GAZ ABSORPSYONU SSTEMLER TASARIMI 1 Tanm Gaz absorpsiyonu

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 SO 2’nin alkali çözeltisi ile uzaklaştırılması * CO 2’in yanma ürünlerinden sulu amin çözeltileri ile ayrılması * Doğal gazdan propan ve daha ağır bileşenlerin hidrokarbon yağı ile absorpsiyonu 2

ABSORPSİYON DESORPSİYON L 2 , x 2 V 2 , y 2 V 1 , y 1 L 1 , x 1 Amaç gaz karışımındaki bir bileşeni sıvıya almak L 1 , x 1 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 (G 1 (veya V 1), yi 1, T 1) 2) Giren sıvının bileşimi, sıcaklığı (xi 2, T 2) 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, P i, 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. x. A 2 - RAULT KANUNU; PA= PAo. x. A 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) 0. 3 -0. 9 (1 -3) >0. 9 (3) Malzeme: DP, mm (in) <25 (1) 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) alt y gerçek sıvı akış hızı için işletme çizgisi 1 minimum sıvı akış hızı için işletme çizgisi Eğim=L/V denge eğrisi y 2 üst x 2 Eğim=(L/V)min x 1(max) (V 1, y 1) bellidir (y 2) tasarımcı tarafından belirlenir (x 2) bellidir L 2 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=m 2/m 3) d. A=a. S. dz (dz hacim elemanındaki kesit alanı) k’ya=kg mol/s. m 3 dolgu. mol kesri K’ya=kg mol/s. m 3 dolgu. mol kesri k’xa=kg mol/s. m 3 dolgu. mol kesri K’xa=kg mol/s. m 3 dolgu. mol kesri kya=k. Ga. P kxa=k. La. Cort 16

4 - Dolgu yüksekliğinin/ kolon yüksekliğinin bulunması GAZ SIVI V 2 , y 2 L 2 , x 2 y yi dz xi V, y L, x x V 1 , y 1 L 1 , x 1 17

Gaz fazda absorplanmak istenen A için KKD; 18

19

TRANSFER BİRİMLERİ (HTU ve NTU) 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 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; Bu eşitlik grafiksel olarak da Sinnot, Fig. 11. 40’da verilmiş Apsis: y 1/y 2 Ordinat : NOG Parametre: m. Gm/Lm Coulburn yaklaşımına göre Optimum m. Gm/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 ; 24

Burada; HG : Gaz faz transfer ünitesinin yüksekliği, m HL : Sıvı faz transfer ünitesinin yüksekliği, m (Sc)L : Sıvı Schmidt sayısı = (Sc)v : Gaz Schmidt sayısı = Dc Z K 3 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. m 2. s f 1 : Sıvı vizkosite düzeltme faktörü = f 2 : Sıvı yoğunluk düzeltme faktörü f 3 : Yüzey gerilimi düzeltme faktörü= Burada alt indis w 20 o. C’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 K 4/Taşmadaki K 4)0. 5 K 4 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 k. L 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; ve kütle aktarım katsayısı için: 0. 4 30

K 5 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/ m 2 s : birim kesit alanı başına kütlesel gaz akış hızı, kg /m 2 s : birim hacim başına dolgunun etkin arayüzey alanı, m 2/ m 3 : birim hacim başına dolgunun gerçek alanı, m 2/ m 3 : dolgu boyutu, m : aşağıda verilen özel dolgu maddeleri için kritik yüzey gerilimi σc m. N/m Seramik 61 Metal 75 Plastik 33 Karbon 56 σL : sıvı yüzey gerilimi, m. N/m k. G : gaz film kütle transfer katsayısı, kmol/m 2 s atm ya da kmol/m 2 s k. L : sıvı film kütle transfer katsayısı, kmol/m 2 s (kmol/m 3 s) = m/s k. G‘ nin birimi gaz sabitine bağlıdır; R = 0. 08206 atm m 3 kmol K ya da 0. 08314 bar m 3 kmol K 31

