ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΕΡΙΩΝ 1. Ισορροπία αερίων- υγρού 2. Ανάλυση διεργασίας Απορρόφησης 3. Απορρόφηση Πολυσύνθετων Μιγμάτων 4. Στήλες Απορρόφησης με πληρωτικά υλικά Απορρόφηση 1
Απορρόφηση Απορρόφηση Αερίων (Gas adsorption) είναι ο διαχωρισμός ενός μίγματος αερίων μέσω της επαφής του με ένα υγρό, το οποίο διαλύει ένα ή περισσότερα συστατικά του μίγματος, με αποτέλεσμα να το (τα( διαχωρίζει από το αρχικό τμήμα. Η διεργασία αυτή γίνεται σε παρόμοιες εγκαταστάσεις όπως αυτές των στηλών απόσταξης. Μεταφορά Μάζας- Ισορροπία Αερίων- Υγρού Η αντίστροφη διεργασία, δηλ. η απομάκρυνση ενός ή περισσοτέρων αερίων από το διάλυμα ονομάζεται εκρόφηση ή εξάντληση (stripping). Βασίζεται στην διαβίβαση ενός αδρανούς αερίου μέσω του διαλύματος το οποίο απομακρύνει το εκροφούμενο αέριο. Απορρόφηση 2
Απορρόφηση Ισορροπία Αερίων Υγρού Διαλυτότητα ενός αερίου σε ένα υγρό: βάρος του αερίου σε 100 μ. β. διαλύτη, για δεδομένη P και T Νόμος του Henry p i =H i x i, p i :είναι μερική πίεση του αερίου στην αέρια φάση x i :είναι το γραμ/κό κλάσμα του αερίου i στην υγρή φάση H i : σταθερά του Henry Διαλυτότητα= f(t, P) (συνήθης διαλύτης: Νερό) Απορρόφηση 3
Απορρόφηση Τέλεια διαλύματος αερίου σε υγρό p i =p io x i, (Νόμος του Raoult) p io : η τάση ατμών του καθαρού i, στην θερμοκρασία του διαλύματος H i = p i o p i i = H x i y i = mx i ( p : ολικη πιεση) p p Η εξίσωση παριστάνει ευθεία γραμμή με κλίση m στο διάγραμμα ισορροπίας y-x Σε περίπτωση που δεν ισχύει ο νόμος του Henry ή του Raoult τότε η αναπαράσταση της ισορροπίας στο διάγραμμα δεν είναι γραμμική. Απορρόφηση 4
Απορρόφηση Διαλύτες -Νερό -Διαλύματα αλκάλεων -Διαλύματα αμινών -Διάφορα ορυκτέλαια Βασικές απαιτήσεις για την εκλογή του διαλύτη Α) Να διαλύει σημαντικά τα προς διαχωρισμό αέρια και να μπορεί να τα εκροφήσει Β) Να μην είναι πτητικός ή τοξικός Γ) Να έχει χαμηλό ιξώδες Δ) Να είναι χημικά σταθερός και φτηνός Απορρόφηση 5
Απορρόφηση Ανάλυση Διεργασίας Απορρόφησης Ισοζύγια Μάζας και γραμμές λειτουργίας Α) Αραιά μίγματα [Ποσότητα διαλυμένου αερίου <<ποσότητα υπολειπόμενου αερίου (αδρανούς) και του διαλύτη] Ολικό Ισοζύγιο: G 1 =G 2 =G και L 1 =L 2 =L Ισοζ. Προσρ. Συστ.: G (y 1 -y 2 )= L (x 1 -x 2 ) (ΓΡΑΜΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ) Αν y 2 δεδομένο και y 1 άγνωστο τότε L L y = x+ y x G G 2 2 Απορρόφηση 6
B) Πυκνά μίγματα Απορρόφηση [ Ποσότητα του απορροφούμενου αερίου είναι σημαντική με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται ο ρυθμός ροής των δύο ρευμάτων, (G 1 >G 2, και L 1 > L 2 )] Αδρανές αέριο, G, διαλύτης, L (G, L σταθερά σε όλο το μήκος): G (1-y)= G και L(1-x)= L Ισοζύγιο μάζας του προς απορρόφηση Υγρού: G y y x x ' 1 2 ' ( ) = L( 1 2 ) 1 y1 1 y2 1 x1 1 x2 Απορρόφηση 7
Απορρόφηση ' ' G ( Y1 Y2) = L( X1 X2) οπου x y Χ= και Υ= 1 x 1 y Χ, Υ λόγοι μοριακών κλασμάτων και εκφράζουν τους λόγους του μοριακού κλάσματος του απορροφούμενου αερίου στην υγρή ή την αέρια φάση προς το μοριακό κλάσμα του αδρανούς υγρού ή αερίου αντίστοιχα. Η ανωτέρω εξίσωση αντιπροσωπεύει μια ευθεία γραμμή στο «τροποποιημένο» διάγραμμα ισορροπίας Χ, Υ (κλίση L /G ). Απορρόφηση 8
