Absorpsiyon Ders Notları (Prof. Dr. A. Karaduman)

Absorpsiyon Ders Notları (Prof. Dr. A. Karaduman)

KYM 416 Proses Tasarımı II
Prof. Dr.
Ali Karaduman
GAZ
ABSORPSĐYON/DESORPSĐYON
SĐSTEMLERĐ TASARIMI
Ay ı r m a P r o s e s l e r i
Gaz-Sıvı
• Destilasyon
• Buharlaşma
• GAZ ABSORPSĐYONU/DESORPSĐYONU
Sıvı-Sıvı
• Sıvı ekstraksiyonu
• Süperkritik ekstraksiyon
Katı-Akışkan
•
•
•
•
•
Filtrasyon
Adsorpsiyon ve iyon değişimi
Kristalizasyon
Kurutma
Liç
2
ABSORPSĐYON
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. Yani,
absorpsiyon, çözünebilir gaz halindeki
bileşenin bir gaz akımından bir çözücü
sıvıda
çözünmesiyle
alınması
olarak
tanımlanabilir.
Absorpsiyon bir difüzyonel kütle aktarım
işlemidir.
Kütle aktarımı yürütücü güçü: Derişim farkı
Yürütücü güç pozitif ise : absorpsiyon
Yürütücü güç negatif ise : desorpsiyon
(stripping)
Çözücü : Su veya düşük uçuculuklu organik
bir sıvı
Uygulama Örnekler
UYGULANAN GAZ
ABSORPLANAN
GAZ
ÇÖZÜCÜ
AMAÇ
Kok fırın gazı
Amonyak
Su
Yan ürün geri kazanımı
Kok fırın gazı
Benzen ve toluen
Yağ
Yan ürün geri kazanımı
Metanolden formaldehit
üretim gazları
Formaldehit
Su
Ürün geri kazanımı
Selüloz asetat elyaf
üretimde kurutma
gazları
Aseton
Su
Çözücü geri kazanımı
Rafineri gazları
Hidrojen sülfit
Alkali çözeltiler
Kirlilik uzaklaştırma
Doğal ve rafineri gazları
Hidrojen sülfit
Sodyum 2,6-(ve 2,7-)
antrakinondisülfonat
çözeltisi
Kirlilik uzaklaştırma
Baca gazı
Sülfür dioksit
Alkali çözelti
Kirlilik uzaklaştırma
Doğal gaz
Propan ve bütan
Kerosen
Gaz ayırma
Amonyak sentez gazı
Karbon Monoksit
Amonyaklı bakır klorür
çözeltisi
Kirlenmelerin
uzaklaştırılması
Kızartma gazları
Sülfür dioksit
Su
Kağıt hamuru için
kalsiyum sülfat çözeltisi
Yanma ürünleri
CO2
Sulu amin
Gaz ayırma
Destilasyon ile absorpsiyon kıyaslaması
DESTĐLASYON
ABSORPSĐYON
Destilasyonda buhar, kaynama Absorpsiyonda ise
noktasındaki
sıvının kısmı gazdır
ve
sıvı
buharlaşması
ile
sağlanır. noktasından
Bunun
için
sıvı
kolonda aşağıdadır.
kaynama
noktasında
bulunmalıdır.
Destilasyonda molküllerin iki
yönde
difüzyonu
söz
konusudur. Yani, eşmolar karşı
yönlü yayılma vardır.
besleme
kaynama
oldukça
Absorpsiyonda gaz molekülleri
sıvı içine yayınır. Absorpsiyonda
karşı yönde yayınma ihmal
edilir.
5
Absorpsiyon kulelerinde akış yönü olarak çoğunlukla karşı
takım kullanılır. Yani, sıvı çözücü yukarıdan verilirken gaz
akımı aşağıdan verilir.
6
ABSORPSĐYON
DESORPSĐYON
L2, x2
L2, x2
V2, y2
V2, y2
V1, y1
V1, y1
L1, x1
Amaç gaz karışımındaki bir
bileşeni sıvıya almak
L1, x1
Amaç sıvıdaki uçucu bileşeni bir
gaz ile gaz faza almak (striper)
Absorpsiyon işlemleri
Absorpsiyon işlemlerinde üç temel basamak vardır
1) Gaz ve sıvının uygun bir düzenekte birbiriyle temasının sağlanması
2) Đki fazın birbiriyle dengeye gelmesinin sağlanması (gazdan sıvıya
kütle aktarımı)
3) Gaz ve sıvı fazlarının birbirinden ayrılması
2. Basamakdaki kütle aktarım hızı;
• Đstenen maddenin her iki fazdaki derişimine
• Her bir fazın kütle aktarım katsayısına
