Absorber gazu
Źródło: Michael G. Benton i Kerry M. Dooley, Wydział Inżynierii Chemicznej, Uniwersytet Stanowy Luizjany, Baton Rouge, Los Angeles
Pochłaniacze gazów…
W eksperymencie wykorzystano losowo upakowaną kolumnę absorpcyjną gazu przeciwprądowego. Kolumna jest wypełniona 34 cm siodełkami berl 13 mm o powierzchni 465 m2/m3 powierzchni (efektywnej). Ciśnienie wchodzące do układu wynosi około 1,42 bara przy temperaturze około 26 °C, a zawory na wejściu i wyjściu z kolumny umożliwiają ucieczkę gazu. Spektrometr podczerwieni "Oxy Baby", bezpośrednio podłączony do urządzenia w różnych miejscach, mierzy skład gazu, a do kalibracji używane są zbiorniki z czystym gazem.
1. Obsługa absorbera gazu
- Włącz wyłącznik główny i zamknij zawór regulacyjny służący do kontroli ilości wody w kolumnie
- Całkowicie otwórz zawór przepływu powietrza i zawór regulacyjny ciśnienia w kolumnie.
- Ustaw natężenie przepływu powietrza na żądany poziom (użyj minimum 20 l/min i zwiększ w razie potrzeby), a ciśnienie w kolumnie ustaw na ~ 1,4 bara i 25°C za pomocą zaworu regulacyjnego ciśnienia.
- Rozpocznij przepływ dwutlenku węgla przy ~ 4 l/min.
- Ustaw przepływ wody na ~ 75 L/h i wyreguluj poziom wody, aby utrzymać stałą wysokość. Dostosuj w razie potrzeby podczas biegu, aby zapewnić stałą wysokość.
- Pobrać próbkę ciśnienia parcjalnego CO2 u podstawy, środka i głowicy kolumny za pomocą kurków ciśnieniowych i spektrometru podczerwieni.
- Wykonaj osiem różnych przebiegów, używając dwóch różnych natężeń przepływu gazu, natężeń przepływu cieczy i stężeń CO2. Umożliwi to wyznaczenie najważniejszych zmiennych.
- Pozwól systemowi osiągnąć stan ustalony, gdy zmieni się jakiekolwiek natężenie przepływu. Zazwyczaj zajmuje to 30 - 45 minut.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Absorbery gazów służą do usuwania zanieczyszczeń ze strumieni gazów, takich jak gaz fiuo ze spalin. Absorber gazu wykorzystuje kolumnę często zawierającą losowy lub ustrukturyzowany materiał opakowaniowy. Absorbery ze złożem upakowanym wykorzystują strumienie gazów i cieczy, które przepływają do siebie w przeciwnym prądzie. Gaz zanieczyszczający jest absorbowany przez strumień cieczy, co powoduje zmniejszenie zanieczyszczeń w gazie wyjściowym. Proces absorpcji zależy w dużej mierze od parametrów pracy, które należy zbadać w celu optymalizacji procesu. Tutaj zbadamy absorpcję dwutlenku węgla do wody i zbadamy, jak parametry pracy wpływają na separację i wydajność systemu.
Jednostka absorpcyjna gazu wykorzystuje kontakt z ciekłym rozpuszczalnikiem w celu usunięcia substancji z mieszaniny gazów. Masa jest przenoszona z mieszaniny gazów do rozpuszczalnika, przy czym obie fazy są bliskie równowagi. Następnie następuje oddzielenie fazy gazowej ciekłej. Ogólny bilans materiałowy absorbera jest pokazany tutaj, gdzie V i L to odpowiednio natężenia przepływu pary i cieczy, a zatem bilans materiałowy składnika dla wchłoniętego składnika A obejmuje ułamek molowy A w fazie parowej i ciekłej. Całkowity współczynnik przenoszenia masy to szybkość, z jaką stężenie jednego gatunku przemieszcza się z jednego płynu do drugiego. Tutaj KG to całkowity współczynnik przenoszenia masy, PAG to ciśnienie parcjalne absorbowanego gazu, gwiazda P A to ciśnienie równowagi z prawa Henry'ego, A to efektywna powierzchnia przenoszenia masy, Z to wysokość upakowania, a GS to molowe natężenie przepływu gazu na przekrój poprzeczny kolumny. Przenoszenie masy zależy od współczynników przenikania masy w każdej fazie oraz od ilości obszaru międzyfazowego dostępnego w absorberze. Prawo Henry'ego i prawo Raoulta są stosowane do obliczania ciśnień cząstkowych w równowadze ze stężeniami w fazie ciekłej. W poniższym eksperymencie wypełniony kolumnowy absorber gazu zostanie wykorzystany do absorpcji dwutlenku węgla ze strumienia gazu do wody. Strumienie gazu i wody wchodzą do kolumny odpowiednio od dołu i od góry, umożliwiając przeciwprąd. Skład dwutlenku węgla na wlocie jest kontrolowany za pomocą zaworów dwutlenku węgla i powietrza. Następnie mierzone jest stężenie dwutlenku węgla na wylocie. Teraz, gdy omówiliśmy podstawy absorpcji gazów, przyjrzyjmy się, jak uruchomić aparaturę w laboratorium.
