1

GAZ ABSORPSİYONU

SİSTEMLERİ TASARIMI

2

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

3

ABSORPSİYON DESORPSİYON L2, x2 L2, x2

L1, x1 L1, x1

V1, y1

V2, y2

V1, y1

V2, y2

Amaç gaz karışımındaki bir bileşeni sıvıya almak

Amaç sıvıdaki uçucu bileşeni bir gaz ile gaz faza almak (striper)

4

Absorpsiyon işlemlerinde üç temel basamak vardır; 1) Gaz ve sıvının uygun bir düzenekte birbiriyle temasının sağlanması2) 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)

5

Absorpsiyon sistemi tasarımında genel amaçlar;

1) Sözkonusu gaz karışımı için en uygun çözücünün belirlenmesi2) En iyi kolon gaz hızının bulunması; kolon çapının belirlenmesi3) Kolon yüksekliği, dolgu boyutu, tipi veya plaka sayısının belirlenmesi4) Optimum çözücü hızının bulunması5) Kolona giren ve çıkan akımların sıcaklığının, çözünme ısısının bulunması6) Mekanik tasarım; akım dağıtıcıları, dolgu destek maddesi vs. belirlenmesi

6

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 oranı2) ideal kademe sayısı veya kolon boyu3) bir bileşenin ne kadarının absorplanmasının istendiği

7

• Çözücünün özellikleri;

* iyi çözme özelliği* uçucu olmama* ucuz olma* korozif olmama* kararlı olma* düşük viskoziteli olma* köpük oluşturmama* alevlenmeme

• Dolgu maddesi özellikleri;

* 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.

8

Dolgu Tipleri

9

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)

10

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= PA

o.xA

3- DENGE DAĞILMA KATSAYILARI;

K=y/x

11

KOLON TİPİ SEÇİMİ

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

Kademeli Kolonlar

• 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

12

DOLGULU KOLONLARIN TASARIMI

Dolgulu kolon yüksekliği;

1- Termodinamik dengeye2- Belirli bir bileşenin ne kadarının absorplanmasının

istendiğine3- 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

13

TASARIM BASAMAKLARI

1- Dolgu türü (Raschig ve Pall halkaları, Berl ve Intalox eyerleri), dolgu boyutu ve dolgu malzemesi seçimi

D, m (ft) DP, mm (in)< 0.3 (1) <25 (1)0.3-0.9 (1-3) 25-38 (1-1.5)>0.9 (3) 50-75 (2-3)

Malzeme: * seramik * plastik * çelik

14

2- Limit ve optimum L’/V’ oranının belirlenmesiDolgulu kolonlarda belirli bir dolgu boyutu ve tipi ile sıvı akış hızına karşılık gaz akış hızının bir üst limiti vardır (Taşma hızı)

y2

y1

x2 x1(max)x1

gerçek sıvı akış hızı için işletme çizgisi

minimum sıvı akış hızı için işletme çizgisi

denge eğrisi

(V1, y1) bellidir(y2) tasarımcı tarafından belirlenir(x2) bellidirL2 seçilir

L büyükse kolon çapı büyür, çözücü geri kazanımı da masraflıL küçükse kolon boyu dolayısıyla maliyet artarOptimum L/V oranı 1.5 (L/V)min değeridir

üst

alt

Eğim=L/V

Eğim=(L/V)min

15

16

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

17

GAZ SIVI

y

yi

xi

x

4- Dolgu yüksekliğinin/ kolon yüksekliğinin bulunması

dz

L2, x2

L1, x1V1, y1

V2, y2

V,y L,x

18

0aA.rdz

)y.V(d

kesriinert:Y,hıızinerttoplam:'V)y1(V'Vy1'VV

0z.A.a.r)y.V()y.V(zzz

zaman.alanıyüzeyaraAmolr

hacmikolonalanıyüzeyaraa

Gaz fazda absorplanmak istenen A için KKD;

y1y'VY'.Vy.V

)yiy(kyaa.r

19

21i

x

x x

z

0T

21i

y

y y

z

0T

xx)xx)(x1(

dxakA/Ldzz

yy)yy)(y1(

dyakA/Vdzz

2

1

T

2

1

T

)1

()1(

')1

(').( 2 ydyV

ydyV

yyVyVd

2

1

2

1

y

y*

yT

y

y iyT )yy(

dyaKA/Vz

)yy(dy

akA/Vz

20

1

2

1

2

1

2

1

2

x

x*m*

xOLOL

y

y*

m*

yOGOG

x

x i

im

xLL

y

y i

im

yGG

)xx)(x1(dx)x1(

a'KA/LNHz

)yy)(y1(dy)y1(

a'KA/VNHz

)xx)(x1(dx)x1(

a'kA/LNHz

)yy)(y1(dy)y1(

a'kA/VNHz

TRANSFER BİRİMLERİ (HTU ve NTU)

