Gaz Emici
Kaynak: Michael G. Benton ve Kerry M. Dooley, Kimya Mühendisliği Bölümü, Louisiana Eyalet Üniversitesi, Baton Rouge, LA
Gaz emiciler, kirleticileri ga…
Deney, rastgele paketlenmiş bir su ters akışlı gaz emme kolonu kullanır. Sütun, 465 m2/m3 yüzey (etkili) alanına sahip 34 cm 13 mm berl eyer ile doludur. Sisteme giren basınç, yaklaşık 26 °C sıcaklıkta yaklaşık 1,42 bar'dır ve kolonun giriş ve çıkışındaki valfler gazın kaçmasına izin verir. Çeşitli konumlarda üniteye doğrudan bağlı olan bir "Oxy Baby" Kızılötesi spektrometre, gaz bileşimini ölçer ve kalibrasyon için saf gaz tankları kullanılır.
1. Gaz emicinin çalıştırılması
- Ana anahtarı açın ve sütundaki su miktarını kontrol etmek için kullanılan ayar vanasını kapatın
- Hava akış valfini ve kolon basıncı ayar valfini tamamen açın.
- Hava akış hızını istenen seviyeye ayarlayın (minimum 20 L/dak kullanın ve gerektiği kadar artırın) ve basınç ayar valfini kullanarak kolon basıncını ~ 1.4 bar ve 25°C'ye ayarlayın.
- Karbondioksit akış hızını ~ 4 L/dk'da başlatın.
- Su akışını ~ 75 L/s'ye ayarlayın ve sabit bir yüksekliği korumak için su seviyesini ayarlayın. Sabit yükseklik sağlamak için koşarken gerekirse ince ayar yapın.
- Basınç tapalarını ve kızılötesi spektrometreyi kullanarak kolonun tabanı, merkezi ve başındaki CO2 kısmi basıncını örnekleyin.
- İki farklı gaz akış hızı, sıvı akış hızları ve CO2 konsantrasyonları kullanarak sekiz farklı çalışma gerçekleştirin. Bu, en önemli değişkenlerin belirlenmesini sağlayacaktır.
- Herhangi bir akış hızı değiştirildiğinde sistemin kararlı duruma ulaşmasına izin verin. Bu genellikle 30 - 45 dakika sürer.
Gaz emiciler, egzozdan çıkan floo gazı gibi gaz akışlarından kirleticileri çıkarmak için kullanılır. Bir gaz emici, genellikle rastgele veya yapılandırılmış paketleme malzemesi içeren bir kolon kullanır. Paketlenmiş yatak emiciler, birbirine karşı akım akan gaz ve sıvı akışlarını kullanır. Kirletici gaz, sıvı akışına emilir ve bu da çıkış gazındaki kirleticinin azalmasına neden olur. Absorpsiyon işlemi, büyük ölçüde, işlemi optimize etmek için incelenmesi gereken çalışma parametrelerine bağlıdır. Burada, karbondioksitin suya emilimini araştıracağız ve çalışma parametrelerinin sistemin ayrılmasını ve verimliliğini nasıl etkilediğini inceleyeceğiz.
Bir gaz absorpsiyon ünitesi, maddeyi bir gaz karışımından çıkarmak için sıvı bir çözücü ile temas kullanır. Kütle, gaz karışımından çözücüye aktarılır ve iki faz dengeye yakındır. Daha sonra, gaz sıvı fazının ayrılması gerçekleşir. Soğurucu için genel malzeme dengesi burada gösterilmiştir, burada V ve L sırasıyla buhar ve sıvı akış hızlarıdır, bu nedenle emilen bileşen A için bileşen malzeme dengesi, buhar ve sıvı fazda A'nın mol fraksiyonunu içerir. Genel kütle transfer katsayısı, bir türün konsantrasyonunun bir sıvıdan diğerine geçme hızıdır. Burada, KG toplam kütle transfer katsayısıdır, PAG emilen gazın kısmi basıncıdır, P yıldızı A, Henry Yasasından denge basıncıdır, A kütle transferi etkili alanıdır, Z salmastranın yüksekliğidir ve GS, kolonun enine kesiti başına gaz molar akış hızıdır. Kütle transferi, her fazdaki kütle transfer katsayılarına ve emicide bulunan interfazyal alan miktarına bağlıdır. Henry Yasası ve Raoult Yasası, sıvı faz konsantrasyonları ile dengedeki kısmi basınçları hesaplamak için uygulanır. Aşağıdaki deneyde, bir gaz akımından suya karbondioksiti emmek için paketlenmiş bir kolon gaz emici kullanılacaktır. Gaz ve su akışları kolona sırasıyla alttan ve üstten girerek karşı akışı sağlar. Girişteki karbondioksit bileşimi, karbondioksit ve hava valfleri kullanılarak kontrol edilir. Daha sonra çıkıştaki karbondioksit konsantrasyonu ölçülür. Artık gaz emiliminin temellerini tartıştığımıza göre, cihazın laboratuvarda nasıl çalıştırılacağına bir göz atalım.