Απορρόφηση Εύρεση ελαχίστου λόγου ροής Υγρού/Αερίου Δεδομένα: G, y 1, y 2 και x 2 Ζητούμενα: L, x 1 με βάση την οικονομική και πρακτική λειτουργία της στήλης Ελάχιστος λόγος ροής υγρού/αερίου, (L/G) min : Άπειρος αριθμός θεωρητικών βαθμίδων ή άπειρο ύψος του πύργου απορρόφησης (L/G) min : Η οδηγούσα δύναμη για μεταφορά μάζας από το υγρό στο αέριο μηδενίζεται. Στο διάγραμμα ισορροπίας x-y αυτό θα συμβαίνει στο σημείο τομής της γραμμής λειτουργίας με την καμπύλη ισορροπίας. Απορρόφηση 9
Απορρόφηση Ελάχιστος λόγος ροής υγρού/αερίου L y1 y2 ( ) min = G x x 1,max 2 Πραγματικός λόγος ροής υγρού/αερίου (L/G)=β (L/G) min, Τυπικές τιμές του β: 1.25< β <1.5 Η επίτευξη καλής επαφής μεταξύ υγρού και αερίου (αποτελεσματική απορρόφηση) γίνεται συχνά με την χρήση «δίσκων», όπως στην διεργασία της απόσταξης. Απορρόφηση 10
Απορρόφηση Μέθοδος McCabe Thiele (θεωρούμε ότι επιτυγχάνεται ισορροπία μεταξύ υγρού και αερίου σε κάθε βαθμίδα) Βήμα 1 ον : Κατασκευάζουμε την γραμμή λειτουργίας (ΑΒ) με βάση των δεδομένων και του απαιτούμενου (L/G) Βήμα 2 ον : Κατασκευάζουμε τις θεωρητικές βαθμίδες ξεκινώντας από την κορυφή του πύργου (Β) κατά τον γνωστό τρόπο, έχοντας σαν όρια την γραμμή λειτουργίας (ΑΒ) και την καμπύλη ισορροπίας, y e = f(x) Απορρόφηση 11
Απορρόφηση Αναλυτικές λύσεις για τον υπολογισμό των θεωρητικών βαθμίδων, Ν (Αραιά μίγματα, νόμος του Raoult): Εξισώσεις Kremser, Souders and Brown A A N + 1 y1 y2 0 0 = N + 1 1 2 0 1 y mx A N 1 y mx 1 1 = + ln( A ) y mx A A 1 2 ln[( )(1 ) ] 0 2 2 0 0 m: η κλίση της εξ. ισορροπίας (y e =m x) και Α 0 : ο παράγοντας απορρόφησης, Α 0 =L/(m G) Απορρόφηση 12
Απορρόφηση Πολυσύνθετων Μιγμάτων Αραιά μίγματα αερίων πολλών συστατικών, τα οποία σχηματίζουν ιδανικά (τέλεια) διαλύματα με τον διαλύτη (ισχύει ο νόμος του Henry): Sherwood, Pigford and Wilke s L ( X X ) = G ( Y Y ) M 0 2 M 2 L X X = G Y Y s 0 M( 1 ) M( M ) Όπου L 0 Μ: ρυθμός ροής του διαλύτη, G 0 M: ρυθμός ροής αερίου μίγματος στην είσοδο, Χ: moles του ενός αερίου συστατικού/mole καθαρού υγρού διαλύτη (είσοδο), Υ: moles του ενός συστατικού στην αέρια φάση/mole τροφοδοσίας του προς επεξεργασία αερίου μίγματος, 1:πυθμένας, 2: κορυφή Απορρόφηση 13
Απορρόφηση Πολυσύνθετων Μιγμάτων Περίπτωση αραιών διαλυμάτων (νόμος του Henry) Y=K X K= mg ( G )/( L / L ) 0 S M M M M Όπου m=y/x (σταθερά ισορροπίας), για αραιά διαλύματα Κ=m Συστατικό κλειδί (λιγότερο διαλυτό στο αέριο τροφοδοσίας) s 0 L / G M M επιλέγεται βάσει της διαλυτότητας του λιγότερου διαλυτού συστατικού Το κάθε συστατικό έχει την δική του γραμμή λειτουργίας αλλά με την s 0 ίδια κλίση L (παράλληλες γραμμές) M / GM Τα λιγότερα πτητικά απορροφώνται πλήρως ενώ τα πτητικότερα απορροφώνται μερικώς Απορρόφηση 14
Απορρόφηση Πολυσύνθετων Μιγμάτων Απαιτούμενος αριθμός θεωρητικών βαθμίδων για την επίτευξη συγκεκριμένου βαθμού απόδοσης Βήμα 1 ον : Κατασκευάζονται οι γραμμές ισορροπίας των διαφόρων συστατικών Βήμα 2 ον : Επιλέγετε το συστατικό κλειδί (γραμμή ισορροπίας // με την γραμμή λειτουργίας [Κ (ή m) = L s M/G 0 M]. Ζωγραφίζουμε τις γραμμές λειτουργίας των υπολοίπων συστατικών (// με του συστατικού κλειδί). ΑΒ από δεδομένα στην είσοδο και έξοδο του πύργου Βήμα 3 ον : McCabe-Thiele αριθμός θεωρητικών βαθμίδων Βήμα 4 ον : Γραμμές λειτουργίας άλλων συστ. // γραμμή λειτ. Σ.Κ. Ακόμη ο αριθμός των θεωρητικών στιβάδων πρέπει να είναι ο ίδιος για όλες τις περιπτώσεις. Απορρόφηση 15
