Absorpsiyon Notları

GAZ ABSORPSİYONU
SİSTEMLERİ TASARIMI
1
Tanım:
Gaz absorpsiyonu, bir gaz karışımının içerdiği bir ya da birden fazla
bileşeni çözmek üzere uygun bir sıvı ile temas ettirilerek, gaz
bileşenlerin sıvı çözeltilerinin elde edilmesi işlemidir.
Örnekler:
* Baca gazındaki SO2’nin alkali çözeltisi ile uzaklaştırılması
* CO2’in yanma ürünlerinden sulu amin çözeltileri ile ayrılması
* Doğal gazdan propan ve daha ağır bileşenlerin hidrokarbon yağı ile
absorpsiyonu
2
ABSORPSİYON
DESORPSİYON
L2, x2
L2, x2
V2, y2
V1, y1
V2, y2
V1, y1
L1, x1
Amaç gaz karışımındaki bir
bileşeni sıvıya almak
L1, x1
Amaç sıvıdaki uçucu bileşeni bir gaz
ile gaz faza almak (striper)
3
Absorpsiyon işlemlerinde üç temel basamak vardır;
1) Gaz ve sıvının uygun bir düzenekte birbiriyle temasının sağlanması
2) İki fazın birbiriyle dengeye gelmesinin sağlanması (gazdan sıvıya
kütle aktarımı)
3) Gaz ve sıvı fazlarının birbirinden ayrılması
2. Basamağın hızı;
* istenen maddenin her iki fazdaki derişimine
* her bir fazın kütle aktarım katsayısına
* maddenin sıvıdaki çözünürlüğüne
* düzenekteki gaz-sıvı ara yüzey alanına
Gaz ve Sıvı fazların temas şekline göre absorbsiyon sistemleri;
1) Kademeli temas(kademeli kolon)
2) Diferansiyel temas ( dolgulu kolon, ıslak duvar kolonu, sprey kolon)
4
Absorpsiyon sistemi tasarımında genel amaçlar;
1) Sözkonusu gaz karışımı için en uygun çözücünün belirlenmesi
2) En iyi kolon gaz hızının bulunması; kolon çapının belirlenmesi
3) Kolon yüksekliği, dolgu boyutu, tipi veya plaka sayısının
belirlenmesi
4) Optimum çözücü hızının bulunması
5) Kolona giren ve çıkan akımların sıcaklığının, çözünme ısısının
bulunması
6) Mekanik tasarım; akım dağıtıcıları, dolgu destek maddesi vs.
belirlenmesi
5
Tasarımdan önce belirlenmesi gereken parametreler;
1) Giren gazın akış hızı, bileşimi ve sıcaklığı (G1 (veya V1), yi1,T1)
2) Giren sıvının bileşimi, sıcaklığı (xi2,T2)
3) İşletme basıncı (P)
4) Alınan ya da verilen ısı; adyabatik işletimde Q=0
bu parametreler belirlendikten sonra bile aşağıdaki parametrelerden
herhangi ikisinin de bilinmesi gerekir;
1) sıvı akış hızı veya L/G oranı
2) ideal kademe sayısı veya kolon boyu
3) bir bileşenin ne kadarının absorplanmasının istendiği
6
• Çözücünün özellikleri; • Dolgu maddesi özellikleri;
* iyi çözme özelliği
* uçucu olmama
* ucuz olma
* korozif olmama
* kararlı olma
* düşük viskoziteli olma
* köpük oluşturmama
* alevlenmeme
* korozyona direnç
* mekanik dayanım
* gerekli akışı sağlama
kapasitesi
* kütle aktarım etkinliği yüksek
* ucuz
* inert
 Çözücü geri kazanımı için distilasyon gerekir.
 Çıkan gaz karışımı çözücüyle doymuş olduğundan çözücü kaybı çok olur,
bu nedenle ucuz bir çözücü, çözme gücü yüksek olanla tercih edilir.
7
Dolgu Tipleri
8
Buhar-Sıvı Denge veya Çözünürlük Verileri;
1) Ağırlık veya mol kesri olarak çözünürlük verileri ya da Henry
sabitleri; y=f(x), H
2) Saf bileşen buhar basınçları; Pio
3) Denge dağılma katsayıları; Ki
* Çeşitli sistemlerin denge sabitleri Handbook, Critical Tables,
Properties of gases and liquids gibi kaynaklarda
* Denge verileri, gaz-sıvı sistemler için ÇÖZÜNÜRLÜK VERİLERİ ‘dir
* Bir gazın sıvıdaki çözünürlüğünü belirlemek için T, Pi, xi
(aslında toplam basınç P’de belirtilmeli fakat düşük basınçlarda (P<5 atm) çözünürlük basınçtan bağımsız)
9
1- HENRY KANUNU;
Birçok gaz için PA<= 1 atm için Henry Kanunu geçerlidir.
H=f(T) lineer değil
PA=H.xA
2- RAULT KANUNU;
PA= PAo.xA
3- DENGE DAĞILMA KATSAYILARI;
K=y/x
10
KOLON TİPİ SEÇİMİ
Kademeli Kolonlar
Dolgulu Kolonlar
•
•
•
•
Korozif akışkanla çalışılırken
Köpük yapan sıvılar sözkonusu ise
Basınç düşmesinin az olması
istendiğinde
D<0.6 m olan küçük ölçekli
sistemler için tercih edilir
ANCAK;
• Sıvı hızı düşükken  kanallaşma
• Gaz hızı yüksekken  taşma
• Isı aktarımı yapmak zor
• Sıvı hold-up daha düşük
•
•
•
•
•
Büyük ölçekli işletimlerde
Sıvı akış hızı düşük olduğunda
Gaz akış hızı yüksek ise
Ard arda soğutma gerekiyorsa
Akışkanın taşıdığı katılarca
kolonun tıkanma ihtimali varsa
tercih edilir
AYRICA;
• Sıvı hold-up yüksek
• Basınç düşmesi yüksek
• Geniş gaz ve sıvı akış hızı
aralıklarında kullanılabilir
11
DOLGULU KOLONLARIN TASARIMI
Dolgulu kolon yüksekliği;
1- Termodinamik dengeye
2- Belirli bir bileşenin ne kadarının absorplanmasının
istendiğine
3- Sistemin kütle aktarım etkinliğine bağlıdır
1 ve 2: gerekli teorik kademe ya da aktarım birimleri sayısını
3 : kademe verimi ve kademeler arası mesafeyi ya da
aktarım birimleri yüksekliğini belirler
12
TASARIM BASAMAKLARI
1- Dolgu türü (Raschig ve Pall halkaları, Berl ve Intalox
eyerleri), dolgu boyutu ve dolgu malzemesi seçimi
D, m (ft)
< 0.3 (1)
DP, mm (in)
<25 (1)
0.3-0.9 (1-3)
>0.9 (3)
Malzeme:
25-38 (1-1.5)
50-75 (2-3)
* seramik
* plastik
* çelik
13
2- Limit ve optimum L’/V’ oranının belirlenmesi
Dolgulu kolonlarda belirli bir dolgu boyutu ve tipi ile
sıvı akış hızına karşılık gaz akış hızının bir üst limiti
vardır (Taşma hızı)
gerçek sıvı akış hızı için işletme çizgisi
alt
y
1
minimum sıvı akış hızı için işletme çizgisi
Eğim=L/V
denge eğrisi
y2
üst
x2
Eğim=(L/V)min
x1
x1(max)
(V1, y1) bellidir
(y2) tasarımcı tarafından belirlenir
(x2) bellidir
L2 seçilir
L büyükse kolon çapı büyür, çözücü geri kazanımı da masraflı
L küçükse kolon boyu dolayısıyla maliyet artar
Optimum L/V oranı 1.5 (L/V)min değeridir
14
15
3- Film ve tüm kütle aktarım katsayıları
* Deneysel olarak fazlar arasındaki kesit alanının (film katsayılarının da)
belirlenmesi zor
* Hacimsel kütle aktarım katsayıları belirlenir (a=m2/m3)
dA=a.S.dz (dz hacim elemanındaki kesit alanı)
k’ya=kg mol/s.m3dolgu. mol kesri
K’ya=kg mol/s.m3dolgu. mol kesri
k’xa=kg mol/s.m3dolgu. mol kesri
K’xa=kg mol/s.m3dolgu. mol kesri
kya=kGa.P
kxa=kLa.Cort
16
4- Dolgu yüksekliğinin/ kolon yüksekliğinin bulunması
GAZ
SIVI
V2, y2
L2, x2
y
yi
dz
xi
V,y
L,x
x
V1, y1
L1, x1
17
Gaz fazda absorplanmak istenen A için KKD;
( V . y ) z  ( V . y ) z  z  r .a.A.z  0
d ( V .y )

