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Chemical Engineering

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Overview

Source : Michael G. Benton et Kerry M. Dooley, département de génie chimique, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiane

Absorbeurs de gaz sont utilisés pour enlever des contaminants du flux gazeux. Plusieurs modèles sont utilisés pour accomplir cet objectif1. Un garnissage colonne usages gaz et liquide flux exécutant contraires les uns aux autres dans une colonne emballée avec lâche, matériel d’emballage, tels que des céramiques, des métaux et matières plastiques, ou structuré d’emballage1. Le garnissage utilise superficie créée par l’emballage pour créer un maximum de contact efficace entre les deux phases1. Les systèmes sont de peu d’entretien et peuvent manipuler des matériaux corrosifs avec taux de transfert de masse élevée1. Les colonnes de pulvérisation sont un autre type d’amortisseur, qui utilise constamment en contact direct entre les deux phases, avec gaz se déplaçant vers le haut et le liquide pulvérisé vers le bas dans le flux de gaz1. Seulement, ce système comporte un stade et des taux de transfert de masse pauvre, mais est très efficace pour les solutés avec haute solubilité d’un liquide1.

L’objectif de cette expérience est de déterminer l’incidence des variables dont le débit de gaz, débit d’eau et de dioxyde de carbone sur le coefficient de transfert de masse dans l’ensemble dans un absorbeur de gaz. Comprendre comment ces paramètres affectent CO2 suppression permet d’enlèvement de contaminants d’être optimisée. L’expérience utilise une colonne d’absorption eau aléatoirement emballés contre-courant gaz. Huit fonctionne avec deux différents débits de gaz, liquide de débits et concentrations de CO2 ont été utilisées. Au cours de chaque série, les pressions partielles ont été prises depuis le bas, milieu et haut de l’unité de la colonne, et les pressions partielles d’équilibre ont été calculées. Ces pressions ont ensuite été utilisées pour trouver le coefficient de transfert de masse, et les coefficients de transfert de masse ont été comparés aux valeurs théoriques.

Principles

Une unité d’absorption de gaz (Figure 1) utilise le contact avec un liquide pour enlever une substance d’un mélange de gaz. Masse est transféré depuis le mélange gazeux au liquide par absorption.

Figure 0
Figure 1 : Colonne d’absorption typique gaz.

Le coefficient de transfert de masse dans l’ensemble est la vitesse à laquelle la concentration d’une espèce se déplace d’un fluide à l’autre (équation 1).

Equation 1(1)

Dans l’équation 1, Gs est le débit molaire de gaz par la section transversale de la colonne, pAg est la pression partielle de CO2, p*A est la pression en équilibre avec pAg, a est la surface interfaciale ou » surface utile » (une fonction de l’emballage de la colonne), z est la hauteur de l’emballage, et K,G est le coefficient de transfert de masse globale à mols / (pression x surface interfaciale x temps). Transfert de masse dépend des coefficients de transfert de masse dans chaque phase et le montant de la zone d’interface disponible dans l’absorbeur. Loi de Henry ou loi de Raoult s’applique pour approcher les pressions partielles. Ils sont deux lois qui décrivent la pression partielle d’un composant dans un mélange et sont utilisés ensemble pour décrire complètement le comportement du mélange à la limite de la relation d’équilibre de vapeur-liquide. L’objectif d’une colonne d’absorption de gaz est de contrôler la pression partielle effluent contaminants. Un solvant liquide circule à contre-courant dans le flux de gaz pour éliminer les contaminants par l’intermédiaire de transfert de masse convectif. Le transfert de masse dans l’ensemble d’une colonne à garnissage contre-courant l’eau est mesuré dans cette étude pour déterminer les effets de la concentration de gaz CO2 débit d’eau et débit de gaz. Les coefficients seront ensuite comparées aux valeurs théoriques.

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Procedure

L’expérience utilise une colonne d’absorption eau aléatoirement emballés contre-courant gaz. La colonne est dotée de 34 cm de selles berl 13 mm avec 465 m2/m3 (en vigueur) superficie. La pression à l’entrée du système est d’environ 1,42 bar avec une température d’environ 26 ° C et vannes à l’entrée et la sortie de la colonne de laisser le gaz s’échapper. Un spectromètre « Oxy Baby » Infra-rouge, directement relié à l’appareil à divers endroits, mesures de gaz composition et réservoirs de gaz pur sont utilisées pour l’étalonnage.

1. fonctionnement de l’absorbeur de gaz

  1. Mettez sur le maître et fermer la vanne de régulation permettant de contrôler la quantité d’eau dans la colonne
  2. Ouvrir complètement la vanne de débit d’air et le réglage des soupapes de pression dans la colonne.
  3. Régler le débit d’air au niveau souhaité (utiliser un minimum de 20 L/min et augmentation au besoin) et la pression de la colonne la valeur ~ 1,4 bar à 25° C, en utilisant le réglage des soupapes de pression.
  4. Commencer le débit de gaz carbonique à ~ 4 L/min.
  5. Régler le débit d’eau à ~ 75 L/h et d’ajuster le niveau d’eau pour conserver une hauteur constante. Ajuster si nécessaire lors de l’exécution afin d’assurer une hauteur constante.
  6. La pression de partielle de CO2 à la base, le centre et la tête de la colonne à l’aide de que la pression robinets et le spectromètre infrarouge de l’échantillon.
  7. Effectuer huit pistes différentes, à l’aide de deux débits de gaz différents débits liquide et les concentrations de CO2 . Cela permettra de déterminer les variables les plus importantes.
  8. Permettre au système d’atteindre équilibre lorsque n’importe quel débit est altérée. Généralement, cela prend 30-45 min.

Absorbeurs de gaz sont utilisés pour éliminer les contaminants des flux gazeux, comme le floo gaz par un tuyau d’échappement. Un absorbeur de gaz utilise une colonne contenant souvent des matériaux d’emballage aléatoire ou structurées. Amortisseurs de garnissage utilisent des flux gazeux et liquides qui circulent à contre-courant à l’autre. Le gaz contaminant est absorbé dans le flux de liquid, ayant pour résultat réduit contaminants dans les gaz de sortie. Le processus d’absorption dépend fortement des paramètres de fonctionnement, qui doivent être étudiées afin d’optimiser le processus. Ici, nous étudierons l’absorption de dioxyde de carbone dans l’eau et d’examiner comment les paramètres de fonctionnement affectent la séparation et l’efficacité du système.

Une unité d’absorption de gaz utilise le contact avec un solvant liquide pour enlever la substance d’un mélange de gaz. Masse est transféré depuis le mélange gazeux au solvant, avec les deux phases à l’équilibre. La séparation de la phase liquide de gaz se produit ensuite. Le bilan global de matières pour l’absorbeur est montré ici, où V et L sont les vapeurs et liquides débits respectivement, donc le bilan matières composant pour le composant absorbé A intègre la fraction molaire de A dans la phase vapeur et liquide. Le coefficient de transfert de masse global est le taux auquel la concentration d’une espèce se déplace d’un fluide à l’autre. Ici, KG est le coefficient de transfert de masse dans l’ensemble, PAG est la pression partielle du gaz absorbé, les étoile A P est la pression d’équilibre de la Loi de Henry, A est la surface effective du transfert de masse, Z est la hauteur de l’emballage, et GS est le débit molaire des gaz par Croix Championnats de section de la colonne. Transfert de masse dépend des coefficients de transfert de masse dans chaque phase et la quantité de surface interphasial disponible dans l’absorbeur. Loi de Henry et la Loi de Raoult sont appliqués pour calculer les pressions partielles en équilibre avec les concentrations de la phase liquide. Dans l’expérience suivante, un absorbeur de gaz colonne à garnissage serviront à absorber le dioxyde de carbone d’un flux de gaz dans l’eau. Les flux de gaz et d’eau entrer dans la colonne du bas et haut de la page respectivement, permettant l’écoulement de compteur. La composition de dioxyde de carbone à l’entrée est contrôlée à l’aide de vannes pour le dioxyde de carbone et de l’air. Puis la concentration de dioxyde de carbone dans la prise est mesurée. Maintenant que nous avons discuté les rudiments de l’absorption de gaz, nous allons jeter un regard sur comment faire fonctionner l’appareil dans le laboratoire.

