בולם גז
מקור: מייקל בנטון וקרי מ. דולי, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס
בולמי גז משמשים להסרת מזהמים מזרמי גז. עיצובים…
הניסוי משתמש בעמוד ספיגת גז נגד זרימה במים ארוז באקראי. העמוד עמוס ב-34 ס"מ של אוכפי ברל 13 מ"מ עם שטח שטח של 465 מ'2/מ'3 משטח (יעיל). הלחץ הנכנס למערכת הוא כ 1.42 בר עם טמפרטורה של כ 26 °C (50 °F), ושסתומים בכניסה וביציאה של העמוד מאפשרים גז לברוח. ספקטרומטר אינפרא אדום "Oxy Baby", המחובר ישירות ליחידה במקומות שונים, מודד הרכב גז ומיכלים של גז טהור משמשים לכיול.
1. הפעלת בולם הגז
- הפעל את המתג הראשי וסגור את שסתום ההתאמה המשמש לשליטה בכמות המים בעמודה
- פתח את שסתום זרימת האוויר לחלוטין ואת שסתום הכוונון ללחץ העמוד.
- הגדר את קצב זרימת האוויר לרמה הרצויה (השתמש במינימום של 20 ליטר / דקה ולהגדיל לפי הצורך), ולהגדיר את לחץ העמודה ~ 1.4 בר ו 25 מעלות צלזיוס באמצעות שסתום התאמת ללחץ.
- התחל את קצב זרימת הפחמן הדו חמצני ב ~ 4 L / min.
- הגדר את זרימת המים ב ~ 75 L / שעה, ולהתאים את מפלס המים כדי לשמור על גובה קבוע. לכוונן במידת הצורך בעת ריצה כדי להבטיח גובה קבוע.
- דגימת לחץ חלקי CO2 בבסיס, במרכז ובראש העמודה באמצעות הקשות הלחץ והספקטרומטר האינפרא אדום.
- בצע שמונה ריצות שונות, תוך שימוש בשני קצבי זרימת גז שונים, קצבי זרימה נוזליים וריכוז CO2. זה יאפשר קביעת המשתנים החשובים ביותר.
- אפשר למערכת להשיג מצב יציב כאשר כל קצב זרימה משתנה. זה בדרך כלל לוקח 30 - 45 דקות.
בולמי גז משמשים להסרת מזהמים מזרמי הגז, כגון גז פלו מפליטה. בולם גז משתמש בעמודה המכילה לעתים קרובות חומר אריזה אקראי או מובנה. בולמי מיטה ארוזים משתמשים בזרמי גז ונוזלים הזורמים זרם נגדי זה לזה. הגז המזהם נספג בזרם הנוזל, וכתוצאה מכך מופחת המזהם בגז היציאה. תהליך הקליטה תלוי במידה רבה בפרמטרי ההפעלה, אותם יש ללמוד על מנת לייעל את התהליך. כאן נחקור את ספיגת הפחמן הדו חמצני במים, ונבחן כיצד פרמטרי ההפעלה משפיעים על ההפרדה והיעילות של המערכת.
יחידת ספיגת גז משתמשת במגע עם ממס נוזלי כדי להסיר את החומר מתערובת הגז. המסה מועברת מתערובת הגז לממס, כאשר שני השלבים קרובים לשיווי משקל. לאחר מכן, מתרחשת הפרדת שלב נוזל הגז. איזון החומר הכולל עבור הבולם מוצג כאן, כאשר V ו-L הם קצבי זרימת האדים והנוזל בהתאמה, ולכן איזון החומר המרכיב עבור הרכיב הנספג A משלב את חלק השומה של A בשלב האדים והנוזל. מקדם העברת המסה הכולל הוא הקצב שבו ריכוז מין אחד עובר מנוזל אחד למשנהו. כאן, KG הוא מקדם העברת המסה הכולל, PAG הוא הלחץ החלקי של הגז הנספג, כוכב P A הוא לחץ שיווי המשקל מחוק הנרי, A הוא השטח האפקטיבי של העברת המסה, Z הוא גובה האריזה, ו-GS הוא קצב הזרימה המולרית של הגז לכל חתך רוחב של העמודה. העברת המסה תלויה במקדמי העברת המסה בכל שלב, ובכמות השטח הבין-שלבי הזמין בבולם. חוק הנרי וחוק ראול מיושמים לחישוב הלחצים החלקיים בשיווי משקל עם ריכוזי הפאזה הנוזלית. בניסוי הבא ישמש בולם גז עמוד ארוז לספיגת פחמן דו חמצני מזרם גז למים. זרמי הגז והמים נכנסים לעמודה מלמטה ומלמעלה בהתאמה, ומאפשרים זרימה נגדית. הרכב הפחמן הדו חמצני בכניסה נשלט באמצעות שסתומים לפחמן דו חמצני ואוויר. ואז נמדד ריכוז הפחמן הדו חמצני ביציאה. כעת, לאחר שדנו ביסודות ספיגת הגז, בואו נסתכל כיצד להפעיל את המכשיר במעבדה.