Bu gösteride kullanılan ekipman, paketlenmiş bir ters akışlı gaz emme kolonudur. Sütun, 34 santimetre yatak derinliğinde 13 mililitrelik berl eyerlerle doludur. Kolonun giriş ve çıkışındaki valfler gazın kaçmasına izin verirken, gaz fazındaki CO2'nin kısmi basınçlarını ölçmek için bir kızılötesi spektrometre kullanılır. Deneye başlamak için ana anahtarı açın, ardından kolondaki su miktarını kontrol etmek için kullanılan vanayı kapatın. Hava akış valfini tamamen açın ve kolon basıncı ayar valfini açın. Hava akış hızını istediğiniz seviyeye ayarlayın. Dakikada en az 30 litre kullanın, ardından istediğiniz kadar artırın. Basınç ayar valfini kullanarak kolon basıncını yaklaşık 0,5 bar'a ayarlayın. Ardından, dakikada yaklaşık dört litreden başlayarak karbondioksit akış hızını ayarlayın, ardından dakikada yaklaşık dört litreden başlayarak su akış hızını ayarlayın. Tankta sabit bir su seviyesini korumak için deney boyunca su akışını ayarlayın. Sıralı basınç göstergelerini kullanarak kolonun tabanında, merkezinde ve başında karbondioksit konsantrasyonunu istediğiniz gibi örnekleyin ve ölçün. Sekiz çalıştırma gerçekleştirerek denemeyi tekrarlayın. Sıvı akış hızları ve karbondioksit konsantrasyonları olmak üzere iki farklı gaz akış hızı kullanın, böylece sistemdeki en önemli değişkenlerin belirlenmesini sağlayın. Bir akış hızı değiştirildiğinde sistemin kararlı duruma ulaşmasına izin verdiğinizden emin olun.
Artık gaz emiliminin nasıl gerçekleştirileceğini gösterdiğimize göre, sonuçlara bir göz atalım. İlk olarak, her çalışma için kısmi basınçları ve denge kısmi basınçlarını hesaplayın, ardından kütle transfer katsayılarını hesaplamak için kısmi basınçları kullanın. Hesaplanan değerler burada üçgen olarak gösterilirken, düz çizgi olarak gösterilen tahmin edilen değerler, çalışma ve denge çizgilerinin hesaplanmasından kaynaklanmaktadır. Model değerleri için güven aralıkları ve ortalama kütle transfer katsayısı kesikli çizgilerle çizildi. Tahmin edilen ve gerçek değerler arasında herhangi bir sapma yoktu, bu da kolonun sıvı ve gaz fazları arasındaki arayüzde denge ile sabit durumda olduğunu gösteriyordu. Şimdi, aynı çalışma koşulları altında kütle transfer katsayılarını karşılaştıralım. Yeşil ve mavi çizgiler olarak gösterilen teorik değerler, deneysel verilere benzer eğilimler gösterdi. Gaz oranı ister yüksek ister düşük olsun, model ve deney aynı şekilde davranır ve gaz akış hızının incelenen aralıklardaki kütle transfer katsayısı üzerinde çok az etkisi olduğunu veya hiç etkisi olmadığını gösterir.
Son olarak, bu teknolojinin endüstrideki bazı uygulamalarına bir göz atalım. Paketlenmiş yatak emiciler, hava kirliliği kontrolü için kullanılan en yaygın ekipman parçasıdır. Bu durumlarda, gaz emicilere genellikle yıkayıcılar denir. Yıkayıcılar, sülfürik asit, nitrik asit ve hidroklorik asit gibi aşındırıcı dumanları kimyasal tesislerden, petrol rafinerilerinden ve kağıt hamuru ve kağıt fabrikalarından gelen endüstriyel gazlardan ve menfezlerden uzaklaştırmak için kullanılır. Emilen gazın çözücüden uzaklaştırılması işlemine sıyırma denir. Sıyırıcılar, emilen gazı geri kazanmak ve sıvı çözücüyü geri dönüştürmek için genellikle emicilerle birlikte kullanılır. Bu, özellikle atık su nitrojen ve fosfor bileşenleri içerdiğinde önemlidir. Bu atık su eskiden doğrudan okyanuslara atılırdı, ancak bu, ötrofikasyon adı verilen aşırı alg büyümesine yol açtı ve bu da doğal ekosistemlere ciddi şekilde zarar verdi. Jove'un gaz emilimine girişini az önce izlediniz.
Artık bir gaz emicinin bir gaz akışındaki bir kirliliği nasıl giderdiğini, laboratuvarda bir gaz emicinin nasıl çalıştırılacağını ve ayrımı anlamak için verilerin nasıl analiz edileceğini anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler!
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.