Absorpcija

1. Absorpcija • Namen: ločitev ene ali več sestavin iz zmesi plinov s pomočjo raztapljanja • v ustrezni kapljevini - topilu • Značilnosti absorpcije: • izrazito enosmeren proces – enostranska difuzija molekul plina v kapljevino • poteka pri relativno nizkih temperaturah (v primerjavi z destilacijo) • proces spremlja sproščanje toplote • zaradi nižje učinkovitosti absorpcije pri povišani temperature je potrebno • absorpcijske stolpe hladiti Plinska zmes absorber Kapljevito topilo Očiščen plin Topilo z vezanimi plini

2. Ravnotežje plin-kapljevina Za proces absorpcije so značilne nizke koncentracije topljenca v kapljeviti zmesi, Lahko uporabimo Henryjev model ravnotežja: Vrednost Henryjeve konstante se povišuje s poviševanjem temperature v sistemu, s tem se posledično znižuje največji (ravnotežni) delež topljenca v topilu slabša absorpcija! x

3. Jezero Nyos, Kamerun • Krater bivšega vulkana • l.1986 – nenadna sprostitev CO2 pomori vse živo v kotlini (80m višine, 19 km širine): 1700 ljudi + xx živali • Vzrok: v kraterju se še vedno sproščajo plini iz magme, ki je 80km globoko, med njimi CO2. • Jezero je globoko do 200 metrov. • CO2 je težji od zraka, zato se zadržuje pri tleh, to je bilo usodno za kotlino

4. Jezero Nyos: vzroki sprostitve • CO2 je v vodi zelo dobro topen (gazirane pijače!), še posebej pod visokim tlakom (200m = 20barov), saj je jezero zelo globoko. • Zmes vode in CO2 je težja kot voda, torej se zadržuje v globini. • Problem nastopi pri stanju nasičenja, takrat se začne sproščati CO2 v obliki plinastih mehurčkov, ta tok lahko poruši ravnotežje stratificiranih plasti v jezeru. • Dodatni vplivi (npr. hladna noč in posledično mešanje zaradi naravne konvekcije) lahko povzročijo nenadno in močno mešanje spodnjih in zgornjih plasti vode, zgoraj je tlak 1 bar, presežek CO2 se uplini!!

5. Dogajanje 12. avgusta 1986 Sprostitev CO2 je imela za posledico nastanek curka iz jezera, ki je dosegel hitrost 100km/h, nato pa je zaradi in lege kraterja, ki je nad kotlino, kot oblak višine 50m drvel po dolini z 20-50 km/h. Smrtonosno območje se je raztezalo 23 km po dolini. Delež CO2 v vodi je moral biti približno 0.5 do 0.9!! (1 liter vode je vseboval do 5 litrov CO2) • Dodatni vplivi: • hladna noč • močno deževje • imajo za posledico mešanje zaradi naravne konvekcije. Jezero po katastrofi: rjava barva je posledica oksidacije železa, ki je prav tako raztopljeno v vodi

6. Preprečitev naslednje katastrofe • Reševanje probema: • globoka cev (200m) z nekaj vmesnimi odprtinami • začetno kroženje povzroči črpalka 1, • ko se globinska voda dviguje, se tlak zmanjšuje, in npr. 70% nasičena voda pride v stanje nasičenja, sprosti se plin, mehurčki zaradi vzgona potegnejo za sabo kapljevito vodo, začne se samodejno kroženje vode in sproščanje plina, 2.

7. Primeri uporabe Gibbsovega faznega pravila • Absorpcija: • P=2, K=3  Z = K – P + 2 = 3 Neznanke: p, T, C sestavine v kapljeviti, C sestavine v parni fazi. Če izberemo p in T in koncentracijo C sestavine v parni fazi, je s tem določena RAVNOTEŽNA koncentracija sestavine v kapljevini! Pomembno: Gibbsovo fazno pravilo velja za sistem v ravnotežju!! Faza 1: kapljevito topilo Faza 2: očiščen plin Faza 2: zmes plinov Faza 1: v kapljevini raztopljeni plini

8. Naprave za absorpcijo Stolp s pladnji Stolp s polnili Razpršilni stolp pare pare kapljevina kapljevina pare kapljevina 1 2 N–1 N kapljevina kapljevina pare pare kapljevina pare Stolp z mehurčki pare Centrifugalni absorber kapljevina kapljevina pare pare kapljevina kapljevina pare

9. Zahteve za absorpcijsko sredstvo Absorpcijsko sredstvo bi naj: • 1. imelo visoko sposobnost topnosti topljenca (ciljne plinske sestavine), kar zmanjša zahtevano količino topila • 2. imelo nizko hlapnost, kar zmanjša izgube topila pri regeneraciji topila • 3. bilo stabilno, kar zmanjša potrebo po nadomeščanju topila • 4. bilo nekorozivno, kar zmanjša potrebo po nerjavnih materialih • 5. imelo nizko viskoznost, kar zmanjša tlačni padec, moč črpalke, • 6. ne ustvarjalo pen v stiku s plinom, kar zmanjša dimenzije absorpcijske naprave • 7. ne bi bilo strupeno in vnetljivo • 8. bilo na voljo iz celotnega procesa (kakšne druge ločevalne enote), kar zmanjša stroške in potrebo po zunanjem viru

