气体吸收器

Chemical Engineering

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Overview

资料来源: 迈克尔 g. 本顿和克里先生, 路易斯安那州立大学化学工程系, 巴吞鲁日, 洛杉矶

气体吸收器用于清除气体流中的污染物。多个设计用于实现此目标1。填料床柱使用气体和液体流在一个列中的松散包装材料, 如陶瓷, 金属和塑料, 或结构化包装1。填充床使用由包装创建的表面积, 在两个阶段1之间创建最大的有效接触量。系统维护低, 可以处理具有高传质率的腐蚀性材料1。喷雾柱是另一种类型的吸收器, 它使用两个阶段之间的恒定直接接触, 气体向上和液体被喷洒到气体流量1。该系统只具有一个阶段和较差的传质速率, 但对于高液溶解度的溶质是非常有效的1

本实验的目的是确定气体流量、水流速率和二氧化碳浓度等变量对气体吸收器整体传质系数的影响。了解这些参数如何影响 CO2删除, 可以优化污染物去除。实验采用了随机填充的水逆流气体吸收柱。八运行具有两个不同的气体流速, 液体流速, 和 CO2浓度使用。在每次运行过程中, 从柱单元的底部、中部和顶部分别取偏压, 计算出平衡分压。然后用这些压力来求传质系数, 并将传质系数与理论值进行了比较。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 化学工程. 气体吸收器. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

气体吸收装置 (图 1) 使用与液体的接触从气体混合物中去除物质。质量从气体混合物转移到液体通过吸收。

Figure 0
图 1: 典型的气体吸收柱.

总体传质系数是一个物种的浓度从一个流体流动到另一个液体的速率 (方程式 1)。

Equation 1(1)

在公式1中, Gs是柱的每个截面面积的气体摩尔流速, pAg是 CO 的部份压力2, p*a是压力在平衡与 pAg, A 是界面区域或容量或 "有效面积 "(列填料的功能), z 是填料的高度, KG是 mols/(压力 x 界面面积 x 时间) 的整体传质系数。质量传递取决于每个阶段的传质系数和吸收体中可用的界面面积的大小。亨利定律或拉乌尔定律适用于近似的局部压力。它们是描述混合物中组分的分压的两个定律, 它们一起使用是为了充分描述混合物在汽液平衡关系的极限下的行为。气体吸收柱的目的是控制污染物的出水分压。液体溶剂流动逆流到气体流, 通过对流传质来去除污染物。本研究测定了水逆流填料柱的整体传质, 以确定水流、气流和 CO2气体浓度的影响。然后将系数与理论值进行比较。

Procedure

实验采用了随机填充的水逆流气体吸收柱。该列用34厘米的 13 mm 柏林马鞍, 465 m2/m3表面 (有效) 区域。进入该系统的压力约为 1.42 bar, 温度约为26° c, 在柱口和出口处的阀门允许气体逸出。一个 "氧婴儿" 红外线光谱仪, 直接连接到单位在不同的地点, 测量气体成分, 和坦克的纯气体用于校准。

1. 操作气体吸收器

  1. 打开主开关并关闭用于控制柱中水量的调节阀
  2. 完全打开空气流量阀, 调节柱压力的阀。
  3. 将气流速率设置为所需的水平 (最小值为20升/分钟, 并根据需要增加), 并将压力调节阀设置为 1.4 bar 和25° c 的柱压力。
  4. 开始的二氧化碳流量在〜4升/分钟。
  5. 设置水流量在〜75升/小时, 并调整水位保持恒定的高度。在运行时进行必要的调整, 以确保恒定的高度。
  6. 样品的 CO2部分压力的基础, 中心和头部的柱使用压力水龙头和红外线光谱仪。
  7. 执行八不同的运行, 使用两种不同的气体流速, 液体流速, 和 CO2浓度。这将使确定最重要的变量。
  8. 当任何流量改变时, 允许系统达到稳定状态。这通常需要 30-45 分钟。

气体吸收器用于清除气体流中的污染物, 例如排气中的飞气体。气体吸收器使用通常包含随机或结构化包装材料的柱。填料床吸收器利用气体和液体流逆流到对方。污染物气体被吸收到液体流中, 从而减少了出口气体中的污染物。吸收过程很大程度上取决于操作参数, 必须对其进行研究, 以优化过程。在这里, 我们将研究二氧化碳对水的吸收, 并考察其操作参数如何影响系统的分离和效率。

