بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
حذف بخارات هیدرازین از هوا با برج سیم مرطوب
چکیده
هیدرازین یک ماده پرمصرف در تهیه مواد شیمیایی و نیز حذف کننده اکسیژن آب در بویلرها می باشند. مشکل این ماده، سمیت بسیار زیاد آن است. روشهاي مختلفی براي حذف بخارات این ماده وجود دارد که عمده ترین آنها استفاده از برجهاي پرشده (Packed Towers) است. بزرگترین عیب این برجها افت فشار بالاي آنهاست که عمدتا ناشی از آرایش نامنظم پرکنها می باشد. آرایش منظم پرکنها این مشکل را مرتفع ساخته که مستلزم صرف وقت و هزینه نسبتا بالایی می باشد. با پیدایش برج جدید سیم مرطوب (Wetted Wire Column) این مشکلات به میزان چشمگیري کاهش یافت. در برج نوین، پرکنها بصورت استوانه هایی به طول برج و قطر بسیار کم می باشند که بطور منظم و سریع در داخل برج نصب می شوند. در آزمایشات انجام شده مشاهده شد که راندمان جذب در این برج مشابه با برجهاي پرشده است مزید بر این که افت فشاري در حدود یک دهم برج پرشده دارد.
واژه هاي کلیدي: برج سیم مرطوب، هیدرازین، افت فشار، بازده جذب
-1 مقدمه
هیدرازین (با فرمول شیمیایی (N2H4 یکی از مواد شیمیایی مورد استفاده جهت حذف اکسیژن در آب در بویلرها است. همچنین این ترکیب بعنوان ماده اولیه انواع داروها، آفت کشها و قارچ کشها محسوب می شود. این ماده بعنوان یکی از عوامل احیاء کننده در صنعت استفاده می شود.[2-1] با وجود کاربرد نسبتا زیاد این ماده، باید در کار با آن احتیاط فراوانی بعمل آورد زیرا بخارات این ماده بسیار سمی است، بطوري که حد مجاز آن براي انسان در حدود 0/1 ppmگزارش شده است[3] و بالتبع پس از مدتی عوارض جبران ناپذیري براي پرسنل شاغل در واحدهاي تولید و مصرف این ماده دارند1]و.[5-4 از اینرو لازم است تا بخارات این ماده از محیط عملیاتی دفع شوند. براي این منظور راه حل هایی پیشنهاد شده است. در بین این راه حلها هنوز جذب این مواد در برجهاي جذب قوي ترین، معمول ترین و عملیاتی ترین گزینه می باشد. در میان انواع برجهاي جذب، برج پرشده معمول ترین دستگاه تماس دهنده می باشد. در این برج که از مایع جاذب بهره می گیرد، براي افزایش میزان جذب گاز آلاینده از روش تماس ناهمسو استفاده می شود. بسیاري از صنایع فرآیندي که با جذب گاز سمی سروکار دارند، از جاذبهاي شیمیایی که داراي ظرفیت جذب به مراتب بیشتري نسبت به جاذبهاي فیزیکی است بهره می برند. به عبارتی این نوع فرآیندهاي جذب با واکنش شیمیایی همراه هستند. لذا در جذب گازهایی که داراي حلالیت اندکی در مایع جاذب است، مسلما طول برج در حالت جذب همراه با واکنش به مراتب کمتر از جذب صرفا فیزیکی خواهد بود. ایده جذب همراه با واکنش در مورد جذب گازهاي سمی بسیار جذاب می باشد6] و .[7 اما در مورد هیدرازین به دلیل حلالیت بسیار بالاي آن در آب نیاز به جاذب شیمیایی نبوده و جذب فیزیکی به تنهایی کفایت خواهد کرد.[1]
بازده جذب گاز در مایع جاذب به شدت به طراحی هندسی و هیدرودینامیکی تماس دهنده گاز- مایع بستگی دارد. در حقیقت در فرآیندهایی که با مقدار زیادي از گازهاي نامطلوب صنعتی سروکار دارند، برجهاي جذب نظیر برج دیواره مرطوب و برج پرشده چندان مناسب نیستند زیرا به ترتیب داراي مشکل نسبت سطح تماس به حجم کم و افت فشار زیاد در فاز گازي در طی فرآیند می باشند.[8-6]