Απορρόφηση Πολυσύνθετων Μιγμάτων Αναλυτική μέθοδος (Kremser) N + 1 Y1 Y2 A0 A0 s 0 = οπου A 1 0 = LM / mg N + M Y mx A 1 και m = y / x 1 2 0 Όταν A 0 <<1 και Ν μεγάλο η άνω εξ. : (Υ 1 -Υ 2 )/(Υ 1 -mχ 2 )=A 0 Πρώτη εκτίμηση του βαθμού απορρόφησης των πλέον πτητικών συστατικών Όταν A 0 >>1 και Ν μεγάλο η άνω εξ. 1. Το αέριο εγκαταλείπει τον πύργο σε κατάσταση ισορροπίας με το υγρό απορρόφησης (διαλύτη) Αν Α 0 =1 η άνω εξίσωση καταλήγει σε αοριστία. (Y 1 -Y 2 )/(Y 1 -mx 2 )=N/(N+1) Απορρόφηση 16
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Αύξηση επιφάνειας επαφής μεταξύ των δύο φάσεων (αέριας και υγρής) καλύτερη μεταφορά μάζας από την αέρια φάση στην υγρή. Είδη πληρωτικών υλικών - Δακτύλιοι Rashing (απλοί και σταυρωτοί) - Δακτύλιοι Lessing - Δακτύλιοι Pal - Σάγματα Intralox Απορρόφηση 1
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Επιλογή υλικών Αύξηση επιφάνειας επαφής Χαμηλό κόστος Ανθεκτικότητα στις διαβρώσεις Καλή διαβρεξιμότητα και καλή κατανομή του ρευστού Αποτελούνται από: Πλαστικά, κεραμικά, ανοξείδωτος χάλυβας Τοποθέτηση: Με τυχαίο τρόπο Απορρόφηση 2
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Σχεδιασμός στηλών απορρόφησης με πληρωτικά υλικά Ειδική επιφάνεια, α, του πληρωτικού υλικού: «η επιφάνεια του πληρωτικού υλικού ανά μονάδα όγκου κλίνης πληρωτικού υλικού. Πορώδες, ε, της πληρωμένης κλίνης: «το κλάσμα κενού χώρου κλίνης, δηλαδή ο όγκος κενού χώρου προς τον ολικό όγκο κλίνης= (όγκος κλίνηςόγκος πληρωτικού υλικού)/ όγκος κλίνης) Διάμετρος πληρωτικού υλικού, d: 15<D/d<20 Φαινόμενη ταχύτητα αερίου, U G : ~1 m/s Απορρόφηση 3
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Ταχύτητα πλημμυρίσης, U G,Π : «η ταχύτητα εκείνη του αερίου που εμποδίζει σχεδόν εντελώς το υγρό να κατέλθει, με αποτέλεσμα την απότομη αύξηση της πτώσης πίεσης της στήλης» U a L ( )( )( ) exp[ 4( ) ( ) ] g 2 G, Π ρg ηl 2 m 1/4 ρg 1/8 = 3 ε ρl ηw Gm ρl Όπου U G,Π : ταχύτητα πλημμύρισης, α: ειδική επιφάνεια, ε: πορώδες, ρ G, ρ L4 : πυκνότητες αερίου και υγρού αντίστοιχα, G M, L M : μαζικές παροχές αερίου και υγρού αντίστοιχα, n L, n W : ιξώδες του υγρού και νερού αντίστοιχα, g: συντελεστής βαρύτητας Συνήθως U G ~ (0.6-0.7) U G,Π Απορρόφηση 4
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Μεταφορά μάζας μεταξύ των δύο φάσεων Συστατικό i μεταφέρεται από την αέρια φάση προς την υγρή λόγω διαφοράς συγκέντρωσης μέσω της διεπιφάνειας αερίου- υγρού Ρυθμός μεταφοράς μάζας, Ni (kmol/m 2 s) NA = kg( y yδ ) N = k ( x x) A L δ Όπου k G, k L «μερικοί συντελεστές μεταφοράς μάζας» και αναφέρονται σε μεταφορά μάζας σε μια μόνο καθαρή φάση. Παραδοχές: 1. Αμελητέα αντίσταση στην διεπιφάνεια 2. Μη- συσσώρευση μάζας σε αυτήν 3. Θερμοδυναμική ισορροπία στην διεπιφάνεια 4. Αντιστάσεις στην μεταφορά μάζας μόνο στους δύο υμένες Απορρόφηση 5
