Τμήμα Χημικών Μηχανικών Φυσικές Διεργασίες Ι Ενότητα 4: Απορρόφηση Χριστάκης Παρασκευά Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Χημικών Μηχανικών

Σκοποί ενότητας Εξοικείωση με τη διεργασία της απορρόφησης αερίων σε υγρούς διαλύτες. Παρουσίαση μεθοδολογίας σχεδιασμού πύργων απορρόφησης. Παρουσίαση των εξισώσεων που χρησιμοποιούνται για αναλυτικό υπολογισμό των απαιτούμενων θεωρητικών βαθμίδων

Περιεχόμενα ενότητας Γενικά Ισορροπία υγρού-αερίου Απορρόφηση Αραιά μίγματα Πυκνά μίγματα Ελάχιστος Λόγος Ροής Πραγματικός Λόγος Ροής Αναλυτικές Λύσεις Απορρόφηση Πολυσύνθετων Μιγμάτων Μεθοδολογία Αναλυτική Μέθοδος Kremser

Γενικά 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.

Ισορροπία υγρού-αερίου Διαλυτότητα ενός αερίου σε ένα υγρό: βάρος του αερίου σε 100 μ. β. διαλύτη, για δεδομένη P και T Νόμος του Henry pi=Hi xi, pi :είναι μερική πίεση του αερίου στην αέρια φάση xi :είναι το γραμ/κό κλάσμα του αερίου i στην υγρή φάση Hi: σταθερά του Henry Διαλυτότητα= f(T, P) (συνήθης διαλύτης: Νερό)

Ισορροπία υγρού-αερίου 2 Τέλεια διαλύματος αερίου σε υγρό pi=pio xi, (Νόμος του Raoult) pio: η τάση ατμών του καθαρού i, στην θερμοκρασία του διαλύματος Hi = pio 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 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

Αραιά Μίγματα Ανάλυση Διεργασίας Απορρόφησης Ισοζύγια Μάζας και γραμμές λειτουργίας Α) Αραιά μίγματα [Ποσότητα διαλυμένου αερίου <<ποσότητα υπολειπόμενου αερίου (αδρανούς) και του διαλύτη] Ολικό Ισοζύγιο: G1=G2=G και L1=L2=L Ισοζ. Προσρ. Συστ.: G (y1-y2)= L (x1-x2) (ΓΡΑΜΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ ΠΥΡΓΟΥ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ) Αν y2 δεδομένο και y1 άγνωστο τότε

Πυκνά μίγματα [ Ποσότητα του απορροφούμενου αερίου είναι σημαντική με αποτέλεσμα να μεταβάλλεται ο ρυθμός ροής των δύο ρευμάτων, (G1>G2, και L1> L2)] 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:

Πυκνά Μίγματα 2 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΄).

Ελάχιστος Λόγος Ροής Εύρεση ελαχίστου λόγου ροής Υγρού/Αερίου Δεδομένα: G, y1, y2 και x2 Ζητούμενα: L, x1 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.

Πραγματικός Λόγος Ροής Ελάχιστος λόγος ροής υγρού/αερίου 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.

Αναλυτικές Λύσεις Αναλυτικές λύσεις για τον υπολογισμό των θεωρητικών βαθμίδων, Ν (Αραιά μίγματα, νόμος του Raoult): Εξισώσεις Kremser, Souders and Brown m: η κλίση της εξ. ισορροπίας (ye=m x) και Α0: ο παράγοντας απορρόφησης, Α0=L/(m G)

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 Όπου L0Μ: ρυθμός ροής του διαλύτη, G0M: 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 Πολυσύνθετων Μιγμάτων 2 Περίπτωση αραιών διαλυμάτων (νόμος του Henry) Y=K X Όπου m=y/x (σταθερά ισορροπίας), για αραιά διαλύματα Κ=m Συστατικό κλειδί (λιγότερο διαλυτό στο αέριο τροφοδοσίας) επιλέγεται βάσει της διαλυτότητας του λιγότερου διαλυτού συστατικού Το κάθε συστατικό έχει την δική του γραμμή λειτουργίας αλλά με την ίδια κλίση (παράλληλες γραμμές) Τα λιγότερα πτητικά απορροφώνται πλήρως ενώ τα πτητικότερα απορροφώνται μερικώς

Μεθοδολογία Απαιτούμενος αριθμός θεωρητικών βαθμίδων για την επίτευξη συγκεκριμένου βαθμού απόδοσης Βήμα 1ον: Κατασκευάζονται οι γραμμές ισορροπίας των διαφόρων συστατικών Βήμα 2ον: Επιλέγετε το συστατικό κλειδί (γραμμή ισορροπίας // με την γραμμή λειτουργίας [Κ (ή m) = LsM/G0M]. Ζωγραφίζουμε τις γραμμές λειτουργίας των υπολοίπων συστατικών (// με του συστατικού κλειδί). ΑΒ από δεδομένα στην είσοδο και έξοδο του πύργου Βήμα 3ον: McCabe-Thiele  αριθμός θεωρητικών βαθμίδων Βήμα 4ον: Γραμμές λειτουργίας άλλων συστ. // γραμμή λειτ. Σ.Κ. Ακόμη ο αριθμός των θεωρητικών στιβάδων πρέπει να είναι ο ίδιος για όλες τις περιπτώσεις.

Αναλυτική Μέθοδος Kremser Όταν A0<<1 και Ν μεγάλο η άνω εξ. : (Υ1-Υ2)/(Υ1-mΧ2)=A0 Πρώτη εκτίμηση του βαθμού απορρόφησης των πλέον πτητικών συστατικών Όταν A0>>1 και Ν μεγάλο η άνω εξ.  1. Το αέριο εγκαταλείπει τον πύργο σε κατάσταση ισορροπίας με το υγρό απορρόφησης (διαλύτη) Αν Α0=1 η άνω εξίσωση καταλήγει σε αοριστία. (Y1-Y2)/(Y1-mX2)=N/(N+1)

Τέλος Ενότητας

Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στo πλαίσιo του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την 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.

Σημειώματα

Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0.0.

Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Πατρών. Αναπληρωτής Καθηγητής, Χριστάκης Παρασκευά. «Φυσικές Διεργασίες Ι, Απορρόφηση». Έκδοση: 1.0. Πάτρα 2014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: https://eclass.upatras.gr/courses/CMNG2168/ Όλα τα διαγράμματα είναι κατασκευασμένα από την ομάδα του μαθήματος, εκτός αν αναφέρεται διαφορετικά.

Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί.