Gaz Kirleticilerin Emilimi (Hesaplamalı)
Gaz kirleticilerin emilimi hakkında bilgi edinmek için bu makaleyi okuyun: - 1. Emme İşlemine Giriş 2. Emme Teorisi 3. Emme Ekipmanı ve 4. Paketlenmiş Kule Tasarım Yaklaşımı.
Emilim İşlemine Giriş:
Bazı gaz kirletici maddeleri içeren bir atık gaz, bir sıvı ile doğrudan temas ettiğinde, kirletici maddelerin bazıları sıvıya aktarılabilir. Bu aktarma işlemi, kirleticilerin sıvı içinde çözünmesi veya kirleticilerin sıvı ile kimyasal reaksiyona girmesi veya sıvı içinde bulunan bazı kimyasal maddeler ile kimyasal reaksiyona girmesi nedeniyle oluşabilir.
Herhangi bir kimyasal reaksiyon içermeyen transfer işlemi, fiziksel absorpsiyon olarak adlandırılır ve kimyasal reaksiyon ile reaksiyona kimyasal reaksiyonla birlikte verilen absorpsiyon olarak adlandırılır. (Fiziksel) absorpsiyon işleminde, çözünen (gaz halindeki kirletici madde) emici olarak ve çözücü (sıvı) emici olarak adlandırılır. Emiciyi taşıyan gaz, taşıyıcı gaz olarak adlandırılır.
Bu işlem tersinir bir işlemdir, yani, belirli koşullar altında solüt transferi, gaz fazından sıvı fazına gerçekleşir ve diğer bazı durumlarda, nakil ters yönde gerçekleşir. Diğer bir deyişle, kimyasal reaksiyonun eşlik ettiği absorpsiyon geri dönüşü olmayan bir işlemdir, yani transfer sadece gaz fazından gerçekleşir.
Fiziksel soğurma işlemi aşağıdaki adımlarla gerçekleştirilir:
1. Çözünen (gaz) moleküller, gaz fazının kütlesinden, gaz-sıvı faz sınırına (arayüzey) moleküler ve / veya eddy difüzyonuyla göç eder;
2. Arayüz boyunca emici moleküllerin transferi;
3. Moleküler ve / veya eddy difüzyon ile emici moleküllerin emici kütlesine aktarılması.
Kimyasal reaksiyon işleminin eşlik ettiği bir emilim durumunda, ilk iki aşama fiziksel bir emilim işlemininkilere benzer. Bununla birlikte, üçüncü adımda, emici moleküller emici içinde mevcut olan tepken ile reaksiyona girerler ve yeni bileşikler oluştururlar.
Emilim Teorisi:
Bir gaz fazı ile bir sıvı faz arasında kimyasal bir türün transferi, fazlar arasındaki türlerin potansiyel farklılığından dolayı gerçekleşir. Bu potansiyel fark, kimyasal potansiyel gradyanı olarak adlandırılır. Bir türün kimyasal potansiyeli birbiriyle temas halinde olan iki fazda aynı olduğunda, dengede oldukları söylenir.
Bu şartlar altında, türler arasında fazlar arasında net bir transfer yoktur. Fazlar bir türe göre dengede olmadığında, aktarımı, kimyasal potansiyelinin potansiyelinin düşük olduğu diğer fazdan daha yüksek olduğu fazdan gerçekleşir.
Bir türün belirli bir fazdaki kimyasal potansiyeli ilişkilidir, ancak o fazdaki konsantrasyonuyla aynı değildir. İki faz birbiriyle temas halinde, bir türe göre dengeye ulaştığında, ilgili fazlardaki konsantrasyonu birbiriyle ilişkili olacaktır. Böyle bir ilişki denge ilişkisi olarak adlandırılır. Bir gaz-sıvı sistemindeki bir kimyasal türün denge ilişkisi bağımlı olarak ifade edilebilir ve ayrıca konsantrasyona (x A ) bağlı olabilir.
H A'nın sayısal değeri, çözünen solvent sistemine bağlıdır. Genellikle sıcaklık artışı ile artar.
Denge ilişkisinin alternatif bir ifadesi
Bir türün bir faz (gaz) 'dan diğer bir faza (sıvı) ara-yüzölçüm birimi başına kütle transfer hızı olarak ifade edilir.
burada Na = birim çözünen A mol birimi, birim faz başına birim arayüz alanı başına gaz fazından sıvı faza transfer edilir,
ky A, k XA = sırasıyla bireysel gaz / sıvı faz kütle transfer katsayısı,
Ky A, K xa = sırasıyla toplam gaz / sıvı faz kütle transfer katsayısı,
y * = X1 yığın sıvı faz konsantrasyonuna karşılık gelen denge gazı fazı konsantrasyonu,
x * = Dökme gaz fazı konsantrasyonuna karşılık gelen denge sıvı fazı konsantrasyonu yg,
X1, X1 = arayüzde çözünme konsantrasyonu ve sırasıyla sıvı halde faz.
y, y g = arayüzde çözünme konsantrasyonu ve sırasıyla dökme gaz fazı.