 r .aA  0
dz
r .a  kya( y  yi )
ara yüzey alanı
a
k olon hacmi
mol A
r
ara yüzey alanı. zaman
y
V .y  V '.Y  V '
1 y
V'
V
 V'  V ( 1  y )
1 y
V ' : toplam inert hıız, Y :inert kesri
18
y
dy
dy
d (V . y )  V ' (
) V'
V(
)
2
1 y
(1  y )
1 y
zT
y2
V/A
dy
zT  dz  
k y a ( 1  y )( y  yi )
0
y


y1  y 2
1
zT
x2
L/ A
dx
zT  dz  
k x a ( 1  x )( xi  x )
0
x


x1  x2
1
y2
V/A
dy
zT  
k y a y ( y  yi )

1
y2
V/A
dy
zT  
K y a y ( y  y* )

1
19
TRANSFER BİRİMLERİ (HTU ve NTU)
y1
( 1  y )im dy
V/A
z  H G NG 
k' y a y ( 1  y )( y  yi )

2
x1
( 1  x )im dx
L/ A
z  HLNL 
k' x a x ( 1  x )( xi  x )

2
y1
z  H OG N OG
( 1  y )* m dy
V/A

K' y a y ( 1  y )( y  y* )

2
x1
z  H OL N OL
( 1  x )* m dx
L/ A

K' x a x ( 1  x )( x*  x )

2
z  H G N G  H L N L  H OG N OG  H OL N OL
20
TRANSFER BİRİMLERİ (devam)
Gaz karışımının A’ya göre mol kesri % 10’dan küçükse (seyreltik) integral
içindeki terimler kolonun altı ve üstü için hesaplanan ortalama değerleri
şeklinde dışarı çıkar
y
 ( 1  y )im  1 dy
z  H G NG  H G 

(
1

y
)

 ort y2 ( y  yi )

x1
 ( 1  x )im 
dx
z  HLNL  HL 

(
1

x
)

 ort x2 ( xi  x )

y1
z  H OG N OG
 ( 1  y )* m 
dy
 H OG 

*
(
1

y
)
(
y

y
)

 ort y2

x1
z  H OL N OL
 ( 1  x )* m 
dx
 H OL 

*
(
1

x
)
(
x
 x)

 ort x2

mV
H OG  H G 
HL
L
L
H OL  H L 
HG
mV
m: denge eğrisi eğimi
L/V: işletme eğrisi eğimi
21
Coulburn Yaklaşımı
Denge ve işletme eğrileri doğru şeklinde (seyreltik çözelti durumu) ise ve
çözücü çözünen madde içermiyorsa Transfer birimleri sayısı;
N OG