• Maddenin sıvıdaki çözünürlüğüne
• Üzenekteki 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)
ABSORPSĐYON SĐSTEMĐ TASARIMINDA GENEL AMAÇLAR
Bir absorpsiyon kolonu tasarımı bir çok faktöre ihtiyaç duyar. Bunlardan bazıları
aşağıda verilmiştir.
1. Sözkonusu gaz karışımı için en uygun çözücünün
belirlenmesi.
2. En iyi kolon gaz hızının bulunması;
3. Kolon çapının belirlenmesi
4. Kolon yüksekliği, kolon tipi
5. Dolgu boyutu, tipi veya plaka sayısının belirlenmesi
6. Optimum çözücü hızının bulunması
7. Kolona giren ve çıkan akımların bileşiminin,
sıcaklığının, basınçının ve çözünme ısısının bulunması
8. Mekanik tasarım; akım dağıtıcıları, dolgu destek
maddesi vs. belirlenmesi
9. Isı etkileri ve soğutma/ısıtma ihtiyacı
10. Đşletme basıncı ve sıcaklığı ve kolon basınç düşmesi
11. Denge kademelerinin sayısı
Tasarımda belirlenmesi gereken parametreler
Tasarımdan önce aşağıdaki parametrelerin belirlenmesi gerekir
1) Giren gazın akış hızı, bileşimi ve sıcaklığı (G1 (veya V1), yi1,T1)
2) Giren sıvının bileşimi, sıcaklığı (xi2,T2)
3) Đşletme 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) Đdeal kademe sayısı veya kolon boyu
3) Bir bileşenin ne kadarının absorplanmasının istendiği
Çözücünün özellikleri
Absorpsiyon kolonlarında çözücü olarak genellikle su ve az uçucu organik
çözücüler kullanılabilmektedir. Genel olarak çözücüde aşağıdaki
özelliklerin olması istenir.
•
•
•
•
•
•
•
•
Đyi çözme özelliği olmalıdır
Uçucu olmamalı
Korozif olmamalı
Kararlı olmalı ve kolay bozunmamalıdır
Düşük viskoziteli olmalı
Köpük oluşturmamalı
Alevlenmemeli
Ucuz olmalıdır
Çözücü geri kazanımı için DESTĐLASYON gerekir.
Çıkan gaz karışımı çözücüyle doymuş olduğundan çözücü kaybı çok olur, bu
nedenle ucuz bir çözücü, çözme gücü yüksek
olanla tercih edilir.
11
Dolgu maddesi özellikleri
Dolgular maddeleri olarak topraktan
yapılmış malzemeler (Rasching halkası,
Berl eğeri vb.), plastikler ve paslanmaz
çelik dolgu malzemeleri sayılabilir. Dolgu
malzemelerinin
özellikleri
aşağıda
verilmiştir.
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dayanıklı ve korozyona dirençli olmalı
Birim hacmi başına serbest kesit alanı
büyük olmalı
Birim hacim başına ıslak yüzey fazla olmalı
Gaz akışına sürtünme direnci olmamalı
Dolgu tarafından tutulan sıvı ağırlığı az
olmalı
Gerekli akışı sağlama kapasitesi olmalı
Kütle aktarım etkinliği yüksek olmalı
Birim etkin yüzeyinin fiyatı ucuz olmalı
Temasa geldiği gaz-sıvı fazlarla reaksiyon
vermemeli (inert olmalı)
12
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 kaynaklardan sağlanabilir.
* Denge verileri, gaz-sıvı sistemler için ÇÖZÜNÜRLÜK VERĐLERĐ ‘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)
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= PAo.xA
3- DENGE DAĞILMA KATSAYILARI;
K=y/x
KOLON TĐPĐ SEÇĐMĐ
Gaz aborpsiyon cihazlarının tasarımında temel gereksinme gazı sıvı ile temasa
getirmektir ve cihazın etkinliği iki faz arasındaki yeterli teması sağlamasıdır.