Bireysel ve genel transfer katsayıları ilişkilidir.
Denklem (4.45) ve (4.46) ilişkilerini gösterir.
Bireysel kütle transfer katsayısı kx ve ky, genel olarak a, m ve n olarak ifade edilen ampirik denklemler kullanılarak hesaplanabilir, sayısal değerleri emici iç kısımlara bağlı olan sabitlerdir. Bunlarla ilgili bilgiler Toplu Transfer kitaplarında bulunabilir.
Sh = Sherwood, AB / AB
Re = Reynolds sayısı, lU ρ / µ
Sc = Schmidt numarası µ / ρ D AB
l = Emici iç elemanların karakteristik boyutu
U = Emicideki doğrusal sıvı hızı
D AB = A ve B türlerinin bir karışımındaki A türünün moleküler difüzivitesi
µ = Akışkan Viskozitesi,
ρ = Akışkan Yoğunluğu
Emilim Ekipmanları:
Bir emme ekipmanının amacı, bir gaz akışını ve bir sıvı akışını birbirleriyle yakın temas halinde hale getirmektir, böylece bir çözünen (bir gaz kirletici) gaz fazından sıvı faza kolayca transfer edilebilir. Burada, bu işlemle bir kirleticinin sadece bir gaz fazından sadece bir sıvı faza aktarıldığı ve zararsız bir maddeye dönüştürülmediği belirtilmelidir. Çözeltinin ekonomik değeri nedeniyle geri kazanılması istenirse, çözümden sonra desorbe edilmesi gerekir.
Bir emilim işlemini gerçekleştirmek için kullanılabilecek ekipmanlar şunlardır: dolgulu bir kule, plaka kulesi, sprey haznesi ve venturi temizleyici. Bunlardan en sık kullanılan ekipman, oldukça verimli ve nispeten daha az maliyetli olan dolu bir kuledir. İçinde salmastralı silindirik dikey bir kolondur.
Salmastralar, gaz-sıvı teması için birim paketlenmiş hacim başına daha büyük yüzey alanı sağlayan plastik veya metal veya seramikten yapılabilir. Farklı geometri ve ebatlarda ambalajlar mevcuttur. Bir paketleme geometrisi ve boyutu seçme kriterleri geniş yüzey alanı, yüksek yatak boşluğu oranı ve düşük maliyettir. Daha yüksek yatak boşluğu fraksiyonu gaz ve sıvı akışına daha az direnç gösterir.
Paketlenmiş bir yatağın diğer iç kısımları, bir sıvı dağıtıcısı, yeniden dağıtıcılar, bir ambalaj desteği ve bir gaz dağıtıcısıdır. Normalde dolgulu bir kulede sıvı, dolgulu yüzey üzerinde, filmler halinde aşağıya doğru akar ve gaz, sıvı filmlerin arkasındaki boş alandan geçer.
Plaka kuleleri üç farklı tiptedir: elek plakası, kabarcıklı kapak plakası ve vana tablası. Bir plaka kulesi, birbiri üzerine istiflenmiş, birbirinden biraz mesafeli, birkaç yatay plakanın yer aldığı silindir şeklinde bir kaptır. Bir kulenin tepesine giren emici (sıvı), her bir plaka üzerinde bir havuz oluştururken, her bir plaka boyunca akar ve aşağı doğru basamaklanır.
Bir çözünen / çözünen madde içeren gaz (kirleticiler) kulenin dibine girer ve akar. Her plakaya küçük deliklerden girer ve üzerindeki sıvı havuzundan kabarcıkları geçirir. Çözeltinin gaz fazından sıvı faza transferi, gaz havuzun içinden geçtiğinde gerçekleşir.
Elek plakalarında delikler (içinden gazın aktığı) küçüktür ve örtülmez. Kabarcık kapaklı tepsiler ve valf tepsileri durumunda, delikler daha büyük çaptadır (elek plakalarınınkinden) ve kısmen kaplanmıştır. Plaka kuleleri oldukça verimlidir ancak dolu kulelerden daha pahalıdırlar.
