gaz absorpsiyonu

GİRİŞ

Absorpsiyon işleminde, absorpsiyon kulelerinin en önemli operasyon masraflarından biri gazın dolgulu kule boyunca pompalama masraflarıdır. Pompalama güç masrafı ise gaz akım debisi ve basınç düşüşü ile doğru orantılıdır. Bu nedenle değişik gaz akım debilerindeki basınç düşüşlerinin bilinmesi gereklidir. Yapılan bu deneyde amaç; gaz absorpsiyonu işlemi sırasında kuru ve ıslak kolonların kolon performanslarını hesaplamaktır. hesaplamaktır.

1. TEORİ Bir gaz karışımında bulunan bileşenlerden bir ya da birkaçının uygun bir sıvı ile temasa getirilerek uzaklaştırılması işlemine gaz absorpsiyonu denir. Amonyağın, amonyak hava hava karışı karışımın mından dan sıvı sıvı su ile yıkan yıkanara arakk ayrılm ayrılması ası,, kok kömürü kömürü fırınl fırınları arında ndann çıkan çıkan gaz gaz karışımının su ile yıkanması sonucu benzen ve toluen buharlarının uzaklaştırılması bu tip işleme örneklerdir. Absorpsiyon fiziksel ve kimyasal olmak üzere iki gruba ayrılır. Fiziksel absorpsiyonda sistemin itici gücünü çözünürlük belirler. Kimyasal reaksiyonun geliştiği bir ortamda ise reaksiyonun hızı ve çözünürlük ortak etkendir. [1] Desorpsiyon ise absorpsiyonun tersi olan işlemdir.Yani,desorpsiyon işlemdir.Yani,desorpsiyon işleminde,inert bir sıvı ile karışım halinde bulunan bir çözünen madde gaz fazına geçer.İnert bileşen olarak nitelendirilen,faz değiştirmeyen yani diğer faza geçemeyen veya diğer faza geçen miktarı ihmal edilecek kadar küçük olan bileşendir.Bu işlemler için hem sürekli temas sağlayan dolgulu kolon,hem de çok kademeli temas sağlayan raflı kolon kullanılabilir.

Dolgulu kolon ; Kolonun altındaki bir ızgaranın üzerine yerleştirilen dolgu maddeleri,kolona ismini vermekte vermektedir.Y dir.Yükse üksekk hızlarda hızlarda dolgu dolgu maddeleri maddelerinin nin hareketin hareketinii ve sürüklenm sürüklenmesin esinii önlemek önlemek için,üst tarafa da başka bir ızgara konur.Dolgu maddelerinin üzerine mümkün olduğunca homoje homojenn bir şekild şekildee dağıtı dağıtılan lan sıvı sıvı aşağı aşağıya ya doğru doğru yerçe yerçekim kimii neden nedeniyl iylee akarke akarken,d n,dolg olguu maddelerinin arasındaki boşluklardan yukarıya doğru akan gaz fazı ile temas eder.Kulenin üst tara tarafın fında da,, gazı gazınn sürü sürükl kled ediğ iğii sıvı sıvı daml damlac acık ıkla ları rını nı ayır ayırma makk için için bir bir sürü sürükl klen enme me ayır ayırac acıı kullanılır.Kule boyu çok yüksek ise, sıvının homojen dağılmasını sağlamak için, aralıklı olarak çeşitli yüksekliklerde sıvı toplanıp tekrar dağıtılır.

