가스 흡착 장치
출처: 마이클 G. 벤턴과 케리 M. 둘리,화학 공학부, 루이지애나 주립 대학, 배턴 루지, LA
가스 흡수제는 가스 스트림에서 오염 물질을 제거하는 데 사용됩니다. 이 목표1을수행하는 데 여러 가지 설계가 사용됩니다. 포장된 침대 기둥은 세라믹, 금속 및 플라스틱과…
실험은 무작위로 포장된 물 카운터 유동 가스 흡수 컬럼을 사용합니다. 기둥은 465m2/m3 면(유효) 면적의 13mm 베글 안장34cm로 포장되어 있습니다. 시스템에 진입하는 압력은 약 1.42 bar이며 온도는 약 26 °C이며 기둥의 입구와 출구에서 밸브가 있어 가스가 빠져 나갈 수 있습니다. 다양한 위치에서 장치에 직접 연결된 "Oxy Baby" 적외선 분광기는 가스 구성을 측정하며 순수 가스 탱크가 교정에 사용됩니다.
1. 가스 흡수제 작동
- 마스터 스위치를 켜고 열의 물 양을 제어하는 데 사용되는 조정 밸브를 닫습니다.
- 공기 흐름 밸브를 완전히 열고 컬럼 압력을 위한 조정 밸브를 엽니다.
- 공기 유량(최소 20L/min 사용 및 필요에 따라 증가)으로 설정하고, 압력을 조정 밸브를 사용하여 컬럼 압력을 ~ 1.4 bar 및 25°C로 설정합니다.
- ~ 4 L/분에서 이산화탄소 유량을 시작합니다.
- 수유를 ~ 75 L/h로 설정하고 수위를 조정하여 일정한 높이를 유지합니다. 일정한 높이를 보장하기 위해 실행하는 동안 필요한 경우 조정할 수 있습니다.
- 압력 탭및 적외선 분광계를 사용하여 컬럼의 베이스, 중앙 및 헤드에서 CO2 부분 압력을 샘플링합니다.
- 두 개의 서로 다른 가스 유량, 액체 유량 및 CO2 농도를 사용하여 8개의 다른 실행을 수행합니다. 이렇게 하면 가장 중요한 변수를 결정할 수 있습니다.
- 유량이 변경될 때 시스템이 정상 상태를 달성할 수 있도록 합니다. 이것은 일반적으로 30 - 45 분 걸립니다.
가스 흡수제는 배기 가스의 플루 가스와 같은 가스 흐름의 오염 물질을 제거하는 데 사용됩니다. 가스 흡수제는 종종 무작위 또는 구조화된 포장재를 포함하는 컬럼을 사용합니다. 패킹 베드 흡수기는 서로 역류를 흐르는 가스 및 액체 스트림을 사용합니다. 오염 가스는 액체 흐름으로 흡수되어 출구 가스의 오염 물질이 감소합니다. 흡수 공정은 작동 매개변수에 크게 의존하며, 공정을 최적화하기 위해 이를 연구해야 합니다. 여기에서는 이산화탄소가 물로 흡수되는 것을 조사하고 작동 매개변수가 시스템의 분리 및 효율성에 어떤 영향을 미치는지 조사합니다.
가스 흡수 장치는 액체 용매와의 접촉을 사용하여 가스 혼합물에서 물질을 제거합니다. 질량은 가스 혼합물에서 용매로 전달되며 두 상은 거의 평형을 이룹니다. 그런 다음 기체 액체 상의 분리가 발생합니다. 흡수체에 대한 전체 재료 균형이 여기에 표시되어 있으며, 여기서 V와 L은 각각 증기 및 액체 유량이므로 흡수된 구성 요소 A에 대한 구성 요소 재료 균형은 증기 및 액체 상태에서 A의 몰 분율을 통합합니다. 전체 질량 전달 계수는 한 종의 농도가 한 유체에서 다른 유체로 이동하는 속도입니다. 여기서 KG는 전체 물질 전달 계수, PAG는 흡수되는 가스의 부분 압력, P 스타 A는 헨리 법칙의 평형 압력, A는 물질 전달 유효 면적, Z는 패킹의 높이, GS는 기둥의 단면당 가스 몰 유량입니다. 물질 전달은 각 상의 물질 전달 계수와 흡수체에서 사용할 수 있는 위상간 면적의 양에 따라 달라집니다. 헨리의 법칙(Henry's Law)과 라울트(Raoulult)의 법칙(Raoult Law )은 액상 농도와 평형을 이루는 분압을 계산하기 위해 적용됩니다. 다음 실험에서는 패킹된 컬럼 가스 흡수체를 사용하여 가스 흐름에서 물로 이산화탄소를 흡수합니다. 가스 흐름과 물 흐름은 각각 바닥과 위에서 컬럼으로 들어가 역류를 가능하게 합니다. 입구의 이산화탄소 조성은 이산화탄소와 공기용 밸브를 사용하여 제어됩니다. 그런 다음 배출구의 이산화탄소 농도를 측정합니다. 이제 가스 흡수의 기본 사항에 대해 논의했으므로 실험실에서 장치를 실행하는 방법을 살펴보겠습니다.
