Gasabsorber
Bron: Michael G. Benton en Kerry M. Dooley, Afdeling Chemische Technologie, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
Gasabsorbers worden gebruikt o…
Het experiment maakt gebruik van een willekeurig gevulde tegenstromende gasabsorptiekolom. De kolom is gevuld met 34 cm 13 mm berl-zadels met een oppervlakte van 465 m2/m3 (effectief) oppervlak. De ingaande druk van het systeem is ongeveer 1,42 bar met een temperatuur van ongeveer 26 °C, en kleppen bij de ingang en uitgang van de kolom laten gas ontsnappen. Een "Oxy Baby" infraroodspectrometer, rechtstreeks aangesloten op de unit op verschillende locaties, meet de gassamenstelling, en tanks met zuiver gas worden gebruikt voor kalibratie.
1. De gasabsorber bedienen
- Schakel de hoofdschakelaar in en sluit de afstelklep die wordt gebruikt om de hoeveelheid water in de kolom te regelen
- Open de luchtstroomklep volledig en de afstelklep voor de kolomdruk.
- Stel de luchtstroomsnelheid in op het gewenste niveau (gebruik minimaal 20 L/min en verhoog indien nodig), en stel de kolomdruk in op ~ 1,4 bar en 25°C met behulp van de afstelklep voor druk.
- Start de kooldioxidestroomsnelheid bij ~ 4 L/min.
- Stel de waterstroom in op ~ 75 L/h en pas het waterniveau aan om een constante hoogte te behouden. Pas indien nodig aan tijdens het draaien om een constante hoogte te garanderen.
- Bemonster de CO2 partiële druk aan de basis, het midden en de kop van de kolom met behulp van de drukaftappers en de infraroodspectrometer.
- Voer acht verschillende runs uit, met behulp van twee verschillende gasstroomsnelheden, vloeistofstroomsnelheden en CO2 concentraties. Dit maakt het mogelijk om de belangrijkste variabelen te bepalen.
- Laat het systeem een stabiele toestand bereiken wanneer een stroomsnelheid wordt gewijzigd. Dit duurt doorgaans 30 - 45 min.
Gasabsorbers worden gebruikt om verontreinigingen uit gasstromen te verwijderen, zoals afvalgas uit een uitlaat. Een gasabsorber gebruikt een kolom die vaak willekeurig of gestructureerd vulmateriaal bevat. Gevulde bed absorbers maken gebruik van gas- en vloeistofstromen die tegengesteld stromen. Het besmette gas wordt geabsorbeerd in de vloeistofstroom, wat resulteert in een verminderde verontreiniging in het uitlaatgas. Het absorptieproces hangt sterk af van de operationele parameters, die moeten worden bestudeerd om het proces te optimaliseren. Hier zullen we de absorptie van kooldioxide in water onderzoeken en onderzoeken hoe de operationele parameters de scheiding en efficiëntie van het systeem beïnvloeden.
Een gasabsorptie-eenheid gebruikt contact met een vloeibaar oplosmiddel om de stof uit een gasmengsel te verwijderen. Massa wordt overgebracht van het gasmengsel naar het oplosmiddel, met de twee fasen nabij evenwicht. Vervolgens vindt de scheiding van de gas-vloeistof fase plaats. De algehele materiaalbalans voor de absorber wordt hier getoond, waarbij V en L respectievelijk de damp- en vloeistofstromingssnelheden zijn, dus de componenten materiaalbalans voor het geabsorbeerde component A omvat de molfractie van A in de damp- en vloeistof fase. De algehele massaoverdrachtscoëfficiënt is de snelheid waarmee de concentratie van een soort zich van de ene vloeistof naar de andere beweegt. Hier is KG de algehele massaoverdrachtscoëfficiënt, PAG is de partiële druk van het geabsorbeerde gas, P ster A is de evenwichtsdruk uit de wet van Henry, A is het effectieve oppervlak voor massaoverdracht, Z is de hoogte van de vulling, en GS is de gas molaire stromingssnelheid per dwarsdoorsnede van de kolom. Massaoverdracht hangt af van de massaoverdrachtscoëfficienten in elke fase en de hoeveelheid interfasale oppervlakte beschikbaar in de absorber. De wet van Henry en de wet van Raoult worden toegepast om de partiële drukken in evenwicht met de vloeistof fase concentraties te berekenen. In het volgende experiment zal een gevulde kolom gasabsorber worden gebruikt om kooldioxide uit een gasstroom in water te absorberen. De gas- en waterstromen komen respectievelijk vanaf de onderkant en bovenkant de kolom binnen, waardoor tegenstroming mogelijk is. De kooldioxide samenstelling bij de inlaat wordt geregeld met kleppen voor kooldioxide en lucht. Vervolgens wordt de concentratie kooldioxide bij de uitlaat gemeten. Nu we de basisprincipes van gasabsorptie hebben besproken, laten we eens kijken hoe we het apparaat in het lab kunnen gebruiken.
