ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ (absorption)

Transcript

1 Εισαγωγή ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ (absorption) Απορρόφηση: η επιλεκτική μεταφορά μιας αέριας ουσίας (απορροφήσιμο μέσοabsorbate ή solute) από ένα αέριο ρεύμα σε ένα υγρό (απορροφητικό μέσο - absorbent), με το οποίο βρίσκεται σε επαφή. Ουσιαστικά πρόκειται για διαλυτοποίηση. Σπάνια και σε στερεό. Βασίζεται στην κατά προτίμηση διαλυτότητα ενός αερίου στο υγρό και αποτελεί διεργασία μεταφοράς μάζας Τις περισσότερες φορές το υγρό: νερό Αναφέρεται και ως καθαρισμός ή έκπλυση αερίου (gas scrubbing) Εφαρμογές Ανάκτηση αμμωνίας στη βιομηχανία λιπασμάτων Απομάκρυνση HF από τα απαέρια του φούρνου υάλου Έλεγχος H S από την αποθείωση απαερίων (FGD) Ανάκτηση διαλυτών (μεθανόλη, ακετόνη) Cooper & Alley: Κεφάλαιο 13 Έλεγχος οσμών. N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» /35 Εισαγωγή Εισαγωγή σταθερά Henry Η διαλυτότητα ενός αερίου είναι πολύ σημαντική παράμετρος που επηρεάζει την ποσότητα του ρύπου που μπορεί να απορροφηθεί. Η διαλυτότητα είναι συνάρτηση κυρίως της θερμοκρασίας (και λιγότερο της πίεσης) Η πιο κοινή μέθοδος ανάλυσης των δεδομένων διαλυτότητας είναι το διάγραμμα ισορροπίας Κάτω από ορισμένες συνθήκες ισχύει ο νόμος του Henry: p = Hx ή y = Hx x= κλάσμα μάζας του ρύπου στην υγρή φάση σε ισορροπία με την αέρια φάση y= κλάσμα μάζας στην αέρια φάση p=μερική πίεση Η και Η σταθερές Henry N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 3/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 4/35

2 Εισαγωγή-Απορρόφηση αερίων Συσκευές απορρόφησης αερίων - Packed beds Η διεργασία περιλαμβάνει: Διάχυση της ουσίας από την αέρια φάση μέσω της διεπιφάνειας αερίου-υγρού και τη διασπορά της στην υγρή φάση. Μπορεί να πραγματοποιείται και χημική αντίδραση στο υγρό. Πύργος ψεκασμού Έξοδος καθαρού αέρα Πύργος με πληρωτικό υλικό κατ αντιρροή (η κοινότερη συσκευή) Έξοδος καθαρού αέρα Η μεταφορά μάζας επιτελείται τόσο με μοριακά μέσα όσο και με συναγωγή. Μπορεί να ελέγχεται είτε από την αντίσταση στην αέρα φάση είτε από την αντίσταση στην υγρή. Σχεδιαστική Προσέγγιση: Υψηλά επίπεδα τύρβης Μεγάλη επιφάνεια επαφής των δύο φάσεων Τις περισσότερες φορές, χρήση στηλών με πληρωτικά υλικά κατ αντιρροή Εύλογη πτώση πίεσης Ακροφύσια ψεκασμού Είσοδος ρυπασμένου αέρα Mycock et al., 1995 Αναδιανομέας Έξοδος νερού Αποτροπέας σταγονιδίων Ακροφύσια ψεκασμού Πληρωτικό υλικό Είσοδος ρυπασμένου αέρα N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 5/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 6/35 Συσκευές απορρόφησης αερίων- Packed beds Συσκευές απορρόφησης αερίων - Packed beds Πύργος με πληρωτικό υλικό καθ ομορροή Πύργος με πληρωτικό υλικό με διασταυρούμενη ροή N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 7/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 8/35