气体吸收装置使用与液体溶剂的接触, 从气体混合物中除去该物质。质量从气体混合物转移到溶剂, 与二个阶段接近平衡。然后, 气液相分离发生。这里显示了吸收体的整体材料平衡, 其中 V 和 L 分别是蒸汽和液体流速, 因而吸收的组分 a 的组分物质平衡在蒸气和液体阶段包含 a 的摩尔分数。总体传质系数是一个物种的浓度从一个流体流动到另一个的速率。这里, KG 是整体传质系数, 是气体被吸收的分压, P 星 a 是来自亨利定律的平衡压力, a 是传质有效面积, Z 是填料的高度, GS 是气体摩尔流率的每十字 列的截面。质量传递取决于每个阶段的传质系数, 以及吸收体中可用的 interphasial 区的数量。运用亨利定律和拉乌尔定律计算了液相浓度下的平衡分压。在下面的实验中, 一个填料柱式气体吸收器将被用于从气体流中吸附二氧化碳到水中。气体和水流分别从底部和顶部进入列, 使计数器流动。在进口的二氧化碳成分是控制使用的二氧化碳和空气阀门。然后测量出出口中二氧化碳的浓度。现在我们已经讨论了气体吸收的基本原理, 让我们来看看如何在实验室中运行仪器。

本演示中使用的设备是一个填料逆流气体吸收柱。该列是挤满了13毫升柏林鞍在床深度34厘米。在柱口和出口处的阀门允许气体逸出, 而红外光谱仪则用来测量气相中 CO2 的分压。要开始试验, 请切换主开关, 然后关闭用于控制柱中水量的阀门。完全打开气流阀, 打开压力调节阀。将气流速率设置为所需的水平。使用最少30升每分钟, 然后根据需要增加。使用调节阀将柱压力设置为大约 0.5 bar。接下来, 设置二氧化碳的流量从每分钟约四升开始, 然后设置水流量, 也开始在大约四升每分钟。在整个实验过程中调整水流, 以保持水箱中的恒定水位。样品和测量二氧化碳浓度的基础上, 中心, 和头部的柱使用在线压力表。重复执行八运行的实验。使用两种不同的气体流速、液体流速和二氧化碳浓度, 从而能够确定系统中最重要的变量。当流量改变时, 一定要允许系统达到稳定状态。

现在我们已经演示了如何执行气体吸收, 让我们来看看结果。首先, 计算各次运行的分压和平衡分压, 然后利用分压计算传质系数。计算值在这里显示为三角形, 而预测值, 显示为实线, 产生于计算操作和平衡线。用虚线绘制了模型值和平均传质系数的置信区间。在预测值和实际数值之间没有偏差, 表明该柱处于稳态状态, 在液相和气相中的界面处具有平衡。现在, 让我们比较在相同的操作条件下的传质系数。理论值, 显示为绿色和蓝色线, 显示了相似的趋向到实验数据。无论气体率是高还是低, 模型和实验的表现都一样, 表明气体流速对质量传递系数的影响很小或没有作用。

最后, 让我们来看看这项技术在工业中的一些应用。填料床吸收器是最常见的设备, 用于空气污染控制。在这种情况下, 气体吸收器通常称为洗涤。洗涤器用于从化工厂、炼油厂、纸浆和造纸厂的工业气体和喷口中除去硫酸、硝酸和盐酸等腐蚀性烟雾。从溶剂中除去吸收气体的操作称为剥离。为了回收吸收的气体和回收液体溶剂, 通常会与吸收器结合使用脱衣舞女。这是特别重要的, 当废水中含有氮和磷成分。这种废水曾经被直接排入海洋, 然而这导致藻类的过度生长, 称为富营养化, 这反过来严重破坏了自然生态系统。你刚刚看了朱庇特的气体吸收介绍。

你现在应该了解气体吸收器是如何去除气体流中的杂质, 如何在实验室中运行气体吸收体, 以及如何分析数据以理解分离。谢谢收看!

Results

每个试验运行都有部分压力。质量传递系数从这些计算, 并与预测值 (图 2) 进行比较。预测值产生于计算的吸收器的操作线 (参见参考2以深入讨论操作线)。实线表示使用操作线计算的值, 而三角形表示实验质量传递系数值。用虚线绘制了模型值和平均传质系数的置信区间。将这些值进行比较, 以确定实验参数 (液体流速、气体流速和 CO2分压) 对整体传质系数的影响。在这些操作条件下, 与置信区间相比, 只有液体流速对传质有显著影响。结果表明, 气流速度和进料组成对传质系数影响不大。

Figure 1
图 2: 传质系数的预测和实际值的模型.

