Overview
מקור: מייקל בנטון וקרי מ. דולי, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס
בולמי גז משמשים להסרת מזהמים מזרמי גז. עיצובים מרובים משמשים כדי להשיג מטרה זו1. עמוד מיטה ארוז משתמש בזרמים גז ונוזלים הפועלים זה נגד זה בעמוד עמוס בחומרי אריזה רופפים, כגון קרמיקה, מתכות ופלסטיק, או אריזה מובנית1. המיטה הארוזה משתמשת בשטח הפנים שנוצר על ידי האריזה כדי ליצור כמות מקסימלית של מגע יעיל בין שני שלבים1. המערכות הן תחזוקה נמוכה והוא יכול להתמודד עם חומרים מאכלים עם שיעורי העברת מסה גבוהה1. עמודי ריסוס הם סוג נוסף של סופג, המשתמש במגע ישיר מתמיד בין שני השלבים, כאשר הגז נע למעלה ונוזל מרוסס לתוך זרימת הגז1. מערכת זו יש רק שלב אחד ושיעורי העברת המונית ירודים, אבל היא יעילה מאוד עבור מסיסים עם מסיסות נוזל גבוהה1.
מטרת הניסוי היא לקבוע כיצד משתנים כולל קצב זרימת הגז, קצב זרימת המים וריכוז הפחמן הדו-חמצני משפיעים על מקדם העברת המסה הכולל בולם גזים. הבנת האופן שבו פרמטרים אלה משפיעים על הסרת CO2 מאפשרת אופטימיזציה של הסרת מזהמים. הניסוי משתמש בעמוד ספיגת גז נגד זרימה במים ארוז באקראי. שמונה ריצות עם שני שיעורי זרימת גז שונים, שיעורי זרימה נוזלית, וריכוז CO2 שימשו. במהלך כל ריצה, הלחצים החלקיים נלקחו מהחלק התחתון, האמצעי והחלק העליון של יחידת העמודות, וחישוב הלחצים החלקיים של שיווי המשקל. לחצים אלה שימשו אז למציאת מקדם העברת ההמונים, ומקדם העברת ההמונים הושווה לערכים תיאורטיים.
Principles
יחידת ספיגת גז (איור 1) משתמשת במגע עם נוזל כדי להסיר חומר מתערובת גז. המסה מועברת מתערובת הגז לנוזל באמצעות ספיגה.
איור 1: עמודת ספיגת גז טיפוסית.
מקדם העברת המסה הכולל הוא הקצב שבו הריכוז של מין אחד נע מנוזל אחד לשני (משוואה 1).
(1)
במשוואה 1, Gs הוא קצב זרימת הטוחנת בגז לכל אזור חתך של העמודה, pAg הוא הלחץ החלקי של CO2, p*A הוא הלחץ בשיווי משקל עם pAg, a הוא האזור הבין-משרדי / נפח או "אזור יעיל" (פונקציה של אריזת עמודה), z הוא גובה האריזה, ו- KG הוא מקדם העברת המסה הכולל במול /(לחץ x אזור בין-דתי x זמן). העברה המונית תלויה במתקדי העברת ההמונים בכל שלב ובכמות השטח הבין-משרדי הזמין בספיגה. חוק הנרי או חוק ראול מוחלים על הלחצים החלקיים בקירב. הם שני חוקים המתארים את הלחץ החלקי של רכיב בתערובת, ומשמשים יחד על מנת לתאר באופן מלא את התנהגות התערובת בגבולות מערכת היחסים של שיווי משקל אדים-נוזליים. מטרת טור ספיגת הגז היא לשלוט בלחץ החלקי של הקולחים של מזהמים. ממס נוזלי זורם נגד זרם לזרם הגז כדי להסיר את המזהם באמצעות העברת מסה convective. ההעברה ההמונית הכוללת של עמודה ארוזה נגד זרימת מים נמדדת במחקר זה כדי לקבוע את ההשפעות של זרימת מים, זרימת גז וריכוז גז CO2. לאחר מכן יושוו המקדחים לערכים תיאורטיים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
הניסוי משתמש בעמוד ספיגת גז נגד זרימה במים ארוז באקראי. העמוד עמוס ב-34 ס"מ של אוכפי ברל 13 מ"מ עם שטח שטח של 465 מ'2/מ'3 משטח (יעיל). הלחץ הנכנס למערכת הוא כ 1.42 בר עם טמפרטורה של כ 26 °C (50 °F), ושסתומים בכניסה וביציאה של העמוד מאפשרים גז לברוח. ספקטרומטר אינפרא אדום "Oxy Baby", המחובר ישירות ליחידה במקומות שונים, מודד הרכב גז ומיכלים של גז טהור משמשים לכיול.