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Ολικοί συντελεστές μεταφοράς μάζας N = k ( y y ) A G, ΟΛ e N = k ( x x) A L, ΟΛ e Όπου k G,ΟΛ, k L,ΟΛ «ολικοί συντελεστές μεταφοράς μάζας» ως προς την αέρια και υγρή φάση, αντίστοιχα. και y e, x e γραμμομοριακά κλάσματα του συστατικού i, στην αέρια και υγρή φάση σε θερμοδυναμική ισορροπία με τις συστάσεις y και x, αντίστοιχα στις δύο φάσεις. Απορρόφηση 6
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά ( y y ) = ( y y ) + ( y y ) e ( x x) = ( x x ) + ( x x) e οποτε e δ δ 1 1 m ( y ye) m και k k k ( x x) 1 δ = + οπου 1 = L, ΟΛ G L e 1 1 1 ( y yδ ) = + οπου m = k k m k ( x x ) 2 L, ΟΛ L 2 G e δ δ e δ Απορρόφηση 7
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Σε περίπτωση που ισχύει ο νόμος του Henry Τότε m 1 =m 2 =m=h i /P και 1 1 m = + k k k L, ΟΛ G L 1 1 1 = + k k mk L, ΟΛ L G και Οι εξισώσεις αυτές συνδέουν τους μερικούς συντελεστές μεταφοράς μάζας με τους ολικούς. Απορρόφηση 8
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Αραιά μίγματα 1. Οι γραμ/κές ροές αερίου και υγρού σταθερές σε όλο το ύψος της στήλης 2. Η μέση πίεση του αδρανούς αερίου είναι σταθερή και ίση με την ολική πίεση του συστήματος 3. Οι συντελεστές μεταφοράς μάζας είναι σταθεροί σε όλο το ύψος της στήλης 4. Μεταβολές ενθαλπίας αμελητέες Απορρόφηση 9
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Αναλυτική λύση (όταν ισχύει ο νόμος του Henry) Gy ( y) = Lx ( x) 1 2 1 2 G G Gy ( y) = Lx ( x) x= y+ x y L L 2 2 2 2 (4.6) G G ye = mx y ye = y mx y ye = y m y mx2 + m y2 L L G G y ye = (1 m ) y mx ( 2 y2) L L G οπου C = m( x2 y2) : const,( x2, y2, G, L, m : καθορισµενα ) L Απορρόφηση 10
N OG? Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά N N OG OG y dy y dy y2 ( y y ) y2 G e (1 m ) y+ C L G (1 m ) y 1 1 + C = ln[ L ] G G 1 m (1 m ) y2 + C L L 1 1 = = Απορρόφηση 11
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Πυκνά μίγματα (σημαντική μεταβολή στις γραμμομοριακές παροχές υγρού, αερίου) Βάση: Παροχή αδρανούς αερίου, G και διαλύτη, L. G (Υ 1 -Υ 2 )=L (Χ 1 -Χ 2 ), Χ,Υ: λόγοι γραμμομοριακών κλασμάτων Διαφορικό Ισοζύγιο Μάζας Ad(Gy)=Ad(Lx)=N A ds και G(1-y)=G και L(1-x)=L Απορρόφηση 12
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά ' Gy x L Ad( ) = Ad( ) = N AdS 1 y 1 x dy dx (1 y) (1 x) ' ' AG = AL = N 2 2 AdS ( y y ) (1 y) (1 ye) NA = k οπου (1 y) = (1 y) ln[(1 y) /(1 y )] dy e G, ΟΛ ln ln ' e G = k 2 G, ΟΛα dz (1 y) (1 y) ln dz = G, ΟΛ ( y y ) ' G (1 y) ln dy k α(1 y) (1 y)( y y ) e e Απορρόφηση 13
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Z = y (1 y) ln dy (1 )( ) 1 OG y 2 y y ye Αν (1 y) [(1 y) + (1 y )]/2 N OG H y ln dy 1 y ( y y ) 2 1 y 1 = + y2 e 1 ln[ 2 ] 1 e Απορρόφηση 14
Απορρόφηση με πληρωτικά υλικά Απόδοση Στήλης Απορρόφησης, η 0 : η 0 =(πραγματικός διαχωρισμός/διαχωρισμός σε στήλη άπειρου ύψους) η 0 Όπου y 2,e είναι η σύσταση του αερίου που θα ήταν σε ισορροπία με το υγρό σύστασης x 2. Αν x2=0 (καθαρός διαλύτης) τότε: Ακόμη: = y y y y 1 2 1 2,e 1 2 Αν ισχύει ο νόμος του Henry (y e =mx) τότε y 1 =m x 1,max L y y 1 L = βm = βmη η = ( ) 1 2 0 0 G y1 β m G Απορρόφηση 15 η 0 = L L y y y y = β( ) min = β = β G G x x x 1 2 1 2 1,max 2 1,max y y 1 y
Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα: Διαχείρισης Περιβάλλοντος και Φυσικών Πόρων 2015 Φυσικές Διεργασίες Απορρόφηση Αερίων Καθηγητής: Ευάγγελος Παπαδάκης Ομάδα: Διακάκης Σταύρος Καραβούλιας Γιώργος Κεντρωτής Γιάννης
Περίληψη Η εργασία ασχολείται με την φυσική διεργασία της απορρόφησης των αερίων. Περιέχονται ο ορισμός της απορρόφησης καθώς και οι βασικές αρχές πάνω στις οποίες στηρίζεται η φυσική διεργασία. Γίνεται παρουσίαση των βασικών μηχανισμών μεταφοράς μάζας από τους οποίους εξαρτάται η διεργασία καθώς και οι νόμοι στους οποίους υπακούει. Επιπλέον αναφέρονται οι βασικές εξισώσεις επίλυσης αλλά και σχεδιασμού της διεργασίας της απορρόφησης. Όλα τα παραπάνω επεξηγούνται με σχήματα. Τέλος, γίνεται αναφορά των εφαρμογών αυτής της φυσικής διεργασίας στην βιομηχανία και στο περιβάλλον, με την παρουσίαση των συσκευών για κάθε περίπτωση.
Ιστορική αναδρομή Η χρήση της ψύξεως ξεκινά από την προϊστορική εποχή από φυλές όπως οι Κινέζοι, οι Εβραίοι, οι Έλληνες, οι Ρωμαίοι και οι Πέρσες. Τα υλικά αποθηκεύονταν σε σπηλιές και κλειστούς χώρους με σκοπό την διατήρηση των τροφίμων. Αυτή η τεχνική με ορισμένες διαφοροποιήσεις έδρασε πολύ καλά μέχρι τον 20 ο αιώνα όπου και έχουμε μια ριζική απομάκρυνση αυτής. Λίγο πιο πριν και συγκεκριμένα τον 16 ο αιώνα η ανακάλυψη του Νιτρικού άλατος του νατρίου (ΝαΝΟ3) και του Νιτρικού άλατος του καλίου (ΚΝΟ3) έδωσε σημαντική ώθηση προς την κατεύθυνση των τεχνιτών ψυκτικών.
Το δε χρονοδιάγραμμα εξέλιξης έχει ως εξής: 1748: Ο William Cullen στο παν/μιο της Γλασκόβης πραγματοποιεί το πρώτο πείραμα με δημιουργία κενού και αιθυλικό αιθέρα που έχει πρακτική εφαρμογή 1805: Ο Oliver Evans σχεδιάζει, αλλά δεν κατασκευάζει, μηχανή βασισμένη στον κύκλο συμπιέσεως ατμού. 1820: Ο Michael Faraday υγροποιεί την αμμωνία και άλλα αέρια χρησιμοποιώντας χαμηλές θερμοκρασίες και μεγάλες πιέσεις. 1834: Ο Jacob Perkins κατοχυρώνει την πρώτη πατέντα και κατασκευάζει το πρωτότυπο μηχανισμό συμπιέσεων ατμού. 1842: Ο John Gorrie σχεδιάζει σύστημα ψύξης του νερού με σκοπό την δημιουργία πάγου και παράλληλα συλλαμβάνει την ιδέα του κλιματιστικού εσωτερικών χώρων. 1850: Ο Alexander Twining πειραματίζεται με τον κύκλο συμπιέσεως του ατμού και καταφέρνει μέχρι το 1856 να αρχίσει εμπορικές προσπάθειες στην Αμερική. 1860: Ο Ferdinand Carre εξελίσσειτην πρώτη μηχανήαπορρόφησης. 1861: Ο James Harrison εισάγει την ψύξη με μηχανική συμπίεση ατμού σε επιχειρήσεις. 1915: Η Kelvinator κατασκευάζει τις πρώτες μηχανές οικιακής ψύξεως.
Εισαγωγή Απορρόφηση: είναι η επιλεκτική μεταφορά μιας αέριας ουσίας από ένα αέριο ρεύμα σε ένα υγρό, κυρίως με νερό, με το οποίο έρχεται σε επαφή. Βασίζεται στην διαλυτότητα ενός αερίου στο υγρό και αποτελεί διεργασία μεταφοράς μάζας. Η διαλυτότητα ενός αερίου είναι πολύ σημαντική παράμετρος η οποία επηρεάζει την ποσότητα του ρύπου που μπορεί να απορροφηθεί. Είναι συνάρτηση κυρίως της θερμοκρασίας και λιγότερο της πίεσης. Η πιο κοινή μέθοδος ανάλυσης των δεδομένων διαλυτότητας είναι το διάγραμμα ισορροπίας.
