115 Κεφάλαιο 6: Διεργασίες απορρόφησης Σύνοψη Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται η διεργασία της απορρόφησης αερίου σε υγρό διαλύτη. Ταυτόχρονα, παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά λειτουργίας στηλών με πληρωτικό υλικό, επειδή αυτές είναι οι συνηθέστερες διατάξεις όπου υλοποιείται η απορρόφηση. Προαπαιτούμενη γνώση Η ανάλυση του παρόντος κεφαλαίου απαιτεί γνώσεις από τα τρία εισαγωγικά κεφάλαια και κυρίως από την μοντελοποίηση των φαινομένων μεταφοράς μάζας (Κεφ. 3). 6.1 Γενικά χαρακτηριστικά και εφαρμογές της διεργασίας Η διεργασία της απορρόφησης συνίσταται στον διαχωρισμό συστατικών ενός αέριου μίγματος με μεταφορά και διάλυσή τους σε κατάλληλο υγρό, τον διαλύτη. Συχνά, η απορρόφηση εφαρμόζεται σε συνδυασμό με την αντίστροφη διεργασία, δηλαδή την εκρόφηση ενός αερίου που είναι διαλυμένο σε υγρό και μεταφορά του και πάλι στην αέρια φάση. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται, μεταξύ των άλλων, ανάκτηση του διαλύτη και ανακύκλωση του στη διεργασία. Η απορρόφηση χρησιμοποιείται τόσο ως τμήμα παραγωγικών διαδικασιών όσο και ως αντιρρυπαντική τεχνολογία. Επειδή οι εφαρμογές της δεν είναι γενικά τόσο οικείες όσο για παράδειγμα της απόσταξης, αναφέρονται στο επόμενο κεφάλαιο ορισμένα σημαντικά παραδείγματα. Παρατηρήστε ότι το αέριο συστατικό που απορροφάται διαλύεται, δηλαδή ενσωματώνεται στην υγρή φάση. Αυτό μπορεί να γίνει είτε φυσικά είτε χημικά. Στην πρώτη περίπτωση, τα μόρια του αερίου διατηρούν την οντότητά τους αλλά βρίσκονται ομογενώς διεσπαρμένα ανάμεσα στα μόρια του υγρού διαλύτη. Στην δεύτερη περίπτωση, λαμβάνει χώρα χημική αντίδραση που μετασχηματίζει το αέριο σε άλλη χημική ένωση. Παράδειγμα φυσικής κατά κύριο λόγο απορρόφησης αποτελεί η διάλυση αέριου διοξείδιου του άνθρακα (CO2) σε νερό. Αν αντί για καθαρό νερό χρησιμοποιηθεί υδατικό διάλυμα καυστικού νατρίου ( NaOH) τότε έχουμε χημική απορρόφηση με δέσμευση του CO2 σε μορφή ιόντων HCO3 - ή και CO3 2- . (Ακόμη και στην περίπτωση του νερού, λαμβάνει χώρα σε πολύ μικρό βαθμό ο σχηματισμός ανθρακικού οξέος, σύμφωνα με την αντίδραση CO2+H2O↔H + + HCO3 - ) Επειδή η επιλογή του κατάλληλου διαλύτη αποτελεί ένα από τα σημαντικά θέματα της διεργασίας, γίνεται στην μεθεπόμενη παράγραφο μία συνοπτική παρουσίαση εναλλακτικών διαλυτών. 6.1.1 Παραδείγματα εφαρμογών της απορρόφησης Τα αέρια που διαχωρίζονται με απορρόφηση στη βιομηχανία είναι συνήθως όξινα, όπως τα διοξείδια του άνθρακα και του θείου (CO2, SO2), το υδρόθειο (H2S) και τα οξείδια του αζώτου (NOx). Σημαντική εξαίρεση αποτελεί η απορρόφηση της αμμωνίας (NH3) που απαντάται συχνά. Με απορρόφηση διαχωρίζονται επίσης ορισμένες οργανικές ενώσεις του θείου, που ονομάζονται μερκαπτάνες και είναι ιδιαίτερα δύσοσμες (Astarita et al, 1983). Παράδειγμα σημαντικής βιομηχανικής διαδικασίας όπου εφαρμόζεται απορρόφηση είναι η παραγωγή υδρογόνου με αναμόρφωση υδρογονανθράκων με ατμό (steam reforming). Το τελικό προϊόν των καταλυτικών αντιδράσεων είναι μίγμα H2 με CO2, και καθαρό Η2 λαμβάνεται με διαχωρισμό του CO2 με απορρόφηση. Επίσης, κεντρικό τμήμα της πρωτογενούς επεξεργασίας του φυσικού αερίου είναι η απομάκρυνση με απορρόφηση του