Le matériel utilisé dans cette démonstration est une colonne d’absorption de gaz contre-courant emballés. La colonne est emballée avec pontets berl millilitre 13 à 34 centimètres de profondeur lit. Les vannes à l’entrée et la sortie de la colonne laisser le gaz s’échapper, tandis qu’un spectromètre infrarouge sert à mesurer la pression partielle de CO2 dans la phase gazeuse. Pour commencer l’expérience, mettre en marche le commutateur principal, puis fermez la soupape permettant de contrôler la quantité d’eau dans la colonne. Ouvrir complètement la vanne de débit d’air et d’ouvrir la vanne de régulation de pression dans la colonne. La valeur du débit d’air au niveau désiré. Utiliser un minimum de 30 litres / minute, puis augmenter comme vous le souhaitez. Réglez la pression de la colonne à environ 0,5 bar à l’aide de la vanne de régulation de pression. Ensuite, réglez le débit de gaz carbonique commençant à environ quatre litres par minute, puis régler le débit de l’eau, également à partir d’environ quatre litres par minute. Régler le débit d’eau tout au long de l’expérience pour maintenir un niveau constant de l’eau dans le réservoir. L’échantillon et de mesurer la concentration de dioxyde de carbone comme vous le souhaitez à la base, le centre et la tête de la colonne en utilisant les manomètres en ligne. Répéter l’expérience en effectuant huit pistes. Utilisez deux débits de gaz différents débits liquide et des concentrations de dioxyde de carbone, permettant ainsi la détermination des variables plus importantes dans le système. N’oubliez pas permettre au système d’atteindre l’état stationnaire chaque fois qu’un débit est altéré.

Maintenant que nous avons démontré comment effectuer l’absorption de gaz, nous allons jeter un coup de œil les résultats. Tout d’abord, calculer les pressions partielles et les pressions partielles d’équilibre pour chaque course, puis les pressions partielles permet de calculer les coefficients de transfert de masse. Les valeurs calculées sont présentés ici comme des triangles, tandis que les valeurs prédites, représentés par la ligne solide, découlent de calcul des lignes d’exploitation et d’équilibre. Intervalles de confiance pour les valeurs du modèle et le coefficient de transfert de masse moyenne ont été tracées avec des lignes en pointillés. Il n’y avait aucun écart entre les valeurs prévues et réelles, montrant que la colonne est à l’état stable avec l’équilibre à l’interface entre les phases liquide et gazeuse. Maintenant, nous allons comparer les coefficients de transfert de masse dans les mêmes conditions d’exploitation. Les valeurs théoriques, comme les lignes vertes et bleues, ont montré des tendances similaires aux données expérimentales. Si le débit du gaz est haute ou basse, le modèle et l’expérience le même comportement, montrant que le débit de gaz avait peu ou pas d’effet sur le coefficient de transfert de masse dans les gammes examinés.

Enfin, nous allons jeter un oeil à quelques applications de cette technologie dans l’industrie. Amortisseurs de garnissage sont pièce d’équipement utilisé pour le contrôle de la pollution aérienne la plus courante. Dans ces cas, les absorbeurs de gaz sont souvent appelés des épurateurs. Épurateurs sont utilisées pour enlever les vapeurs corrosives telles que l’acide sulfurique, l’acide nitrique et d’acide chlorhydrique des gaz industriels et des évents d’usines chimiques, les raffineries de pétrole et les pâtes et les usines de papier. L’opération d’enlever le gaz absorbé du solvant est appelée stripping. Strip-teaseurs sont souvent utilisés en conjonction avec des amortisseurs afin de récupérer le gaz absorbé et de recycler le solvant liquide. Ceci est particulièrement important lorsque les eaux usées contient des composants de l’azote et du phosphore. Ce purin utilisé pour être expulsé directement dans les océans, mais cela a conduit à la croissance excessive des algues, appelé eutrophisation, qui à son tour sévèrement endommagé les écosystèmes naturels. Vous avez juste regardé introduction de Jove à absorption de gaz.

Vous devez maintenant comprendre comment un absorbeur de gaz supprime une impureté d’un flux de gaz, comment faire pour exécuter un absorbeur de gaz dans le laboratoire et comment analyser les données afin de comprendre la séparation. Merci de regarder !

