Gli impianti pilota di assorbimento dei gas nell'ingegneria chimica utilizzano entrambi i metodi per convertire la rimozione del soluto in una variazione misurabile del volume del gas. Il metodo del volume del componente puro stima il volume occupato dal gas assorbito e rimuove tale contributo dalla miscela in ingresso prima di correggere i valori in base alla temperatura e alla pressione in uscita. Il metodo della pressione parziale utilizza un gas inerte conservato, come l'azoto o l'aria secca, e calcola il volume in uscita dalle sue pressioni parziali in ingresso e in uscita.
Il principio fondamentale è la conservazione di un componente di riferimento non assorbito: sebbene il soluto rimosso diminuisca, il componente inerte rimane nella fase gassosa, fornendo una base affidabile per il calcolo del volume finale del gas.
Perché il volume del gas cambia durante il lavaggio
La rimozione del soluto modifica le moli totali del gas
Se uno scrubber assorbe acido cloridrico, cloro, anidride solforosa, anidride carbonica o un altro componente solubile, il soluto passa dalla fase gassosa alla fase liquida.
Il numero totale di moli nella fase gassosa diminuisce quindi, a meno che non venga aggiunto al gas un altro componente volatile, come il vapore acqueo.
Anche la temperatura e la pressione influenzano il volume
Il volume del gas dipende da fattori che vanno oltre la composizione. Per un gas ideale,
PV = nRT
Di conseguenza, una corrente in uscita può avere un volume diverso a causa di variazioni nelle moli di gas, nella temperatura, nella pressione o in tutti e tre i parametri.
Il gas inerte fornisce il riferimento
Un gas vettore come l'azoto o l'aria secca viene selezionato come componente di riferimento. Si presume che il suo flusso massico o molare rimanga costante attraverso la colonna di assorbimento.
Questo componente conservato consente agli ingegneri di distinguere la reale rimozione del soluto dalle variazioni di volume causate esclusivamente dalle condizioni operative.
Applicazione del metodo del volume del componente puro
Iniziare dal volume della miscela in ingresso
Misurare o calcolare il volume, la temperatura e la pressione del gas in ingresso:
V_in, T_in, P_in
Se il componente assorbito ha una frazione molare in ingresso y_A,in, il suo volume parziale di gas ideale alle condizioni di ingresso è:
V_A,in = y_A,in V_in
In alternativa, utilizzando le sue moli in ingresso:
V_A,in = n_A,in R T_in / P_in
Rimuovere il volume associato al soluto assorbito
Per l'assorbimento completo del componente A, il volume di gas rimanente alla temperatura e alla pressione di ingresso è approssimativamente:
V_remaining,in = V_in - V_A,in
Per l'assorbimento parziale, deve essere rimossa solo la porzione assorbita:
V_remaining,in = V_in - Delta(n_A) R T_in / P_in
dove Delta(n_A) è il numero di moli di A trasferite nel liquido.
Questa distinzione è importante perché uno scrubber di solito rimuove una frazione del soluto anziché la sua totalità.
Correggere il gas rimanente alle condizioni di uscita
Dopo aver determinato il volume del gas rimanente alle condizioni di ingresso, applicare la correzione relativa al gas ideale:
V_out =
V_remaining,in (T_out / T_in) (P_in / P_out)
Questo calcolo presuppone che il gas rimanente si comporti idealmente e che la composizione del gas utilizzata nella stima del volume sia nota o adeguatamente approssimata.
Utilizzare il metodo per una prima stima del volume
Il metodo del componente puro è intuitivo perché tratta il soluto assorbito come un contributo di volume che scompare dalla corrente gassosa.
È particolarmente utile per illustrare il collegamento diretto tra rimozione del soluto e riduzione del volume della fase gassosa, a condizione che la frazione assorbita e le condizioni operative siano definite chiaramente.
Applicazione del metodo della pressione parziale
Scrivere il bilancio del gas inerte
Sia il componente I il gas vettore non assorbito. Le sue quantità molari in ingresso e in uscita sono uguali:
n_I,in = n_I,out
Utilizzando la legge dei gas ideali e la legge di Dalton:
n_I,in = P_I,in V_in / (R T_in)
n_I,out = P_I,out V_out / (R T_out)
Uguagliando queste espressioni si ottiene:
V_out =
V_in (P_I,in / P_I,out) (T_out / T_in)
Qui, le pressioni parziali del gas inerte sono:
P_I,in = y_I,in P_in
P_I,out = y_I,out P_out
Interpretare la variazione della pressione parziale
Quando lo scrubber rimuove il soluto, il gas inerte occupa una frazione maggiore della miscela in uscita. La sua frazione molare può quindi aumentare anche se il numero delle sue moli rimane invariato.
A temperatura costante, se la pressione parziale del gas inerte diminuisce, il volume in uscita deve aumentare per contenere la stessa quantità di gas inerte. Se la pressione parziale del gas inerte rimane invariata, il bilancio del gas inerte non prevede alcuna variazione di volume dovuta alla composizione.
Applicare il caso comune isotermico
Se le temperature in ingresso e in uscita sono uguali:
V_out / V_in = P_I,in / P_I,out
Questa forma è conveniente per i calcoli su impianti pilota perché evita di calcolare direttamente il contributo volumetrico di ogni componente.
Includere le condizioni di uscita misurate
Il metodo deve utilizzare la pressione parziale effettiva del gas inerte in uscita, calcolata a partire dalla composizione misurata in uscita e dalla pressione totale.
L'utilizzo della sola pressione totale può produrre un risultato errato, perché la pressione totale non indica quale parte di tale pressione sia dovuta al gas vettore conservato.