이 시연에 사용된 장비는 충전된 대향류 가스 흡수 칼럼입니다. 기둥은 34cm의 베드 깊이에서 13mm 베를 안장으로 채워져 있습니다. 컬럼의 입구와 출구에 있는 밸브는 가스가 빠져나갈 수 있도록 하며, 적외선 분광계는 기체 상태에서 CO2의 분압을 측정하는 데 사용됩니다. 실험을 시작하려면 마스터 스위치를 켠 다음 컬럼의 물의 양을 제어하는 데 사용되는 밸브를 닫으십시오. 기류 밸브를 완전히 열고 컬럼 압력에 대한 조정 밸브를 엽니다. 공기 흐름 속도를 원하는 수준으로 설정합니다. 분당 최소 30리터를 사용하고 원하는 만큼 늘리십시오. 압력 조정 밸브를 사용하여 컬럼 압력을 약 0.5bar로 설정합니다. 다음으로, 분당 약 4리터부터 시작하는 이산화탄소 유량을 설정한 다음 분당 약 4리터부터 시작하는 물의 유량을 설정합니다. 탱크의 수위를 일정하게 유지하기 위해 실험 전반에 걸쳐 물의 흐름을 조정하십시오. 인라인 압력 게이지를 사용하여 컬럼의 바닥, 중앙 및 헤드에서 원하는 대로 이산화탄소 농도를 샘플링하고 측정합니다. 8개의 실행을 수행하여 실험을 반복합니다. 두 가지 다른 가스 유량, 액체 유량 및 이산화탄소 농도를 사용하여 시스템에서 가장 중요한 변수를 결정할 수 있습니다. 유량이 변경될 때마다 시스템이 정상 상태를 달성할 수 있도록 해야 합니다.
이제 가스 흡수를 수행하는 방법을 시연했으므로 결과를 살펴보겠습니다. 먼저 각 런에 대한 부분 압력과 평형 부분 압력을 계산한 다음 부분 압력을 사용하여 질량 전달 계수를 계산합니다. 계산된 값은 여기에서 삼각형으로 표시되며, 실선으로 표시된 예측 값은 작동 선과 평형선을 계산하여 발생합니다. 모델 값과 평균 질량 전달 계수에 대한 신뢰 구간은 점선으로 표시되었습니다. 예측된 값과 실제 값 사이에는 편차가 없었으며, 이는 컬럼이 액체 상태와 기체 상태 사이의 계면에서 평형을 이루며 정상 상태에 있음을 보여줍니다. 이제 동일한 작동 조건에서 질량 전달 계수를 비교해 보겠습니다. 녹색과 파란색 선으로 표시된 이론적 값은 실험 데이터와 유사한 경향을 보였습니다. 가스 속도가 높거나 낮았는지에 관계없이 모델과 실험은 동일하게 동작하여 가스 유량이 조사된 범위의 질량 전달 계수에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않았음을 보여줍니다.
마지막으로 업계에서 이 기술의 몇 가지 응용 분야를 살펴보겠습니다. 패킹된 침대 흡수기는 대기 오염 통제에 사용되는 장비의 일반적인 조각입니다. 이러한 경우 가스 흡수 장치는 종종 스크러버라고 합니다. 스크러버는 화학 공장, 정유 공장, 펄프 및 제지 공장의 산업용 가스 및 통풍구에서 황산, 질산 및 염산과 같은 부식성 연기를 제거하는 데 사용됩니다. 용매에서 흡수된 가스를 제거하는 작업을 스트리핑이라고 합니다. 스트리퍼는 흡수된 가스를 회수하고 액체 용매를 재활용하기 위해 흡수체와 함께 사용되는 경우가 많습니다. 이는 폐수에 질소와 인 성분이 포함되어 있을 때 특히 중요합니다. 이 폐수는 바다로 직접 배출되었지만, 이로 인해 부영양화라고 하는 조류가 과도하게 성장하여 자연 생태계가 심각하게 손상되었습니다. 당신은 방금 Jove의 가스 흡수에 대한 소개를 보았습니다.
이제 가스 흡수 장치가 가스 흐름에서 불순물을 제거하는 방법, 실험실에서 가스 흡수 장치를 작동하는 방법, 분리를 이해하기 위해 데이터를 분석하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!
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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.