تلاش براي حل این نقایص منجر به معرفی برج نوینی از سوي ژاپنی ها در سال 2005 میلادي شد که استفاده از آن می تواند در حذف بخارات هیدرازینی بسیار موثر باشد. البته ژاپنی ها براي جلوگیري از کاهش انتشار گاز گلخانه اي دي اکسید کربن این نوع برج را ابداع کرده اند تا بدین ترتیب با رعایت پیمان کیوتو مشکل گرم شدن کره زمین را کاهش دهند. در این نوع برج نوین، پرکن ها بصورت میله هاي استوانه اي با قطر بسیار اندك (سیم) می باشند که در درون برج نصب شده اند و طول آنها به اندازه ارتفاع برج می باشد.[11-9]
نظر به خطرات ترکیبات هیدرازینی در صنایع مختلف و مزایاي برج نوین سیم مرطوب، این نوع برج براي اولین بار در کشور در حذف هیدرازینها بکار گرفته خواهد شد. در این مقاله نحوه ساخت و بکار گیري برج مذکور به همراه خصوصیات عملکردي آن (نظیر میزان جذب و افت فشار) بررسی خواهد شد.
-2 بخش تجربی
در این تحقیق برج جذب از جنس شیشه به قطر 90 میلیمتر و طول تقریبی 1 متر ساخته شده است. این برج از دو قسمت تشکیل شده است: قسمت فوقانی که در واقع مخزن مایع جاذب یا همان آب است و قسمت تحتانی که محل تماس فاز گاز و مایع است. در این برج، پرکنها بطور عمودي در برج نصب می شوند و در نتیجه به بالا و پایین برج متصل هستند بدیهی است که آرایش پرکنها نیز منظم خواهد بود. جنس پرکنها از فولاد ضد زنگ می باشد قطر این پرکنها 3 میلی متر است. از اینرو هر کدام از این پرکن ها مانند یک سیم (wire) عمل می کنند. مایع از بالاي برج وارد شده و به صورت فیلم نازکی از روي پرکنها به پایین می ریزد و با گازي که به سمت بالا جریان دارد تماس می یابد. در این برج یک صفحه سوراخدار قسمت فوقانی و تحتانی برج را از هم جدا می کند. قطر این سوراخها طوري تنظیم گردیده است که هر پرکن به راحتی از داخل آنها عبور می کند، لذا تعداد سوراخها و در نتیجه تعداد سیمها با هم برابر و مساوي 73 عدد است. ضخامت این صفحه در حدود 2 سانتیمتر در نظر گرفته شده است تا حالت نازل نیز براي پرکن هاي عبوري از داخل منافذ داشته باشد و مایع به نحو بهتري بر روي میله ها هدایت شود و آنها را بهتر خیس کند. در این حالت مایع از فضاي بین محفظه سوراخدار و میله بر روي میله ها می ریزد. در قسمت فوقانی براي ثابت نگهداشتن سطح، مایع بطور پیوسته و با شدت جریان ثابت به داخل مخزن می ریزد و در نتیجه شدت جریان مایع جاري در فضاي بین نازلها و سیمها در قسمت تحتانی برج نیز، ثابت و پایدار خواهد ماند. نیروي محرکه براي این جریان، فشار هیدروستاتیکی مایع در بخش فوقانی است.
در نهایت مایع پس از عبور از روي پرکنها در یک قسمت در پایین برج جمع آوري شده و سپس به بیرون تخلیه می گردد. در این دستگاه براي اندازه گیري افت فشار از یک مانومتر دیفرانسیلی استفاده می گردد. این مانومتر از نوع U شکل است و از آنجایی که افت فشار در این سیستم به دلیل درصد فضاي خالی بالاي آن ( میزان تخلخل این برج طبق محاسبات در حد %92 است) بسیار پایین پیش بینی می شد لذا از یک مایع با دانسیته کم مانند ایزواکتان (که دانسیته آن در دماي محیط 691 kg/m3 می باشد) استفاده شده است تا نسبت به تغییرات کم افت فشار نیز حساس بوده و آن را نشان دهد. شکل 1 نماي شماتیکی از این برج را نشان می دهد.
