Gas-Absorber

Gasabsorber werden verwendet, um Verunreinigungen aus Gasströmen, wie z. B. Floogas aus einem Abgas, zu entfernen. Ein Gasabsorber verwendet eine Säule, die oft zufälliges oder strukturiertes Packungsmaterial enthält. Festbettabsorber nutzen Gas- und Flüssigkeitsströme, die gegenläufig zueinander fließen. Das Schadstoffgas wird in den Flüssigkeitsstrom aufgenommen, was zu einer Verringerung der Schadstoffe im Austrittsgas führt. Der Absorptionsprozess hängt stark von den Betriebsparametern ab, die untersucht werden müssen, um den Prozess zu optimieren. Hier werden wir die Aufnahme von Kohlendioxid in Wasser untersuchen und untersuchen, wie sich die Betriebsparameter auf die Abscheidung und den Wirkungsgrad des Systems auswirken.

Eine Gasabsorptionseinheit nutzt den Kontakt mit einem flüssigen Lösungsmittel, um den Stoff aus einem Gasgemisch zu entfernen. Die Masse wird aus dem Gasgemisch auf das Lösungsmittel übertragen, wobei sich die beiden Phasen nahe dem Gleichgewicht befinden. Dann erfolgt die Trennung der Gas-Flüssig-Phase. Die Gesamtstoffbilanz für den Absorber ist hier dargestellt, wobei V und L die Dampf- bzw. Flüssigkeitsdurchflussraten sind, so dass die Komponentenstoffbilanz für die absorbierte Komponente A den Molenbruch von A in der Dampf- und Flüssigphase enthält. Der Gesamtstoffübergangskoeffizient ist die Geschwindigkeit, mit der sich die Konzentration einer Spezies von einer Flüssigkeit zur anderen bewegt. Dabei ist KG der Gesamtstoffübergangskoeffizient, PAG der Partialdruck des zu absorbierenden Gases, P-Stern A der Gleichgewichtsdruck aus dem Henryschen Gesetz, A die effektive Stoffübergangsfläche, Z die Höhe der Packung und GS die molare Durchflussrate des Gases pro Querschnitt der Säule. Der Stofftransport hängt von den Stoffübergangskoeffizienten in jeder Phase und der Menge der im Absorber verfügbaren interphasialen Fläche ab. Das Henrysche Gesetz und das Raoultsche Gesetz werden angewendet, um die Partialdrücke im Gleichgewicht mit den Flüssigphasenkonzentrationen zu berechnen. Im folgenden Experiment wird ein gepackter Säulengasabsorber verwendet, um Kohlendioxid aus einem Gasstrom in Wasser aufzunehmen. Die Gas- und Wasserströme treten von unten bzw. oben in die Säule ein und ermöglichen so einen Gegenstrom. Die Kohlendioxidzusammensetzung am Einlass wird über Ventile für Kohlendioxid und Luft geregelt. Dann wird die Konzentration von Kohlendioxid im Auslass gemessen. Nachdem wir nun die Grundlagen der Gasabsorption besprochen haben, werfen wir einen Blick darauf, wie das Gerät im Labor betrieben wird.

