بخشی از مقاله
فصل یک
مقدمه
جذب گاز
در این تحقیق عملیات انتقال جرم موسوم به جذب گاز و بازیابی یا دفع بررسی می شود. در جذب گاز، بخار محلول ا زمخلوط خود با گاز بی اثر با مایعی که حل شونده گاز نسبتاً در آن محلول است، جذب می شود. شستن آمونیاک با آب مایع در مخلوط آمونیاک و هوا مثالی از این نوع است. در ادامه با تقطیر، ماده حل شده از مایع بازیابی می شود و مایع جذب کننده را یا دور می ریزند و یا دوباره مصرف می کنند. گاهی اوقات یک ماده حل شده از مایع با تماس مایع با گازی بی اثر جدا می شود. به این عملیات که عکس جذب گاز است، دفع یا بازیابی گویند.
طراحی برج های آکنده
دستگاه متداول در جذب گاز و برخی عملیات دیگر، برج آکنده است که نمونه ای از آن در شکل (1-1) نشان داده شده است. این دستگاه از ستون یا برج استوانه ای تشکیل شده، که شامل ورودی گاز و فضایی برای توزیع آن در قسمت تحتانی، ورودی مایع و توزیع کننده در قسمت فوقانی، خروجی های گاز و مایع به ترتیب در قسمت فوقانی و تحتانی و توده جامد نگاه دارنده ای به نام آکنه های برج است. آکنه ها معمولاً به صورت صفحاتی هستند که آنها ار چین دار ساخته اند تا مقاومت آنها افزایش یابد و دارای سطح روباز می باشند تا از طغیان
جلوگیری شود. مایع ورودی که حلالی خالص یا محلول رقیقی از ماده حل شده در حلال می باشد و به آن محلول رقیق (Weak Liquor) گویند، توسط توزیع کننده در بالای آکنه ها توزیع می شود و در یک عملیات ایده آل، سطوح آکنه ها را به طور یکنواخت مرطوب می کند. توزیع کننده ای که در شکل (1-1) می بینید، مجموعه ای از لوله های سوراخ دار (مشبک) است. در برج های بزرگ، از شیپورهای پاشنده یا سینی های توزیع کننده به همراه مانع یا بند استفاده می شود.
گاز حاوی ماده حل شده یا گاز غنی شده، وارد فضای زیر آکنه ها می شود و مخالف جریان مایع از روزنه های موجود در آکنه ها بالا می رود. آکنه ها، سطح تماس زیادی بین مایع و گاز فراهم می کنند و تماس نزدیک بین فازها را تقویت می کنند.
شکل (1-1) خواص آکنه های نامنظم برج.
ماده حل شده در گاز غنی شده توسط مایع تازه ای که وارد برج می شود جذب و گاز رقیق از بالا خارج می شود. هرچه مایع به طرف پایین برج حرکت می کند، از ماده حل شده غنی تر می شود. به مایع غلیظ شده، محلول قوی (Strong liquor) گویند، که از طریق خروجی مایع در انتهای برج خارج می شود.
آکنه های برج به سه دسته اصلی تقسیم می شود: آکنه های نامنظم که به طور تصادفی درون برج ریخته می شود، آکنه هایی که باید با دست روی هم چیده شوند و آنهایی که به آکنه های منظم و مرتب معروف هستند. حداکثر ابعاد آکنه های نوع اول 6 تا mm75 ( تا in3( می باشد،
آکنه های کوچک تر با ابعاد mm25 معمولاً در آزمایشگاه ها و یا ستون های نیمه صنعتی به کار می روند. در نوع دوم اندازه آکنه ها 50 تا mm200 (2 تا in8) است. کاربرد این آکنه ها کم تر از نوع اول است و در اینجا بحث نمی شود.
شکل 1-2- آکنه های معمولی برج: (الف) حلقه های راشینگ، (ب) حلقه های فلزی پال، (چ)حلقه پلاستیکی پال، (د) زین برل، (ه) زین سرامیکی اینتالوکس، (و) زین پلاستیکی اینتالوکس بزرگ، (ز) زین فلزی اینتالوکس.