Absrpsiyonda bir çok kolon tipi olmasına rağmen çoğunlukla kademeli ve dolgulu
kolonlar kullanılır.
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
15
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
(NTU) belirler
3 : Kademe verimi ve kademeler arası mesafeyi ya da
aktarım birimleri yüksekliğini (HTU) belirler
16
DOLGULU KOLONLARIN TASARIMI BASMAKLARI
1- Dolgu türü (Raschig ve Pall halkaları, Berl ve Intalox eyerleri vb.), dolgu
boyutu ve dolgu malzemesi seçimi
D, m (ft)
< 0.3 (1)
0.3-0.9 (1-3)
>0.9 (3)
DP, mm (in)
<25 (1)
25-38 (1-1.5)
50-75 (2-3)
Malzeme:- seramik
- plastik
- çelik
17
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
y1
gerçek sıvı akış hızı için işletme çizgisi
minimum sıvı akış hızı için işletme çizgisi
Eğim=L/V
denge eğrisi
y2
üst
x2
Eğim=(L/V)min
x1
x1(max)
(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
18
Gaz akış hızı için de kritik bir değer söz konusu.
19
3- Film ve tüm kütle aktarım katsayıları
* Deneysel olarak fazlar arasındaki kesit alanının (film katsayılarının da)
belirlenmesi zor
Fazla arası kütle aktarımı için en çok kullanılan iki film modelidir. Kütle
aktarım birimlerini bulmak ondan da kolon çapı ve boyunu bulmak için
kütle aktarım katsayılarına ihtiyaç vardır.
kya=kg mol/s.m3dolgu. mol kesri
Kya=kg mol/s.m3dolgu. mol kesri
kxa=kg
mol/s.m3dolgu.
mol kesri
Kxa=kg mol/s.m3dolgu. mol kesri
kya=kGa.P
kxa=kLa.Cort
GAZ
SIVI
y
yi
xi
x
4- Dolgu yüksekliğinin/ kolon yüksekliğinin bulunması
* Hacimsel kütle aktarım katsayıları belirlenir (a=m2/m3)
dA=a.S.dz (dz hacim elemanındaki kesit alanı)
Sıvı filim
L2, x2
V2, y2
Dolgu
malzemesi
Gaz
(sürekli faz)
y
x
dz
y+dy
V1, y1
x+dx
ara yüzey alanı
a=
kolon hacmi
L1, x1
21
Gaz fazda absorplanmak istenen A için KKD
( V .y ) z − ( V .y ) z +∆z − r .a.A.∆z = 0
d ( V .y )
−
− r . aA = 0
dz
r .a = kya ( y − yi )
y
V . y = V '.Y = V '
1− y
V'
V =
⇒ V' = V (1 − y )
1− y
r=
mol A
ara yüzey alan ı. zaman
V ' : toplam inert hıız, Y : inert kesri
22
y
dy
dy
d (V . y ) = V ' d (
) =V'
=V(
)
2
1− y
(1 − y )
1− y
zT
zT =
zT =
y2
V/A
dy
−
k y a ( 1 − y )( y − y i )
∫ dz = ∫
0
y1
zT
x2
∫ dz = ∫
0
x1
y1 > y 2
L/ A
dx
−
k x a ( 1 − x )( xi − x )
x1 < x 2
Seyreltik Sistemlerde V=Sbt
V / A
zT = −
k ya
HTU
y2
∫
y1
dy
( y − yi )
NTU
V / A
zT = −
K ya
y2
∫
y1
dy
( y − y* )
TRANSFER BĐRĐMLERĐ (HTU ve NTU)
Genellikle HTU deneysel olarak, NTU ise denge verilerinden hesaplanır ve
kolon yüksekliği Z bulunur.
z = HG NG
V /A
=
k'y a
L/ A
z = H LN L =
k'x a
z = H OG N OG
z = H OL N OL
y1
(1 − y ) im dy
∫y (1 − y )( y − y i )
2
x1
(1 − x ) im dx
∫x (1 − x )( x i − x )
2
V /A
=
K 'y a
L/ A
=
K 'x a
y1
(1 − y ) * m dy
∫y (1 − y )( y − y * )
2
x1
(1 − x ) * m dx
∫x (1 − x )( x * − x )
2
z = H G NG = H L N L = H OG NOG = H OL NOL
24
TRANSFER BĐRĐMLERĐ (devam)
Benzer bir HTU değerinden diğerine geçmek gerekebilir. 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.
y1
 ( 1 − y )im 
dy
z = H G NG = H G 

(
1
−
y
)

 ort y2 ( y − yi )
∫
x1
 ( 1 − x )im 
dx
z = HLNL = HL 

(
1
−
x
)

 ort x2 ( xi − x )
∫
y1
z = H OG N OG
 ( 1 − y )* m 
dy
= H OG 

*
(
1
y
)
−
(
y
y
)
−

 ort y2
∫
x1
z = H OL N OL
 ( 1 − x )* m 
dx
= H OL 

*
(
1
x
)
−
(
x
−x)

 ort x2
mV
HOG = HG + HL
L
L
HOL = HL + HG
mV
m: denge eğrisi eğimi
L/V: işletme eğrisi eğimi
∫
25
NTU Tahmini
Coulburn Yaklaşımı : Denge ve işletme eğrileri doğru şeklinde (seyreltik
çözelti durumu) ise ve çözücü çözünen madde içermiyorsa Transfer
birimleri sayısı;
N OG

mGm  y1 mGm 
1
 +
ln  1 −
=

1 − ( mGm / Lm ) 
Lm  y2
Lm 
Bu eşitlik grafiksel olarak da Sinnot, Şekil 11.40’da verilmektedir.
Apsis: y1/y2
Ordinat : NOG
Parametre: mGm/Lm
Coulburn yaklaşımına göre
Optimum mGm/Lm oranı 0.7-0.8 olmalı
26
27
HTU Tahmini
Cornell ve Onda Yöntemleri :
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’in transfer birimleri yüksekliği için korelasyonları vardır :
Dc 1.11 Z 0.33
*
H G = 0.011ψ ( Sc )V (
) (
) /( LW f 1 f 2 f 3 )0.5
0.305
3.05
Z 0.15
0.5
H L = 0.305ϕ h ( Sc )L K 3 (
)
3.05
0.5
28
Burada;
HG
: Gaz faz transfer biriminin yüksekliği, m
HL
: Sıvı faz transfer biriminin yüksekliği, m
(Sc)L
: Sıvı Schmidt sayısı = µ L / ρ L D L
(Sc)v
: Gaz Schmidt sayısı = µ v
Dc
Z
K3
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. m2.s
f1
: Sıvı vizkosite düzeltme faktörü = ( µ L µV )
0.16
f2
: Sıvı yoğunluk düzeltme faktörü = ( ρ W ρ V
) 1.25
f3
0 .8
(
σ
σ
)
: Yüzey gerilimi düzeltme faktörü=
w L
φh
ψh
/ ρ v Dv
Burada alt indis w 20oC’deki suyun özelliklerine gösterir. Diğer tüm fiziksel
özellikler Kolon koşullarında bulunur.
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
30
31
32
mm su / m dolgu yüksekliği
33
Onda’ nın Metodu
Onda et. al. film kütle transfer katsayıları k ve kL ile etkin ıslak bölge
G
alanı aw için kullanışlı korelasyonlar yayımlamıştır. Burada aw, HG ve HL yi
hesaplamak için kullanılmaktadır.
Onda’nın korelasyonları çok fazla miktarda gaz absorbsiyonu ve
destilasyon verilerine bağlanmıştır.
Etkin bölge için eşitlik;


σ
aw
= 1 − exp − 1.45 c
a
σ L





0.75 



 aµ L 


L*w
0.1 
*2 
 Lw a 
 2 
 ρLg 


−0.05
 *2 
 Lw 


 ρ Lσ L a 


0.2 




ve kütle aktarım katsayısı için:
1.3
 ρ 
kL  L 
 µL g 
 L 
= 0.0051 

a
µ
 w L
*
w
2.3
 µL 


D
ρ
 L L
− 1.2
0.4
( ad p )
34
 Vw* 
kG RT
= K5 

a Dv
 aµc 
K5
Lw*
Vw*
aw
a
dp
σc
Madde
0.7
1.3
 µv 
−2.0

 ( ad p )
 ρ v Dv 
: 15 mm üzerindeki dolgu boyutları için 5.23 ve 15 altındaki için ise 2.0
: birim kesit alanı başına kütlesel akış hızı, kg/ m2s
: birim kesit alanı başına kütlesel gaz akış hızı, kg /m2s
: birim hacim başına dolgunun etkin arayüzey alanı, m2/ m3
: birim hacim başına dolgunun gerçek alanı, m2/ m3
: dolgu boyutu, m
: aşağıda verilen özel dolgu maddeleri için kritik yüzey gerilimi
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
35
Film transfer birimleri yüksekliği aşağıdaki gibidir;
H
H
G
L
=
Gm
kG aw P
Lm
=
k LawC t
Burada;
P
Ct
Gm
Lm
: Kolon işletme basıncı, atm ya da bar
: Toplam derişim, kmol/m3 = ρ L /çözücü molekül ağırlığı
: birim alan başına molar gaz akış hızı, kmol/m2s
: birim alan başına molar sıvı akış hızı, kmol/m2s
36
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 : 15-50
Destilasyon
: 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
K4 =
42.9(Vw* ) 2 Fp ( µ L ρ L )0.1
ρv ( ρ L − ρv )
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
37
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)
b)
c)
d)
Transfer birimleri sayısı, NOY
Kolon Çapı, DP
Aktarım birimleri yüksekliği, HOG
Kolon yüksekliği Z’yi bulunuz.
38
Çözüm:
SO2’nin sudaki çözünürlüğü yüksek olduğundan, atmosferik
basınçtaki işletim yeterli olacaktır. Çözücü giriş sıcaklığı 20oC
alınabilir. Çözünürlük verileri (Perry);
% w/ w
çözünen
0,05 0,1 0,15 0,2 0,3
SO2 kısmi
basıncı
gaz mm Hg 1,2
3,2 5,8
8,5
Beslemedeki SO2’nin kısmi basıncı :
14,1
0,5
0,7
1,0
1,5
26
39
59
92
8
x760 = 60.8mmHg
100
39
a)
Transfer birimleri sayısının (NOG) bulunması
%95 lik geri kazanım için
çıkış gazındaki kısmi basınç =
giriş
60.8 x 0.05 = 3.06 mm Hg
Moleküler Ağırlık: SO2: 64
H2O: 18, hava: 29
p1
N OG =
∫
p2
dp
p − pe
40
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 = 60.8
3.04
m
Gm
Lm
NOG
0,5
3,7
Gm
m
Optimum
Lm
0,6
4,1
= 20
0,7
6,3
0,8
0,9
8 10,8
1,0
19
0.6 -0.8 arasında gözükmektedir.
41
42
0.6’nın altında NOG değerlerinde küçük azalmalar 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 denkliği
Lmx1 = Gm(y1-y2)
Gm
m Gm
x1 =
(0.08 x 0.95) =
(0.076)
Lm
29.0 Lm
Denge doğrusununu eğimi
mGm Lm = 0.6 ‘de
x1 = 1.57 x10 −3mol kesri,
−3
x
=
2.17
x
10
mGm Lm = 0.8 ‘de 1
mol kesri,
0.8 kullanılarak, aborpsiyonda önemli bir kademe sayısını
artırmaksızın, daha yüksek derişim elde edilir. Dolayısıyla;
43
NOG=8
b) Kolon çapının bulunması, DP
5000
1.39
Gaz akış hızı =
= 1.39 kg/s =
= 0.048 kmol/s
29
3600
29.0
x0.048 = 1.74 kmol/s = 31.3 kg/s
Sıvı akış hızı =
0.8
Dolgu maddesi olarak 38 mm (1.5 in) seramik Intalox eğeri seçilirse;
Tablo 11.2’den Fp = 170 m-1 (dolgu faktörü)
29 273
3
0
x
=
1.21
kg
/
m
20 C deki gaz yoğunluğu =
22.4 293
Sıvı Yoğunluğu ~= 1000 kg/m3
Sıvı Viskozitesi ~= 10-3 N.s m2
L*w
Gw*
ρv 31.3 1.21
=
= 0.78
3
ρ L 1.39 10
Şekil 11.44’ün absisi
44
Şekil 11.44’ ten;
20 mmH2O/
m dolgu basınç
düşmesi tasarımı
için
K4 = 0.35
Taşmada;
K4 = 0.8
Yüzde taşma = (Tasarlanan
basınç düşmesindeki
K4/Taşmadaki K4)0.5
Taşma yüzdesi =
0.35
x100 = 66
0.8
45
Eşitlik 11.118 den;
1.2
 K ρ ( ρ − ρv ) 
Vw* =  4 v L
0.1 
µ
ρ
42.9
F
(
)


p
L L
Gerekli kolon alanı =
Çap =
4
π
x1.6 = 1.43m
Kolon alanı =
π
4
1.2
=  0.35 x1.21(1000 − 1.21) 
 42.9 x52(10−3.103 )0.1 


= 0.87 kg / m 2 .s
1.39
= 1.6m 2
0.87
Kolonun kesit alanı başına
gaz kütlesel akış hızı
yaklaşık 1.50 m alınabilir.
x1.52 = 1.77 m 2
Kolon çapına karşı dolgu boyutu oranı=1.5/38x10-3=39
Seçilen çapta % taşma=66(1.6/1.77)=60
Daha geniş dolgu boyutu göz önünde bulundurulmalıdır
veya kolon çapı küçültülmelidir.
46
c) HOG Tahmini
0.018 x10−3
(Sc)v = 1.21x1.45 x10−5 = 1.04
Cornell’s metodu :
10−3
= 588
(Sc)L =
1000 x1.7 x10−9
1.7x10-9
DL =
m2.s
DV = 1.45x 10-5 m2/s
µr = 0.018x10-3 N.s/m2
L*w =
31.3
= 17.6 Kg/s m2
1.77
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 =
 8 
0.305x0.1(588)0.5 x0.95 

 3.05 
0.15
= 0.8m
Su sıcaklığı 20 0C alınmıştır ve çözücü sıvı sudur.
47
f1 = f2 = f3 = 1
HG =
 8 
0.011x80(1.04) (2.3) 

 3.05 
0.33
0.5
(17.6)0.5
= 0.7m
mV
HL
L
L
= HL +
HG
mV
H OG = H G +
H OL
HOG = 0.7 + 0.8 x 0.8 = 1.3 m
d) Kolon yüksekliği Z’nin bulunması
Z = HOG NOG
Z = 1.3 x 8
Z = 10.4 m
Tahmin edilen değere yakın.
48