Bei der in dieser Demonstration verwendeten Ausrüstung handelt es sich um eine Gegenstrom-Gasabsorptionskolonne. Die Säule ist vollgepackt mit 13 Milliliter Berl-Sätteln bei einer Betttiefe von 34 Zentimetern. Die Ventile am Ein- und Ausgang der Säule lassen Gas entweichen, während ein Infrarotspektrometer zur Messung der Partialdrücke von CO2 in der Gasphase eingesetzt wird. Um das Experiment zu starten, schalten Sie den Hauptschalter ein und schließen Sie dann das Ventil, mit dem die Wassermenge in der Säule gesteuert wird. Öffnen Sie das Luftstromventil vollständig und öffnen Sie das Einstellventil für den Säulendruck. Stellen Sie den Luftdurchsatz auf den gewünschten Wert ein. Verwenden Sie mindestens 30 Liter pro Minute und erhöhen Sie dann nach Belieben. Stellen Sie den Säulendruck mit dem Einstellventil auf ca. 0,5 bar ein. Stellen Sie dann die Kohlendioxid-Durchflussmenge ab etwa vier Litern pro Minute und dann die Wasserdurchflussmenge ein, ebenfalls ab etwa vier Litern pro Minute. Passen Sie den Wasserfluss während des gesamten Experiments an, um einen konstanten Wasserstand im Tank zu halten. Messen und messen Sie die Kohlendioxidkonzentration wie gewünscht am Boden, in der Mitte und am Kopf der Säule mit den Inline-Manometern. Wiederholen Sie das Experiment, indem Sie acht Durchläufe durchführen. Verwenden Sie zwei verschiedene Gasdurchflussraten, Flüssigkeitsdurchflüsse und Kohlendioxidkonzentrationen, und ermöglichen Sie so die Bestimmung der wichtigsten Variablen im System. Achten Sie darauf, dass das System immer dann einen stationären Zustand erreicht, wenn eine Durchflussrate geändert wird.

Nachdem wir nun gezeigt haben, wie die Gasabsorption durchgeführt wird, werfen wir einen Blick auf die Ergebnisse. Berechnen Sie zunächst die Partialdrücke und Gleichgewichtspartialdrücke für jeden Lauf und verwenden Sie dann die Partialdrücke, um die Stoffübergangskoeffizienten zu berechnen. Die berechneten Werte werden hier als Dreiecke dargestellt, während die vorhergesagten Werte, dargestellt als durchgezogene Linie, aus der Berechnung der Betriebs- und Gleichgewichtslinien resultieren. Die Konfidenzintervalle für die Modellwerte und den mittleren Stoffübergangskoeffizienten wurden mit gestrichelten Linien dargestellt. Es gab keine Abweichung zwischen den vorhergesagten und den tatsächlichen Werten, was zeigt, dass sich die Säule im stationären Zustand mit einem Gleichgewicht an der Grenzfläche zwischen der Flüssig- und der Gasphase befindet. Vergleichen wir nun die Stoffübergangskoeffizienten unter den gleichen Betriebsbedingungen. Die theoretischen Werte, dargestellt als grüne und blaue Linien, zeigten ähnliche Trends wie die experimentellen Daten. Unabhängig davon, ob die Gasrate hoch oder niedrig war, verhalten sich das Modell und das Experiment gleich und zeigen, dass die Gasdurchflussrate in den untersuchten Bereichen keinen oder nur einen geringen Einfluss auf den Stoffübergangskoeffizienten hatte.

Werfen wir zum Schluss einen Blick auf einige Anwendungen dieser Technologie in der Industrie. Festbettabsorber sind das am häufigsten eingesetzte Gerät zur Luftreinhaltung. In diesen Fällen werden Gasabsorber oft als Scrubber bezeichnet. Wäscher werden verwendet, um korrosive Dämpfe wie Schwefelsäure, Salpetersäure und Salzsäure aus Industriegasen und Entlüftungsöffnungen von Chemieanlagen, Ölraffinerien sowie Zellstoff- und Papierfabriken zu entfernen. Der Vorgang, bei dem das absorbierte Gas aus dem Lösungsmittel entfernt wird, wird als Stripping bezeichnet. Abstreifer werden häufig in Verbindung mit Absorbern verwendet, um das absorbierte Gas zurückzugewinnen und das flüssige Lösungsmittel zu recyceln. Dies ist besonders wichtig, wenn das Abwasser Stickstoff- und Phosphorbestandteile enthält. Früher wurden diese Abwässer direkt in die Ozeane eingeleitet, was jedoch zu einem übermäßigen Algenwachstum, der sogenannten Eutrophierung, führte, die wiederum die natürlichen Ökosysteme stark schädigte. Sie haben gerade Jupiters Einführung in die Gasabsorption gesehen.

Sie sollten nun verstehen, wie ein Gasabsorber eine Verunreinigung aus einem Gasstrom entfernt, wie man einen Gasabsorber im Labor betreibt und wie man die Daten analysiert, um die Trennung zu verstehen. Danke fürs Zuschauen!