Overview
Fonte: Michael G. Benton e Kerry M. Dooley,Dipartimento di Ingegneria Chimica, Louisiana State University, Baton Rouge, LA
Gli assorbitori di gas vengono utilizzati per rimuovere i contaminanti dai flussi di gas. Per raggiungere questo obiettivo vengono utilizzati più progetti1. Una colonna a letto imballata utilizza flussi di gas e liquidi che scorrono l'uno contro l'altro in una colonna imballata con materiali di imballaggio sfusi, come ceramica, metalli e plastica, o imballaggi strutturati1. Il letto imballato utilizza la superficie creata dall'imballaggio per creare una quantità massima di contatto efficiente tra le due fasi1. I sistemi sono a bassa manutenzione e possono gestire materiali corrosivi con elevate velocità di trasferimento di massa1. Le colonne di spruzzatura sono un altro tipo di assorbitore, che utilizza un contatto diretto costante tra le due fasi, con il gas che si muove verso l'alto e il liquido che viene spruzzato nel flusso di gas1. Questo sistema ha solo uno stadio e scarse velocità di trasferimento di massa, ma è molto efficace per i soluti con elevata solubilità liquida1.
L'obiettivo di questo esperimento è determinare in che modo le variabili tra cui la portata del gas, la portata d'acqua e la concentrazione di anidride carbonica influenzano il coefficiente di trasferimento di massa complessivo in un assorbitore di gas. Capire come questi parametri influenzano la rimozione di CO2 consente di ottimizzare la rimozione dei contaminanti. L'esperimento utilizza una colonna di assorbimento del gas controcorrodo dell'acqua imballata in modo casuale. Sono state utilizzate otto serie con due diverse portate di gas, portate liquide e concentrazioni di CO2. Durante ogni corsa, le pressioni parziali sono state prelevate dal basso, dal centro e dalla parte superiore dell'unità della colonna e sono state calcolate le pressioni parziali di equilibrio. Queste pressioni sono state poi utilizzate per trovare il coefficiente di trasferimento di massa e i coefficienti di trasferimento di massa sono stati confrontati con i valori teorici.
Principles
Un'unità di assorbimento del gas (Figura 1) utilizza il contatto con un liquido per rimuovere una sostanza da una miscela di gas. La massa viene trasferita dalla miscela di gas al liquido tramite assorbimento.
Figura 1: Tipica colonna di assorbimento del gas.
Il coefficiente di trasferimento di massa complessivo è la velocità con cui la concentrazione di una specie si sposta da un fluido all'altro (Equazione 1).
(1)
Nell'equazione 1, Gs è la portata molare del gas per area della sezione trasversale della colonna, pAg è la pressione parziale di CO 2 , p*A è lapressionein equilibrio con pAg, a è l'area / volume interfacciale o "area effettiva" (una funzione dell'imballaggio della colonna), z è l'altezza dell'imballaggio, e KG è il coefficiente di trasferimento di massa complessivo in mols/(pressione x area interfacciale x tempo). Il trasferimento di massa dipende dai coefficienti di trasferimento di massa in ciascuna fase e dalla quantità di area interfacciale disponibile nell'assorbitore. La legge di Henry o legge di Raoult viene applicata per approssimare le pressioni parziali. Sono due leggi che descrivono la pressione parziale di un componente in una miscela e sono usate insieme per descrivere pienamente il comportamento della miscela ai limiti del rapporto di equilibrio vapore-liquido. L'obiettivo di una colonna di assorbimento del gas è controllare la pressione parziale dell'effluente del contaminante. Un solvente liquido fluisce controcorrente al flusso di gas per rimuovere il contaminante attraverso il trasferimento di massa convettivo. Il trasferimento di massa complessivo di una colonna impacchettata in controcorrodo d'acqua viene misurato in questo studio per determinare gli effetti del flusso d'acqua, del flusso di gas e della concentrazione di gas CO2. I coefficienti saranno poi confrontati con i valori teorici.
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Procedure
L'esperimento utilizza una colonna di assorbimento del gas controcorrodo dell'acqua imballata in modo casuale. La colonna è imballata con selle da 34 cm di 13 mm con 465 m2/ m3 superficie (effettiva). La pressione che entra nel sistema è di circa 1,42 bar con una temperatura di circa 26 °C, e le valvole all'ingresso e all'uscita della colonna consentono al gas di fuoriuscire. Uno spettrometro a infrarossi "Oxy Baby", collegato direttamente all'unità in varie posizioni, misura la composizione del gas e i serbatoi di gas puro vengono utilizzati per la calibrazione.