הציוד המשמש בהדגמה זו הוא עמוד ספיגת גז נגדי ארוז. העמוד ארוז באוכפי ברל של 13 מיליליטר בעומק מיטה של 34 סנטימטרים. השסתומים בכניסה וביציאה של העמוד מאפשרים לגז לברוח, ואילו ספקטרומטר אינפרא אדום משמש למדידת הלחצים החלקיים של CO2 בשלב הגז. כדי להתחיל בניסוי, הפעל את המתג הראשי ולאחר מכן סגור את השסתום המשמש לשליטה בכמות המים בעמודה. פתח את שסתום זרימת האוויר לחלוטין ופתח את שסתום הכוונון ללחץ העמודה. הגדר את קצב זרימת האוויר לרמה הרצויה. השתמש במינימום של 30 ליטר לדקה, ואז הגדל כרצונך. הגדר את לחץ העמודה לכ-0.5 בר באמצעות שסתום הכוונון ללחץ. לאחר מכן, הגדר את קצב זרימת הפחמן הדו חמצני החל מכארבעה ליטר לדקה, ולאחר מכן הגדר את קצב זרימת המים, החל גם הוא מכארבעה ליטר לדקה. התאם את זרימת המים לאורך כל הניסוי כדי לשמור על מפלס מים קבוע במיכל. דגימה ומדידה של ריכוז הפחמן הדו חמצני לפי הצורך בבסיס, במרכז ובראש העמוד באמצעות מדי הלחץ בשורה. חזור על הניסוי על ידי ביצוע שמונה ריצות. השתמש בשני קצבי זרימת גז שונים, קצבי זרימת נוזלים וריכוזי פחמן דו חמצני, ובכך לאפשר קביעת המשתנים החשובים ביותר במערכת. הקפד לאפשר למערכת להגיע למצב יציב בכל פעם שקצב הזרימה משתנה.
כעת, לאחר שהדגמנו כיצד לבצע את ספיגת הגז, בואו נסתכל על התוצאות. ראשית, חשב לחצים חלקיים ולחצים חלקיים בשיווי משקל עבור כל ריצה, ולאחר מכן השתמש בלחצים החלקיים כדי לחשב את מקדמי העברת המסה. הערכים המחושבים מוצגים כאן כמשולשים, בעוד שהערכים החזויים, המוצגים כקו מלא, נובעים מחישוב קווי ההפעלה ושיווי המשקל. מרווחי סמך עבור ערכי המודל ומקדם העברת המסה הממוצע שורטטו בקווים מקווקוים. לא הייתה סטייה בין הערכים החזויים לערכים בפועל, מה שמראה שהעמודה נמצאת במצב יציב עם שיווי משקל בממשק בין שלב הנוזל לשלב הגז. כעת, בואו נשווה את מקדמי העברת המסה באותם תנאי הפעלה. הערכים התיאורטיים, המוצגים כקווים ירוקים וכחולים, הראו מגמות דומות לנתוני הניסוי. בין אם קצב הגז היה גבוה או נמוך, המודל והניסוי מתנהגים אותו הדבר, ומראים שלקצב זרימת הגז הייתה השפעה מועטה או בכלל על מקדם העברת המסה בטווחים שנבדקו.
