1 / 44

GAZ ABSORPSİYONU SİSTEMLERİ TASARIMI

GAZ ABSORPSİYONU SİSTEMLERİ TASARIMI.

bette
Download Presentation

GAZ ABSORPSİYONU SİSTEMLERİ TASARIMI

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. GAZ ABSORPSİYONU SİSTEMLERİ TASARIMI

  2. Tanım:Gaz absorpsiyonu, bir gaz karışımının içerdiğibir 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 V2, y2 V2, y2 V1, y1 V1, y1 L1, x1 L1, x1 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 ayrılması2. 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=0bu 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), H2) Saf bileşen buhar basınçları; Pio3) 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 değilPA=H.xA2- RAULT KANUNU; PA= PAo.xA3- DENGE DAĞILMA KATSAYILARI; K=y/x

  11. 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 KOLON TİPİ SEÇİMİ

  12. 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

  13. TASARIM BASAMAKLARI1- Dolgu türü (Raschig ve Pall halkaları, Berl ve Intalox eyerleri), dolgu boyutu ve dolgu malzemesi seçimiD, 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. gerçek sıvı akış hızı için işletme çizgisi y1 minimum sıvı akış hızı için işletme çizgisi denge eğrisi y2 x1(max) x2 x1 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) alt Eğim=L/V üst Eğim=(L/V)min (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

  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. L2, x2 V2, y2 GAZ SIVI dz y L,x V,y yi xi x V1, y1 L1, x1 4- Dolgu yüksekliğinin/ kolon yüksekliğinin bulunması

  17. Gaz fazda absorplanmak istenen A için KKD;

  18. TRANSFER BİRİMLERİ (HTU ve NTU)

  19. 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

  20. 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 göre Optimum mGm/Lm oranı 0.7-0.8 olmalı

  21. 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 ; Gelişigüzel dolgular için tipik HTU değerleri:

  22. 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 : 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= Burada alt indis w 20oC’deki suyun özelliklerine gösterir. Diğer tüm fiziksel özellikler Kolon koşullarında bulunur.

  23. 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

  24. mmsu/m dolgu yüksekliği

  25. Onda’ nın Metodu Onda et. al. film kütle transfer katsayıları k 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; G ve kütle aktarım katsayısı için: 0.4

  26. K5 : 15 mm üzerindeki dolgu boyutları için 5.23 ve 15 altındaki için ise 2.0 Lw* : birim kesit alanı başına kütlesel akış hızı, kg/ m2s Vw* : birim kesit alanı başına kütlesel gaz akış hızı, kg /m2s aw : birim hacim başına dolgunun etkin arayüzey alanı, m2/ m3 a : birim hacim başına dolgunun gerçek alanı, m2/ m3 dp : dolgu boyutu, m σc : aşağıda verilen özel dolgu maddeleri için kritik yüzey gerilimi Madde 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

  27. Film transfer birimleri yüksekliği aşağıdaki gibidir; Burada; P : Kolon işletme basıncı, atm ya da bar Ct : Toplam derişim, kmol/m3 = /çözücü molekül ağırlığı Gm : birim alan başına molar gaz akış hızı, kmol/m2s Lm : birim alan başına molar sıvı akış hızı, kmol/m2s

  28. 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 boyutunun karakteristiği(Tablo 11.2) μL : sıvı viskozitesi, Ns/m2 ρL.ρV : sıvı ve buhar yoğunlukları, kg /m3

  29. 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, • İletim birimleri sayısı, NOY • Kolon Çapı, DP • Aktarım birimleri yüksekliği, HOG • Kolon yüksekliği Z’yi bulunuz.

  30. Çözüm: SO2’nin sudaki çözünürlüğü yüksek olduğundan, atmosferik basınçtaki işletim yeterli olacaktır. Çözücü giriş sıcaklığı 20oC alınabilir. Çözünürlük verileri; % w/ w çözünen0,05 0,10,150,2 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 SO2 kısmi basıncı gaz mm Hg 1,2 3,2 5,8 8,514,1 26 39 59 92 Beslemedeki SO2’nin kısmi basıncı :

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

  32. 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 = = 20 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 NOG 3,7 4,1 6,3 8 10,8 19 0.6 -0.8 arasında gözükmektedir. Optimum

  33. 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) İşletme doğrusununu eğimi ‘de mol kesri, mol kesri, ‘de 0.8 kullanılarak, aborpsiyonda önemli bir kademe sayısını artırmaksızın, daha yüksek derişim elde edilir. Dolayısıyla; NOG=8

  34. b) Gaz akış hızı = = 1.39 kg/s = = 0.048 kmol/s Sıvı akış hızı = kmol.s = 31.3 kg/s Dolgu maddesi olarak 38 mm seramik Intalox eğeri seçilirse; Tablo 11.2’den Fp = 52 (dolgu faktörü) 20 0C deki gaz yoğunluğu = Sıvı Yoğunluğu ~= 1000 kg m3 Sıvı Viskozitesi ~= 10-3 N.s m2 absis

  35. Şekil 11.44’ ten; 20 mmH2O/ mdolgu basınç düşmesi tasarımı için K4 = 0.35 Taşmada; K4 = 0.8 Taşma yüzdesi =

  36. Eşitlik 11.118 den; = Gerekli kolon alanı = Çap = yaklaşık 1.50 m alınabilir. Kolon alanı = 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.

  37. c) Cornell’s metodu DL = 1.7x10-9 m2.s DV = 1.45x 10-5 m2/s μr = 0.018x10-3 N.s/m2 (Sc)v = (Sc)L = 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 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 = Su sıcaklığı 20 0C alınmıştır ve çözücü sıvı sudur.

  38. f1 = f2 = f3 = 1 HG = HOG = 0.7 + 0.8 x 0.8 = 1.3 m Z = 8 x 1.3 = 10.4 m

More Related