3 Συσκευές απορρόφησης αερίων Packed beds Πληρωτικά υλικά Είσοδος ρυπασμένου αέρα Πύργος τριών κλινών με διασταυρούμενη ροή Ψεκασμός υγρού Ξηρό στοιχείο Έξοδος καθαρού αέρα Πληρωτικά υλικά στοχεύουν στη μεγιστοποίηση της επαφής των δύο φάσεων και στη χαμηλή πτώσης πίεσης. Πολλά υλικά και σχήματα. Επιθυμητά χαρακτηριστικά: Μεγάλη επιφάνεια διαβροχής ανά μονάδα όγκου Μικρή πυκνότητα (δηλ. μικρό βάρος) Ικανοποιητική χημική και μηχανική αντίσταση Χαμηλή συγκράτηση (holdup) του υγρού Χαμηλή πτώση πίεσης Χαμηλό κόστος Πληρωτικό υλικό Mycock et al., 1995 Οι συσκευές απορρόφησης διασταυρούμενης ροής μπορούν να σχεδιαστούν μικρότεροι και να έχουν μικρότερη πτώσης πίεσης από άλλα συστήματα πληρωτικών κλινών. N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 9/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 10/35 Πληρωτικά υλικά: διάφορα σχήματα και υλικά Πληρωτικά υλικά: χαρακτηριστικά «σαμάρι» Berl «σαμάρι» Intalox Δακτύλιος Raschig Δακτύλιος essing Δακτύλιος Pall Tellerette yoseite.epa.gov/ N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 11/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 1/35

4 Κατανομή νερού στους πύργους με πληρωτικά υλικά Συσκευές απορρόφησης αερίων τύπου enturi N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 13/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 14/35 Σχεδιαστικά Κριτήρια Σχεδιασμός πύργου απορρόφησης Χαρακτηριστικά του αερίου ρεύματος: μέση και μέγιστη ογκομετρική παροχή, χημικές ιδιότητες όπως σημείο δρόσου, διαβρωτικότητα, ph, και διαλυτότητα του προς απομάκρυνση ρύπου Υγρό μέσο: ο τύπος του υγρού έκπλυσης και η παροχή του, το ιξώδες, το ph και τα αιωρούμενα στερεά. Πτώση πίεσης: παρακολούθηση της πτώσης πίεσης με μανόμετρα ph: το ph λειτουργίας του απορροφητήρα (θα πρέπει να παρακολουθείται) Απομάκρυνση του συμπαρασυρμένου υγρού: διαχωριστής ή ist eliinator Ισοζύγια μάζας του πύργου για να καθοριστεί ο ρυθμός ανακυκλοφορίας του υγρού Υπολογισμός του ύψους του πληρωτικού υλικού Καθορισμός της διαμέτρου της στήλης ώστε να μπορεί να δεχθεί τις απαιτούμενες παροχές υγρού και αερίου Προδιαγραφές εκπομπών: απόδοση συλλογής για να πληρούνται οι προδιαγραφές N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 15/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 16/35

