polluant adsorbé X sur la surface de l'adsorbant.
peut être évalué numériquement ou graphiquement en prenant l’aide d’un graphique semblable à celui de la Fig. 4.14. Cependant, un problème se pose car correspondant à Y = Y O, y * = Y 0 et donc N OG serait infini. Pour contourner cette difficulté, N OG est approché comme
où Ye se voit attribuer une valeur numérique légèrement inférieure à K 0
Pour estimer H OG, il est nécessaire de connaître les valeurs numériques de K y et a. En l'absence de telles informations, on peut obtenir une estimation de H oc à l'aide de la figure 4.15 pour laquelle les informations requises sont et d p .
où ɛ = fraction de vide dans le lit,
et d p = diamètre moyen des particules d'adsorbant
Après évaluation de Z a en utilisant Eq. (4.62), f doit être calculé numériquement en utilisant Eq. (4, 59). Finalement, ϴ et L O sont évalués en utilisant Eq. (4, 58) et l'équation (4, 57) respectivement.
Exemple 4.4:
Un adsorbeur à lit fixe doit être conçu pour l'adsorption d'acétone par de l'air ayant une concentration initiale, Y 0 = 0, 024 kg d'acétone / kg d'air à 30 ° C à l'aide de charbon actif en granulés (CAG). Le débit volumétrique de gaz est de 12 000 m 3 / h. La concentration en acétone admissible (Y B ) dans le gaz traité peut être prise à 0, 001 kg d'acétone / kg d'air et la masse volumique apparente du CAG (p b ) à 400 kg / m 3 . Les données d'équilibre sont énumérées ci-dessous.
Solution:
En l'absence de toute autre information spécifique liée à ce problème de conception, on suppose que:
En utilisant les valeurs supposées de ϴ B, de la vitesse superficielle, de HQG et des informations spécifiées dans le problème, la hauteur de l'adsorbeur à garnissage L 0 est estimée à l'aide de l'approche de la règle du pouce utilisant les équations / relations suivantes:
Enfin, nous acceptons la hauteur de garnissage adsorbant L 0 calculée à l’aide de Eq. (4.56), B est recalculé selon l'approche analytique.
Le tracé des données d'équilibre fournies et le tracé d'une ligne de travail appropriée ont donné un chiffre similaire à celui de la Fig. 4.14. À partir de ce chiffre, la valeur de X s s’établit à 0, 177. Pour les estimations N OG et f par intégration numérique, les valeurs requises de Y, X et Y * sont lues à partir de la figure et les valeurs calculées de