1. הפעלת בולם הגז
- הפעל את המתג הראשי וסגור את שסתום ההתאמה המשמש לשליטה בכמות המים בעמודה
- פתח את שסתום זרימת האוויר לחלוטין ואת שסתום הכוונון ללחץ העמוד.
- הגדר את קצב זרימת האוויר לרמה הרצויה (השתמש במינימום של 20 ליטר / דקה ולהגדיל לפי הצורך), ולהגדיר את לחץ העמודה ~ 1.4 בר ו 25 מעלות צלזיוס באמצעות שסתום התאמת ללחץ.
- התחל את קצב זרימת הפחמן הדו חמצני ב ~ 4 L / min.
- הגדר את זרימת המים ב ~ 75 L / שעה, ולהתאים את מפלס המים כדי לשמור על גובה קבוע. לכוונן במידת הצורך בעת ריצה כדי להבטיח גובה קבוע.
- דגימת לחץ חלקי CO2 בבסיס, במרכז ובראש העמודה באמצעות הקשות הלחץ והספקטרומטר האינפרא אדום.
- בצע שמונה ריצות שונות, תוך שימוש בשני קצבי זרימת גז שונים, קצבי זרימה נוזליים וריכוז CO2. זה יאפשר קביעת המשתנים החשובים ביותר.
- אפשר למערכת להשיג מצב יציב כאשר כל קצב זרימה משתנה. זה בדרך כלל לוקח 30 - 45 דקות.
בולמי גז משמשים להסרת מזהמים מזרמי גז, כגון גז פלו ממפלט. בולם גז משתמש בעמודה המכילה לעתים קרובות חומר אריזה אקראי או מובנה. בולמי מצעים ארוזים משתמשים בזרמים גזיים ונוזלים הזורמים זרם נגדי זה לזה. הגז המזהם נספג בזרם הנוזלי, וכתוצאה מכך מזהם מופחת בגז היציאה. תהליך הקליטה תלוי במידה רבה בפרמטרים התפעוליים, אשר יש ללמוד על מנת לייעל את התהליך. כאן נחקור את ספיגת הפחמן הדו-חמצני במים, ונבחן כיצד הפרמטרים התפעוליים משפיעים על ההפרדה והיעילות של המערכת.
יחידת ספיגת גז משתמשת במגע עם ממס נוזלי כדי להסיר את החומר מתערובת גז. המסה מועברת מתערובת הגז לממס, כאשר שני השלבים קרובים לשיווי משקל. לאחר מכן, ההפרדה של שלב נוזלי הגז מתרחשת. האיזון החומרי הכולל עבור הסופג מוצג כאן, כאשר V ו- L הם שיעורי האדים והזרימה הנוזלית בהתאמה, ולכן איזון החומר המרכיב עבור הרכיב הנספג A משלב את שבר השומה של A בשלב האדים והנוזל. מקדם העברת המסה הכולל הוא הקצב שבו הריכוז של מין אחד נע מנוזל אחד לשני. כאן, הקג"ב הוא מקדם העברת ההמונים הכולל, PAG הוא הלחץ החלקי של הגז הנספג, P star A הוא לחץ שיווי המשקל מחוק הנרי, A הוא האזור האפקטיבי להעברת המסה, Z הוא גובה האריזה, ו- GS הוא קצב הזרימה הטוחנת של הגז לכל חתך של העמוד. העברה המונית תלויה במתקדי העברת המסה בכל שלב, ובכמות השטח הבין-שלבי הזמין בספיגה. חוק הנרי וחוק ראול מוחלים כדי לחשב את הלחצים החלקיים בשיווי משקל עם ריכוזי השלב הנוזלי. בניסוי הבא, בולם גז טור ארוז ישמש לספיגת פחמן דו חמצני מזרם גז למים. זרמי הגז והמים נכנסים לעמודה מלמטה ולמעלה בהתאמה, ומאפשרים זרימת מונה. הרכב הפחמן הדו חמצני בפרצון נשלט באמצעות שסתומים לפחמן דו חמצני ואוויר. אז הריכוז של פחמן דו חמצני בשקע נמדד. עכשיו כשדיברנו על היסודות של ספיגת הגז, בואו נסתכל איך להפעיל את המנגנון במעבדה.