آکنه های پراکنده شده از مواد ارزان و بی اثری همچون خاک رس، چینی یا پلاستیک های مختلف ساخته می شوند. گاهی از حلقه های فلزی با دیواره فولادی یا آلومینیومی نازک استفاده می کنند. جهت ایجاد فضاهای خالی و کانال های بزرگ برای سیالات، آکنه ها را نامنظم یا توخالی می سازند، به طوری که آکنه ها در یکدیگر جای می گیرند و حدود 60 تا 90% فضای خالی ایجاد می شود. انواع آکنه ها برای آکندن نامنظم در شکل (1-2) نشان داده شده است و خواص فیزیکی آنها در جدول (1-1) ارائه شده است. زین های سرامیکی
برل و حلقه های راشینگ، از نوع قدیمی آکنه ها هستند و در حال حاضر زیاد استفاده نمی شوند، ولی نسبت به گلوله های سرامیکی یا خرده سنگ ها مزیت های زیادی دارند. زین های اینتالوکس از بعضی جهات شبیه زین های برل هستند، ولی شکل قطعات آنها مانع از فرو رفتن زیاد آنها درهم می شود و در نتیجه فضای خالی بستر افزایش می یابد. زین های اینتالوکس بزرگ همان زین های قبلی با کمی تغییر می باشد به طوری که لبه های آنها کنگره دار شده است. این زین ها به شکل پلاستیکی یا سرامیکی هستند. حلقه های پال از
فلز نازک ساخته می شود که در آنها، یا قسمت هایی از دیواره به طرف داخل خم شده است و یا از پلاستیک ساخته شده اند و در آنها شیارهایی در دیواره به وجود می آید و داخل آنها میله های سفت کننده قرار داده می شود. آکنه های هایپک (Hy – pak) و حلقه های فکلسی (Flexiring) (که در شکل نشان داده نشده است) از نظر شکل و کار شبیه حلقه های پال است. بستر حاصل از حلقه های پال 90% فضای خالی دارد و نسبت به بسترهای دیگر با همان اندازه افت فشار کم تری دارد. IMTP (آکنه های اینتالوکس فلزی برج) جدید نورتون (Norton) با ساختمان باز بیش تر و افت فشار کم تر از حلقه های پال است. رابینز (Robbins) عوامل دیگری که باعث کاهش فشار در بسیاری از آکنه های تجارتی می شوند را بیان کرده است.
جدول 1-1- خواص آکنه های نامنظم برج
آکنه های با ساختمان هندسی منظم در اواخر سال 1930 با توجه به آکنه های استدمن (Stedman) نتیجه گیری شدند و تا 1965 که آکنه های سولزر (Sulzer) ابداع نشده بود، کاربردی نداشتند. آکنه های منظم اولیه از تور سیمی ساخته می شد، اما آکنه های منظم امروزی از ورقه های فلزی سوراخ دار (مشبک) و موج دار می باشند، که در آنها ورقه ها طوری مجاور یکدیگر قرار داده می شوند که مایع روی سطح آنها پخش می شود و بخار از درون کانال های تشکیل شده توسط موج ها عبور می کند. زاویه کانال ها نسبت به افق، 045
است و مطابق شکل (1-3) جهت زاویه متناوباً تغییر می کند. ضخامت هر لایه حدود چند اینچ است. آکنه ها از نظر اندازه، ترتیب قرار گرفتن موج ها و عملیاتی که روی سطوح آنها انجام می گیرد، با یکدیگر فرق دارند. اغلب از چین های مثلثی استفاده می شود به طوری که فاصله آن تا پایه 25 تا mm40، اضلاع مثلث 17 تا mm25 و ارتفاع آنها 10 تا mm15 است. میزان تخلخل بین 93% تا 97% و سطح مخصوص آنها 60 تا ft2/ft376 (200 تا m2/m3250) می باشد. آکنه BX سولزر که از توری سیمی ساخته شده است دارای سطح ویژه ft2/ft3152 (m2/m3500) و تخلخل 9/0 می باشد.