Sprzęt używany w tej demonstracji to kolumna absorpcyjna gazu z wypełnionym przepływem przeciwprądowym. Kolumna jest wypełniona 13-mililitrowymi siodłami berl o głębokości łóżka 34 centymetrów. Zawory na wejściu i wyjściu z kolumny umożliwiają ucieczkę gazu, podczas gdy spektrometr podczerwieni służy do pomiaru ciśnień cząstkowych CO2 w fazie gazowej. Aby rozpocząć eksperyment, włącz wyłącznik główny, a następnie zamknij zawór służący do kontrolowania ilości wody w kolumnie. Całkowicie otwórz zawór przepływu powietrza i otwórz zawór regulacyjny ciśnienia w kolumnie. Ustaw natężenie przepływu powietrza na żądany poziom. Użyj co najmniej 30 litrów na minutę, a następnie zwiększ według uznania. Ustaw ciśnienie w kolumnie na około 0,5 bara za pomocą zaworu regulacyjnego ciśnienia. Następnie ustaw natężenie przepływu dwutlenku węgla zaczynające się od około czterech litrów na minutę, a następnie ustaw natężenie przepływu wody, również zaczynając od około czterech litrów na minutę. Dostosuj przepływ wody przez cały czas trwania eksperymentu, aby utrzymać stały poziom wody w zbiorniku. Pobrać próbkę i zmierzyć stężenie dwutlenku węgla zgodnie z potrzebami u podstawy, środka i głowicy kolumny za pomocą manometrów w linii. Powtórz eksperyment, wykonując osiem przebiegów. Używaj dwóch różnych natężeń przepływu gazu, natężeń przepływu cieczy i stężeń dwutlenku węgla, umożliwiając w ten sposób określenie najważniejszych zmiennych w układzie. Upewnij się, że system osiągnie stan ustalony za każdym razem, gdy zmienia się natężenie przepływu.
Teraz, gdy pokazaliśmy, jak przeprowadzić absorpcję gazu, przyjrzyjmy się wynikom. Najpierw oblicz ciśnienia cząstkowe i równowagowe ciśnienia cząstkowe dla każdego cyklu, a następnie użyj ciśnień cząstkowych do obliczenia współczynników przenoszenia masy. Obliczone wartości są tutaj pokazane jako trójkąty, podczas gdy wartości przewidywane, pokazane jako linia ciągła, wynikają z obliczenia linii operacyjnej i równowagi. Przedziały ufności dla wartości modelu i średniego współczynnika przenoszenia masy zostały wykreślone liniami przerywanymi. Nie stwierdzono odchylenia między wartościami przewidywanymi a rzeczywistymi, co pokazuje, że kolumna jest w stanie ustalonym z równowagą na granicy faz ciekłej i gazowej. Porównajmy teraz współczynniki przenoszenia masy w tych samych warunkach pracy. Wartości teoretyczne, pokazane jako zielona i niebieska linia, wykazały podobne tendencje do danych eksperymentalnych. Niezależnie od tego, czy szybkość przepływu gazu była wysoka, czy niska, model i eksperyment zachowują się tak samo, pokazując, że natężenie przepływu gazu miało niewielki lub żaden wpływ na współczynnik przenoszenia masy w badanych zakresach.
Na koniec przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom tej technologii w przemyśle. Absorbery ze złożem upakowanym są najpowszechniejszym elementem wyposażenia wykorzystywanym do kontroli zanieczyszczenia powietrza. W takich przypadkach absorbery gazów są często nazywane płuczkami. Płuczki służą do usuwania żrących oparów, takich jak kwas siarkowy, kwas azotowy i kwas solny z gazów przemysłowych i odlotów z zakładów chemicznych, rafinerii ropy naftowej oraz zakładów celulozowo-papierniczych. Operacja usuwania wchłoniętego gazu z rozpuszczalnika nazywa się strippingiem. Strippery są często używane w połączeniu z absorberami w celu odzyskania zaabsorbowanego gazu i recyklingu ciekłego rozpuszczalnika. Jest to szczególnie ważne, gdy ścieki zawierają składniki azotu i fosforu. Ścieki te były kiedyś odprowadzane bezpośrednio do oceanów, jednak doprowadziło to do nadmiernego wzrostu glonów, zwanego eutrofizacją, co z kolei poważnie zniszczyło naturalne ekosystemy. Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do absorpcji gazów.
Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób absorber gazu usuwa zanieczyszczenia ze strumienia gazu, jak uruchomić absorber gazu w laboratorium i jak analizować dane, aby zrozumieć separację. Dzięki za oglądanie!
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.