Ενότητα: Απορρόφηση αερίων Διδάσκοντες: Χριστάκης Παρασκευά, Αναπληρωτής Καθηγητής Δημήτρης Σπαρτινός, Λέκτορας Δ. Σωτηροπούλου, Εργαστηριακό Διδακτικό Προσωπικό Τμήμα: Χημικών Μηχανικών

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Αναφορά, Απαγόρευση Εμπορικής Χρήσης και Διανομή.

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

AΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΑΕΡΙΩΝ

ΓΕΝΙΚΑ Απορρόφηση αερίων καλείται ο διαχωρισμός ενός μίγματος αερίων όταν αυτό έρθει σε επαφή με ένα υγρό, το οποίο διαλύει εκλεκτικά ένα ή περισσότερα συστατικά του αερίου μίγματος. Η διεργασία της απορρόφησης ενδείκνυται στις περιπτώσεις που η σχετική πτητικότητα του μίγματος που πρόκειται να διαχωρισθεί πλησιάζει τη μονάδα. Η αντίστροφη διεργασία καλείται εκρόφηση και κατά αυτήν απομακρύνεται ένα ή περισσότερα αέρια από ένα διάλυμα με διαβίβαση αερίου ή ατμού. Και οι δύο διεργασίες διεξάγονται σε στήλες παρόμοιες με τις αποστακτικές, συνήθως με πληρωτικά υλικά ή σε άλλες ειδικές συσκευές.

Μελέτη της υδροδυναμικής της στήλης απορρόφησης. Μελέτη της απορρόφησης του CO 2 από νερό, από μείγμα αυτού με αέρα. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ

ΠΛΗΡΩΤΙΚΕΣ ΣΤΗΛΕΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Σε μια στήλη απορρόφησης με πληρωτικά υλικά που λειτουργεί κατά αντιρροή, η είσοδος του υγρού γίνεται από την κορυφή μέσω ενός διανομέα. Στη συνέχεια το υγρό περνά από στρώματα (κλίνες) πληρωτικών υλικών και τέλος απομακρύνεται από τον πυθμένα. Το αέριο εισέρχεται από τον πυθμένα και εξέρχεται από την κορυφή. Τα πληρωτικά υλικά χρησιμοποιούνται επειδή η μεταφορά μάζας είναι ανάλογη της επιφάνειας επαφής των δύο φάσεων. Κατά συνέπεια ένας τρόπος αύξησης της επιφάνειας επαφής είναι η πλήρωση της στήλης με αυτά. Το υγρό διαβρέχει όλη την επιφάνεια του πληρωτικού υλικού και έτσι αυξάνει πολύ η επιφάνεια επαφής του υγρού με το αέριο.

ΤΥΠΙΚΗ ΠΛΗΡΩΤΙΚΗ ΣΤΗΛΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΑΕΡΙΟΥ

ΠΛΗΡΩΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Πληρωτικά υλικά απαιτήσεις ανθεκτικά στις διαβρώσεις και τις πιέσεις να αυξάνουν την επιφάνεια επαφής οικονομικά κατασκευάζονται από κεραμικό υλικό χάλυβα ανοξείδωτο χάλυβα πλαστικό διαστάσεις DΣDΣ D πλ.υλ. ≤ 2015 ≤

ΔΙΑΦΟΡΟΙ ΤΥΠΟΙ ΠΛΗΡΩΤΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Κεραμικοί δακτύλιοι Rasching και Lessing [1]. Οι δ. Rasching χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά το 1913 από την BASF.Είναι σωληνοειδείς με διάμετρο ίση με το ύψος και κενοί στο εσωτερικό. Οι δ. Lessing παρέχουν μεγαλύτερη επιφάνεια αλλά προκαλούν μεγαλύτερη πτώση πίεσης. Πλαστικοί σταυρωτοί δακτύλιοι Rasching και μεταλλικοί δακτύλιοι Pall [1]. Οι δακτύλιοι Pall χρησιμοποιήθηκαν από την BASF το Προκαλούν 20% λιγότερη πτώση πίεσης από τους δ. Rasching και υψηλότερες αποδόσεις. Έχουν όμως υψηλότερο κόστος κατασκευής. Κεραμικοί και πλαστικοί τύποι σαγμάτων [1]. Τα σάγματα χρησιμοποιούνται λόγω του χαμηλού τους κόστους. Είναι διαδεδομένα σε διεργασίες όπου η απαίτηση σε επιφάνεια εναλλαγής είναι μικρή.