Püskürtme odaları, ambalajlı veya ambalajsız olabilir. Sıvı, üstten bir sprey şeklinde verilir ve aşağı doğru akar, oysa gaz akışı yatay veya dikey olabilir. Bunlar genellikle paketlenmiş / plaka kulelerden daha az verimlidir.
Venturi temizleyicilerinde hem gaz hem de sıvı, bir venturinin birleşme ucuna sokulur ve aynı anda akarlar. Bazı ekipmanlarda sıvı boğazda verilir. Sıvı küçük damlacıklara ayrıldığından kütle transferi için geniş temas alanı sağlar. Bir emici olarak etkinliği düşüktür.
Dolgulu bir kulenin veya bir plaka kulenin kullanılması planlandığında, gaz akışı, partikül maddenin çıkarılması için önceden işlem görmelidir, aksi takdirde, partiküller kulede birikebilir ve böylece tıkanabilir. Bununla birlikte, bir emme haznesi (ambalajsız) veya bir venturi yıkayıcı emici olarak kullanıldığında, gazın ön temizliği gerekli değildir
Paketlenmiş Kule Tasarım Yaklaşımı:
Paketlenmiş emme kolonları, gaz kirletici maddelerinin gaz akımlarından emilmesi için daha sık kullanıldığı için, bu gibi bir kolonun tasarım yaklaşımı aşağıda belirtilmiştir.
Paketlenmiş bir kolonda emilmeden önce, etkili bir gaz akımı aşağıdaki ön işlemlerden geçirilmelidir:
Akışkan gaz akışlarının soğutulması hacimsel akış hızını düşürür ve kirletici maddelerin seçilen çözücü içinde çözünürlüğünü arttırır. Sonuç olarak, emicinin boyutu daha küçük olacak ve gerekli olan çözücü miktarı daha az olacaktır.
Emme sırasında, bir gaz akışında bulunan kirletici maddelerin her biri, seçilen çözücü içindeki çözünürlüğüne bağlı olarak bir dereceye kadar uzaklaştırılacaktır. Bir çözücü esas olarak belirli bir kirleticiyi çıkarmak için seçilir ve bir emici, söz konusu kirleticinin istenen şekilde çıkarılmasını sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.
Uygun bir solvent seçerken, dikkat edilmesi gereken faktörler / parametreler şunlardır:
1. Hedeflenen maddenin yüksek çözünürlüğü,
2. Solventin çalışma sıcaklığında düşük buhar basıncı,
3. Düşük fiyat,
4. Düşük / nil toksisite, ve
5. Çözücünün geri kazanılıp kullanılmayacağı.
Bir emici tasarımı için gerekli veri ve bilgiler şunlardır:
(i) Taşıyıcı gazın maksimum (beklenen) akış hızı, G mol / saat;
(ii) Akan gaz akışının sıcaklığı ve basıncı;
(iii) Hedeflenen kirletici maddenin etki içinde yoğunlaşması ve istenen tahliye derecesi;
(iv) Çözünürlük verileri / denge ilişkisi;
ve (v) Ambalajın tipi, ebadı ve diğer özellikleri.
Bu bilgi bir kez mevcut olduğunda, uygun denklemler kullanılarak aşağıdakiler hesaplanabilir ve böylece uygun bir soğurucu tasarlanabilir.
(i) Gerekli çözücü akış hızı, L mol / saat,
(ii) Sütun çapı D,
(iii) Sütun yüksekliği Z,
(iv) Paketlenmiş yatak boyunca basınç düşüşü.
Gerekli Çözücü Hızı:
Minimum çözücü oranı (L mjn ), emici maddeden çıkan çözücünün, etkili gaz akışındaki çözünen konsantrasyona göre doymuş olacağı varsayılarak hesaplanabilir. Şekil 4.11, paketlenmiş bir emicinin şematik bir diyagramını gösterir.
L dakika için bir ifade, çözünen denge denkleminin bir emici boyunca yeniden düzenlenmesiyle elde edilir,
L dak = G (Y1-Y2) / X * 1 - X 2
buradaki X1, * = Y1 / m
X1, X2 = mol oranı biriminde sırasıyla çıkış ve girişdeki çözücüde çözünme konsantrasyonu,
Y1, Y2 = gaz fazı, sırasıyla giriş ve çıkıştaki mol oranı birimindeki çözünme konsantrasyonu.
Uygulamada X 2 ve X 1 bilinirdi. Y2, istenen temizleme derecesi, yani, temizleme etkinliği ile Y1 ile ilişkili olacaktır.