5 Μεταφορά μάζας θεωρία των δύο υμένων (two-fil theory) Ρυθμός μεταφοράς του Α σε μίγμα Α+Β NA dy N N A B DC y (13.1) T A dz A Ν Α : ροή συστατικού Α (ol/s) D: γραμμομοριακή διαχυτότητα ( /s) y: γραμμομοριακό κλάσμα του Α στο μίγμα z: απόσταση στην κατεύθυνση της διάχυσης A: επιφάνεια μεταφοράς Στην περίπτωση της διάχυσης του Α μέσω ενός στάσιμου αέριου υμένα του Β (π.χ. απορρόφηση ενός διαλυτού αερίου από ένα μη διαλυτό αέριο: ΝΗ 3, αέρας) NA dy NA DC y T A dz A yi dy N 1 y DC A A y T 0 B dz (13.) (13.3)! Προσοχή στο βιβλίο: η C T είναι ενσωματωμένη στο D y, p G B: πάχος αέριου υμένα y i :y στη διεπιφάνεια N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 17/35 C I x i, C i y i, p I z x, C Μεταφορά μάζας (ΙΙ) N DC 1 y A T i ln A B 1 y (13.4) Στην πλειονότητα, τυρβώδης ροή NA D E 1 y C i T ln (13.5) A B 1 y Ε: δινοδιαχυτότητα ( /s) Εισαγωγή μοναδικού συντελεστή μεταφοράς μάζας N A A ky (y y ) i (13.6) φ: διορθωτικός παράγοντας για την κίνηση του κύριου όγκου της φάσης (1 για y<0,05) k y : συντελεστής Drew-Colburn για υμένα αερίου N k(yy) k(yy) A y i y i A (1y) M (13.7) N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 18/35 y, p G C I x i, C i y i, p I (1 y ) (1 y) i (1 y) M ln (1 y ) / (1 y i Παρόμοια έκφραση για τον υγρό υμένα NA k(x x) (13.8) x i A z x, C Μεταφορά μάζας σε πύργο με πληρωτικά υλικά Ισοζύγια μάζας του πύργου για να καθοριστεί ο ρυθμός ανακυκλοφορίας του υγρού: Γνωστά: b, y b, x t x b =f(ρυθμός ανακυκλοφορίας υγρού) [Ρυθμός ανακυκλοφορίας υγρού] = 1,5-3,0 x [ελάχιστου ρυθμού υγρού από υπολογισμό] Το ύψος από γραφική ολοκλήρωση Η διάμετρος με τη χρήση γραφικής συσχέτισης της πλημμύρισης (παροχή αερίου στο 40-60% της τιμής που αντιστοιχεί στο σημείο πλημμύρισης) και της πτώσης πίεσης. Μεταφορά μάζας σε πύργο με πληρωτικά υλικά Έστω y και x τα γραμμομοροριακά κλάσματα του Α στο αέριο και στο υγρό, και και οι γραμμομοριακές παροχές υγρού και αερίου (ol/s). Σε διαφορικό τμήμα dz ισχύει: d =d (13.9) και d( x)=d( y)=dn A (13.11) Ισοζύγιο του συστατικού από τη βάση του πύργου μέχρι κάποιο σημείο z x y x y b b b b Έστω και οι γραμμομοριακές παροχές (ol/s) χωρίς την ουσία προς απορρόφηση Προκύπτει 1 y 1 x y 1y 1x 1y 1x x y b xb b (13.1) (13.13) (13.15) N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 19/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 0/35

6 Μεταφορά μάζας σε πύργο με πληρωτικά υλικά Η γραφική παράσταση της δείχνει τη γραμμή λειτουργίας Ελάχιστη κλίση της γραμμής λειτουργίας (y t,x y ) και (y b,x b *) Μπορεί να γραφεί για τον ρυθμό μεταφοράς/επιφ. Επαφής (εξ και 13.8) y yi dn d( y) k da d( x) k (x x)da (13.16) A y x i Η επιφάνεια da Sdz (13.17) α: διαθέσιμη επιφάνεια μεταφοράς μάζας ( / 3 πληρωτικού) S: εγκάρσια διατομή πύργου Συνδυάζοντας y y i dy ka dz y (13.18) S1y Υγρή φάση dx ka(xx)dz x i (13.19) S1x Ολοκληρώνοντας μπορεί να βρεθεί το Ζ. Σχεδιασμός-στάδια (β) (α) N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 1/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» /35 Σχεδιασμός Η ιδέα της Μονάδας Μεταφοράς (γ) [Actual]= 1,5 x [iniu] (1,5-3) N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 3/35 Η εξ. (3.18) μπορεί να γραφεί ως: Z T yb dy Gy 1y (yy) ka Z [N ][H ] T ty y y yt i avg Ν ty N ty = αριθμός μονάδων μεταφοράς (ΝTU) H y = ύψος μονάδας μεταφοράς (HTU) βασισμένο στον μερικό συντ. μεταφοράς μάζας του αερίου N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 4/35 H y Για αέρια ρεύματα φτωχά ως προς το απορροφήσιμο αέριο: ka y y (y y ) (y y ) G y y y * * y b t b b t t Z όπου y T M * y M b b ln y * t y t /S, γραμμομοριακή ροή του αερίου διαμέσου του πύργου Μέση τιμή στη βάση και την κορυφή