ΑΠΟΨΗ ΕΡΓΟΣΤΑΣΙΟΥ ΔΙΑΛΥΤΩΝ ΣΥΓΚΡΟΤΗΜΑΤΟΣ Ε.Κ.Ο. [1]. ( ΠΥΡΓΟΙ ΑΠΟΣΤΑΞΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ)

ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΤΗΛΗΣ ΔΙΑΥΛΩΣΗ Το πληρωτικό υλικό είναι ξηρό ή καλύπτεται από ηρεμούντα υμένα υγρού, το οποίο ρέει σε ρυάκια. Παρατηρείται σε χαμηλές παροχές υγρού, σε στοιβαγμένο γέμισμα και σε στενό πύργο. Για να αποφευχθεί το φαινόμενο της διαύλωσης πρέπει D σ /D δ > 8. ΠΛΗΜΜΥΡΙΣΗ Σε μεγάλες παροχές αερίου το υγρό εμποδίζεται στη ροή του και μετά από κάποιο ανώτατο όριο, ταχύτητα πλημμύρισης, το υγρό εξέρχεται από πάνω. Επιφανειακή ταχύτητα του αερίου είναι η ταχύτητα του αερίου για κενή στήλη. Οι στήλες συνήθως σχεδιάζονται για επιφανειακή ταχύτητα 1 m/s. Για ομαλή λειτουργία πρέπει η επιφανειακή ταχύτητα να είναι 60-70% της ταχύτητας πλημμύρισης. Η ταχύτητας πλημμύρισης δίνεται από εμπειρικό τύπο σε συνάρτηση των πυκνοτήτων, των ιξωδών, των μαζικών παροχών των ρευστών, των χαρακτηριστικών του πληρωτικού υλικού κ.λ.π. Πτώση πίεσης του αερίου ως προς την ταχύτητά του [1].

Στις διεργασίες απορρόφησης και εκρόφησης η έννοια της ισορροπίας καθορίζεται από τη διαλυτότητα του μεταφερόμενου συστατικού στο αέριο ή στο υγρό. Διαλυτότητα Αερίου σε υγρό εξαρτάται μερική πίεση του αερίου στην αέρια φάση θερμοκρασία εκφράζεται βάρος του αερίου σε 100 μέρη βάρους διαλύτη (P και Τ σταθερά) Εξισώσεις Raoult ή Ηenry Ισχύουν ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΑΕΡΙΟΥ-ΥΓΡΟΥ

Νόμος Raoult (ισχύει για τέλεια διαλύματα αερίου σε υγρό) Εξίσωση Henry (ισχύει για αραιά διαλύματα) Εξίσωση ισορροπίας (για την περίπτωση που ισχύει η εξίσωση Henry) P i = P o x i όπου P i η μερική πίεση του αερίου i στην αέρια φάση P o η τάση ατμών του καθαρού διαλύτη x i το γραμμομοριακό κλάσμα του αερίου iστην υγρή φάση P i = H x i Όπου H η σταθερά Henry, η οποία εξαρτάται από την πίεση και θερμοκρασία ψ i = m x i όπου m = και ψ = H P ολ PiPi * η εξίσωση ισορροπίας δεν ισχύει στην περίπτωση που κατά την απορρόφηση εκλύεται σημαντικό ποσό θερμότητας, οπότε μεταβάλλεται η θερμοκρασία του διαλύματος. Η εξίσωση ψ= f(x) είναι καμπύλη.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΣΤΗΛΗΣ (ΑΡΑΙΑ ΜΙΓΜΑΤΑ-ΣΤΗΛΗ ΚΑΤ’ΑΝΤΙΡΡΟΗ) ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΣΤΗΛΗΣ Γραμμή Λειτουργίας Γραμμή ισορροπίας Ισοζύγιο μάζας Φυσικοχημεία ΓΡΑΜΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ Εξαρτάται από τη διεργασία (ισοζύγια μάζας και ενέργειας). ΣΧΕΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Χαρακτηριστική των συστατικών του μίγματος, της πίεσης και της θερμοκρασίας. ΑΡΑΙΑ ΜΙΓΜΑΤΑ Σταθερές οι γραμμομοριακές ροές ΑΝΤΙΡΡΟΗ Πλεονεκτεί σε απόδοση

L, G x, y Β, Τ γραμμομοριακή ροή υγρού και αερίου (Kmol·h -1 ·m -2 ) γραμμομοριακά κλάσματα υγρού και αερίου αντίστοιχα bottom και top αντίστοιχα G T = G B = G και L T = L B = L ισοζύγιο μάζας για το απορροφούμενο αέριο G (y B – y T ) = L (x B – x T ) Γραμμή λειτουργίας y = L G x - L G x B + y B Γραμμή ισορροπίας και Γραμμή λειτουργίας [1]. Η γραμμή λειτουργίας βρίσκεται πάντα πάνω από την γραμμή ισορροπίας. Γιατί; Σχηματικό διάγραμμα στήλης απορρόφησης κατ’ αντιρροή [1].