1. Funzionamento dell'assorbitore di gas
- Accendere l'interruttore principale e chiudere la valvola di regolazione utilizzata per controllare la quantità di acqua nella colonna
- Aprire completamente la valvola di flusso d'aria e la valvola di regolazione per la pressione della colonna.
- Impostare la portata d'aria al livello desiderato (utilizzare un minimo di 20 L / min e aumentare secondo necessità) e impostare la pressione della colonna a ~ 1,4 bar e 25 ° C utilizzando la valvola di regolazione per la pressione.
- Avviare la portata dell'anidride carbonica a ~ 4 L / min.
- Impostare il flusso d'acqua a ~ 75 L / h e regolare il livello dell'acqua per mantenere un'altezza costante. Modificare se necessario durante la corsa per garantire un'altezza costante.
- Campionare la pressione parziale di CO2 alla base, al centro e alla testa della colonna utilizzando i rubinetti a pressione e lo spettrometro a infrarossi.
- Esegui otto diverse corse, utilizzando due diverse portate di gas, portate di liquidi e concentrazioni di CO2. Ciò consentirà di determinare le variabili più importanti.
- Consentire al sistema di raggiungere lo stato stazionario quando viene alterata una portata. Questo richiede in genere 30 - 45 minuti.
Gli assorbitori di gas vengono utilizzati per rimuovere i contaminanti dai flussi di gas, come il gas floo da uno scarico. Un assorbitore di gas utilizza una colonna spesso contenente materiale di imballaggio casuale o strutturato. Gli assorbitori a letto imballati utilizzano flussi di gas e liquidi che fluiscono controcorrente l'uno verso l'altro. Il gas contaminante viene assorbito nel flusso liquido, con conseguente riduzione del contaminante nel gas di uscita. Il processo di assorbimento dipende fortemente dai parametri operativi, che devono essere studiati per ottimizzare il processo. Qui, studieremo l'assorbimento di anidride carbonica nell'acqua ed esamineremo come i parametri operativi influenzano la separazione e l'efficienza del sistema.
Un'unità di assorbimento del gas utilizza il contatto con un solvente liquido per rimuovere la sostanza da una miscela di gas. La massa viene trasferita dalla miscela di gas al solvente, con le due fasi vicine all'equilibrio. Quindi, si verifica la separazione della fase gassosa liquida. Il bilancio materiale complessivo per l'assorbitore è mostrato qui, dove V e L sono rispettivamente le portate di vapore e liquido, quindi il bilancio materiale componente per il componente assorbito A incorpora la frazione molare di A nella fase vapore e liquido. Il coefficiente di trasferimento di massa complessivo è la velocità con cui la concentrazione di una specie si sposta da un fluido all'altro. Qui, KG è il coefficiente di trasferimento di massa complessivo, PAG è la pressione parziale del gas che viene assorbito, P stella A è la pressione di equilibrio dalla legge di Henry, A è l'area effettiva del trasferimento di massa, Z è l'altezza dell'imballaggio e GS è la portata molare del gas per sezione trasversale della colonna. Il trasferimento di massa dipende dai coefficienti di trasferimento di massa in ciascuna fase e dalla quantità di area interfasica disponibile nell'assorbitore. La legge di Henry e la legge di Raoult sono applicate per calcolare le pressioni parziali in equilibrio con le concentrazioni della fase liquida. Nel seguente esperimento, un assorbitore di gas a colonna imballato verrà utilizzato per assorbire l'anidride carbonica da un flusso di gas in acqua. I flussi di gas e acqua entrano nella colonna rispettivamente dal basso e dall'alto, consentendo il controflusso. La composizione di anidride carbonica all'ingresso è controllata utilizzando valvole per l'anidride carbonica e l'aria. Quindi viene misurata la concentrazione di anidride carbonica nello sbocco. Ora che abbiamo discusso le basi dell'assorbimento di gas, diamo un'occhiata a come eseguire l'apparato in laboratorio.