10. Absorpcija in desorpcija Po poteku absorpcije je pogosto treba iz dobljene kapljevite zmesi regenerirati topilo, predvsem zaradi ekonomičnosti procesa. Obratni proces absorpciji je desorpcija. Inertni plini topljenec topilo absorpcija desorpcija Inertni plini in topljenec Topljenec in topilo

11. Naprave za absorpcijo Polnila z naključnim polnjenjem: Kapljevito topilo Očiščen plin Strukturirana polnila: Zmes plinov V kapljevini raztopljeni plini Značilnost polnil: visoka poroznost (do 0,94), velika površina

12. Tokovne in tlačne razmere v stolpu s polnili • Stolp deluje učinkovito, kadar so vsa polnila omočena. • V spodnjem delu stolpa se pojavi zbiranje kapljevine (kanalski tok), kapljevina teži • k stenam stolpa (večja poroznost). Rešitev: delitev stolpa na dva ali več ločenih enot z • dodatnimi zbiralniki in razpršilniki kapljevine. • Tlačni padec v stolpu je sestavljen iz: • tlačnega padca pri toku plina skozi suh stolp (skozi porozni sloj polnil) • dodatnim tlačnim padcem zaradi prisotnosti kapljevine v mokrem stolpu

13. Določitev števila stopenj absorpcijskega stolpa McCabe-Thiele metoda:

14. Primer: pralnik plinov

15. Postavitev šob in tok zraka

16. Razprševanje in tok kapljic

17. Mokri kalcitni postopek za razžveplanje dimnih plinov Proces temelji na absorpciji žveplovega dioksida iz dimnih plinov v suspenzijo, kjer tvori s kalcitom stabilen produkt (sadro). V absorpcijski koloni prihaja v protitoku do kontakta med dimnim plinom in suspenzijo. Nevtralizacijsko sredstvo je kalcit. Razlike parcialnih tlakov SO2 v dimnem plinu in tekočini povzročajo prehod SO2 v razpršeno suspenzijo, kjer se hidratizira, pri čemer nastane žveplova (IV) kislina, ki zelo hitro disociira. SO2 (g)  →   SO2 (aq)SO2 (aq) + H2O  →   H2SO3H2SO3   →   H+ + HSO3-HSO3-   →  H+ + SO32- Pri raztapljanju CaCO3 se nevtralizirajo vodikovi ioni, nastane ogljikova kislina, ki disociira v H2O in CO2, ta pa zapušča tekočo fazo in se odvaja skupaj z dimnimi plini. CaCO3 ((aq) +  H+  →  Ca2+ + HCO3-HCO3-  +  H+  →   H2O + CO2 Presežek kalcijevih ionov v suspenziji reagira s hidrogensulfitnimi in sulfitnimi ioni, ki so nastali z disproporcionacijo žveplove (IV) kisline. Nastali sulfitni ioni  oksidirajo v sulfatne ione v absorberju s prisotnim kisikom v dimnih plinih, v reakcijski posodi pa ob intezivnem dovajanju zraka in mešanjem suspenzije. CaCO3 + 2H+ + 2HSO3- →  Ca(HSO3)2  + H2O + CO2Ca(HCO3)2+ + 2H+ + SO32-  →  CaSO3  × 1/2H2O + 3/2 H2O + 2CO2CaSO3 × 1/2H2O + 1/2O2 + 3/2H2O  →   CaSO4  × 2H2OVzporedno z oksidacijo sulfita v sulfat poteka tudi kristalizacija sadre. Pomembno je odstranjevanje že formiranih grobih kristalov (to se zgodi v vencu hidrociklonov) in vračanje drobnih osnovnih jeder v pralnik.V dimnih plinih so poleg SOx še kisle spojine (HCl, HF).Klor in fluor se vežeta na kalcij, CO2 pa se odvaja. CaCO3  +  2HCl → CaCl2 + H2O + CO2CaCO3  + 2HF → CaF2  +  H2O  +  CO2

18. Adsorpcija Adsorpcija je vezava plinske (tudi kapljevite) sestavine na trdno površino zaradi delovanja površinskih sil. Da bi bila adsorpcija čim učinkovitejša, mora imeti trdna snov veliko površino – porozne snovi so idealna adsorpcijska sredstva. • Primer adsorbenta: • aktivno oglje, površina 1400 cm2/g snovi • zeoliti oz. molekularna sita (Na-Al silikati), površina 800-1000m2/g snovi

19. Adsorpcija Ravnotežna vsebnost vlage Langmuir:

20. Primeri adsorpcijskih izoterm