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Gli assorbitori di gas vengono utilizzati per rimuovere i contaminanti dai flussi di gas, come il gas di scarico di un gas di scarico. Un assorbitore di gas utilizza una colonna spesso contenente materiale di imballaggio casuale o strutturato. Gli assorbitori a letto impaccato utilizzano flussi di gas e liquidi che scorrono in controcorrente l'uno verso l'altro. Il gas contaminante viene assorbito nel flusso liquido, con conseguente riduzione del contaminante nel gas di uscita. Il processo di assorbimento dipende fortemente dai parametri operativi, che devono essere studiati al fine di ottimizzare il processo. Qui, indagheremo l'assorbimento di anidride carbonica nell'acqua ed esamineremo come i parametri operativi influenzano la separazione e l'efficienza del sistema.
Un'unità di assorbimento di gas utilizza il contatto con un solvente liquido per rimuovere la sostanza da una miscela di gas. La massa viene trasferita dalla miscela di gas al solvente, con le due fasi vicine all'equilibrio. Quindi, avviene la separazione della fase gassosa-liquida. Qui è mostrato il bilancio complessivo dei materiali per l'assorbitore, dove V e L sono rispettivamente le portate di vapore e liquido, quindi il bilancio dei materiali dei componenti per il componente assorbito A incorpora la frazione molare di A nella fase vapore e liquida. Il coefficiente di trasferimento di massa complessivo è la velocità con cui la concentrazione di una specie si sposta da un fluido all'altro. Qui, KG è il coefficiente di trasferimento di massa complessivo, PAG è la pressione parziale del gas assorbito, P stella A è la pressione di equilibrio della legge di Henry, A è l'area effettiva di trasferimento di massa, Z è l'altezza dell'impacchettamento e GS è la portata molare del gas per sezione trasversale della colonna. Il trasferimento di massa dipende dai coefficienti di trasferimento di massa in ciascuna fase e dalla quantità di area interfasica disponibile nell'assorbitore. La legge di Henry e la legge di Raoult vengono applicate per calcolare le pressioni parziali in equilibrio con le concentrazioni della fase liquida. Nell'esperimento seguente, verrà utilizzato un assorbitore di gas a colonna impaccata per assorbire l'anidride carbonica da un flusso di gas nell'acqua. I flussi di gas e acqua entrano nella colonna rispettivamente dal basso e dall'alto, consentendo il controflusso. La composizione dell'anidride carbonica all'ingresso è controllata mediante valvole per l'anidride carbonica e l'aria. Quindi viene misurata la concentrazione di anidride carbonica nell'uscita. Ora che abbiamo discusso le basi dell'assorbimento dei gas, diamo un'occhiata a come far funzionare l'apparato in laboratorio.
L'apparecchiatura utilizzata in questa dimostrazione è una colonna di assorbimento di gas in controcorrente impaccata. La colonna è imballata con selle berl da 13 millilitri a una profondità del letto di 34 centimetri. Le valvole all'ingresso e all'uscita della colonna consentono la fuoriuscita del gas, mentre uno spettrometro a infrarossi viene utilizzato per misurare le pressioni parziali di CO2 in fase gassosa. Per iniziare l'esperimento, accendere l'interruttore principale, quindi chiudere la valvola utilizzata per controllare la quantità di acqua nella colonna. Aprire completamente la valvola del flusso d'aria e aprire la valvola di regolazione della pressione della colonna. Impostare la portata d'aria al livello desiderato. Utilizzare un minimo di 30 litri al minuto, quindi aumentare a piacere. Impostare la pressione della colonna a circa 0,5 bar utilizzando la valvola di regolazione della pressione. Successivamente, impostare la portata di anidride carbonica a partire da circa quattro litri al minuto, quindi impostare la portata dell'acqua, anch'essa a partire da circa quattro litri al minuto. Regolare il flusso d'acqua durante l'esperimento per mantenere un livello costante dell'acqua nel serbatoio. Campionare e misurare la concentrazione di anidride carbonica come desiderato alla base, al centro e alla testa della colonna utilizzando i manometri in linea. Ripeti l'esperimento eseguendo otto esecuzioni. Utilizzare due diverse portate di gas, portate di liquidi e concentrazioni di anidride carbonica, consentendo così la determinazione delle variabili più importanti del sistema. Assicurarsi di consentire al sistema di raggiungere lo stato stazionario ogni volta che viene modificata una portata.
Ora che abbiamo dimostrato come eseguire l'assorbimento del gas, diamo un'occhiata ai risultati. Innanzitutto, calcola le pressioni parziali e le pressioni parziali di equilibrio per ogni corsa, quindi utilizza le pressioni parziali per calcolare i coefficienti di trasferimento di massa. I valori calcolati sono qui mostrati come triangoli, mentre i valori previsti, mostrati come la linea continua, derivano dal calcolo delle linee operative e di equilibrio. Gli intervalli di confidenza per i valori del modello e il coefficiente medio di trasferimento di massa sono stati tracciati con linee tratteggiate. Non c'è stata alcuna deviazione tra i valori previsti e quelli effettivi, dimostrando che la colonna è allo stato stazionario con equilibrio all'interfaccia tra la fase liquida e quella gassosa. Ora, confrontiamo i coefficienti di trasferimento di massa nelle stesse condizioni operative. I valori teorici, mostrati come le linee verdi e blu, hanno mostrato tendenze simili ai dati sperimentali. Indipendentemente dal fatto che la portata del gas fosse alta o bassa, il modello e l'esperimento si comportano allo stesso modo, dimostrando che la portata del gas ha avuto un effetto minimo o nullo sul coefficiente di trasferimento di massa negli intervalli esaminati.
Infine, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni di questa tecnologia nell'industria. Gli assorbitori a letto impaccato sono l'attrezzatura più comune utilizzata per il controllo dell'inquinamento atmosferico. In questi casi, gli assorbitori di gas sono spesso chiamati scrubber. Gli scrubber vengono utilizzati per rimuovere i fumi corrosivi come l'acido solforico, l'acido nitrico e l'acido cloridrico dai gas industriali e dagli sfiati di impianti chimici, raffinerie di petrolio e impianti di cellulosa e carta. L'operazione di rimozione del gas assorbito dal solvente è chiamata stripping. Gli stripper sono spesso utilizzati in combinazione con gli assorbitori per recuperare il gas assorbito e riciclare il solvente liquido. Ciò è particolarmente importante quando le acque reflue contengono componenti di azoto e fosforo. Queste acque reflue venivano espulse direttamente negli oceani, ma questo ha portato alla crescita eccessiva di alghe, chiamata eutrofizzazione, che a sua volta ha gravemente danneggiato gli ecosistemi naturali. Avete appena visto l'introduzione di Giove all'assorbimento dei gas.
A questo punto è necessario capire come un assorbitore di gas rimuove un'impurità da un flusso di gas, come far funzionare un assorbitore di gas in laboratorio e come analizzare i dati per comprendere la separazione. Grazie per l'attenzione!