L'apparecchiatura utilizzata in questa dimostrazione è una colonna di assorbimento del gas controcorrente imballata. La colonna è piena di selle da 13 millilitro a una profondità del letto di 34 centimetri. Le valvole all'ingresso e all'uscita della colonna consentono al gas di fuoriuscire, mentre uno spettrometro a infrarossi viene utilizzato per misurare le pressioni parziali di CO2 nella fase gassosa. Per iniziare l'esperimento, accendere l'interruttore principale, quindi chiudere la valvola utilizzata per controllare la quantità di acqua nella colonna. Aprire completamente la valvola del flusso d'aria e aprire la valvola di regolazione per la pressione della colonna. Impostare la portata d'aria al livello desiderato. Utilizzare un minimo di 30 litri al minuto, quindi aumentare come desiderato. Impostare la pressione della colonna a circa 0,5 bar utilizzando la valvola di regolazione per la pressione. Successivamente, impostare la portata di anidride carbonica a partire da circa quattro litri al minuto, quindi impostare la portata d'acqua, partendo anche da circa quattro litri al minuto. Regolare il flusso d'acqua durante l'esperimento per mantenere un livello costante dell'acqua nel serbatoio. Campionare e misurare la concentrazione di anidride carbonica desiderata alla base, al centro e alla testa della colonna utilizzando i manometri in linea. Ripetere l'esperimento eseguendo otto esecuzioni. Utilizzare due diverse portate di gas, portate liquide e concentrazioni di anidride carbonica, consentendo così la determinazione delle variabili più importanti nel sistema. Assicurarsi di consentire al sistema di raggiungere lo stato stazionario ogni volta che viene alterata una portata.
Ora che abbiamo dimostrato come eseguire l'assorbimento del gas, diamo un'occhiata ai risultati. In primo luogo, calcolare le pressioni parziali e le pressioni parziali di equilibrio per ogni corsa, quindi utilizzare le pressioni parziali per calcolare i coefficienti di trasferimento di massa. I valori calcolati sono mostrati qui come triangoli, mentre i valori previsti, mostrati come la linea continua, derivano dal calcolo delle linee operative e di equilibrio. Gli intervalli di confidenza per i valori del modello e il coefficiente di trasferimento di massa medio sono stati tracciati con linee tratteggiate. Non c'è stata alcuna deviazione tra i valori previsti e quelli effettivi, mostrando che la colonna è allo stato stazionario con equilibrio all'interfaccia tra le fasi liquida e gassosa. Ora, confrontiamo i coefficienti di trasferimento di massa nelle stesse condizioni operative. I valori teorici, mostrati come le linee verdi e blu, hanno mostrato tendenze simili ai dati sperimentali. Indipendentemente dal fatto che la velocità del gas fosse alta o bassa, il modello e l'esperimento si comportano allo stesso modo, dimostrando che la portata del gas ha avuto poco o nessun effetto sul coefficiente di trasferimento di massa negli intervalli esaminati.
Infine, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni di questa tecnologia nell'industria. Gli assorbitori di letti imballati sono l'apparecchiatura più comune utilizzata per il controllo dell'inquinamento atmosferico. In questi casi, gli assorbitori di gas sono spesso chiamati scrubber. Gli scrubber vengono utilizzati per rimuovere fumi corrosivi come acido solforico, acido nitrico e acido cloridrico da gas industriali e prese d'aria da impianti chimici, raffinerie di petrolio e impianti di cellulosa e carta. L'operazione di rimozione del gas assorbito dal solvente è chiamata stripping. Gli stripper sono spesso utilizzati in combinazione con gli assorbitori per recuperare il gas assorbito e riciclare il solvente liquido. Ciò è particolarmente importante quando le acque reflue contengono componenti di azoto e fosforo. Queste acque reflue venivano espulse direttamente negli oceani, tuttavia ciò ha portato alla crescita eccessiva di alghe, chiamate eutrofizzazione, che a loro volta hanno gravemente danneggiato gli ecosistemi naturali. Hai appena visto l'introduzione di Jove all'assorbimento di gas.
Ora dovresti capire come un assorbitore di gas rimuove un'impurità da un flusso di gas, come far funzionare un assorbitore di gas in laboratorio e come analizzare i dati per comprendere la separazione. Grazie per l'attenzione!