Y 2 = Y 1, (1 ᶯ r ), ᶯ r = çıkma etkinliği,
Eşdeğer kullanılarak L dak değerlendirilmesi. (4.48) eğer denge ilişkisi doğrusal ise, yani, Y = mX ve X'ten bağımsız m ise uygun olacaktır. Çoğu durumda, gaz fazındaki çözünen (kirletici) konsantrasyon düşüktür ve bu nedenle m, X'ten bağımsız olacaktır.
Gerçek çözücü oranı normalde olduğu gibi alınır
L fiili, = 1-25 ila 2.0 katı, L dak .
Burada, bir emicinin hiçbir zaman L gerçek - L dak değerini alarak, Z değeri çok yüksek olacağı için tasarlanmadığı belirtilmelidir.
L gerçek arttıkça, hesaplanan sütun yüksekliği azalır, ancak sütun kesiti artar. L fiili nihayet toplam maliyete (ilk maliyet artı işletme maliyeti) bakış açısıyla karar verilmelidir. Gerçek L'nin tahmini için göz önünde bulundurulması gereken diğer bir faktör, salmastranın kolondaki ıslatılması için gereken minimum sıvı oranıdır.
Sütun çapı:
Kolon çapı düşürülürse, belirli bir gaz ve sıvı akış hızlarında, kolondaki sıvı tutma (herhangi bir anda kolondaki sıvı kütlesi) artacaktır. Bu, kolondan gaz akışı için mevcut boşlukta bir azalmaya neden olacaktır. Sonuç olarak, gaz hızı (doğrusal) artacak ve yatak boyunca gaz tarafındaki basınç düşüşü de artacaktır.
Daha yüksek gaz tarafı basınç düşüşü sıvı akışını engeller. Kolon çapı daha da azalırsa, kolon sıvı ile doldurulur. Bu duruma taşkın denir. Bu durumda gaz kütle hızı taşma hızı olarak adlandırılır. Çalışma gazı hızı, sel hızının% 60 ila 75'i kadar alınır. Gerçek işletme gaz hızına dayanarak, kolon kesit alanı Denklem kullanılarak hesaplanır. (4.49).
Burada bir sütun = sütun kesit alanı,
G n = taşkın yüzeyel gaz kütle hızı,
F = bir sütun kesitinin tahmin edildiği karşılık gelen taşma hızının oranı = 0.6 ila 0.75,
Ve M g = gaz (karışım) moleküler ağırlık.
Gn, p ve p, pL, µL, paketleme özellikleri ve sıvı / gaz kütle akış oranı gibi gaz ve sıvı fiziksel özelliklerine bağlıdır. Toplu Transfer ile ilgili standart kitaplarda bulunan parsellerin yardımıyla tahmin edilebilir.
Sütun yüksekliği:
Bir sütunun temel dolgulu bir yüksekliği (Şekil 4.11) boyunca sabit hal çözünen denge denklemi;
Çözeltinin gaz fazından sıvı faza geçtiği dikkate alındığında, (4.50) şu şekilde yazılabilir:
burada a = birim başına paketlenmiş yatak hacmi.
Paketlenmiş yatak yüksekliği için bir ifade elde etmek için Denk. (4.51) yeniden düzenlenmiş ve entegre edilmiştir. Sonuçta ortaya çıkan denklem
Böylece hesaplanan Z, gaz fazındaki kirletici konsantrasyonunu Y 'den Y' ye düşürmek için gerekli olan bir emicinin paketlenmiş bölümünün yüksekliğini ifade eder. Bir kolonun asıl yüksekliği, bir buğu çözücünün ve üstündeki bir sıvı dağıtıcısının, paketlenmiş bölümler, bir gaz dağıtıcısı, bir paketleme desteği ve bir sıvı contası arasında bulunan sıvı yeniden dağıtıcı (lar) için alan sağlamak için Z O'dan fazla olacaktır. altta.
Paketlenmiş Kule Üzerinde Basınç Düşmesi:
Bir kolonun paketlenmiş bölümü boyunca basınç düşüşünü tahmin etmek için, önceden belirlenmiş çalışma parametrelerine, gaz-sıvı sisteminin fiziksel özelliklerine ve paketleme özelliklerine dayanarak AP / Z (birim paketlenmiş yatak yüksekliği başına basınç düşüşü) bulunur. Mass Transfer ile ilgili kitaplarda bulunan bilgilerin kullanılması. Bu bilginin kullanılması, dolu bir yatak boyunca basınç düşüşünün Denklem yardımıyla hesaplanır. (4.53),
Bir kule boyunca gerçek basınç düşüşü, Denklem kullanılarak tahmin edilenden daha yüksek olacaktır. (4.53) ambalajların dışında daha önce bahsedilen kulenin içindekiler yüzünden.