理论 KG值为高 (30 升/分) 和低 (20 升/分钟) 是从传质系数的相关性计算, 分别显示为蓝绿线, 在图 3。根据理论值绘制了各种液体流速下的实验 kg值, 并显示了类似的趋势, 验证了 k 对液流速率的依赖性.理论值与实验值有一定的差异, 归因于小的实验误差。

Figure 2
图 3: 与理论值相比, 实验值的图形化描述.

Applications and Summary

本实验的目的是利用气体流速、水流速率和二氧化碳浓度等因素来确定气体吸收体的总传质系数。实验采用了随机填充的 GUNT CE 400 水逆流气体吸收柱。八运行与两个不同的气体流速, 液体流速, 和 CO2 浓度进行。从柱单元的底部、中部和顶部分别施加部分压力, 然后利用这些压力来求取传质系数。

在这些操作条件下, 与给定条件下的置信区间相比, 只有液体流速对传质有显著的统计学影响。该工艺是液相传质控制。与气体相关的因素, 如 CO2浓度和气体流量将没有什么意义。

气体吸收是一种重要的安全机制, 在生产中的氯气3。在正常操作期间, 气体吸收器处理任何持续发生的泄漏。氯气操作的启动必须经过处理, 直到产生无气体的产品。在过程中出现故障时, 必须使用吸收剂来处理产生的气体。此外, 当新的泄漏形式, 主要的应急反应单位是备用气体吸收器。处理单元在这些操作条件下非常重要, 因为它们有助于在处理危险产品3时创造一个安全的环境。

在提炼天然气时, 吸收塔用于从气相4中除去天然气液体。吸油与天然气液体的亲和力, 从气相去除液体, 净化产品。然后, 用天然气液体的油进一步提纯, 以回收液体, 如丁烷、pentanes 和其他分子。然后, 油可以再次用于治疗。

吸收也用于除去井口天然气中的主要杂质 CO2和 H2, 将其转换为管线气体。该工艺在低温下使用水性胺或乙二醇作为溶剂 (通常 < 40 ° c)5

References

  1. Absorbers - Separations: Chemical - MEL Equipment Encyclopedia 4.0. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
  2. Welty, James R., Rorrer, Gregory L., and David G. Foster. Fundamentals of Momentum, Heat, and Mass Transfer. 6th ed. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 2015
  3. Chloric Gas Absorption." GEA engineering for a better world. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
  4. NaturalGas.org." NaturalGasorg. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
  5. Fundamentals of Natural Gas Processing, A.J. Kidnay and W.R. Parrish, Taylor and Francis, Boca Raton, 2006.

实验采用了随机填充的水逆流气体吸收柱。该列用34厘米的 13 mm 柏林马鞍, 465 m2/m3表面 (有效) 区域。进入该系统的压力约为 1.42 bar, 温度约为26° c, 在柱口和出口处的阀门允许气体逸出。一个 "氧婴儿" 红外线光谱仪, 直接连接到单位在不同的地点, 测量气体成分, 和坦克的纯气体用于校准。

1. 操作气体吸收器

  1. 打开主开关并关闭用于控制柱中水量的调节阀
  2. 完全打开空气流量阀, 调节柱压力的阀。
  3. 将气流速率设置为所需的水平 (最小值为20升/分钟, 并根据需要增加), 并将压力调节阀设置为 1.4 bar 和25° c 的柱压力。
  4. 开始的二氧化碳流量在〜4升/分钟。
  5. 设置水流量在〜75升/小时, 并调整水位保持恒定的高度。在运行时进行必要的调整, 以确保恒定的高度。
  6. 样品的 CO2部分压力的基础, 中心和头部的柱使用压力水龙头和红外线光谱仪。
  7. 执行八不同的运行, 使用两种不同的气体流速, 液体流速, 和 CO2浓度。这将使确定最重要的变量。
  8. 当任何流量改变时, 允许系统达到稳定状态。这通常需要 30-45 分钟。