7 Προβλήματα από υψηλή ταχύτητα αερίου Υπολογισμός ταχύτητας πλημμύρισης Δημιουργία διαύλων (Channeling): η αέρια ή η υγρή ροή είναι πολύ μεγαλύτερη σε κάποια σημεία της στήλης. Φόρτιση (oading): η ροή του υγρού μειώνεται λόγω της αυξημένης ροής του αερίου. Το υγρό παραμένει στα διάκενα του πληρωτικού υλικού. Πλημμύριση (Flooding): το υγρό σταματά να ρέει και συγκεντρώνεται στην κορυφή του πύργου λόγω της πολύ μεγάλης παροχής του αερίου. Άλλα προβλήματα Υψηλή πτώσης πίεσης Προβλήματα με την ακτινική διασπορά Ανάγκη για χαμηλή παροχή αερίου G F g 0. p G : μαζική παροχή του υγρού G: μαζική παροχή αερίου G : μαζική παροχή ανά διατομή της στήλης F p : παράγοντας πλήρωσης ρ G : πυκνότητα υγρού ρ G : πυκνότητα αερίου μ : ιξώδες υγρού N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 5/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 6/35 Μονάδα απορρόφησης αμμωνίας (α) Λαμβάνοντας υπόψη τα δεδομένα στον διπλανό Πίνακα για τη διαλυτότητα του SO σε καθαρό νερό στους 93 K (0 C) και 101,3 kpa (760 Hg), υπολογίστε τα y και x, να σχεδιαστεί το διάγραμμα ισορροπίας και να προσδιοριστεί εάν ισχύει ο νόμος του Henry. C SO * p (kpa) 0,5 6,0 1,0 11,6 1,5 18,3,0 4,3,5 30,0 3,0 36,4 * g SO ανά 100 g H O Λύση 1) Υπολογίζεται το γραμμομοριακό κλάσμα του SO στην αέρια φάση, y, διαιρώντας την μερική πίεση του SO με την ολική πίεση του συστήματος: y p / p SO T ii) Υπολογίζεται το γραμμομοριακό κλάσμα της διαλυμένης ουσίας (SO ) στην υγρή φάση, x, διαιρώντας τα oles του SO στο διάλυμα με το σύνολο των oles του υγρού. ol SO εν διαλύσει c /64 SO x ol SO εν διαλύσει + ol ΗΟ c /645,55 SO όπου: ol SO εν διαλύσει = c SO /64 g SO per ol, ol H O = 100 g H O/18 H O ανά ol = 5,55 ol N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 7/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 8/35

