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가스 흡착 장치

Overview

출처: 마이클 G. 벤턴과 케리 M. 둘리,화학 공학부, 루이지애나 주립 대학, 배턴 루지, LA

가스 흡수제는 가스 스트림에서 오염 물질을 제거하는 데 사용됩니다. 이 목표1을수행하는 데 여러 가지 설계가 사용됩니다. 포장된 침대 기둥은 세라믹, 금속 및 플라스틱과 같은 느슨한 포장 재료로 포장된 기둥또는 구조화 된 포장1과같은 기둥에서 서로 카운터를 달리는 가스 및 액체 스트림을 사용합니다. 포장된 침대는 패킹에 의해 생성된 표면적을 사용하여 두 단계1사이의 최대 효율적인 접촉을 만듭니다. 시스템은 유지 보수가 적고 질량 전달 율이 높은 부식성 재료를 처리할 수 있습니다1. 스프레이 컬럼은 가스가 위로 이동하고 액체가 가스 흐름1로분사되는 두 단계 사이의 일정한 직접 접촉을 사용하는 또 다른 유형의 흡수제입니다. 이 시스템은 한 단계만 가지고 있고 질량 전달 속도가 좋지만 액체 용해도 가 높은 solutes에 매우효과적입니다.

이 실험의 목적은 가스 유량, 물 유량 및 이산화탄소 농도를 포함한 변수가 가스 흡수기의 전체 질량 전달 계수에 미치는 영향을 결정하는 것입니다. 이러한 매개 변수가 CO2 제거에 미치는 영향을 이해하면 오염 물질 제거를 최적화할 수 있습니다. 실험은 무작위로 포장된 물 카운터 유동 가스 흡수 컬럼을 사용합니다. 두 개의 서로 다른 가스 유량, 액체 유량 및 CO2 농도를 가진 8개의 런이 사용되었습니다. 각 실행 중에 부분 압력은 컬럼 단위의 아래쪽, 중간 및 상단에서 가져와 평형 부분 압력을 계산했습니다. 이러한 압력은 질량 전달 계수를 찾기 위해 사용되었고, 질량 전달 계수는 이론적 값과 비교되었다.

Principles

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가스 흡수 장치(도 1)는 액체와의 접촉을 사용하여 가스 혼합물에서 물질을 제거합니다. 질량은 흡수를 통해 가스 혼합물에서 액체로 전달됩니다.

Figure 0
그림 1: 일반적인 가스 흡수 컬럼.

전체 질량 전달 계수는 한 종의 농도가 한 유체에서 다른 유체로 이동하는 속도입니다(방정식 1).

Equation 1 (1)

수학식 1에서,Gs는 컬럼의 단면 면적당 가스 어금량, pAg는 CO2의부분 압력, p*A는 pAg와평형의 압력이며, 얼굴 내 영역/볼륨 또는 "유효 영역"(컬패킹 기능),z는 포장의 높이이며,KG는 전체 질량 전달 계수 계수(x 압력 영역)이다. 질량 전달은 각 단계의 질량 전달 계수와 흡수기에서 사용할 수 있는 안면 영역의 양에 따라 달라집니다. 헨리의 법칙 또는 라올트의 법칙은 부분적인 압력을 대략적인 것으로 규정합니다. 그(것)들은 혼합물에 있는 분대의 부분적인 압력을 기술하고, 증기 액체 평형 관계의 한계에 혼합물의 행동을 완전히 설명하기 위하여 함께 이용되는 두 개의 법률입니다. 가스 흡수 컬럼의 목적은 오염 물질의 유출 부분 압력을 제어하는 것입니다. 액체 용매는 대류 질량 전달을 통해 오염물질을 제거하기 위해 가스 스트림에 역류를 흐른다. 물 반류 포장 컬럼의 전체 질량 전달은 물 흐름, 가스 흐름 및 CO2 가스 농도의 효과를 결정하기 위해이 연구에서 측정됩니다. 계수는 이론적 값과 비교됩니다.

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Procedure

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실험은 무작위로 포장된 물 카운터 유동 가스 흡수 컬럼을 사용합니다. 기둥은 465m2/m3 면(유효) 면적의 13mm 베글 안장34cm로 포장되어 있습니다. 시스템에 진입하는 압력은 약 1.42 bar이며 온도는 약 26 °C이며 기둥의 입구와 출구에서 밸브가 있어 가스가 빠져 나갈 수 있습니다. 다양한 위치에서 장치에 직접 연결된 "Oxy Baby" 적외선 분광기는 가스 구성을 측정하며 순수 가스 탱크가 교정에 사용됩니다.