Film transfer birimleri yüksekliği aşağıdaki gibidir; Burada; P Ct Gm Lm : Kolon işletme basıncı, atm ya da bar : Toplam derişim, kmol/m 3 = /çözücü molekül ağırlığı : birim alan başına molar gaz akış hızı, kmol/m 2 s : birim alan başına molar sıvı akış hızı, kmol/m 2 s 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. K 4 terimi şekil 11. 44’e göre şu şekilde de hesaplanabilir Burada; Vw * : gaz kütle akış hızı, kg/m 2 s Fp : dolgu faktörü, dolgu tipi ve boyutunun karakteristiği(Tablo 11. 2) μL : sıvı viskozitesi, Ns/m 2 ρL. ρV : sıvı ve buhar yoğunlukları, kg /m 3 33

Örnek • 1. 5 in’lik seramik Intalox eğerleri ile doldurulmuş bir absorpsiyon kolonunda hava içindeki SO 2, su ile absorplanacaktır. Daha sonra saf SO 2 bir sıyırıcıda çözücüden uzaklaştırılacaktır. Öncelikle absorpsiyon kolon tasarımı yapılacaktır. Kolona beslenen gaz karışımı 5000 kg/h akış hızında olup hacimce %8 SO 2 içermektedir. Gaz daha sonra 20 o. C’ye soğutulacaktır. Giren gaz akımı içerisindeki SO 2’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: SO 2’nin sudaki çözünürlüğü yüksek olduğundan, atmosferik basınçtaki işletim yeterli olacaktır. Çözücü giriş sıcaklığı 20 o. C alınabilir. Çözünürlük verileri; % w/ w çözünen SO 2 kısmi basıncı gaz mm Hg 0, 05 0, 1 1, 2 0, 15 3, 2 5, 8 0, 2 0, 3 8, 5 14, 1 0, 5 0, 7 1, 0 1, 5 26 39 59 92 Beslemedeki SO 2’nin kısmi basıncı : 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: SO 2: 64 H 2 O: 18, hava: 29 36

Şekil 11. 40’ı kullanarak (y 1/y 2 ; NOG grafiği) Farklı su akış hızlarında gerekli kademe sayısı belirlenebilir ve ‘optimum’ hız seçilir. y 1/y 2 = p 1/p 2 = 0, 5 NOG Optimum 3, 7 = 20 0, 6 4, 1 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 Lmx 1 = Gm(y 1 -y 2) İşletme doğrusununu eğimi ‘de mol kesri, 0. 8 kullanılarak, aborpsiyonda önemli bir kademe sayısını artırmaksızın, daha yüksek derişim elde edilir. Dolayısıyla; NOG=8 39

b) Gaz akış hızı = = 1. 39 kg/s = Sıvı akış hızı = = 0. 048 kmol/s kmol. s = 31. 3 kg/s Dolgu maddesi olarak 38 mm seramik Intalox eğeri seçilirse; Tablo 11. 2’den Fp = 52 (dolgu faktörü) 20 0 C deki gaz yoğunluğu = Sıvı Yoğunluğu ~= 1000 kg m 3 Sıvı Viskozitesi ~= 10 -3 N. s m 2 absis 40

Şekil 11. 44’ ten; 20 mm. H 2 O/ mdolgu basınç düşmesi tasarımı için K 4 = 0. 35 Taşmada; K 4 = 0. 8 Taşma yüzdesi = 41

Eşitlik 11. 118 den; = Gerekli kolon alanı = Çap = yaklaşık 1. 50 m alınabilir. Kolon alanı = Kolon çapına karşı dolgu boyutu oranı=1. 5/38 x 10 -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 DL = 1. 7 x 10 -9 m 2. s DV = 1. 45 x 10 -5 m 2/s μr = 0. 018 x 10 -3 N. s/m 2 (Sc)v = (Sc)L = Kg/s m 2 Şekil 11. 41 den %53 taşmada, K 3 = 0. 95 Şekil 11. 42 den %53 taşmada, φh = 80 Şekil 11. 43 den Lw* = 17. 6 da θh = 0. 1 HOG değeri yaklaşık 1 m olacağı beklenildiğinden Z’nin ilk tahmini 8 m alınabilir. Kolon çapı 0. 6 m’den büyük olduğundan çap düzeltme terimi 2. 3 alınabilir. HL = Su sıcaklığı 20 0 C alınmıştır ve çözücü sıvı sudur. 43

f 1 = f 2 = f 3 = 1 HG = HOG = 0. 7 + 0. 8 x 0. 8 = 1. 3 m Z = 8 x 1. 3 = 10. 4 m 44