ΕΛΑΧΙΣΤΟΣ ΛΟΓΟΣ ΡΟΗΣ ΑΕΡΙΟΥ-ΥΓΡΟΥ Ζητείται να ελαττωθεί η σύσταση αέριας ροής G από y B σε σύσταση y T χρησιμοποιώντας διαθέσιμο υγρό διαλύτη σύστασης x T. Ποιά η ελάχιστη γραμμομοριακή ροή υγρού; Για να επιτευχθεί ο επιθυμητός διαχωρισμός, η ελάχιστη ροή του υγρού θα είναι αυτή κατά την οποία ο εξερχόμενος διαλύτης θα βρίσκεται σε ισορροπία με το εισερχόμενο αέριο. Επομένως η ελάχιστη γραμμομοριακή ροή υγρού χαρακτηρίζει και τον ελάχιστο λόγο ροής υγρού/αερίου. [ ] min = Oι στήλες απορρόφησης συνήθως λειτουργούν με L = β L min ή [L/G] = β [L/G] min όπου 1.25 < β < 1.50 L G y B - y T x B * - x T

ΠΥΚΝΑ ΜΙΓΜΑΤΑ Στα πυκνά μίγματα η ποσότητα του μεταφερόμενου αερίου είναι σημαντική, οι συνολικές γραμμομοριακές ροές του υγρού και του αερίου μεταβάλλονται. Στην περίπτωση αυτή οι μόνες σταθερές γραμμομοριακές ροές είναι η ροή του αδρανούς αερίου και η αντίστοιχη του καθαρού διαλύτη.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ 1. Στήλη απορρόφησης 2. Ροόμετρα 3. Μανόμετρα 4. Δειγματοληψία αερίου κορυφής 5. Δεξαμενή νερού

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 2. Διοχέτευση αέρα σε βρεγμένη στήλη. Υπολογισμός της πτώσης πίεσης για διάφορες παροχές αέρα. 1. Διοχέτευση αέρα σε στεγνή στήλη. Υπολογισμός της πτώσης πίεσης για διάφορες παροχές αέρα. 3. Διοχέτευση αέρα και νερού ταυτόχρονα στη στήλη απορρόφησης. Υπολογισμός της πτώσης πίεσης για διάφορες παροχές αέρα. 4. Αλλαγή των παροχών νερού και αέρα. Υπολογισμός της πτώσης πίεσης. ΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΤΗΛΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ CO 2 5..Διοχέτευση μίγματος αέρα-CO 2 κατ’ αντιρροή με νερό. Δειγματοληψία από το υγρό της βάσης και το αέριο της κορυφής.

ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ Κατασκευάζονται οι γραφικές παραστάσεις της πτώσης πίεσης κατά μήκος της στήλης σε συνάρτηση της παροχής του αερίου, για στεγνή και βρεγμένη στήλη. Γίνεται σύγκριση των δύο παραστάσεων και τα αποτελέσματα παραλληλίζονται με τα θεωρητικά αναμενόμενα. Κατασκευάζονται οι αντίστοιχες παραστάσεις για τις περιπτώσεις που έχουμε ταυτόχρονη ροή νερού. Γίνονται τρεις απεικονίσεις που αντιστοιχούν στις τρεις παροχές νερού και συγκρίνονται μεταξύ τους. Στο πείραμα της απορρόφησης από τις δειγματοληψίες βάσης και κορυφής υπολογίζονται οι συστάσεις του αερίου της κορυφής και του υγρού της βάσης. Δεδομένου ότι οι συστάσεις αερίου βάσης και υγρού κορυφής είναι γνωστές κατασκευάζεται η γραμμή λειτουργίας της στήλης. Αυτή συγκρίνεται με την θεωρητικά αναμενόμενη.

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Η χημική βιομηχανία προσφέρει πολυάριθμα παραδείγματα διεργασιών όπου ένα αέριο διαλύεται σε ένα υγρό και στη συνέχεια υπεισέρχεται σε μια χημική αντίδραση στην υγρή φάση. Μερικά τέτοια παραδείγματα είναι τα εξής: Απορρόφηση διοξειδίου του άνθρακα από καυστικό νάτριο. Λόγω του σχετικά υψηλού κόστους του απορροφητικού μέσου, χρησιμοποιείται κυρίως για την απομάκρυνση των τελευταίων ιχνών ενός αερίου. Απορρόφηση διοξειδίου του άνθρακα από διαλύματα ανθρακικού νατρίου ή καλίου. Το διάλυμα αυτό μπορεί να αναγεννηθεί με θέρμανση. Απορρόφηση διοξειδίου του άνθρακα από αμμωνιακά διαλύματα για παραγωγή ανθρακικού νατρίου.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1.Μ. Ι. Ασσαέλ, Μ. Χ. Μαγγιλιώτου, «Φυσικές Διεργασίες», Εκδόσεις Α. Τζόλα, Θεσσαλονίκη Ι. Γεντεκάκης, « Φυσικές Διεργασίες: Ανάλυση και Σχεδιασμός», Εκδόσεις Κλειδάριθμός, Αθήνα 2010)

ΤΕΛΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑΣ