Absorbție gaz-lichid
Industria chimică Nell, „ absorbția gaz-lichid, absorbție sau pur și simplu, este o„ operație unitară constând în deplasarea unuia sau mai multor componente ale unui amestec gazos din faza lor de gaz către un lichid de fază.
Componenta absorbită se numește solut , în timp ce lichidul se numește solvent . Este o tehnică utilizată, de exemplu, pentru îndepărtarea vaporilor de amoniac și benzen - toluen din gazele de cocserie .
Dacă apar reacții între solvent și solvent, vorbim de absorbție chimică , ca în cazul absorbției hidrogenului sulfurat din amestecurile de hidrocarburi sau a îndepărtării dioxidului de carbon din gazele de sinteză pentru producerea de amoniac. [1]
Adesea reacția solut solvent dă naștere unor substanțe specifice, cum ar fi producerea de acid azotic , prin absorbție de N 2 O 4 în apă .
Echipamentul chimic destinat efectuării operației unitare de absorbție gaz-lichid se numește „coloană de absorbție” (sau „turn de absorbție”). [2]
Echipamentul folosit
În operația de absorbție gaz-lichid există schimbul de materie (un dizolvat ) dintr-o fază gazoasă într-o fază lichidă , prin urmare, pentru a crește coeficientul de schimb al materialului (adică rata de transfer a materiei) este necesar să aveți o zonă interfațială mare între cele două faze. În acest scop, se folosesc contactori gaz-lichid (în engleză „contactori gaz-lichid” ), adică echipamente chimice în care o fază gazoasă și o fază lichidă sunt aduse în contact în așa fel încât să poată avea loc schimburi de materie și căldură în corespondența interfeței de separare între cele două faze.
Absorbția gaz-lichid poate avea loc la următoarele contactoare gaz-lichid, aranjate în ordinea creșterii reținerii :
- coloana de pulverizare (sau „pulverizare”)
- coloana de perete umed
- coloana cu plăci
- coloană umplută
- vas agitat
- coloană cu bule .
În coloana de pulverizare faza lichidă constituie faza dispersată (sub formă de picături foarte mici ), în timp ce faza gazoasă constituie faza continuă. În coloana cu bule, însă, se întâmplă opusul: faza lichidă constituie faza continuă, în timp ce faza gazoasă constituie faza dispersată (sub formă de bule ). Celelalte cazuri, pe de altă parte, reprezintă cazuri intermediare între coloana de pulverizare și coloana cu bule.
În coloana de film care cade, un strat subțire de lichid curge pe pereții interiori ai recipientului; acest echipament este util pentru studiul mecanismului de absorbție, de fapt este posibil să se verifice eficiența schimbului de materie pe măsură ce grosimea filmului lichid variază. Coloana de film în cădere, pe de altă parte, nu se pretează practicii industriale din cauza zonei interfaciale scăzute.
Absorbția gaz-lichid în laborator
Absorbția gaz-lichid în industrie
Dintre diferiții contactori gaz-lichid, coloana umplută este cea preferată în general pentru efectuarea operației de absorbție la scară industrială.
În coloana de absorbție, curentul care conține solventul lichid este introdus în partea de sus a coloanei, în timp ce curentul gazos este introdus de jos în contracurent . La ieșirea din coloană solventul și solutul sunt separate, recuperând solutul, reciclând solventul în coloană, care va conține urme de solut. Cel mai bun solvent este în general apa ; de fapt, solventul trebuie să aibă o volatilitate redusă, o vâscozitate scăzută și nu trebuie să fie foarte coroziv, netoxic și economic.
Gazul trebuie să aibă o solubilitate ridicată și acest lucru apare atunci când solutul și solventul au caracteristici chimico-fizice similare. [1]
Transferul materiei are loc atunci când se atinge echilibrul termodinamic al sistemului de alimentare cu amestec de solvenți. Cantitatea de materie transferată privește doar o componentă: solutul prezent în dietă.
Dimensionarea echipamentului
La dimensionarea coloanelor, condițiile de echilibru sunt denumite condiții de graniță. Pentru a efectua dimensionarea este necesar să se rezolve ecuația echilibrului materiei și apoi să se determine numărul de etape necesare pentru efectuarea operației.
În fiecare etapă se realizează echilibrul ideal. Rezoluția se poate face grafic, reprezentând pe un grafic XY ( raporturile molare ale lichidului și respectiv gazului) o curbă de echilibru , reprezentând relația dintre curenții care părăsesc fiecare placă și o linie de lucru , la care se referă studiul relațiilor dintre compozițiile curenților de la interstițială. Echilibrul materialului trebuie să se refere la debitul inert atât pentru faza gazoasă, cât și pentru cea lichidă, de aceea raporturile molare sunt utilizate pentru a exprima compozițiile. Bilanțul material al solutului este: [3]
unde este:
- = debitul molar al inertului în gaz
- = flux molar în solvent
- Și = raporturile molare ale substanței dizolvate în faza gazoasă la intrare și ieșire
- Și = raporturile molare ale substanței dizolvate în faza lichidă la intrare și ieșire.