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Results
Pressioni parziali sono state prese da ogni prova. I coefficienti di trasferimento di massa sono stati calcolati da questi e confrontati con i valori previsti (Figura 2). I valori previsti derivano dalla linea operativa calcolata per l'assorbitore (vedere il riferimento 2 per una discussione approfondita della linea operativa). Le linee continue rappresentano i valori calcolati utilizzando la linea operativa, mentre i triangoli rappresentano i valori sperimentali del coefficiente di trasferimento di massa. Gli intervalli di confidenza per i valori del modello e il coefficiente di trasferimento di massa medio sono stati tracciati con linee tratteggiate. Questi valori sono stati confrontati per determinare in che modo i parametri sperimentali (portata liquida, portata del gas e pressione parziale di CO2) hanno influenzato il coefficiente di trasferimento di massa complessivo. In queste condizioni operative, solo la portata del liquido ha avuto un effetto statisticamente significativo sul trasferimento di massa rispetto all'intervallo di confidenza. I risultati hanno mostrato che la portata del gas e la composizione dell'alimentazione hanno avuto poco o nessun effetto sul coefficiente di trasferimento di massa.
Figura 2: Modello dei valori previsti ed effettivi del coefficiente di trasferimento di massa.
I valori teorici di KG per un alto (30 L/min) e un basso (20 L/min) sono stati calcolati dalle correlazioni dei coefficienti di trasferimento di massa e sono mostrati rispettivamente come linee blu e verdi nella Figura 3. I valori sperimentali di KG a una varietà di portate liquide sono stati tracciati rispetto ai valori teorici e hanno mostrato tendenze simili, verificando la dipendenza di KG dalla portata del liquido. I valori teorici hanno mostrato qualche variazione rispetto ai valori sperimentali, attribuibile a piccoli errori sperimentali.
Figura 3: Rappresentazione grafica del valore sperimentale rispetto ai valori teorici.
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Applications and Summary
L'obiettivo di questo esperimento era quello di utilizzare fattori di portata del gas, portata d'acqua e concentrazione di anidride carbonica per determinare il coefficiente di trasferimento di massa complessivo in un assorbitore di gas. L'esperimento ha utilizzato una colonna di assorbimento del gas controcorrodo dell'acqua GUNT CE 400 imballata in modo casuale. Sono state eseguite otto corse con due diverse portate di gas, portate di liquidi e concentrazioni di CO2. Le pressioni parziali sono state prese dal basso, dal centro e dalla parte superiore dell'unità della colonna, e queste pressioni sono state poi utilizzate per trovare il coefficiente di trasferimento di massa.
In queste condizioni operative, solo la portata del liquido ha avuto un effetto statistico significativo sul trasferimento di massa rispetto all'intervallo di confidenza per le condizioni date. Il processo è controllato dal trasferimento di massa in fase liquida. I fattori correlati al gas come la concentrazione di CO2 e la portata del gas avranno poco o nessun significato.
L'assorbimento di gas è un meccanismo importante per la sicurezza nella produzione di cloro3. Durante il normale funzionamento, gli assorbitori di gas trattano eventuali perdite che si verificano costantemente. L'avvio di un'operazione di cloro deve essere trattato fino a quando non produce un prodotto privo di gas. In caso di guasto del processo, gli assorbitori devono essere utilizzati per trattare il gas prodotto. Inoltre, quando si formano nuove perdite, l'unità di risposta alle emergenze principale è l'assorbitore di gas di standby. Le unità di trattamento sono di vitale importanza in queste condizioni operative, in quanto contribuiscono a creare un ambiente sicuro quando si tratta di un prodotto pericoloso3.
Durante la raffinazione del gas naturale, le torri di assorbimento vengono utilizzate per rimuovere i liquidi di gas naturale dalla fase di gas4. Un olio assorbente con affinità con i liquidi del gas naturale rimuove il liquido dalla fase gassosa, purificando il prodotto. L'olio con liquidi di gas naturale viene poi ulteriormente purificato per recuperare i liquidi, come butano, pentani e altre molecole. L'olio può quindi essere riutilizzato per il trattamento.
L'assorbimento viene anche utilizzato per rimuovere le principali impurità CO2 e H2S dal gas naturale della testa di pozzo, convertendolo in gas di gasdotto. Il processo utilizza ammine acquose o glicoli come solventi a basse temperature (tipicamente <40 °C)5.
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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.