Η διεργασία περιλαμβάνει τα εξής: Διάχυση της ουσίας από την αέρια φάση μέσω της διεπιφάνειας αερίου υγρού και τη διασπορά της στην υγρή φάση. Μπορεί να πραγματοποιηθεί με χημική αντίδραση στο υγρό Η μεταφορά μάζας επιτελείται τόσο με μοριακά μέσα όσο και με συναγωγή. Μπορεί να ελέγχεται είτε από την αντίσταση στην αέρια φάση είτε από την αντίσταση στην υγρή.
Θεωρητικό Υπόβαθρο Ρόλος της Θερμοκρασίας Όταν αυξάνεται η θερμοκρασία σε ένα αέριο μίγμα, τότε δημιουργείται αυξημένη κινητικότητα των μορίων και η διαλυτότητα μειώνεται. Όταν η διαδικασία της απορρόφησης είναι εξώθερμη, τότε δυσχεραίνεται η συνέχισή της. Η συγκέντρωση του αερίου στο υγρό για δεδομένη μερική πίεση αυξάνει με την μείωση της θερμοκρασίας. Αυτό το γεγονός αποτελεί ένα γενικότερο χαρακτηριστικό της απορρόφησης.
Μεταφορά μάζας Ο ρυθμός μεταφοράς μάζας ανάμεσα σε δύο φάσεις ρευστών εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες που έχουν οι 2 φάσεις, τη διαφορά συγκέντρωσης, το εμβαδό της διεπιφάνειας και τον βαθμό στροβιλισμού. Στις περισσότερες όμως βιομηχανικές περιπτώσεις η μορφή της ροής είναι τόσο σύνθετη, ώστε είναι πρακτικά αδύνατον να δοθεί με μια μαθηματική έκφραση και το εμβαδό της διεπιφάνειας δεν είναι γνωστό. Έχουν δοθεί λοιπόν τρεις γνωστές θεωρίες για να αναπαραστήσουν τις συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή της διεπιφάνειας.
Θεωρία δύο λεπτών στοιβάδων Η πρώτη θεωρία είναι του Whitman. Δεν παράγει αρκετά πιστά τις συνθήκες που επικρατούν στις περισσότερες πρακτικές συσκευές αλλά μας δίνει εκφράσεις για να τις χρησιμοποιήσουμε σε πειραματικά δεδομένα. Με βάση την θεωρία, ο στροβιλισμός εξαφανίζεται κοντά στην διεπιφάνεια, και σε κάθε ρευστό υπάρχει νηματώδης στοιβάδα. Έξω από την στοιβάδα, οι δίνες συμπληρώνουν την δράση που προκαλείται από την τυχαία κίνηση των μορίων, και η αντίσταση στη μεταφορά μειώνεται. Όταν λοιπόν έχουμε ισομοριακή αντιδιάχυση, η κλίση της συγκέντρωσης είναι γραμμική κοντά στην διεπιφάνεια και σταδιακά σε μεγαλύτερες αποστάσεις μειώνεται.
Οι διακεκομμένες γραμμές AGC και DHF δείχνουν την υποθετική κατανομή της συγκέντρωσης και το πάχος των στοιβάδων είναι αντίστοιχα L 1 και L 2.
Θεωρία της διείσδυσης Η δεύτερη θεωρία είναι του Higbie. Την διατύπωσε καθώς εξέταζε την ύπαρξη ή μη αντίστασης στη μεταφορά στην διεπιφάνεια, όταν το καθαρό αέριο απορροφάται σε ένα υγρό. Σύμφωνα με την θεωρία, οι στροβιλισμοί φέρνουν ένα στοιχείο του ρευστού στη διεπιφάνεια, όπου εκτίθεται για λίγο, και μετά αναμιγνύεται πάλι με την κύρια μάζα του ρευστού. Υποτίθεται επίσης, πως η ισορροπία στις επιφανειακές στοιβάδες αποκαθίσταται αμέσως και πως συμβαίνει μια λειτουργία μοριακής διάχυσης μη σταθερής κατάστασης. Ακόμα, δεν υπάρχει η κλίση της ταχύτητας στα δύο ρευστά, και το ρευστό σε όλα τα βάθη θεωρείται πως κινείται με την ίδια ταχύτητα όπως στην διεπιφάνεια.