Această ecuație poate fi scrisă după cum urmează:
- G i (Y în - Y noi ) = L (X noi - X în )
care reprezintă ecuația unei drepte cu coeficient unghiular L / G care trece prin punctele (X în ; Y noi ) și (X noi ; Y în ).
Când linia de lucru intersectează curba de echilibru în punctul (Xus; Yin), se va produce așa-numita condiție de ciupire , care corespunde limitei teoretice a unei eventuale operații cu un număr infinit de plăci; raportul L / G reprezintă raportul minim solvent / gaz, care trebuie crescut cu o valoare dată.
Odată ce linia de lucru a fost trasată pe grafic, construcția pasului se realizează folosind metoda McCabe și Thiele . [3] Întrucât se face referire la condițiile ideale de echilibru, care nu sunt atinse în mod normal, eficiența coloanei trebuie să fie disponibilă. Numărul de etape reale (N re ) va fi egal cu numărul de etape ideale (N id ) împărțit la eficiența coloanei.
Absorbție chimică
În adsorbția chimică, speciile care trebuie absorbite în lichid sunt produse pornind de la o reacție chimică între un component A prezent în faza gazoasă și un component B prezent în faza lichidă. Deci reacția poate fi schematizată după cum urmează:
- A + bB → produs
unde A și B sunt reactanții și bcoeficientul stoichiometric al lui B. [4]
Cinetica absorbției
În absorbția chimică are loc atât transportul materiei componentelor A și B, cât și reacția dintre aceste două componente. Prin urmare, cinetica procesului este determinată de doi factori, care sunt viteza de transport a materiei și viteza reacției chimice .
În următoarea discuție, concentrațiile componentelor A și B sunt indicate în felul următor:
- : concentrația de A la interfața gaz-lichid
- : concentrația de A în cea mai mare parte a lichidului
- : concentrația de A în corespondență cu planul de reacție
- : concentrația de B la interfața gaz-lichid
- : concentrația de B în cea mai mare parte a lichidului
- : concentrația de B în corespondență cu planul de reacție
În funcție de faptul dacă procesul este dominat de una sau alta viteză sau de ambele, putem avea următoarele cazuri (reprezentate în figură): [5]
- a) reacție instantanee : viteza reacției este foarte mare, astfel încât reacția are loc într-un volum de grosime neglijabilă, care poate fi aproximat la un plan, numit „planul de reacție”. Componenta A este transportată de la interfață la planul de reacție (care se află în interiorul filmului lichid), iar în corespondență cu planul de reacție A și B reacționează instantaneu, astfel încât concentrația lor dispare în corespondență cu acesta. Avem următoarele condiții limită pentru concentrațiile de A și B :
- b) reacție instantanee cu exces de B [6] (sau „reacție de suprafață”): diferă de cazul anterior prin aceea că planul de reacție nu se află în interiorul filmului lichid, ci la interfața gazului lichid. Concentrația reactivului A este zero în lichid, în timp ce concentrația lui B la interfață poate presupune o valoare diferită de zero. Condițiile asociate sunt:
- c) reacție rapidă : în acest caz, reacția nu are loc lângă un plan, ci la un volum de reacție, care se află în interiorul filmului lichid. Condițiile asociate sunt:
- d) reacție rapidă cu exces de B : volumul de reacție este în interiorul filmului lichid, dar aproape de interfața gaz-lichid. Concentrația de B poate fi considerată constantă în interiorul lichidului. Condițiile asociate sunt:
- e) reacție cu o viteză intermediară în raport cu viteza de transfer a materiei : reacția dintre A și B are loc în întregul lichid (adică atât în pelicula laterală lichidă, cât și în cea mai mare parte a lichidului). Concentrația de A în cea mai mare parte a lichidului nu se anulează. Condițiile asociate sunt:
- f) reacție cu viteză intermediară față de viteza de transfer a materiei cu exces de B : la fel ca în cazul anterior, dar fiind mai mare de B, concentrația de B rămâne constantă pe tot lichidul. Condițiile asociate sunt:
- g) reacție lentă (sau „regim de difuzie lentă”): în acest caz reacția are loc numai în vrac, de fapt este atât de lentă încât în filmul lichid (care are o grosime subțire în comparație cu volumul), în ceea ce privește profilurile de concentrație, efectele transportului materiei prevalează în mod clar asupra celor asociate cu reacția chimică. Condițiile asociate sunt:
- h) reacție lentă cu exces de B (sau "regim cinetic lent"): concentrațiile de A și B în acest caz pot fi considerate constante în tot lichidul, iar pelicula laterală lichidă are grosime zero. Condițiile asociate sunt:
Se poate observa că, pentru viteze de reacție mai mari, planul de reacție (sau centrul volumului de reacție) este mai aproape de interfața gaz-lichid, în timp ce pentru rate de reacție mai mici, planul de reacție (sau centrul reacției de volum) este mai departe din interfața gaz-lichid. Deoarece reactivii A și B sunt consumați de reacție, dar difuză în direcția opusă unul altuia, pantele profilelor lor de concentrație au un semn discordant (de exemplu este în scădere și este în creștere, dacă în referința noastră gazul este la stânga interfeței și lichidul este la dreapta interfeței).
Aplicații ale adsorbției chimice
Se utilizează pentru separarea CO 2 de gazele de eșapament [7] [8] [9] sau pentru separarea H 2 S de biogaz [10] [11] [12]
Notă
- ^ a b chimicando.it - Cele mai bune resurse și informații despre subiect: chemicando
- ^(RO) IUPAC Gold Book, "absorbant"
- ^ a b Proiectarea coloanei ambalate
- ^ Coeficientul stoichiometric al lui A este în schimb presupus a fi unitar. Oricare ar fi coeficientul stoichiometric al lui A , este de fapt posibil să ne readucem la starea unui coeficient stoichiometric unitar al lui A prin împărțirea tuturor coeficienților stoichiometrici ai reacției la același coeficient stoichiometric al lui A.
- ^ * (EN) Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, ediția a 3-a, Wiley, 1998, pp. 414-415. ISBN 0-471-25424-X
- ^ Prin „exces de B” se înțelege o situație în care componenta B este prezentă într-o cantitate foarte mare.
- ^ Absorbția solventului (spălarea solventului)
- ^ (EN) Lu Sumin, Youguang Mz, Chunying și Shuhu Zhu Shen, Îmbunătățirea absorbției chimice a CO2 prin soluția apoasă K2CO3 în prezența particulelor de carbon activat în Chinese Journal of Chemical Engineering, Vol. 15, nr. 6, 2007, pp. 842-846, DOI : 10.1016 / S1004-9541 (08) 60012-9 . Adus 29/05/2009 .
- ^ ( KO ) Un studiu privind eliminarea CO2 prin absorbție chimică folosind ambalaje structurate
- ^ "Absorbția chimică a H2S pentru purificarea biogazului"
- ^ (EN) HamdIdot Temel, Absorbția chimică a dioxidului de sulf în suspensia apoasă a calcarului și studii DTA , în Arhivele Conservării Naturii și Landsc, vol. 41, nr. 3-4, 2002, pp. 141-147, DOI : 10.1080 / 0003930022000043437 . Adus 29/05/2009 .
- ^ (EN) Ying-Chien Chung Kuo-Ling Ho, Ching-Ping Tseng, Tratamentul concentrațiilor ridicate H2S prin absorbția procesului de oxidare chimică și biologică în știința ingineriei mediului, vol. 23, n. 6, 2006, pp. 942-953, DOI : 10.1089 / ees . 2006.23.942 . Adus 29/05/2009 .
Bibliografie
- ( EN ) Warren McCabe, Julian Smith, Peter Harriott, Unit Operations In Chemical Engineering , ediția a 6-a, Tata Mcgraw Hill Publishers, 2005, pp. 546-595, ISBN 0-07-060082-1 .
- (EN) Robert Perry , Don W. Green, Perry's Chemical Engineers 'Handbook , ediția a VIII-a, McGraw-Hill, 2007, ISBN 0-07-142294-3 .
- Stephen Whitaker, Alberto E. Cassano, "Conceptele și proiectarea reactoarelor chimice", Taylor & Francis, 1986, pp. 513-560. ISBN 2-88124-118-2
Elemente conexe
- Absorbţie
- Adsorbţie
- Coloana umplută
- Coloană cu plăci
- Scruber
- Teoria penetrării
- Teoria filmului (fenomene de transport)
linkuri externe
- ( EN ) „Tehnologia de absorbție chimică a reducerii CO2” ( PDF ), pe netl.doe.gov . Adus la 29 mai 2009 (arhivat din original la 7 mai 2009) .
- ( EN ) „Efectul proprietăților reologice asupra absorbției chimice a dioxidului de carbon cu ME” ( PDF ), pe rheology.or.kr . Adus pe 29 mai 2009 (arhivat din original la 19 noiembrie 2004) .
- ( EN ) „Studiul CO, absorbției și desorbției într-o coloană ambalată ” ( PDF ), pe anl.gov . Adus pe 29 mai 2009 (arhivat din original la 24 septembrie 2008) .