Dolgu maddelerinin değişik şekillerde olmasının nedeni, sıvı ile gaz arasındaki ara yüzey miktarını arttırma çabasındandır. Kil, porselen, alüminyum, alümina, grafit, çelik ve plastik dolgu maddesi yapımında en çok kullanılan malzemelerdir. Dolgu maddeleri sağlam ,mukavemetli ve ucuz olmalıdır ; ağır olmamalıdır, büyük basınç düşüşüne neden olmamalıdır, sıvı ve gaz fazları arasında iyi ve yeterli temas sağlamalıdır, kullanılan sıvı ve gaza karşı inert olmalıdır yani herhangi bir reaksiyona girmemelidir. Dolgu maddesi sıvı akışı ile ıslatıldığında, belirli bir hacimdeki sıvının dolgu maddesi üzerinde tutulması beklenir. Birim dolgulu hacimde tutulan sıvı hacmine sıvı tutulması denir.Gerçekte sıvı tutulması toplam miktarı,statik şartlarda yani bir sıvı ile gaz akışı olmadığı zamanki sıvı tutulması ile dinamik şartlarda yani normal gaz ve sıvı akış hızlarında birincisine ilave olarak tutulan sıvı miktarının toplamına eşittir. Yaş dolgulu kuledeki basınç düşmesinin düşük gaz hızlarında gaz hızıyla doğrusal değişir, bu aralıkta toplam sıvı tutulmasının gaz hızından etkilenmez. Fakat gaz hızı arttırıldığında, kolon içinde bazı yerlerde lokal olarak sıvının birikmeye başladığı görülür.Bu nokta yükleme noktası olarak adlandırılır.Bu noktadan itibaren artık gaz hızı arttıkça toplam sıvı tutulması da artar.Kolon içinde sıvının tutulması o kadar artar ki, biriken sıvı tüm kolon kesit alanını kaplar.Artık sıvı kolonda aşağıya doğru akamaz.Aşağıdan gelen gazın baskısıyla,sıvı ancak gazla beraber kolonu yukarıdan terkedebilir.Bu hal,taşma olarak nitelendirilir.Tüm kolon kesit alanı sıvıyla kaplandığından,gazda ani olarak çok büyük basınç düşmesi görülür.Doğal olarak bu taşma hızı, dolgulu kolonlarda kullanılabilecek gaz hızı için maksimum

limiti

oluşturur.Gerçekte

taşma

hızına

yakın

gaz

hızı

kullanmak

tehlikelidir.genellikle taşma hızının %50-80’i arasında bir gaz hızı tercih edilir. [2]

2. DENEYSEL METOT Deney teorik olarak incelenmiştir. Öncelikle kuru dolgu maddeleri için çeşitli CO 2 akım debilerinde basınç düşüşleri verileri ile kuru kolon için; daha sonra ıslak kolon için basınç düşüşleri verileri kullanılmıştır. Ayrıca su akım debileri değiştirilerek her biri için çeşitli gaz akım debilerindeki basınç düşüşleri belirlenmiştir. Ölçümler sırasında yükleme ve taşma noktaları gözlenir.

3.SONUÇLAR Tablo 3.1. Deney sonunda elde edilen sonuçlar L H

2

O

2

(kg/m sn)

Gair (kg/m2sn) -4

0.238

0.710

1.183

1.657

2,6*10 5,18*10-3 7,78*10-3 0,00103 0,0013 0.0015 0.0018 0.0020 0.0023 0.0026 2,6*10-4 5,18*10-3 7,78*10-3 0,00103 0,0013 0.0015 0.0018 0.0020 0.0023 0.0026 2,6*10-4 5,18*10-3 7,78*10-3 0,00103 0,0013 0.0015 0.0018 0.0020 0.0023 0.0026 2,6*10-4 5,18*10-3 7,78*10-3 0,00103 0,0013 0.0015 0.0018 0.0020 0.0023 0.0026

Tablo 3.2. Grafikten Okunan Sonuçlar

Log(Gair )

-3,58 -3,28 -3,10 -2.98 -2.88 -2,80 -2,74 -2,68 -2,63 -2,58 -3,58 -3,28 -3,10 -2.98 -2.88 -2,80 -2,74 -2,68 -2,63 -2,58 -3,58 -3,28 -3,10 -2.98 -2.88 -2,80 -2,74 -2,68 -2,63 -2,58 -3,58 -3,28 -3,10 -2.98 -2.88 -2,80 -2,74 -2,68 -2,63 -2,58

∆ P / H K

Log (∆ P / H K

20.7 29 33.11 41.4 62 99.3 157.2 190.4 244.2 281.4 24.83 29 37.25 62 107.6 157.2 273.2 314.5 422.1 521.5 12.41 24.8 66.22 128.3 240 356

) 1.31 1.46 1.52 1.62 1.8 2 2.2 2.28 2.4 2.5 1.40 1.46 1.57 1.79 2.03 2.20 2.44 2.50 2.62 2.72 1.09 1.40 1.82 2.10 2.38 2.55

8.28 20.7 115.8 322.8 745

0.92 1.315 2.06 2.51 2.87

Lsu (kg/m s)

log (Ghava)