Διείσδυση διαλυτού συστατικού σε διαλύτη
Θεωρία λεπτής στοιβάδας διείσδυσης Η θεωρία διατυπώθηκε από τους Toor & Marchello. Σύμφωνα με την θεωρία όλη η αντίσταση στη μεταφορά θεωρείται ότι βρίσκεται μέσα σε μια νηματώδη λεπτή στοιβάδα κοντά στην διεπιφάνεια, αλλά η μεταφορά μάζας θεωρείται σαν μία λειτουργία μη σταθερής κατάστασης. Μετά, συμβαίνει μεταφορά μάζας, με την εξαίρεση ότι η αντίσταση είναι περιορισμένη στην καθορισμένη λεπτή στοιβάδα και ότι το υλικό που διασχίζει τη στοιβάδα αμέσως αναμιγνύεται πλήρως με την κύρια μάζα του ρευστού.
Μεταφορά μάζας στην διεπιφάνεια Μπορούμε να θεωρήσουμε πως η μεταφορά ενός αερίου σε ένα υγρό γίνεται σε τρία στάδια: Διάχυση από την αέρια φάση στην υγρή επιφάνεια Διάλυση στο υγρό Διάχυση από την επιφάνεια του υγρού στην κύρια μάζα αυτού
Οι ατομικοί επιφανειακοί συντελεστές μεταφοράς μάζας ορίζονται ως εξής: N A : ταχύτητα μεταφοράς k G = N A /(P A P i ) k L = N A /(C i C A ) k G : ο επιφανειακός συντελεστής της αέριας στοιβάδας k L : ο συντελεστής της υγρής Οι ολικοί συντελεστές που κανονικά γράφονται με βάση την αέρια φάση ως Κ G και ως Κ L για την υγρή φάση, δίνονται από τις εξισώσεις: P e : η μερική πίεση σε ισορροπία με τη C A Κ G = N A /(P A P e ) K L = N A /(C e C A ) C e : η μοριακή συγκέντρωση σε ισορροπία με την P Α.
Μεταφορά κατά αντιρροή Η περίπτωση της αντιρροής είναι η ποιο συνηθισμένη. Μερικές φορές η ομορροή παρουσιάζει πλεονεκτήματα. Παρουσιάζονται 3 παραδείγματα αντιρροής: Σε αποστακτική στήλη με πληρωτικό υλικό. Σε μια απορροφητική στήλη με πληρωτικό υλικό. Σε μια στήλη υγρής-υγρής εκχύλισης.
Νόμος του Henry Όταν αυξήσουμε την πίεση ενός αερίου Α πάνω από ένα διάλυμα αυτού σε έναν διαλύτη S, τότε θα αυξηθεί και το ποσοστό των μορίων του αερίου τα οποία εισέρχονται στο διάλυμα και κατά συνέπεια το μοριακό κλάσμα του, x, στο διάλυμα. Το x για μικρές πιέσεις θα είναι και αυτό μικτό και θα αυξάνεται γραμμικά, ανάλογα με την πίεση. Δηλαδή, μπορούμε να γράψουμε την σχέση: P A = H A x A x A : το μοριακό κλάσμα του συστατικού Α που διαλύεται Η Α : η σταθερά αναλογίας (σταθερά Henry) P A : η μερική πίεση του αερίου Α πάνω από το διάλυμα
Νόμος του Raoult Έστω ότι έχουμε το συστατικό Α σε υγρή κατάσταση και σε ισορροπία με ατμούς του ίδιου συστατικού. Με αυτή την υπόθεση, η πίεση που επικρατεί είναι η τάση των ατμών του καθαρού Α την οποία την συμβολίζουμε με P 0,A. Αν τώρα, διαλυθούν και μερικά μόρια διαλύτη S που έχει πολύ μικρή πτητικότητα, τότε το κλάσμα το Α από 1 θα γίνει x. Τότε η τάση των ατμών του Α μεταβάλλεται ανάλογα με το x και θα γίνει P A = P A,0 X A. Προσοχή! Αν και οι νόμοι Henry και Raoult μοιάζουν στην μαθηματική τους έκφραση, η σταθερά Η Α ΔΕΝ ισούται με την τάση ατμών P A,0!
Εξοπλισμός Σχεδιασμός Οι κύριες συσκευές απορρόφησης είναι: Με διακριτές βαθμίδες Με πληρωτικό υλικό Υπάρχουν και άλλα είδη συσκευών όπως διασκόρπισης αερίου και διασκόρπισης υγρού, οι οποίες λειτουργούν με ψεκασμό, ώστε τα σωματίδια τα οποία ψεκάζονται και έχουν την μεγαλύτερη ειδική επιφάνεια να απορροφήσουν το άεριο πιο αποτελεσματικά.
Πληρωτικός πύργος Θεωρούμε έναν πληρωτικό πύργο αντιρροής. Αποδεικνύεται πως ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις: Y = y/(1 y) = P/(P T P) ή y = Y/(1 + Y) P T : η ολική πίεση y & Y: αναφέρονται στο αέριο ρεύμα x & X: στο υγρό Επίσης Χ = x/(1 x) G- s = G(1 y) = G/(1 + Y) L s = L(1 x) = L/(1 + X) L και G: είναι οι μοριακές παροχές ο δείκτης s: συμβολίζει τη διαλυτή ουσία * Με κεφαλαία συμβολίζεται η αναλογία των γραμμομορίων και με πεζά είναι τα μοριακά κλάσματα.