De apparatuur die in deze demonstratie wordt gebruikt, is een gevulde tegenstroompomp gasabsorptiekolom. De kolom is gevuld met 13 milliliter Berl zadels met een vuldiepte van 34 centimeter. De kleppen bij de ingang en uitgang van de kolom laten gas ontsnappen, terwijl een infraroodspectrometer wordt gebruikt om de partiële drukken van CO2 in de gasfase te meten. Om het experiment te beginnen, zet de hoofdschakelaar aan en sluit vervolgens de klep die wordt gebruikt om de hoeveelheid water in de kolom te regelen. Open de luchtstroomsnelheidsklep volledig en open de afstelklep voor de kolomdruk. Stel de luchtstroomsnelheid in op het gewenste niveau. Gebruik minimaal 30 liter per minuut, verhoog vervolgens naar wens. Stel de kolomdruk in op ongeveer 0,5 bar met behulp van de afstelklep voor druk. Stel vervolgens de kooldioxidestroomsnelheid in, beginnend bij ongeveer vier liter per minuut, en stel vervolgens de waterstroomsnelheid in, eveneens beginnend bij ongeveer vier liter per minuut. Pas de waterstroomsnelheid gedurende het experiment aan om een constante waterstand in de tank te behouden. Bemonster en meet de kooldioxideconcentratie naar wens aan de basis, het midden en de top van de kolom met behulp van de in-line drukmeters. Herhaal het experiment door acht runs uit te voeren. Gebruik twee verschillende gasstromingssnelheden, vloeistofstromingssnelheden en kooldioxideconcentraties, waardoor de bepaling van de belangrijkste variabelen in het systeem mogelijk wordt. Zorg ervoor dat u het systeem de tijd geeft om een stabiele toestand te bereiken wanneer een stromingssnelheid wordt gewijzigd.
Nu we hebben gedemonstreerd hoe de gasabsorptie wordt uitgevoerd, laten we eens kijken naar de resultaten. Bereken eerst de partiële drukken en evenwichtspartiële drukken voor elke run, gebruik vervolgens de partiële drukken om de massaoverdrachtscoëfficienten te berekenen. De berekende waarden worden hier getoond als driehoeken, terwijl de voorspelde waarden, getoond als de doorlopende lijn, voortvloeien uit het berekenen van de operationele en evenwichtslijnen. Betrouwbaarheidsintervallen voor de modelwaarden en de gemiddelde massaoverdrachtscoëfficiënt werden geplot met stippellijnen. Er was geen afwijking tussen de voorspelde en werkelijke waarden, wat aantoont dat de kolom in evenwichtstoestand is met evenwicht op het grensvlak tussen de vloeistof- en gasfasen. Laten we nu de massaoverdrachtscoëfficienten onder dezelfde operationele omstandigheden vergelijken. De theoretische waarden, getoond als de groene en blauwe lijnen, vertoonden vergelijkbare trends met de experimentele gegevens. Of de gassnelheid nu hoog of laag was, het model en het experiment gedragen zich hetzelfde, wat aantoont dat de gasstroomsnelheid weinig of geen invloed had op de massaoverdrachtscoëfficiënt in de onderzochte bereiken.
Laten we ten slotte eens kijken naar enkele toepassingen van deze technologie in de industrie. Gevulde bed absorbers zijn het meest gebruikte apparaat voor luchtverontreinigingsbestrijding. In deze gevallen worden gasabsorbers vaak scrubbers genoemd. Scrubbers worden gebruikt om corrosieve dampen zoals zwavelzuur, salpeterzuur en zoutzuur te verwijderen uit industriële gassen en ventilaties van chemische fabrieken, olieraffinaderijen en pulp- en papierfabrieken. De werking van het verwijderen van het geabsorbeerde gas uit het oplosmiddel wordt stripping genoemd. Strippings worden vaak samen met absorbers gebruikt om het geabsorbeerde gas te recupereren en het vloeibare oplosmiddel te recycleren. Dit is vooral belangrijk wanneer het afvalwater stikstof- en fosforcomponenten bevat. Dit
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.