气体吸收器用于清除气体流中的污染物, 例如排气中的飞气体。气体吸收器使用通常包含随机或结构化包装材料的柱。填料床吸收器利用气体和液体流逆流到对方。污染物气体被吸收到液体流中, 从而减少了出口气体中的污染物。吸收过程很大程度上取决于操作参数, 必须对其进行研究, 以优化过程。在这里, 我们将研究二氧化碳对水的吸收, 并考察其操作参数如何影响系统的分离和效率。

气体吸收装置使用与液体溶剂的接触, 从气体混合物中除去该物质。质量从气体混合物转移到溶剂, 与二个阶段接近平衡。然后, 气液相分离发生。这里显示了吸收体的整体材料平衡, 其中 V 和 L 分别是蒸汽和液体流速, 因而吸收的组分 a 的组分物质平衡在蒸气和液体阶段包含 a 的摩尔分数。总体传质系数是一个物种的浓度从一个流体流动到另一个的速率。这里, KG 是整体传质系数, 是气体被吸收的分压, P 星 a 是来自亨利定律的平衡压力, a 是传质有效面积, Z 是填料的高度, GS 是气体摩尔流率的每十字 列的截面。质量传递取决于每个阶段的传质系数, 以及吸收体中可用的 interphasial 区的数量。运用亨利定律和拉乌尔定律计算了液相浓度下的平衡分压。在下面的实验中, 一个填料柱式气体吸收器将被用于从气体流中吸附二氧化碳到水中。气体和水流分别从底部和顶部进入列, 使计数器流动。在进口的二氧化碳成分是控制使用的二氧化碳和空气阀门。然后测量出出口中二氧化碳的浓度。现在我们已经讨论了气体吸收的基本原理, 让我们来看看如何在实验室中运行仪器。

本演示中使用的设备是一个填料逆流气体吸收柱。该列是挤满了13毫升柏林鞍在床深度34厘米。在柱口和出口处的阀门允许气体逸出, 而红外光谱仪则用来测量气相中 CO2 的分压。要开始试验, 请切换主开关, 然后关闭用于控制柱中水量的阀门。完全打开气流阀, 打开压力调节阀。将气流速率设置为所需的水平。使用最少30升每分钟, 然后根据需要增加。使用调节阀将柱压力设置为大约 0.5 bar。接下来, 设置二氧化碳的流量从每分钟约四升开始, 然后设置水流量, 也开始在大约四升每分钟。在整个实验过程中调整水流, 以保持水箱中的恒定水位。样品和测量二氧化碳浓度的基础上, 中心, 和头部的柱使用在线压力表。重复执行八运行的实验。使用两种不同的气体流速、液体流速和二氧化碳浓度, 从而能够确定系统中最重要的变量。当流量改变时, 一定要允许系统达到稳定状态。

现在我们已经演示了如何执行气体吸收, 让我们来看看结果。首先, 计算各次运行的分压和平衡分压, 然后利用分压计算传质系数。计算值在这里显示为三角形, 而预测值, 显示为实线, 产生于计算操作和平衡线。用虚线绘制了模型值和平均传质系数的置信区间。在预测值和实际数值之间没有偏差, 表明该柱处于稳态状态, 在液相和气相中的界面处具有平衡。现在, 让我们比较在相同的操作条件下的传质系数。理论值, 显示为绿色和蓝色线, 显示了相似的趋向到实验数据。无论气体率是高还是低, 模型和实验的表现都一样, 表明气体流速对质量传递系数的影响很小或没有作用。

最后, 让我们来看看这项技术在工业中的一些应用。填料床吸收器是最常见的设备, 用于空气污染控制。在这种情况下, 气体吸收器通常称为洗涤。洗涤器用于从化工厂、炼油厂、纸浆和造纸厂的工业气体和喷口中除去硫酸、硝酸和盐酸等腐蚀性烟雾。从溶剂中除去吸收气体的操作称为剥离。为了回收吸收的气体和回收液体溶剂, 通常会与吸收器结合使用脱衣舞女。这是特别重要的, 当废水中含有氮和磷成分。这种废水曾经被直接排入海洋, 然而这导致藻类的过度生长, 称为富营养化, 这反过来严重破坏了自然生态系统。你刚刚看了朱庇特的气体吸收介绍。

你现在应该了解气体吸收器是如何去除气体流中的杂质, 如何在实验室中运行气体吸收体, 以及如何分析数据以理解分离。谢谢收看!

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