Ένα ισοζύγιο μάζας στο κάτω μέρος της στήλης (συμβολίζεται ως 1) είναι δυνατό να εκφρασθεί είτε με τον όρο της αναλογίας των γραμμομορίων είτε με τα μοριακά κλάσματα * G s (Y 1 Y) = L s (X 1 X) * G(y 1 y) = L(x 1 x) Είτε με την μορφή των ροών και των μοριακών κλασμάτων της διαλυτής ουσίας * Gs[y1/(1 - y 1 ) y/(1 y)] = G s [P 1 /(P T P 1 ) P/(P T P)] = L s [x 1 /(1 x 1 ) x/(1 x)]
Αραιά Μίγματα Όταν έχουμε να εξετάσουμε αραιά αέρια μίγματα τα οποία απορροφούνται σε ένα υγρό, γίνεται συνήθως μια υπόθεση ότι η λειτουργία είναι ισόθερμη. Υπάρχουν όμως και αρκετές περιπτώσεις που στην διεργασία περιλαμβάνονται μεγάλες επιδράσεις θερμότητας. Το παρακάτω ισοζύγιο ενέργειας επιτρέπει τον υπολογισμό του φορτίου θερμότητας: H L2 L 2 + H G G = G G2 G 2 + H L L + Q Η L και Η G : είναι οι μοριακές ενθαλπίες του υγρού και του αέριου ρεύματος Η ενθαλπία του διαλύματος σύστασης Χ και θερμοκρασίας t L υπολογίζεται από την παρακάτω εξίσωση: Η L = C L (t L t 0 )M av + ΔH s C L : είναι η ειδική θερμότητα του υγρού t L, t 0 : οι θερμοκρασίες του διαλύματος και της αναφοράς για το υγρό M av : το μέσο μοριακό βάτος του διαλύματος ΔH s : η θερμότητα ανάμιξης (είναι ίσιο με το μηδέν για ιδανικά διαλύματα και η έκλυση θερμότητας σε αυτή την περίπτωση οφείλεται μόνο στην λανθάνουσα θερμότητα συμπύκνωσης της απορροφούμενης διαλυτής ουσίας.)
Πυκνά διαλύματα Χρησιμοποιούμε μια τροποποιημένη έκφραση για τα μοριακά κλάσματα. Για το υγρό σε μία τυχαία διατομή, αν S είναι η ροή του διαλύτη, τότε θα ισχύει: xl = XS = X(1 x)l X = x/(1 x) και παρομοίως, για το άεριο, το τροποποιημένο κλάσμα είναι: Y = y/(1 y)
Στον σχεδιασμό λαμβάνονται υπόψη, επίσης, τα εξής: Περίπτωση ομορροής Σχέση γραμμής λειτουργίας και γραμμής ισορροπίας Σημασία κλίσης γραμμής λειτουργίας
* Η διαλυτότητα του αερίου πρέπει να είναι υψηλή στον επιλεγέντα διαλύτη * Ο διαλύτης πρέπει να είναι φθηνός, μη διαβρωτικός, μη τοξικός και μη εύφλεκτος * Ο ελάχιστον λόγος αερίου/υγρού υπολογίζεται από την σύσταση του εισερχόμενου αερίου και τη διαλυτότητά του στο υγρό εξόδου
Εφαρμογές Στην βιομηχανία αναψυκτικών Απομάκρυνση αερίων από αέρια μίγματα Ανάκτηση αμμωνίας στη βιομηχανία λιπασμάτων Απομάκρυνση HF από τα απαέρια του φούρνου υάλου Έλεγχος H-- 2 S από την αποθείωση απαερίων (FGD) Ανάκτηση διαλυτών (μεθανόλη, ακετόνη) Έλεγχος οσμών
Βιβλιογραφία http://users.uoi.gr/brapt/unit_oper/lectures/lecture_05.pdf http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/fd/aporrofisi_aeriw n/chap03_aporrofisi.pdf http://www.eng.auth.gr/~chemtech/foititika/ergxt- 8/matis_askisi_absorption.pdf http://library.certh.gr/libfiles/pdf/el-papyr-1425-rhgas-f- DIAXEIRISH-AERION-RYPON-PP-31-Y-1998-EIS10.pdf Ζουμπούλης Α., Καραπάντσιος Θ., Μάτης Κ., Μαύρος Π., Στοιχεία Φυσικών Διεργασιών, Αθήνα, 2009. Μούρσιας Χρήστος, Πτυχιακή Εργασία με Θέμα: Συστήματα ψύξης με απορρόφηση, Καβάλα 2014, http://83.212.168.57/jspui/bitstream/123456789/3424/1/01x00z01z 0044.pdf