לבסוף, בואו נסתכל על כמה יישומים של טכנולוגיה זו בתעשייה. בולמי מיטה ארוזים הם הציוד הנפוץ ביותר המשמש לבקרת זיהום אוויר. במקרים אלה, בולמי גז נקראים לעתים קרובות מקרצפים. מקרצפים משמשים להסרת אדים מאכלים כגון חומצה גופרתית, חומצה חנקתית וחומצה הידרוכלורית מגזים תעשייתיים ופתחי אוורור ממפעלים כימיים, בתי זיקוק לנפט ומפעלי עיסת נייר. פעולת הוצאת הגז הנספג מהממס נקראת הפשטה. חשפניות משמשות לעתים קרובות בשילוב עם בולמים על מנת לשחזר את הגז הנספג ולמחזר את הממס הנוזלי. זה חשוב במיוחד כאשר מי השפכים מכילים רכיבי חנקן וזרחן. מי השפכים האלה נהגו להיפלט ישירות לאוקיינוסים, אולם זה הוביל לגידול מוגזם של אצות, שנקרא אטרופיקציה, שבתורו פגע קשות במערכות אקולוגיות טבעיות. זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב לספיגת גזים.
כעת עליכם להבין כיצד בולם גז מסיר טומאה מזרם גז, כיצד להפעיל בולם גז במעבדה וכיצד לנתח את הנתונים כדי להבין את ההפרדה. תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is a gas absorber and how does it remove contaminants?
A gas absorber removes contaminants from gas streams using a column containing packing material where gas and liquid streams flow counter-current to each other. The contaminant gas is absorbed into the liquid solvent through mass transfer, reducing the contaminant concentration in the exit gas. This process depends on operating parameters like flow rates and gas composition to optimize separation efficiency.
Q2: How does counter-current flow improve gas absorption efficiency?
Counter-current flow, where gas enters from the bottom and liquid from the top, maximizes the concentration gradient between phases throughout the column. This arrangement ensures continuous contact between gas and liquid streams, promoting efficient mass transfer. The opposing flow directions maintain driving force for absorption across the entire column height, enhancing overall contaminant removal.
Q3: What role does the mass transfer coefficient play in absorption?
The overall mass transfer coefficient determines the rate at which a substance transfers from gas to liquid phase. It depends on mass transfer coefficients in each phase and the interfacial area available in the absorber. Higher mass transfer coefficients indicate faster absorption rates, making this parameter critical for predicting and optimizing separation performance in packed bed columns.
Q4: What packing materials are used in gas absorbers and why?
Gas absorbers use random or structured packing materials such as ceramics, metals, and plastics to create maximum surface area for gas-liquid contact. These materials, like berl saddles, increase the interfacial area available for mass transfer while maintaining low pressure drop. Packed beds are low maintenance, handle corrosive materials effectively, and achieve high mass transfer rates compared to other absorber designs.
Q5: How do operating parameters affect gas absorber performance?
Operating parameters including gas flow rate, liquid flow rate, and inlet contaminant concentration significantly influence absorption efficiency and mass transfer coefficients. Experimental studies show that varying these parameters affects the rate of contaminant removal and system separation capability. Understanding these relationships enables optimization of the absorption process for specific industrial applications and waste stream compositions.
Q6: What are industrial applications of gas absorption technology?
Packed bed absorbers, called scrubbers in industrial settings, remove corrosive fumes like sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid from chemical plants, oil refineries, and pulp mills. Strippers recover absorbed gases and recycle solvents, preventing waste water containing nitrogen and phosphorus from causing eutrophication in ecosystems. This technology is the most common equipment for air pollution control in industry.
Q7: How is equilibrium determined in gas absorption systems?
Equilibrium between gas and liquid phases is determined using Henry's Law and Raoult's Law to calculate partial pressures. At the gas-liquid interface, the partial pressure of the absorbed gas in the vapor phase relates to its concentration in the liquid phase through these thermodynamic relationships. Measuring partial pressures at different column heights allows calculation of mass transfer coefficients and verification of steady-state operation.