mG m  y1 mG m 
1
 

ln  1 

1  ( mG m / Lm ) 
Lm  y2
Lm 
Bu eşitlik grafiksel olarak da Sinnot, Fig. 11.40’da verilmiş
Apsis: y1/y2
Ordinat : NOG
Parametre: mGm/Lm
Coulburn yaklaşımına göre
Optimum mGm/Lm oranı 0.7-0.8 olmalı
22
23
Cornell ve Onda Yöntemleri (HTU Tahmini için)
Gelişigüzel dolgular için tipik HTU değerleri:
Dp, mm (in)
HTU, m (ft)
25 (1)
0.3-0.6 (1-2)
38 (11/2 )
0.5-0.75 (11/2 - 21/2 )
50 (2)
0.6-1.0 (2-3)
Cornell; Transfer birimleri yüksekliği için korelasyonlar sunmuştur ;
Dc 1.11 Z 0.33
*
H G  0.011 ( Sc )V (
) (
) /( LW f 1 f 2 f 3 )0.5
0.305
3.05
Z 0.15
0.5
H L  0.305 h ( Sc )L K 3 (
)
3.05
0.5
24
Burada;
HG
: Gaz faz transfer ünitesinin yüksekliği, m
HL
: Sıvı faz transfer ünitesinin yüksekliği, m
(Sc)L
: Sıvı Schmidt sayısı =  L /  L DL
 v /  v Dv
(Sc)v
: Gaz Schmidt sayısı =
Dc
Z
K3
L*w
: kolon çapı, m.
: kolon yüksekliği, m.
: yüzde taşma düzeltme faktörü, şekil 11.41
: Şekil 11.42’den HG faktorü
: Şekil 11.43’den HL faktörü
: Birim alan başına kütlesel sıvı akış hızı, kg. m2.s
f1
: Sıvı vizkosite düzeltme faktörü =
f2
: Sıvı yoğunluk düzeltme faktörü
f3
: Yüzey gerilimi düzeltme faktörü=
h
h
(  L V ) 0.16
 (  W  V )1.25
( w L ) 0.8
Burada alt indis w 20oC’deki suyun özelliklerine gösterir. Diğer tüm fiziksel özellikler
Kolon koşullarında bulunur.
25
DC /0.305 ve Z/3.05 terimleri kolon çapının ve yüksekliğinin etkilerini gösterir.
Standart değerler olan 1 ft(0.305 m) çap için ve 10 ft (3.05 m) yükseklik için kullanılır.
Tasarımda; DP>0.6 m(2 ft) için çap düzeltme terimi=2.3
Yükseklik düzeltme terimi , sıvı dağıtıcıları arasındaki uzaklık >3 m olduğunda
kullanılmalıdır .
Şekil 11.41 ve 11.42 , kolondaki %’de taşmayı tahmin etmek için kullanılır.
Yüzde taşma = (Tasarlanan basınç düşmesindeki K4/Taşmadaki K4)0.5
K4 değerleri Şekil 11.44’den bulunabilir
26
27
28
mmsu/m dolgu yüksekliği
29
Onda’ nın Metodu
Onda et. al. film kütle transfer katsayıları k G ve kL ile etkin ıslak bölge
alanı aw için kullanışlı korelasyonlar yayımlamıştır. Burada aw HG ve HL yi
hesaplamak için kullanılır.
Onda’nın korelasyonları çok fazla miktarda gaz absorbsiyonu ve
distilasyon verilerine bağlanmıştır.
Etkin bölge için eşitlik;