8 Δημιουργούμε τον Πίνακα Σχεδιάζουμε το y ως προς x. Στο Σχήμα βλέπουμε ότι τα δεδομένα σχηματίζουν μια ευθεία γραμμή. Συνεπώς, ισχύει ο νόμος του Henry: C SO * p (kpa) y x 0,5 6,0 0,059 0,0014 1,0 11,6 0,115 0,008 1,5 18,3 0,181 0,004,0 4,3 0,40 0,0056,5 30,0 0,96 0,0070 3,0 36,4 0,359 0,0084 * g SO ανά 100 g H O y, γραμ. κλασμα SO στον αέρα 0,4 0,3 0, 0,1 y = 4,77x R² = 0,9994 0,0 0,000 0,00 0,004 0,006 0,008 0,010 x, γραμ. κλασμα SO στο νερό y 0,39-0,180 κλίση 4,7 x 0,0560-0,004 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 9/35 (β) Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα και τα αποτελέσματα από το προηγούμενο μέρος, να υπολογιστεί ο πραγματικός ρυθμός (που είναι 1,5 φορές του ελάχιστου ρυθμού) του καθαρού νερού που απαιτείται για την απομάκρυνση του μεγαλύτερου μέρους του SO από ένα αέριο ρεύμα αερίου με παροχή 84,9 3 /in (3000 acf) που περιέχει 3% κατ όγκον SO. Στη έξοδο το αέριο θα πρέπει να περιέχει 0,3% SO. Η θερμοκρασία είναι 93 Κ και η πίεση είναι 101,3 kpa. Λύση 1) Προσδιορίζουμε τα γραμμομοριακά κλάσματα των ρύπων στην αέρια φάση, y 1 και y (αραιά διαλύματα, Υ y and X x.) Στη συνέχεια, σχεδιάζουμε το σύστημα, όπως φαίνεται στο διπλανό σχήμα. Τα γραμμομοριακά κλάσματα του SO είναι: y 1 = 3% SO κατ όγκο= 0,03 y = 0,03 ) Προσδιορίζεται το γραμμομοριακό κλάσμα του SO στο υγρό που εξέρχεται από τη συσκευή. Στον ελάχιστο ρυθμό ροής του υγρού, το γραμμομοριακό κλάσμα του αερίου ρύπου που εισέρχεται στον απορροφητή, Υ 1, θα βρίσκεται σε ισορροπία με το γραμμομοριακό κλάσμα του ρύπου στο υγρό που εξέρχεται από τον απορροφητή, X 1, (το υγρό θα είναι κορεσμένο με SO ). Σε ισορροπία: y Hx 1 1 Άρα: x y / H 0, 03 / 4,7 0, N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 30/35 3) Προσδιορίζεται o ελάχιστος ρυθμός ροής του υγρού από τη σχέση: y y ol H O 1 0, 03 0, 003 y y ( x x ) 38,4 x x 0, ol αέρα 1 1 y 0,035 0,03 0,05 0,0 0,015 0,01 πραγματική γραμμή λειτουργίας, 57,6 1 Ελάχιστη γραμμή λειτουργίας y = 38,43x + 0,003 0,005 0, ,000 0,0004 0,0006 0,0008 4) Υπολογισμός του πραγματικού ρυθμού ροής του υγρού x 5) Υπολογισμός της πραγματικής μαζικής παροχής του υγρού. Γραμμομοριακή παροχή αερίου: 1 (at) ol of air 84, =3531 s at in 0, (K) olk 3 P Q G RT 3 Πραγματική γραμμομοριακή παροχή υγρού: 57,6= ol H O,a Πραγματική μαζική παροχή υγρού: ol kg = 0,018 =3664 kg/in r,a in ol ol H O 1, 5 38, 4 1, 5 57, 6 ol αέρα,actual N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 31/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 3/35

9 (γ) Για το παραπάνω σύστημα να προσδιοριστεί η διάμετρος της στήλης εάν η ταχύτητα του αερίου δεν είναι μεγαλύτερη του 75% της ταχύτητας πλημμυρισης. Το πληρωτικό υλικό είναι κεραμικά σαμάρια Intalox in. Λύση 1) Με την υπόθεση ότι το αέριο ρεύμα είναι αέρας (ΜΒ 9), η μαζική παροχή του αερίου είναι: olair kg MW , 09 10, 4 kg / in in olair ) Υπολογίζουμε την τετμημένη του Σχήματος πλημμύρισσης (ρ G =1,17 kg/ 3, ρ =1000 kg/ 3 ) : 0,5 0,5 G ,17 G 10, , 3) Από το Σχήμα υπολογίζουμε την τεταγμένη για 100% πλημμύριση: ε=0,019 Ιξώδες νερού: μ =0,008 kg/ s, F p =packing factor (=40) Φαινομενική μαζική παροχή αερίου σε πλημμύριση: g G G 0. F p 0,5,57 kg/ s G G*0,75 1, 93 kg/ s a Από τον πίνακα Φαινομενική μαζική παροχή αερίου σε λειτουργία (75%) 4) Υπολογίζουμε τη διατομή και τη διάμετρο της κλίνης με το πληρωτικό G 10, 4 A 0,885 G 1, 93 a 0,5 4A D 1,13 1, N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 33/35 N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 34/35 5) Για να βρούμε την πτώση πίεσης βρίσκουμε την τεταγμένη λειτουργίας 0. G F a p g G 0,107 Από το Σχήμα Δp~0,0416 HO/ κλίνης (=41,6 νερού/=408 Pa/) N. Ανδρίτσος «Απορρόφηση» 35/35