1. 가스 흡수제 작동

  1. 마스터 스위치를 켜고 열의 물 양을 제어하는 데 사용되는 조정 밸브를 닫습니다.
  2. 공기 흐름 밸브를 완전히 열고 컬럼 압력을 위한 조정 밸브를 엽니다.
  3. 공기 유량(최소 20L/min 사용 및 필요에 따라 증가)으로 설정하고, 압력을 조정 밸브를 사용하여 컬럼 압력을 ~ 1.4 bar 및 25°C로 설정합니다.
  4. ~ 4 L/분에서 이산화탄소 유량을 시작합니다.
  5. 수유를 ~ 75 L/h로 설정하고 수위를 조정하여 일정한 높이를 유지합니다. 일정한 높이를 보장하기 위해 실행하는 동안 필요한 경우 조정할 수 있습니다.
  6. 압력 탭및 적외선 분광계를 사용하여 컬럼의 베이스, 중앙 및 헤드에서 CO2 부분 압력을 샘플링합니다.
  7. 두 개의 서로 다른 가스 유량, 액체 유량 및 CO2 농도를 사용하여 8개의 다른 실행을 수행합니다. 이렇게 하면 가장 중요한 변수를 결정할 수 있습니다.
  8. 유량이 변경될 때 시스템이 정상 상태를 달성할 수 있도록 합니다. 이것은 일반적으로 30 - 45 분 걸립니다.

가스 흡수제는 배기가스에서 플루 가스와 같은 가스 스트림에서 오염 물질을 제거하는 데 사용됩니다. 가스 흡수기는 종종 무작위 또는 구조화 포장 재를 포함하는 컬럼을 사용합니다. 포장된 침대 흡수기는 서로 에동이 리퍼런스를 흐르는 가스와 액체 스트림을 활용합니다. 오염 물질 가스는 액체 스트림으로 흡수되어 출구 가스의 오염 물질이 감소합니다. 흡수 과정은 공정을 최적화하기 위해 연구해야 하는 작동 파라미터에 크게 의존합니다. 여기에서는 이산화탄소의 흡수를 수중으로 조사하고, 작동 파라미터가 시스템의 분리 및 효율성에 어떤 영향을 미치는지 살펴볼 것입니다.

가스 흡수 장치는 액체 용매와의 접촉을 사용하여 가스 혼합물에서 물질을 제거합니다. 질량은 가스 혼합물에서 용매로 옮겨지며, 평형 근처의 2상이 된다. 이어서, 가스 액체 상의 분리가 발생한다. 흡수제에 대한 전체 재료 균형은 여기서 나타내며, 여기서 V와 L은 각각 증기및 액체 유량이며, 따라서 흡수된 성분 A의 성분 재료 균형은 증기 및 액체 상에 A의 두더지 분획을 통합한다. 전체 질량 전달 계수는 한 종의 농도가 한 유체에서 다른 유체로 이동하는 속도입니다. 여기서, KG는 전체 질량 전달 계수이고, PAG는 흡수되는 가스의 부분압력이며, Pstar A는 헨리의 법칙으로부터 평형 압력이며, A는 질량 전달 유효 영역이며, Z는 포장의 높이이며, GS는 컬럼의 단면당 가스 어금음이다. 질량 전달은 각 단계의 질량 전달 계수및 흡수기에서 사용할 수 있는 중간 면적의 양에 따라 달라집니다. 헨리의 법칙과 라올트의 법칙은 액체 상 농도와 평형의 부분압력을 계산하기 위해 적용됩니다. 다음 실험에서 포장된 컬럼 가스 흡수제가 가스 스트림에서 물 속으로 이산화탄소를 흡수하는 데 사용됩니다. 가스 및 물 스트림은 각각 아래쪽과 상단에서 컬럼을 입력하여 카운터 흐름을 가능하게 합니다. 입구의 이산화탄소 조성물은 이산화탄소와 공기를 위한 밸브를 사용하여 제어됩니다. 그런 다음 출구에서 이산화탄소의 농도를 측정합니다. 이제 가스 흡수의 기본 사항에 대해 논의되었으므로 실험실에서 장치를 실행하는 방법을 살펴보겠습니다.

이 데모에 사용되는 장비는 포장된 카운터플로우 가스 흡수 컬럼입니다. 기둥은 34cm의 침대 깊이에 13 밀리리터 베글 안장으로 가득합니다. 기둥의 입구와 출구의 밸브는 가스가 빠져나갈 수 있으며 적외선 분광기는 가스 상에서 CO2의 부분 압력을 측정하는 데 사용됩니다. 실험을 시작하려면 마스터 스위치를 켜고 컬럼의 물 양을 제어하는 데 사용되는 밸브를 닫습니다. 공기 흐름 밸브를 완전히 열고 열 압력을 위해 조정 밸브를 엽니다. 기류 속도를 원하는 수준으로 설정합니다. 분당 최소 30리터를 사용한 다음 원하는 대로 증가합니다. 압력 조정 밸브를 사용하여 컬럼 압력을 약 0.5 막대로 설정합니다. 다음으로 분당 약 4리터에서 시작하는 이산화탄소 유량을 설정한 다음, 분당 약 4리터부터 시작하여 물 유량을 설정합니다. 실험 전반에 걸쳐 수유를 조정하여 탱크의 일정한 수위를 유지합니다. 인라인 압력 게이지를 사용하여 컬럼의 베이스, 중앙 및 헤드에서 원하는 대로 이산화탄소 농도를 샘플링하고 측정합니다. 8개의 실행을 수행하여 실험을 반복합니다. 두 가지 가스 유량, 액체 유량 및 이산화탄소 농도를 사용하여 시스템에서 가장 중요한 변수를 측정할 수 있습니다. 유량이 변경될 때마다 시스템이 안정적인 상태를 달성할 수 있도록 해야 합니다.

이제 가스 흡수를 수행하는 방법을 시연했기 때문에 결과를 살펴보겠습니다. 먼저 각 실행에 대해 부분 압력 및 평형 부분 압력을 계산한 다음 부분 압력을 사용하여 질량 전달 계수를 계산합니다. 계산된 값은 삼각형으로 표시되며, 예측값은 솔리드 라인으로 표시되며 작동 및 평형 라인을 계산할 때 발생합니다. 모델 값과 평균 질량 전달 계수에 대한 신뢰도 간격이 파선으로 플롯되었습니다. 예측값과 실제 값 사이에 는 편차가 없었으며, 이는 컬럼이 액체와 가스 위상 사이의 인터페이스에서 평형으로 정상 상태임을 보여 줍니다. 이제 동일한 작동 조건에서 질량 전달 계수를 비교해 보겠습니다. 녹색 및 파란색 선으로 표시된 이론적 값은 실험 데이터와 유사한 추세를 보여 주어 있습니다. 가스 속도가 높든 낮든, 모델 및 실험은 동일하게 작용하여 가스 유량이 조사된 범위에서 질량 전달 계수에 거의 또는 전혀 영향을 미치지 않았다는 것을 보여 줌입니다.

마지막으로, 업계에서 이 기술의 일부 응용 프로그램을 살펴보겠습니다. 포장 된 침대 흡수기는 대기 오염 제어에 사용되는 장비의 가장 일반적인 조각이다. 이러한 경우 가스 흡수제는 종종 스크러버라고합니다. 스크러버는 화학 공장, 정유 공장 및 펄프 및 제지 공장에서 산업 가스 및 통풍구에서 황산, 질산 및 염산과 같은 부식성 연기를 제거하는 데 사용됩니다. 용매에서 흡수된 가스를 제거하는 동작을 제거라고 합니다. 스트리퍼는 흡수된 가스를 회수하고 액체 용매를 재활용하기 위해 흡수제와 함께 사용하는 경우가 많습니다. 이것은 폐수가 질소와 인 성분을 포함할 때 특히 중요합니다. 이 폐수는 바다로 직접 추방되는 데 사용되었지만, 이로 인해 부영양화라고 불리는 조류가 과도하게 증가하여 자연 생태계가 심각하게 손상되었습니다. 당신은 가스 흡수에 대한 Jove의 소개를 보았습니다.

이제 가스 흡수제가 가스 스트림에서 불순물을 제거하는 방법, 실험실에서 가스 흡수기를 실행하는 방법 및 분리를 이해하기 위해 데이터를 분석하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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각 시험 실행에서 부분적인 압력이 취해졌습니다. 질량 전달 계수는 이들로부터 계산되고 예측값(그림2)과비교하였다. 예측값은 흡수에 대해 계산된 작동 줄에서 발생합니다(작동 라인에 대한 심층 적인 논의를 위한 참조 2 참조). 솔리드 라인은 작동선을 사용하여 계산된 값을 나타내고 삼각형은 실험 질량 전달 계수 값을 나타냅니다. 모델 값과 평균 질량 전달 계수에 대한 신뢰도 간격이 파선으로 플롯되었습니다. 이러한 값은 실험 파라미터(액체 유량, 가스 유량 및CO2 부분 압력)가 전체 질량 전달 계수에 어떤 영향을 미치는지 결정하기 위해 비교하였다. 이러한 작동 조건하에서, 오직 액체 유량만이 신뢰 구간과 비교했을 때 질량 전달에 통계적으로 유의한 영향을 미쳤다. 그 결과 가스 유량과 사료 조성물은 질량 전달 계수에 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 보여주었습니다.

Figure 1
그림 2: 질량 전달 계수의 예측 및 실제 값의 모델.

높은(30L/min)과 낮은(20L/min)에 대한 이론적 KG 값은 질량 전달 계수 상관관계로부터 계산되었으며, 각각 도 3에서파란색과 녹색 선으로 표시됩니다. 다양한 유량의 실험적인 KG 값은 이론적 값에 대해 플롯되었고 유사한 추세를 보여 주어 액체 유량에 대한 KG의 의존도를 확인하였다. 이론적 값은 사소한 실험 오류로 인한 실험 값에서 일부 변형을 보여 주었다.

Figure 2
그림 3: 이론적 값에 비해 실험 값의 그래픽 묘사.

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Applications and Summary

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이 실험의 목적은 가스 흡수기에서 전체 질량 전달 계수를 결정하기 위해 가스 유량, 물 유량 및 이산화탄소 농도의 요인을 사용하는 것이었습니다. 실험은 무작위로 포장 된 GUNT CE 400 물 카운터 유량 가스 흡수 열을 사용했다. 두 개의 서로 다른 가스 유량, 액체 유량 및 CO2 농도를 가진 8개의 런이 수행되었습니다. 부분 압력은 컬럼 단위의 하단, 중간 및 상단에서 가져온 다음 이러한 압력은 질량 전달 계수를 찾는 데 사용되었습니다.

이러한 작동 조건 하에서, 주어진 조건에 대한 신뢰 구간과 비교할 때 액체 유량만이 질량 전달에 유의한 통계적 영향을 미쳤다. 이 공정은 액체 상 질량 전달 제어됩니다. CO2 농도 및 가스 유량과 같은 가스 관련 요인은 거의 또는 전혀 의미가 없습니다.

가스 흡수는 염소3의생산에서 안전을 위한 중요한 메커니즘이다. 정상적인 작동 중에 가스 흡수기는 일관되게 발생하는 누출을 처리합니다. 염소 작업의 시작은 가스가 없는 제품을 생산할 때까지 처리해야 합니다. 이 과정에서 고장난 경우, 흡수제는 생산된 가스를 치료하는 데 사용해야 합니다. 또한 새로운 누출이 형성되면 주요 비상 대응 장치는 대기 가스 흡수장치입니다. 치료 단위는 위험한 제품을 다룰 때 안전한 환경을 조성하는 데 도움이 되기 때문에 이러한 작동 조건에서 매우 중요합니다3.

천연 가스를 정제할 때 흡수 탑을 사용하여 가스4단계에서천연 가스 액체를 제거합니다. 천연 가스 액체에 친화력을 가진 흡수 오일은 가스 상에서 액체를 제거하고 제품을 정화합니다. 천연 가스 액체를 가진 기름은 부탄, 펜탄 및 그밖 분자와 같은 액체를 복구하기 위하여 추가 정제됩니다. 오일은 치료를 위해 다시 사용할 수 있습니다.

흡수는 또한 주요 불순물 CO2 및 H2S를 웰헤드 천연 가스로부터 제거하고 파이프라인 가스로 변환하는 데 사용됩니다. 이 공정은 저온(일반적으로 <40°C)5에서용매로서 수성 아민 또는 글리콜을 사용합니다.

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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.

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