تماس بین مایع و گاز
شرط تماس کامل بین مایع و گاز، مخصوصاً در برج های بزرگ، سخت تر از شرایط دیگر است. حالت ایده آل بدین صورت است که ابتدا مایع در بالای آکنه ها توزیع می شود و سپس به صورت فیلم های نازک روی سطح تمام آکنه ها به طرف پایین جریان می یابد. اما در عمل ضخامت فیلم ها در بعضی نقاط بیش تر و در بعضی نقاط کمتر است. به طوری که مایع در یک نقطه جمع شده، به بصورت جوی های کوچکی از مسیر خاصی بین آکنه ها عبور می کند. به خصوص اگر سرعت مایع پایین باشد، بیش تر سطح آکنه ها خشک خشک می ماند و یا حداکثر با فیلمی ساکن از مایع پوشیده می شود. این پدیده را مجراسازی (channeling) گویند و دلیل عمده عملکرد ضعیف برج های آکنده بزرگ هم پدیده مجراسازی است.
افت فشار و شدت جریان های در حالت حد
شکل (1-4) معلومات مربوط به افت فشار در یک برج آکنده را نشان می دهد. افت فشار به ازای هر واحد از عمق آکنه ها ناشی از اصطکاک سیال است. در شکل نمودار آن نسبت به شدت جریان گاز Gy در مختصات لگاریتمی رسم شده است. شدت جریان گاز براساس برج خالی و برحسب جرم گاز در ساعت در واحد سطح مقطع بیان می شود. بنابراین رابطه Gy با سرعت سطح گاز با معادله بیان می شود که در آن چگالی گاز است. اگر آکنه خشک باشد، خط حاصل مستقیم بوده و شیب آن حدود 8/1 است. در نتیجه افت فشار متناسب با توان 8/1ام سرعت افزایش می یابد. اگر مایع با شدت جریان ثابتی روی آکنه ها پاشیده شود، رابطه بین افت فشار و شدت جریان گاز از خطی موازی خط مربوط به آکنه های خشک تبعیت می کند. افت فشار در این حالت بیش تر از افت فشار در آکنه های خشک است، چون مایع درون برج فضای موجود برای جریان گاز را کاهش می دهد. بنابراین، قسمت خالی برج با شدت جریان گاز تغییر نمی کند.
در بعضی مناطق خاص از برج، مایع به فاز پیوسته تبدیل شده و نقطه طغیان حاصل می شود. به طور موقت می توان از شدت جریان های بیش تر گاز استفاده کرد، اما در آن صورت مایع سریعاً انباشته می شود و ممکن است تمام برج از مایع پر شود.
بدیهی است که در یک برج آکنده در حال کار، سرعت گاز باید کم تر از سرعت طغیان باشد. اما با نزدیک شدن به طغیان، بیش تر سطح آکنه ها یا تمام آن مرطوب می شود و سطح تماس بین گاز و مایع به حداکثر می رسد. طراح باید طوری سرعت را انتخاب کند که اختلاف کافی با سرعت طغیان داشته باشد تا بتوان از برج بدون هیچ خطری بهره برداری کرد، اما سرعت نباید آن قدر کم باشد که به برج بزرگ تری نیاز شود. کاهش سرعت در طراحی، قطر برج را افزایش می دهد بدون اینکه تغییر زیادی در ارتفاع به وجود آید، چون سرعت های گاز و مایع کم تر متناسب با کاهش سرعت انتقال جرم است.
سرعت طغیان شدیداً به نوع و اندازه آکنه و سرعت جرمی مایع بستگی دارد.
چند رابطه کلی برای افت فشار و سرعت طغیان در ستون های آکنده پیشنهاد شده است. در اکثر این روابط از یک نمودار log - log استفاده می شود که مختص طولی آن و مختص عرضی آن تابعی با است. معمولاً نسبت جریان های معلوم است و در این حالت را می توان مستقیماً تعیین کرد، ولی اگر مانند شکل (1-5) و روی محورهای جداگانه باشند، مسأله را با حدس و خطا حل می کنند. خصوصیات آکنه در ضریب آکنه Fp منظور شده است که با افزایش اندازه آکنه یا افزایش سهم قسمت خالی ستون، افزایش می یابد. ضریب آکنه را نمی
توان به طور نظری با استفاده از معادله ارگون (Ergun) پیدا کرد، چون شکل آکنه ها پیچیده است و فقط ضریب به طور تجربی پیدا می شود. متأسفانه هیچ تک رابطه ای برای افت فشار که با همه آکنه ها وفق دهد، وجود ندارد و مقادیر Fp مربوط به افت فشارهای کم ممکن است تفاوت قابل ملاحظه ای با مقادیر مربوط به افت فشارهای زیاد یا معلومات طغیان داشته باشد. روابط متداول برای تعیین افت فشارها در آکنه های نامنظم در شکل (1-6) ارائه شده است که در آن و برحسب برحسب cp و ، بر حسب بیان شده اند و مقدار gc برابر 174/32 است. روابط قدیمی تر از این نوع شامل یک خط طغیانی بالای خط مربوط به نشان می دهد.