Collegare i calcoli del volume alle prestazioni del lavaggio
Determinare la quantità di soluto assorbita
Un bilancio del soluto fornisce la quantità assorbita:
n_A,absorbed = n_A,in - n_A,out
Per una corrente gassosa con un componente inerte conservato, le quantità di soluto in ingresso e in uscita possono essere calcolate rispetto al flusso del gas inerte:
n_A / n_I = y_A / y_I
La frazione assorbita è quindi:
fraction absorbed =
(n_A,in - n_A,out) / n_A,in
Correlare la composizione all'equilibrio
La composizione del soluto in uscita dipende dall'equilibrio gas-liquido, dal flusso di solvente, dalla temperatura, dalla pressione e dall'efficienza di contatto nella colonna.
La legge di Henry o altri dati di equilibrio vapore-liquido possono stimare la concentrazione di soluto che rimane nel gas alle condizioni operative.
Verificare insieme i bilanci del gas e del liquido
Il risultato relativo al volume del gas deve essere coerente con entrambe le fasi:
- La fase gassosa perde il soluto assorbito.
- La fase liquida acquisisce il soluto.
- Il gas vettore inerte rimane nella fase gassosa.
- Qualsiasi solvente evaporato o vapore condensabile deve essere incluso come componente aggiuntivo della fase gassosa.
Questo bilancio combinato è essenziale quando il vapore acqueo o le sostanze chimiche reattive di lavaggio influenzano la composizione in uscita.
Comprendere i compromessi
Il metodo del componente puro dipende da una chiara base di assorbimento
La sottrazione dell'intero volume parziale del soluto è valida solo quando il componente viene rimosso completamente o quando il calcolo rappresenta esplicitamente la quantità assorbita.
Se nel gas in uscita rimane del soluto residuo, sottrarre l'intero volume in ingresso sovrastima la riduzione del volume del gas.
Il metodo della pressione parziale dipende da un componente di riferimento valido
Il gas vettore deve essere non assorbito, non condensato e non reattivo alle condizioni della colonna.
Se l'azoto si dissolve in misura significativa, l'ossigeno reagisce o il flusso del gas vettore viene perso a causa di perdite, il volume in uscita calcolato sarà distorto.
Il comportamento del gas ideale può essere insufficiente ad alta pressione
A pressioni moderate, la legge dei gas ideali è spesso adeguata per i calcoli didattici e preliminari sugli impianti pilota.
A pressione elevata o in prossimità della condensazione, possono essere necessari i fattori di comprimibilità e gli effetti della fugacità dei gas reali:
PV = ZnRT
La stessa logica del componente conservato rimane applicabile, ma il modello delle proprietà deve essere aggiornato.
La condensazione e l'evaporazione del solvente complicano il bilancio
Uno scrubber può rimuovere un componente gassoso aggiungendo contemporaneamente vapore di solvente alla corrente gassosa.
Ad esempio, il lavaggio con acqua può assorbire un gas acido aumentando contemporaneamente il contenuto di vapore acqueo. La variazione netta del volume deve quindi includere entrambi gli effetti.
La perdita di pressione deve essere misurata o modellata
Le colonne a riempimento presentano comunemente una perdita di pressione tra l'ingresso e l'uscita.
Supporre una pressione costante quando la colonna presenta una perdita di pressione significativa può oscurare l'effetto dell'assorbimento e portare a una stima imprecisa del flusso in uscita.
Scegliere il metodo giusto per il proprio obiettivo
Utilizzare il metodo che meglio corrisponde alle misurazioni disponibili e al comportamento fisico dell'impianto pilota.
- Se l'obiettivo principale è insegnare l'effetto diretto della rimozione del soluto: utilizzare il metodo del volume del componente puro, sottraendo solo il volume corrispondente alla quantità effettivamente assorbita e correggendo quindi i valori in base alla temperatura e alla pressione in uscita.
- Se l'obiettivo principale è una valutazione accurata del flusso dell'impianto pilota: utilizzare il metodo della pressione parziale con un gas vettore inerte verificato e pressioni parziali in ingresso e in uscita misurate.
- Se l'obiettivo principale è valutare le prestazioni dello scrubber: combinare uno dei due metodi volumetrici con i bilanci di materia del soluto e del solvente per calcolare l'efficienza di rimozione e il consumo di liquido.
- Se l'obiettivo principale riguarda sistemi ad alta pressione o condensabili: includere gli effetti dei gas reali, dell'equilibrio vapore-liquido, della condensazione e dell'evaporazione del solvente, invece di affidarsi esclusivamente a una sottrazione del volume basata sul gas ideale.
Ancorando il calcolo a un componente inerte conservato e a condizioni operative misurate, gli ingegneri possono distinguere le variazioni del volume del gas causate dal lavaggio da quelle causate dalla temperatura, dalla pressione o dalla vaporizzazione.
Tabella riepilogativa:
| Metodo | Principio fondamentale | Utilizzo migliore | Requisiti principali |
|---|---|---|---|
| Volume del componente puro | Sottrarre il volume del soluto assorbito e correggere in base alle condizioni in uscita | Insegnamento e stime preliminari | Quantità assorbita, temperatura e pressione note |
| Pressione parziale | Utilizzare un gas inerte conservato per calcolare il volume in uscita dalle pressioni parziali | Valutazione accurata del flusso dell'impianto pilota | Gas vettore inerte verificato e composizione in ingresso e in uscita misurata |
| Bilancio combinato | Collegare la variazione del volume del gas ai bilanci del soluto e della fase liquida | Analisi delle prestazioni dello scrubber | Rimozione del soluto, evaporazione del solvente e dati di equilibrio |
| Analisi dei gas reali | Estendere il bilancio utilizzando gli effetti della comprimibilità e dell'equilibrio di fase | Sistemi ad alta pressione o condensabili | Fattore di comprimibilità, dati VLE e valutazione della condensazione |
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