Ghava (kg/m²s)

0,238

-2,70

0.002

0,71

-2,80

0.0016

1,183

-2,90

0.0013

1,657

-3,20

0.0006

²

2,5

2

1,5 Seri 1

1

g o a e

0,5

0 -4

-3

-2

-1

0

log(Gair)

Grafik 3.1 Basınç düşüşü değerinin havanın kütlesel akış hızı ile değişimi

3,5 3 2,5

) k H / P a t l e d ( g o l

Seri 1 2

Seri 2

1,5

Seri 3 Seri 4

1 0,5 0 -4

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

log(Gair)

Grafik 3.2.2 Havanın debisine göre farklı sıvı debilerindeki basınç düşüşü değerleri değişimi

4.YORUM Gaz absorpsiyonunun inert bir bileşen ile gaz karışımı halinde bulunan çözünen bir maddenin, inert bir sıvı ile absorbe edildiği işlem olduğu öğrenildi. İnert bileşenin faz değiştirmeyen yani diğer faza geçmeyen ve ya geçen miktarı ihmal edilecek kadar küçük olan bileşen olması gerektiği öğrenildi. Deneyde teorik olarak dolgulu kolondan bahsedilmiştir. Deneyde amaçlandığı gibi; gaz absorpsiyonu işlemi sırasında kuru ve ıslak kolonların kolon performansları hesaplandı, yükleme ve taşma noktaları gözlendi. Deney sonucunda pompalama masrafının debi artışıyla artacağı kanısına varıldı. Islak kolon için elde edilen grafikte suyun debi artışıyla basınç düşüşünün arttığı görülmüştür. Bu da dolgu maddesinin debi artışıyla daha fazla ıslatılmasından kaynaklanabilir. Aynı zamanda basınç düşünün artması ile absorbsiyonun hem hızı hem de verimliliği azaltılır. Basıncı tekrar istenen düzeye getirmek için ise pompolama yöntemi kullanılır ki bu da maliyet açısından önemli bir kayıptır. Kuru kolon için elde edilen grafikte ise havanın akış debisinin logaritması ile kolonda birim uzunluk başına basınç düşüşünün doğru orantılı olduğu görüldü.

Deney sonuçlarından yola çıkarak gerekli hesaplamalar yapılırsa bu absorbsiyon işlemi için gerekli olan akış hızları rahatlıkla tercih edilebilir. Kolon uzunluğunun da basınç düşüşüne pozitif etkisi yadsınamaz bir gerçektir. Kolonun kısa olması her zaman avantaj sağlamayabilir. İstediğimiz absorbsiyonu istediğimiz verimle gerçekleştirmek için optimum uzunluktaki kolon boyu seçilmelidir. Ayrıca kolon içerisinde kullanılan dolgu maddesinin hem fiziksel hem de kimyasal yapısı absorbsiyonu etkiler. Deneyimizde kolon uzunluğu sabit ve dolgu malzemesinin değişmediği kabul edildiği için hesaplamalarımıza etkisi olmamıştır. Dolgu maddelerinin(rashing halkaları) üzerine homojen dağıtılmaya çalışılan suyun yerçekimi nedeniyle aşağıya doğru akması ve dolgu maddelerinin arasındaki boşluklardan yukarıya doğru akan CO 2(gaz fazı) ile temas etmesi gerekir. Dolgu maddesinin seçiminde su ile CO2 arasında ara yüzey miktarını artırmak amaçlanır. Su dolgu maddesinin yüzeyini film şeklinde kaplayarak aşağıya doğru akar. Filmin yani kalınlığının ihmal edilebileceği kadar ince olduğu ve suyun tüm dolgu maddesini ıslattığı varsayımıyla dolgu maddesi yüzey alanının yaklaşık su-CO 2 ara yüzeyi ile aynı olduğu kabul edilebilir. Dolgulu kolonların bazı özelliklere sahip olması gerekmektedir. Dolgu, geniş bir yüzey alanına sahip olmalıdır; bu şekilde gaz ile sıvı yüzeyi birbirleri ile olabildiğince fazla temas etmelidir. Ayrıca dolgu malzemeleri korozyona karşı dayanıklı, kolondaki akışkanlara karşı kimyasal yönden inert ve maliyet yönünden de olabildiğince ucuz olmalıdır. Deneyde dolgulu kolonların avantajları olduğu kadar dezavantajlarından da bahsedilmiştir. Örneğin bir dezavantajı; dolgulu kule boyunca gazın pompalama masrafının yüksek olmasıdır. Pompalama güç masrafının da gaz akım debisi ve basınç düşüşü ile doğru orantılı olduğu öğrenildi. Dolgulu kolonların absorpiyon işleminden başka ayrıca distilasyon ve sıvı-sıvı ekstraksiyonlarında kullanıldığı belirtildi.