הציוד המשמש בהדגמה זו הוא עמוד ספיגת גז זרימה נגדית ארוז. העמוד עמוס באוכפי ברל 13 מיליליטר בעומק המיטה של 34 ס"מ. השסתומים בכניסה וביציאה של העמוד מאפשרים לגז לברוח, בעוד ספקטרומטר אינפרא אדום משמש למדידת הלחצים החלקיים של CO2 בשלב הגז. כדי להתחיל את הניסוי, הפעל את המתג הראשי ולאחר מכן סגור את השסתום המשמש לשליטה בכמות המים בעמודה. פתח את שסתום זרימת האוויר לחלוטין ופתח את שסתום הכוונון ללחץ העמוד. הגדר את קצב זרימת האוויר לרמה הרצויה. השתמש מינימום של 30 ליטר לדקה, ולאחר מכן להגדיל לפי הרצון. הגדר את לחץ העמודה על 0.5 בר באמצעות שסתום התאמת לחץ. לאחר מכן, הגדר את קצב זרימת הפחמן הדו חמצני החל מארבעה ליטרים לדקה, ולאחר מכן הגדר את קצב זרימת המים, גם החל מארבעה ליטרים לדקה. התאם את זרימת המים לאורך כל הניסוי כדי לשמור על מפלס מים קבוע במיכל. דגימה ומדוד את ריכוז הפחמן הדו-חמצני לפי הרצון בבסיס, במרכז ובראש העמוד באמצעות מדי הלחץ בשורה. חזור על הניסוי על ידי ביצוע שמונה ריצות. השתמש בשני קצבי זרימת גז שונים, קצבי זרימה נוזליים וריכוזים של פחמן דו חמצני, ובכך אפשר קביעת המשתנים החשובים ביותר במערכת. הקפד לאפשר למערכת להשיג מצב יציב בכל פעם שקצב הזרימה משתנה.
עכשיו שהדגמנו כיצד לבצע את ספיגת הגז, בואו נסתכל על התוצאות. ראשית, לחשב לחצים חלקיים ולחצים חלקיים שיווי משקל עבור כל ריצה, ולאחר מכן להשתמש בלחצים חלקיים כדי לחשב את מקדמי העברת המונית. הערכים המחושבים מוצגים כאן כמשולשים, בעוד הערכים החזויים, המוצגים כקו המוצק, נובעים מחישוב קווי ההפעלה ושיווי המשקל. מרווחי ביטחון עבור ערכי המודל ומקדם העברת ההמונים הממוצע נותנו עם קווים מקווקווים. לא הייתה סטייה בין הערכים החזויים לבין הערכים הממשיים, מה שמראה שהעמודה נמצאת במצב יציב עם שיווי משקל בממשק שבין שלבי הנוזל והגז. כעת, בואו נשווה את מקדמי העברת ההמונים באותם תנאי הפעלה. הערכים התיאורטיים, המוצגים כקווים ירוקים וכחולים, הראו מגמות דומות לנתונים הניסיוניים. בין אם שיעור הגז היה גבוה או נמוך, המודל והניסוי מתנהגים זהים, המראים כי לקצב זרימת הגז הייתה השפעה מועטה או ללא השפעה על מקדם העברת המסה בטווחים שנבדקו.
לבסוף, בואו נסתכל על כמה יישומים של טכנולוגיה זו בתעשייה. סופגי מיטה ארוזים הם הציוד הנפוץ ביותר המשמש לבקרת זיהום אוויר. במקרים אלה, בולמי גז נקראים לעתים קרובות scrubbers. מסננים משמשים להסרת אדים מאכלים כגון חומצה גופרתית, חומצה חנקתית וחומצה הידרוכלורית מגזים תעשייתיים ופתחי אוורור ממפעלים כימיים, בתי זיקוק לנפט, צמחי עיסת נייר. הפעולה של הסרת הגז הנספג מן הממס נקרא הפשטה. חשפניות משמשות לעתים קרובות בשילוב עם סופגים על מנת לשחזר את הגז הנספג ומחזר את הממס הנוזלי. זה חשוב במיוחד כאשר מי השפכים מכילים רכיבי חנקן וזרחן. מי שפכים אלה גורשו בעבר ישירות לאוקיינוסים, אולם הדבר הוביל לצמיחה מופרזת של אצות, הנקראות eutrophication, אשר בתורן פגע קשות במערכות אקולוגיות טבעיות. הרגע צפית בהקדמה של יובה לקליטת גז.
עכשיו אתה צריך להבין איך בולמי גז מסירים טומואה מזרם גז, איך להפעיל בולם גז במעבדה, וכיצד לנתח את הנתונים כדי להבין את ההפרדה. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
לחצים חלקיים ננקטו מכל ניסיון. מקדמי העברת המונים חושבו מתוך אלה והושוו לערכים החזויים(איור 2). הערכים החזויים נובעים משורת ההפעלה המחושבת עבור הסופג (ראה הפניה 2 לדיון מעמיק בשורה ההפעלה). קווים מלאים מייצגים את הערכים המחושב באמצעות קו ההפעלה, בעוד שמשולשים מייצגים את ערכי מקדם העברת המסה הניסיוני. מרווחי ביטחון עבור ערכי המודל ומקדם העברת ההמונים הממוצע נותנו עם קווים מקווקווים. ערכים אלה הושוו כדי לקבוע כיצד הפרמטרים הניסיוניים (קצב זרימת נוזלים, קצב זרימת הגז והלחץ החלקי CO2) השפיעו על מקדם העברת המסה הכולל. בתנאי הפעלה אלה, רק לקצב הזרימה הנוזלי הייתה השפעה מובהקת סטטיסטית על העברת המסה בהשוואה למרווח הביטחון. התוצאות הראו כי קצב זרימת הגז והרכב ההזנה היו השפעה מועטה עד לא על מקדם העברת ההמונים.
איור 2: מודל הערכים החזויים והממשיים של מקדם העברת ההמונים.
ערכי KG תיאורטיים עבור גבוה (30 ליטר/ דקה) ונמוך (20 L/ min) חושבו ממתאם מקדם העברה המונית ומוצגים כקווים כחולים וירוקים, בהתאמה, באיור 3. ערכי KG הניסיוניים במגוון שיעורי זרימה נוזלית נותקו כנגד הערכים התיאורטיים והראו מגמות דומות, המאמתות את התלות של KG בקצב הזרימה הנוזלי. הערכים התיאורטיים הראו שונות מסוימת מהערכים הניסיוניים, המיוחסים לשגיאה ניסיונית מינורית.
איור 3: תיאור גרפי של ערך ניסיוני בהשוואה לערכים תיאורטיים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
מטרת הניסוי הייתה להשתמש בגורמים של קצב זרימת הגז, קצב זרימת המים וריכוז הפחמן הדו-חמצני כדי לקבוע את מקדם העברת המסה הכולל בולם גז. הניסוי השתמש בעמוד ספיגת גז נגד זרימה של GUNT CE 400 ארוז באקראי. שמונה ריצות עם שני קצבי זרימת גז שונים, שיעורי זרימה נוזלית וריכוז CO2 בוצעו. לחצים חלקיים נלקחו מהחלק התחתון, האמצעי והחלק העליון של יחידת העמודה, ולאחר מכן הופעלו לחצים אלה למציאת מקדם העברת המסה.
בתנאי הפעלה אלה, רק לקצב הזרימה הנוזלי הייתה השפעה סטטיסטית משמעותית על העברת המסה בהשוואה למרווח הביטחון של התנאים הנתונים. התהליך נשלט על העברת מסה בשלב נוזלי. לגורמים הקשורים לגז כגון ריכוז CO2 וקצב הזרמת הגז תהיה בעלת משמעות מועטה עד ללא משמעות.
ספיגת גז היא מנגנון חשוב לבטיחות בייצור כלור3. במהלך פעולה רגילה, בולמי גז מטפלים בכל דליפות המתרחשות באופן עקבי. יש לטפל בהפעלת כלור עד שהיא מייצרת מוצר ללא גז. במקרה של התמוטטות בתהליך, יש להשתמש בספיגה לטיפול בגז שהופק. בנוסף, כאשר נוצרות דליפות חדשות, יחידת תגובת החירום העיקרית היא בולמי הגז בכוננות. יחידות טיפול חשובות מאוד בתנאי הפעלה אלה, שכן הן מסייעות ליצור סביבה בטוחה בעת התמודדות עם מוצר מסוכן3.
בעת זיקוק גז טבעי, מגדלי הקליטה משמשים להסרת נוזלי גז טבעי משלב הגז4. שמן סופג עם זיקה לנוזלי גז טבעי מסיר את הנוזל משלב הגז, מטהר את המוצר. השמן עם נוזלי גז טבעי מטוהר עוד יותר כדי לשחזר את הנוזלים, כגון בוטאן, פנטנים ומולקולות אחרות. לאחר מכן ניתן להשתמש בשמן שוב לטיפול.
הקליטה משמשת גם כדי להסיר את זיהומים העיקריים CO2 ו H2S מגז טבעי wellhead, המרתו גז צינור. התהליך משתמש אמינים מימיים או גליקולים כמו ממיסים בטמפרטורות נמוכות (בדרך כלל <40 °C(5°F) 5 .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Absorbers - Separations: Chemical - MEL Equipment Encyclopedia 4.0. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
- 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
- Chloric Gas Absorption." GEA engineering for a better world. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
- NaturalGas.org." NaturalGasorg. N.p., n.d. Web. 28 Jan. 2017.
- Fundamentals of Natural Gas Processing, A.J. Kidnay and W.R. Parrish, Taylor and Francis, Boca Raton, 2006.