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Results

Pressions partielles sont tirées de chaque essai. Coefficients de transfert de masse ont été calculées à partir de ceux-ci et par rapport aux valeurs prédites (Figure 2). Les valeurs prédites découlent de la marge calculée pour l’absorbeur (voir référence 2 pour un examen approfondi de la marge). Les lignes pleines représentent les valeurs calculées à l’aide de la ligne d’opération, tandis que les triangles représentent les valeurs de coefficient de transfert de masse expérimentale. Intervalles de confiance pour les valeurs du modèle et le coefficient de transfert de masse moyenne ont été tracées avec des lignes en pointillés. Ces valeurs ont été comparées pour déterminer comment les paramètres expérimentaux (débit du liquide, débit de gaz et pression partielle de CO2 ) affecté du coefficient de transfert de masse dans l’ensemble. Ces conditions d’utilisation, taux d’écoulement liquide seulement avait un effet statistiquement significatif sur le transfert de masse par rapport à l’intervalle de confiance. Les résultats ont montré que débit de gaz et se nourrissent de composition n’avaient peu ou aucun effet sur le coefficient de transfert de masse.

Figure 1
Figure 2 : Modèle des valeurs prévues et réelles du coefficient de transfert de masse.

Les valeurs de KG théoriques pour une haute (30 L/min) et faible (20 L/min) ont été calculées à partir des corrélations de coefficient de transfert de masse et sont présentés sous forme de lignes bleues et vertes, respectivement, à la Figure 3. Les valeurs expérimentales de KG à divers débits liquides ont comploté contre les valeurs théoriques et des tendances similaires, vérification de la dépendance à l’égard de KG débit du liquide. Les valeurs théoriques ont montré une variation se situe entre les valeurs expérimentales, attribuables à des erreurs expérimentales mineures.

Figure 2
Figure 3 : Une représentation graphique de la valeur expérimentale par rapport aux valeurs théoriques.

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Applications and Summary

L’objectif de cette expérience était d’utiliser les facteurs de débit de gaz, débit d’eau et de dioxyde de carbone afin de déterminer le coefficient de transfert de masse dans l’ensemble dans un absorbeur de gaz. L’expérience a utilisé au hasard GUNT CE 400 eau contre-courant gaz absorption colonne à garnissage. Huit fonctionne avec deux différents débits de gaz, les taux de débit des liquides et des concentrations de CO2 ont été effectuées. Pressions partielles ont été tirées de la bas, milieu et haut de l’unité de la colonne, et ces pressions ont ensuite été utilisées pour trouver le coefficient de transfert de masse.

Ces conditions d’utilisation, seulement le débit du liquide avait un effet statistique significatif sur le transfert de masse par rapport à l’intervalle de confiance pour les conditions données. Le processus est le transfert de masse de phase liquide contrôlé. Facteurs liés au gaz tels que la concentration de CO2 et de la vitesse d’écoulement de gaz n’aura peu ou aucun importance.

Absorption de gaz est un mécanisme important pour la sécurité dans la production de chlore3. En fonctionnement normal, absorbeurs de gaz traitent toutes les fuites constamment présents. Le lancement d’une opération de chlore doit être traité jusqu'à ce qu’il fabrique un produit exempt de gaz. En cas de panne dans le processus, absorbeurs doivent être utilisés pour traiter le gaz qui a été produit. En outre, quelle nouvelle forme de fuites, l’unité d’intervention d’urgence principale est les absorbeurs de gaz veille. Unités de traitement sont primordial dans ces conditions d’exploitation, car ils aident à créer un environnement sécuritaire lorsqu’ils traitent avec un produit dangereux3.

Raffinage du gaz naturel, tours d’absorption sont utilisés pour enlever des liquides de gaz naturel de la phase gaz4. Une huile absorbante avec une affinité pour les liquides de gaz naturel élimine le liquide de la phase gazeuse, purifier le produit. L’huile avec des liquides de gaz naturel est alors ensuite purifiée pour récupérer les liquides, tels que le butane, pentanes et d’autres molécules. L’huile peut alors servir à nouveau pour le traitement.

L’absorption est également utilisée pour retirer les impuretés principales CO2 et H2S de gaz naturel de tête de puits, convertissant pour canalisation de gaz. Le processus utilise des amines aqueux ou glycols comme solvants à basse température (typiquement < 40 ° C)5.

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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.

Transcript

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