5.SEMBOLLER Fhava

( L / dk )

FCO2

( L / dk )

FH2O

( L / dk )

Vgaz numunesi

( mL )

Vsıvı numunesi

( mL )

T

(oC)

P

(mmHg)

D

(m)

H

(m)

Mhava

(kg/mol)

R

(kPam3/mol K)

ρciva

(kg/m3)

ρsu

(kg/m3)

Vtank

(mL)

Vçıkış

(mL)

Ctitrant

(M)

Havanın kolondaki hacimsel akış hızı CO2 nin kolondaki hacimsel akış hızı H2O nun kolondaki hacimsel akış hızı Alınan gaz numunesinin hacmi Alınan sıvı numunesinin hacmi Sıcaklık Basınç Çap Yükseklik Havanın molekül ağırlığı Sabit Civanın yoğunluğu Suyun yoğunluğu Tank hacmi Çıkış hacmi Titrant konsantrasyonu Gaz akışı

Ga

(1/s)

6.KAYNAKLAR [1] Deney Föyü [2] Prof.Dr.Bekir Zühtü Uysal,Kütle Transferi Esasları ve Uygulamaları,Sh:187191,Gazi Üniversitesi Yayın no:212 , 2.baskı , 2003

7.EKLER 7.1.Veriler Tablo 7.1.1. Kuru Kolon İçin Havanın Akış Hızı ve ΔP Değerleri Air(L/min) P ( mmHg ∆

)

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

3

4

6

8

9

10

17

22

32

40

Tablo7.2.2. Zaman İle çıkış ve tank konsantrasyon değerleri t(dk)

Çıkışdaki Vtitrant(ml) 3.15 2.12 1.80 0.60 1.20

15 30 45 60 75

Tantaki Vtitrant(ml) 3..25 2.22 2.00 0.70 1.30

V CO

2

(ml)

2.10 1.85 2.00 2.10 2.20

Tablo 7.1.3. Islak Kolonda su ve hava debilerine göre basınç düşüşü verileri Air(L/min) 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

16

7

8

10

15

24

38

46

59

68

6

7

9

15

26

38

66

76

102

126

3

6

16

31

58

86

2

5

28

78

180

Water(L/min 1 3 5 7

7.2. Hesaplamalar 7.2.1.Kuru Kolon Hesaplamaları: •

Havanın Yoğunluğu; ρair = (P.Mair )/(R.T) P=690mmHg=690x0,1333kPa=91,977kPa ρair = (91,977x28,97)/(8,314x293) = 1,09kg/m 3

•

Kolonun Yatay Kesit Alanı; S=π.D2/4 S = (3,14x0,3 2)/4 = 0,07 m 2

•

Havanın Kütlesel Hızı; Gair =(Fair .ρair )/S 

Fair =10 L/min için;

Gair =2,6*10-4 kg/(m2.s) logGair =-3,58 


Gair =5,18*10 -4 kg/(m2.s) logGair =-3,28 


Gair =7,78*10 -4kg/(m2.s) logGair =-3,10 


Gair =0,00103kg/(m2.s) logGair =-2,98 






Gair =0,0018 kg/(m2.s)

logGair =-2,74 


Gair =0,0020 kg/(m2.s) logGair =-2,68 


Gair =0,0023 kg/(m2.s) logGair =-2,63 


Gair =0,0026 kg/(m2.s) logGair =-2,58 •

Birim Kolon Uzunluğu İçin Basınç Düşüşü Hesaplamaları; 

ΔP=3 mmH2O için;

ΔP=3 mmH2O= 22,351kPa ΔP/L = 12,4kPa/m log(ΔP/L)=1,094 

ΔP=4 mmH2O için;

ΔP/L = 16,55 kPa/m log(ΔP/L)=1,22 

ΔP=6 mmH2O için;