aw
 1  exp  1.45 c
a
 L





0.1  * 2  0.05 
2  0.2 
*
  Lw a 
 Lw  



 
 a L    2 g 

  a

  L 
 L L  
0.75 
L*w

ve kütle aktarım katsayısı için:
1.3
  
kL  L 
 L g 
2.3
 L   L 
 0.0051
 

a


D
 w L  L L
*
w
1.2
0.4
(ad p )
30
0.7
1.3
 Vw*   v 
kG RT
2.0
 K5 
 
 (ad p )
a Dv
 a c   v Dv 
K5
Lw*
Vw*
aw
a
dp
σc
Madde
: 15 mm üzerindeki dolgu boyutları için 5.23 ve 15 altındaki için ise 2.0
: birim kesit alanı başına kütlesel akış hızı, kg/ m2s
: birim kesit alanı başına kütlesel gaz akış hızı, kg /m2s
: birim hacim başına dolgunun etkin arayüzey alanı, m2/ m3
: birim hacim başına dolgunun gerçek alanı, m2/ m3
: dolgu boyutu, m
: aşağıda verilen özel dolgu maddeleri için kritik yüzey gerilimi
σc mN/m
Seramik
61
Metal
75
Plastik
33
Karbon
56
σL
: sıvı yüzey gerilimi, mN/m
kG
: gaz film kütle transfer katsayısı, kmol/m2 s atm ya da kmol/m2 s
kL
: sıvı film kütle transfer katsayısı, kmol/m2 s (kmol/m3 s) = m/s
kG‘ nin birimi gaz sabitine bağlıdır;
R = 0.08206 atm m3 kmol K ya da 0.08314 bar m3 kmol K
31
Film transfer birimleri yüksekliği aşağıdaki gibidir;
HG 
Gm
kG a w P
HL 
Lm
k L awCt
Burada;
P
Ct
Gm
Lm
: Kolon işletme basıncı, atm ya da bar
: Toplam derişim, kmol/m3 =  L/çözücü molekül ağırlığı
: birim alan başına molar gaz akış hızı, kmol/m2s
: birim alan başına molar sıvı akış hızı, kmol/m2s
32
Kolon Çapı(Kapasite)
Bir dolgulu kolonun kapasitesi kesit alanından belirlenebilir.
Gaz hızı taşma hızının yaklaşık %80’i kadardır.
Tavsiye edilen basınç düşmesinin tasarım değerleri ( mm su/m dolgu);
Absorpsiyon ve desorpsiyon için 15-50
Damıtma için 40-80
Seçilen basınç düşmesinde kolon kesit alanı ve çapı, Şekil 11.44’de verilen
Basınç düşmesi korelasyonundan belirlenebilir . K4 terimi şekil 11.44’e göre
şu şekilde de hesaplanabilir
Burada;
Vw*
: gaz kütle akış hızı, kg/m2s
Fp
: dolgu faktörü, dolgu tipi ve
42.9(Vw* ) 2 Fp (  L  L )0.1
K4 
boyutunun karakteristiği(Tablo 11.2)
v (  L  v )
μL
: sıvı viskozitesi, Ns/m2
ρL.ρV
: sıvı ve buhar yoğunlukları, kg /m3
33
Örnek
•
1.5 in’lik seramik Intalox eğerleri ile doldurulmuş bir
absorpsiyon kolonunda hava içindeki SO2,
su ile
absorplanacaktır. Daha sonra saf SO2 bir sıyırıcıda
çözücüden uzaklaştırılacaktır. Öncelikle absorpsiyon
kolon tasarımı yapılacaktır. Kolona beslenen gaz
karışımı 5000 kg/h akış hızında olup hacimce %8 SO2
içermektedir. Gaz daha sonra 20 oC’ye soğutulacaktır.
Giren gaz akımı içerisindeki SO2’nin %95’nin geri
kazanılması istenilmektedir. Buna göre,
a)
b)
c)
d)
İletim birimleri sayısı, NOY
Kolon Çapı, DP
Aktarım birimleri yüksekliği, HOG
Kolon yüksekliği Z’yi bulunuz.
34
Çözüm:
SO2’nin sudaki çözünürlüğü yüksek olduğundan, atmosferik
basınçtaki işletim yeterli olacaktır. Çözücü giriş sıcaklığı 20oC
alınabilir. Çözünürlük verileri;
% w/ w
çözünen
0,05 0,1 0,15 0,2 0,3
SO2 kısmi
basıncı
gaz mm Hg 1,2
3,2 5,8
8,5
14,1
Beslemedeki SO2’nin kısmi basıncı :
0,5
0,7
1,0
1,5
26
39
59
92
8
x760  60.8mmHg
100
35
Aktarım Birimleri Sayısının Bulunması
%95 lik geri kazanım için
çıkış gazındaki kısmi basınç =
giriş
60.8 x 0.05 = 3.06 mm Hg
Moleküler Ağırlık: SO2: 64
H2O: 18, hava: 29
N OG 
p1