در این تحقیق هیدرازین به جهت اهمیت بالاي آن از لحاظ سمیت، بعنوان آلاینده گازي انتخاب شد. در نتیجه فاز گاز ترکیبی از هوا و هیدرازین می باشد. هیدرازین استفاده شده در آزمایشات مذکور توسط هوا بسیار رقیق شده است تا به لحاظ عملی خطر سمیت و آلودگی براي انجام آزمایشات نداشته باشد. مایع جاذب در این تحقیق آب خالص می باشد. فشار گاز ورودي به برج جذب یک اتمسفر و کسر مولی گاز هیدرازین ورودي در حدود 2 درصد حجمی می باشد. سرعت گاز و مایع ورودي به برج به ترتیب در محدوده 0-20 cm/s و 0-1/5 mm/s می باشد. آب خروجی از برج نمونه برداري و با محلول استاندارد کلرید هیدروژن 0/02 درصد حجمی تیتر شد تا میزان هیدرازین جذب شده توسط آب مشخص شود و از اختلاف غلظت هیدرازین ورودي و هیدرازین جذب شده، میزان هیدرازین در هواي خروجی بدست آید.
-3 نتایج و بحث
براي بررسی میزان افت فشار در برج، آب با سرعت 1 mm/s وارد برج شد. جریان گاز در محدوده سرعت ظاهري 0-20 cm/s از پایین برج به درون برج دمیده شد. نتایج حاصل از افت فشار که مانومتر نشان می دهد در نمودار شکل 2 آورده شده است. البته در این شکل افت فشار در جهت طولی می باشد. در این شکل نمودار افت فشار برج پرشده جهت مقایسه آورده شده است. برج پرشده از پرکنهاي راشیگ (Raschig ring) ½" پرشده است. بعلاوه طول دو برج یکسان می باشد. لازم به ذکر است که هرکدام از پرکنها نقش مانعی را در برابر جریان گاز دارند. لذا فشار گاز افت پیدا می کند. اندازه گیري سرعت هاي پایین گاز دشوار بود. لذا اندازه گیري هاي مربوط به افت فشار در سرعتهاي بالاتر از 5 cm/s انجام شد.
بطوري که مشاهده می شود در تمامی سرعتهاي گاز، افت فشار در برج سیم مرطوب به مراتب کمتر از برج پرشده است. همچنین در سرعتهاي بالاتر از5 cm/s افت فشار در برج سیم مرطوب در حدود یک دهم افت فشار در برج پرشده است. این پدیده را می توان چنین توجیه کرد که برج پرشده داراي آرایشی نامنظم از پرکنهاست که این نوع آرایش باعث ایجاد افت فشار بالا در این نوع برجها خواهد شد. در حالی که آرایش سیمها در برج سیم مرطوب منظم بوده و افت فشار در آرایش منظم همیشه کمتر از آرایش نامنظم است. این امر در جریانهاي گاز با سرعت بالا کاملا مشهود است.
میزان جداسازي هیدرازین از هوا بعنوان شاخصه دیگري از عملکرد برج با راندمان برج نشان داده می شود. راندمان برج به صورت رابطه زیر تعریف می شود.
که در این رابطه : E راندمان برج
:Cb غلظت هیدرازین در هوا در پایین برج
:Ct غلظت هیدرازین در بالاي برج
:Cs غلظت هیدرازین در حالت اشباع با آب در فصل مشترك گاز و مایع
از آنجا که حلالیت هیدرازین در آب بسیار بالا بوده و به هر نسبتی در آب حل می شود، لذا غلظت هیدرازین در حالت اشباع با آب در مقایسه با غلظت در پایین برج بسیار ناچیز بوده بطوري که می توان از آن در مقایسه با غلظت هیدرازین در پایین برج صرفنظر کرد. از اینرو معادله (1) بصورت زیر ساده می شود.