OLOLOGOGLLGG NHNHNHNHz

21

1

2

1

2

1

2

1

2

x

x*

ort

m*OLOLOL

y

y*

ort

m*OGOGOG

x

x iort

imLLL

y

y iort

imGGG

)xx(dx

)x1()x1(

HNHz

)yy(dy

)y1()y1(

HNHz

)xx(dx

)x1()x1(

HNHz

)yy(dy

)y1()y1(

HNHz

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

GLOL

LGOG

HmVLHH

HL

mVHH

m: denge eğrisi eğimiL/V: işletme eğrisi eğimi

22

Coulburn Yaklaşımı Denge ve işletme eğrileri doğru şeklinde (seyreltik çözelti durumu) ise ve çözücü çözünen madde içermiyorsa Transfer birimleri sayısı;

Bu eşitlik grafiksel olarak da Sinnot, Fig. 11.40’da verilmiş

Apsis: y1/y2

Ordinat : NOG

Parametre: mGm/Lm

Coulburn yaklaşımına göreOptimum mGm/Lm oranı 0.7-0.8 olmalı

m

m

2

1

m

m

mmOG L

mGyy

LmG

1ln)L/mG(1

1N

23

24

Cornell ve Onda Yöntemleri (HTU Tahmini için)

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 ;

15.03

5.0LhL

5.0321

*W

33.011.15.0VG

)05.3Z(K)Sc(305.0H

)fffL/()05.3Z()

305.0Dc()Sc(011.0H

Gelişigüzel dolgular için tipik HTU değerleri:

25

Burada;HG : Gaz faz transfer ünitesinin yüksekliği, mHL : Sıvı faz transfer ünitesinin yüksekliği, m(Sc)L : Sıvı Schmidt sayısı =

(Sc)v : Gaz Schmidt sayısı =

Dc : kolon çapı, m.Z : kolon yüksekliği, m.K3 : yüzde taşma düzeltme faktörü, şekil 11.41

: Şekil 11.42’den HG faktorü: Şekil 11.43’den HL faktörü

L*w : 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=

LLL D /

vvv D /

hh

16.0)( VL25.1)( VW

8.0)( LwBurada alt indis w 20oC’deki suyun özelliklerine gösterir. Diğer tüm fiziksel özellikler Kolon koşullarında bulunur.

26

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

27

28

29

mmsu/m dolgu yüksekliği

30

Onda’ nın Metodu

Onda et. al. film kütle transfer katsayıları k ve kL ile etkin ıslak bölgealanı 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;

G

2.02*05.0

2

2*1.0*75.045.1exp1

a

L

g

aLaL

aa

LL

w

L

w

L

w

L

cw

ve kütle aktarım katsayısı için:

2.31.3 1.2*

0.0051 ( )wL LL p

L w L L L

Lk adg a D

0.4

31

0.7 1.3*2.0

5 ( )G w vp

v c v v

k VRT K ada D a D

K5 : 15 mm üzerindeki dolgu boyutları için 5.23 ve 15 altındaki için ise 2.0Lw* : birim kesit alanı başına kütlesel akış hızı, kg/ m2sVw* : birim kesit alanı başına kütlesel gaz akış hızı, kg /m2saw : birim hacim başına dolgunun etkin arayüzey alanı, m2/ m3a : birim hacim başına dolgunun gerçek alanı, m2/ m3dp : dolgu boyutu, mσc : aşağıda verilen özel dolgu maddeleri için kritik yüzey gerilimi

Madde σc mN/m

Seramik 61Metal 75Plastik 33Karbon 56σL : sıvı yüzey gerilimi, mN/mkG : gaz film kütle transfer katsayısı, kmol/m2 s atm ya da kmol/m2 skL : sıvı film kütle transfer katsayısı, kmol/m2 s (kmol/m3 s) = m/skG‘ nin birimi gaz sabitine bağlıdır;R = 0.08206 atm m3 kmol K ya da 0.08314 bar m3 kmol K

32

Film transfer birimleri yüksekliği aşağıdaki gibidir;

mG

G w

mL

L w t

GH

k a PL

Hk a C

Burada;

P : Kolon işletme basıncı, atm ya da barCt : Toplam derişim, kmol/m3 = /çözücü molekül ağırlığıGm : birim alan başına molar gaz akış hızı, kmol/m2sLm : birim alan başına molar sıvı akış hızı, kmol/m2s

L

33

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 15-50Damıtma 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

* 2 0.1

4

42.9( ) ( )( )

w p L L

v L v

V FK

Burada;Vw* : gaz kütle akış hızı, kg/m2sFp : dolgu faktörü, dolgu tipi ve boyutunun karakteristiği(Tablo 11.2)μL : sıvı viskozitesi, Ns/m2

ρL.ρV : sıvı ve buhar yoğunlukları, kg /m3

34

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) İletim birimleri sayısı, NOY

b) Kolon Çapı, DP

c) Aktarım birimleri yüksekliği, HOGd) Kolon yüksekliği Z’yi bulunuz.

35

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 0,5 0,7 1,0

1,5

SO2 kısmi basıncı gaz mm Hg 1,2 3,2 5,8 8,5 14,1 26 39 59

92

8 760 60.8100

x mmHgBeslemedeki SO2’nin kısmi basıncı :

36

Aktarım Birimleri Sayısının Bulunması%95 lik geri kazanım için çıkış gazındaki kısmi basınç = 60.8 x 0.05 = 3.06 mm HgMoleküler Ağırlık: SO2: 64 H2O: 18, hava: 29

1

2

p

p eOG pp

dpN

giriş

37

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 = 60.83.04

= 20

m

m

GmL

0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

NOG 3,7 4,1 6,3 8 10,8 19

m

m

Gm

LOptimum 0.6 -0.8 arasında gözükmektedir.

38

39

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)

1 (0.08 0.95) (0.076)29.0

m m

m m

G Gmx xL L

0.6m mmG L 31 1.57 10x x ‘de mol kesri,

0.8m mmG L ‘de 3

1 2.17 10x x mol kesri,

0.8 kullanılarak, aborpsiyonda önemli bir kademe sayısını artırmaksızın, daha yüksek derişim elde edilir. Dolayısıyla;NOG=8

İşletme doğrusununu eğimi

40

b) Gaz akış hızı = = 1.39 kg/s = = 0.048 kmol/s50003600

1.3929

Sıvı akış hızı = kmol.s = 31.3 kg/s29.0 0.048 1.740.8

x

Dolgu maddesi olarak 38 mm seramik Intalox eğeri seçilirse;

Tablo 11.2’den Fp = 52 (dolgu faktörü)

20 0C deki gaz yoğunluğu = 329 273 1.21 /22.4 293

x kg m

Sıvı Yoğunluğu ~= 1000 kg m3

Sıvı Viskozitesi ~= 10-3 N.s m2

*

* 3

31.3 1.21 0.781.39 10

w v

w L

LG

absis

41

Şekil 11.44’ ten;

K4 = 0.35

Taşmada; K4 = 0.8

20 mmH2O/ mdolgu basınç düşmesi tasarımıiçin

Taşma yüzdesi =

0.35 100 660.8

x

42

Eşitlik 11.118 den;

1.2

* 40.1

( )42.9 ( )

v L vw

p L L

KV

F

=

1.22

3 3 0.1

0.35 1.21(1000 1.21) 0.87 / .42.9 52(10 .10 )

x kg m sx

Gerekli kolon alanı = 21.39 1.6

0.87m

Çap = yaklaşık 1.50 m alınabilir.4 1.6 1.43x m

Kolon alanı = 2 21.5 1.774x m

Kolon çapına karşı dolgu boyutu oranı=1.5/38x10-3=39

Daha geniş dolgu boyutu göz önünde bulundurulmalıdır veya kolon çapı küçültülmelidir.

Seçilen çapta % taşma=66(1.43/1.77)=53

43

c) Cornell’s metodu

DL = 1.7x10-9 m2.sDV = 1.45x 10-5 m2/sμr = 0.018x10-3 N.s/m2

(Sc)v = 3

5

0.018 10 1.041.21 1.45 10

xx x

(Sc)L = 3

9

10 5881000 1.7 10x x

* 31.3 17.61.77wL Kg/s m2

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

HL = 0.15

0.5 80.305x0.1(588) x0.95 0.83.05

m

Su sıcaklığı 20 0C alınmıştır ve çözücü sıvı sudur.

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.

44

f1 = f2 = f3 = 1

0.330.5

0.5

80.011x80(1.04) (2.3)3.05 0.7

(17.6)m

HG =

HOG = 0.7 + 0.8 x 0.8 = 1.3 m

Z = 8 x 1.3 = 10.4 m GLOL

LGOG

HmVLHH

HL

mVHH