ΔP/L = 24,83 kPa/m log(ΔP/L)=1,4 

ΔP=8 mmH2O için;

ΔP/L = 33,1 kPa/m log(ΔP/L)= 1,52 

ΔP=9 mmH2O için;

ΔP/L = 37,25 kPa/m log(ΔP/L)=1,52 

ΔP=10 mmH2O için;

ΔP/L = 41,38 kPa/m log(ΔP/L)=1,62 

ΔP=17 mmH2O için;

ΔP/L = 70,36 kPa/m

log(ΔP/L)=1,84 

ΔP=22 mmH2O için;

ΔP/L = 91,1 kPa/m log(ΔP/L)=1,96 

ΔP=32 mmH2O için;

ΔP/L = 132,4 kPa/m log(ΔP/L)= 2,12 

ΔP=40 mmH2O için;

ΔP/L = 165,5 kPa/m log(ΔP/HK)=2,22 Diğer F H20 değerleri için LH20, ∆ P/H log∆ P/H değerleri aynı şekilde hesaplanır. Hesaplama sonuçları Tablo3’te mevcuttur.

7.2.3. Gaz Absorbsiyonu Hesaplamaları: a) Fa = ( Fair + FCO2) x ((yi – yo)/(1 – yo)) [m 3/s] Ga = (Fa/22.4x10 -3m3 ) x ( Kolon Basıncı/760mmHg) x (273K/Ortalama Kolon Sıcaklığı) yinlet = FCO2/(FCO2 + Fair) youtlet = VCO2/Vsample yi = 5/(5+20)=0.2 yo1 = 2,1/20=0.105 yo2 = 1,85/20=0.093 yo3 = 2/20=0.100 yo4 = 2,1/20=0.105 yo5 = 2,2/20=0.110 Fa1 =(20+5)x((0.2-0.105)/(1-0.105))= 4,40x10-5 m3/s Diğer y değerleri için de aynı hesaplamalar yapılır ; Fa2 = 4,90*10 -5 m3/s Fa3 = 4,61*10-5 m3/s

Fa4 = 4,40*10-5 m3/s Fa5 = 4,20*10-5 m3/s Ga1 =((4,40x10-5)/22.4)x(690/760)x(273/293)=1,65x10-3 1/s Diğer Fa değerleri için de aynı hesaplamalar yapılır; Ga2 = 1,84*10-3 1/s Ga3 = 1,73*10-3 1/s Ga4 = 1,15*10-3 1/s Ga5 = 1,58*10-3 1/s b) 0.0277 M NaOH ile yapılan titrasyon sonucunda; Cexit = (Vtit x 0.0277)/Vexit [M] = [mol/L] Ctank = (Vtit x 0.0277)/Vtank [M] = [mol/L] Absorbsiyon Hızı = F H2O x (Cexit – Ctank) [mol/dk] Cexit1 =(3.15x0.0277)/10=8,723x103- mol/L Diğer Vtit değerleri için aynı işlemler yapılır; Cexit2 = 5,872 x10 -3 mol/L Cexit3 =4,990 x10 -3 mol/L Cexit4 =1,662 x10 -3 mol/L Cexit5 = 3,324 x10 -3 mol/L Diğer Vtit değerleri için aynı işlemler yapılır; Ctank 1 = 9 x10 -3 mol/L Ctank 2 = 6,150 x10 -3 mol/L Ctank 3 =5,540 x10-3 mol/L Ctank 4 =1,940 x10-3 mol/L Ctank 5 =3,60 x10 -3 mol/L •

FH2O = 6L/dk

Absorbsiyon Hızı = FH2O x (Cexit – Ctank)= (mol/dk) AH1 = -1,662 x10-3 (mol/dk)

AH2 = -1,668 x10 -3 (mol/dk) AH3 =-3,3 x10-3 (mol/dk) AH4 =-1,668 x10-3 (mol/dk) AH5 = -1,656x10-3 (mol/dk) c) Kolon performansı hesabı; %KP = [((FCO2+Fair) x yi)-((FCO2+Fair-Fa) x yo)]/[(FCO2+Fair)x yi]x100 %KP1 = %53 %KP2 = %59 %KP3 = %55,5 %KP4 = %53 %KP5 = %50,6

gaz absorpsiyonu

Recommend Documents