p2
dp
p  pe
36
Şekil 11.40’ı kullanarak (y1/y2 ; NOG grafiği)
Farklı su akış hızlarında gerekli kademe sayısı belirlenebilir
ve ‘optimum’ hız seçilir.
y1/y2 = p1/p2 = 60.8
3.04
m
Gm
Lm
NOG
0,5
3,7
Gm
m
Optimum
Lm
0,6
4,1
= 20
0,7
6,3
0,8
0,9
8 10,8
1,0
19
0.6 -0.8 arasında gözükmektedir.
37
38
0.6’nın altında NOG değerleri ufak azalma vardır;
0.8’in üzerinde ise azalan sıvı akış hızında çok hızlı bir NOG
artışı olmaktadır.
0.6 ve 0.8 de sıvı çıkış bileşimini kontrol edersek:
Madde balansı
Lmx1 = Gm(y1-y2)
Gm
m Gm
x1 
(0.08 x0.95) 
(0.076)
Lm
29.0 Lm
İşletme doğrusununu eğimi
mGm Lm  0.6 ‘de
x1  1.57 x103 mol kesri,
mGm Lm  0.8 ‘de x1  2.17 x10
3
mol kesri,
0.8 kullanılarak, aborpsiyonda önemli bir kademe sayısını
artırmaksızın, daha yüksek derişim elde edilir. Dolayısıyla;
NOG=8
39
b) Gaz akış hızı = 5000 = 1.39 kg/s = 1.39 = 0.048 kmol/s
29
3600
29.0
Sıvı akış hızı =
x0.048  1.74 kmol.s = 31.3 kg/s
0.8
Dolgu maddesi olarak 38 mm seramik Intalox eğeri seçilirse;
Tablo 11.2’den Fp = 52 (dolgu faktörü)
29 273
x
 1.21kg / m3
20
deki gaz yoğunluğu =
22.4 293
Sıvı Yoğunluğu ~= 1000 kg m3
Sıvı Viskozitesi ~= 10-3 N.s m2
0C
L*w
Gw*
v 31.3 1.21

 0.78
3
 L 1.39 10
absis
40
Şekil 11.44’ ten;
20 mmH2O/
mdolgu basınç
düşmesi tasarımı
için
K4 = 0.35
Taşmada;
K4 = 0.8
Taşma yüzdesi =
0.35
x100  66
0.8
41
Eşitlik 11.118 den;
1.2
 K  (   v ) 
Vw*   4 v L
0.1 
 42.9 Fp (  L  L ) 
Gerekli kolon alanı =
Çap =
4

Kolon alanı =
4
 0.87kg / m2 .s
1.39
 1.6m 2
0.87
x1.6  1.43m

1.2
=  0.35 x1.21(1000  1.21) 
 42.9 x52(103.103 )0.1 


yaklaşık 1.50 m alınabilir.
x1.52  1.77m 2
Kolon çapına karşı dolgu boyutu oranı=1.5/38x10-3=39
Seçilen çapta % taşma=66(1.43/1.77)=53
Daha geniş dolgu boyutu göz önünde bulundurulmalıdır
veya kolon çapı küçültülmelidir.
42
c) Cornell’s metodu
0.018 x103
(Sc)v = 1.21x1.45 x105  1.04
DL = 1.7x10-9 m2.s
DV = 1.45x 10-5 m2/s
μr = 0.018x10-3 N.s/m2
103
 588
(Sc)L =
1000 x1.7 x109
L*w 
31.3
 17.6 Kg/s m2
1.77
Şekil 11.41 den %53 taşmada, K3 = 0.95
Şekil 11.42 den %53 taşmada, φh = 80
Şekil 11.43 den Lw* = 17.6 da θh = 0.1
HOG değeri yaklaşık 1m olacağı beklenildiğinden Z’nin ilk tahmini 8m alınabilir.
Kolon çapı 0.6 m’den büyük olduğundan çap düzeltme terimi 2.3 alınabilir.
HL =
 8 
0.305x0.1(588)0.5 x0.95 

 3.05 
0.15
 0.8m
Su sıcaklığı 20 0C alınmıştır ve çözücü sıvı sudur.
43
f1 = f2 = f3 = 1
HG =
 8 
0.011x80(1.04)0.5 (2.3) 

 3.05 
HOG = 0.7 + 0.8 x 0.8 = 1.3 m
Z = 8 x 1.3 = 10.4 m
0.33
(17.6)0.5
 0.7m
mV
HL
L
L
 HL 
HG
mV
H OG  H G 
H OL
44