رابطه ای تجربی برای افت فشار در حالت حد چنین است:
(1-1)
که = افت فشار در حالت طغیان، برحسب
Fp = ضریب آکنه، بدون بعد
معادله (1-1) برای ضرایب آکنه بین 10 تا 60 استفاده می شود. به ازای مقادیر بیش تر Fp، افت فشار در طغیان را می توان 0/2 در نظر گرفت.
استریگل (Strigle) رابطه دیگری برای افت فشار در برج های آکنده پیشنهاد کرده که در شکل (1-7) نشان داده شده است. مختص طولی در این نمودار مشابه شکل (22-6) است، ولی مختص عرضی آن ضریب ظرفیت Cs = u0 است که در آن u0 سرعت سطحی برحسب است. گران روی سینماتیک مایع، v برحسب سانتی استوکس بیان می شود. در نمودار نیمه لگاریتمی، درون یابی آسان تر از نمودار log – log صورت می گیرد، اگر معلومات هر دو معادله یکسان باشد.
آکنه های منظم
سرعت طغیان در چند آکنه تجارتی منظم در شکل (1-8) نشان داده شده است. این نمودار شبیه شکل (18-28) برای طغیان در ستون های دارای سینی غربالی است. افت فشار در آکنه های منظم را می توان از برخی معادله های پیچیده که توسط فیر و براوو (Fair and Bravo) ارائه شده است. پیش بینی کرد. ولی اطلاعات آزمایشگاهی نسبتاً کمی در مورد آنها موجود است. برج های دارای آکنه های منظم را معمولاً با همکاری تولید کننده های آکنه می سازند. اشپیگل و مایر (Spiegel and Meier) اعتقاد دارند که اکثر آکنه های منظم در اختلاف فشار حدود به ظرفیت حداکثر خود می رسند که در این حالت سرعت بخار معادل با 0 تا 95% سرعت طغیان است.
فصل دوم
اصول جذب
همان طور که در فصل قبل دیده شد، قطر یک برج جذب آکنده به مقدار گاز مایعی که بازیابی می شود، خواص آنها و نسبت یک جریان به جریان دیگر بستگی دارد. ارتفاع برج و در نتیجه حجم کل آکنه ها، بستگی به مقدار تغییر غلظت های مورد نظر و سرعت انتقال جرم در واحد حجم آکنده دارد. بنابراین، محاسبات ارتفاع برج بر موازنه مواد، موازنه آنتالپی، مقدار نیروی محرک و ضرایب انتقال جرم استوار است.
موازنه مواد – در سیستمی با تماس پیوسته از نوعی برج جذب آکنده مطابق شکل (2-1) هیچ گونه تغییر گسسته ناگهانی در ترکیب ها مشاهده نمی شود، اما در سیستم تماس مرحله ای این تغییرات وجود دارد. در عرض، تغییر غلظت ها از یک سر دستگاه به سر دیگر، پیوسته است. موازنه ماده حول قسمتی اختیاری از بالای ستون که با خط چین در شکل (2-1) مشخص شده است، چنین است:
(1-2) کل ماده: La + V = L + Va
(2-3) جزء ماده: La Xa + Vy = Lx + Va ya
که در آن، V شدت جریان مولی فاز گاز و L شدت جریان مولی فاز مایع در همان نقطه از برج است. غلظت های فاز L و فاز V، x و y مربوط به همین نقطه می باشند.
معادله های موازنه کلی مواد،
(2-4) کل ماده: La + Vb = Lb + Va
(2-5) جزء ماده: La Xa + Vb yb = Lb Xb + Va ya