περιεχόμενου H2S (Διατηρείται επίτηδες μια ελάχιστη συγκέντρωση H2S που χρησιμεύει στον εντοπισμό διαρροών από την χαρακτηριστική οσμή). Επίσης, σε πολλές περιπτώσεις διαχωρίζεται και μέρος του περιεχόμενου CO2, με σκοπό την αύξηση της θερμογόνου δύναμης του μεταφερόμενου προϊόντος (μείωση κόστους μεταφοράς ανά μονάδα θερμογόνου δύναμης). Η ταυτόχρονη απορρόφηση δύο αερίων, CO2 και H2S, θέτει ενδιαφέροντα προβλήματα χημικής κινητικής και εκλεκτικότητας (Astarita et al, 1983. Bontozoglou & Karabelas, 1991). Μία σημαντική εφαρμογή της απορρόφησης στην ενεργειακή βιομηχανία είναι η απομάκρυνση του διοξείδιου του θείου, που παράγεται κατά την καύση στερεών καυσίμων, με δέσμευση του SO2 σε διάλυμα
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
115
Κεφάλαιο 6: Διεργασίες απορρόφησης
Σύνοψη
Στο κεφάλαιο αυτό αναλύεται η διεργασία της απορρόφησης αερίου σε υγρό διαλύτη. Ταυτόχρονα, παρουσιάζονται
τα χαρακτηριστικά λειτουργίας στηλών με πληρωτικό υλικό, επειδή αυτές είναι οι συνηθέστερες διατάξεις όπου
υλοποιείται η απορρόφηση.
Προαπαιτούμενη γνώση
Η ανάλυση του παρόντος κεφαλαίου απαιτεί γνώσεις από τα τρία εισαγωγικά κεφάλαια και κυρίως από την
μοντελοποίηση των φαινομένων μεταφοράς μάζας (Κεφ. 3).
6.1 Γενικά χαρακτηριστικά και εφαρμογές της διεργασίας
Η διεργασία της απορρόφησης συνίσταται στον διαχωρισμό συστατικών ενός αέριου μίγματος με μεταφορά
και διάλυσή τους σε κατάλληλο υγρό, τον διαλύτη. Συχνά, η απορρόφηση εφαρμόζεται σε συνδυασμό με την
αντίστροφη διεργασία, δηλαδή την εκρόφηση ενός αερίου που είναι διαλυμένο σε υγρό και μεταφορά του και
πάλι στην αέρια φάση. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται, μεταξύ των άλλων, ανάκτηση του διαλύτη και
ανακύκλωση του στη διεργασία. Η απορρόφηση χρησιμοποιείται τόσο ως τμήμα παραγωγικών διαδικασιών
όσο και ως αντιρρυπαντική τεχνολογία. Επειδή οι εφαρμογές της δεν είναι γενικά τόσο οικείες όσο για
παράδειγμα της απόσταξης, αναφέρονται στο επόμενο κεφάλαιο ορισμένα σημαντικά παραδείγματα.
Παρατηρήστε ότι το αέριο συστατικό που απορροφάται διαλύεται, δηλαδή ενσωματώνεται στην υγρή
φάση. Αυτό μπορεί να γίνει είτε φυσικά είτε χημικά. Στην πρώτη περίπτωση, τα μόρια του αερίου διατηρούν
την οντότητά τους αλλά βρίσκονται ομογενώς διεσπαρμένα ανάμεσα στα μόρια του υγρού διαλύτη. Στην
δεύτερη περίπτωση, λαμβάνει χώρα χημική αντίδραση που μετασχηματίζει το αέριο σε άλλη χημική ένωση.
Παράδειγμα φυσικής κατά κύριο λόγο απορρόφησης αποτελεί η διάλυση αέριου διοξείδιου του άνθρακα (CO2)
σε νερό. Αν αντί για καθαρό νερό χρησιμοποιηθεί υδατικό διάλυμα καυστικού νατρίου (NaOH) τότε έχουμε
χημική απορρόφηση με δέσμευση του CO2 σε μορφή ιόντων HCO3- ή και CO3
2-. (Ακόμη και στην περίπτωση
του νερού, λαμβάνει χώρα σε πολύ μικρό βαθμό ο σχηματισμός ανθρακικού οξέος, σύμφωνα με την αντίδραση
CO2+H2O↔H++ HCO3-) Επειδή η επιλογή του κατάλληλου διαλύτη αποτελεί ένα από τα σημαντικά θέματα
της διεργασίας, γίνεται στην μεθεπόμενη παράγραφο μία συνοπτική παρουσίαση εναλλακτικών διαλυτών.
6.1.1 Παραδείγματα εφαρμογών της απορρόφησης
Τα αέρια που διαχωρίζονται με απορρόφηση στη βιομηχανία είναι συνήθως όξινα, όπως τα διοξείδια του
άνθρακα και του θείου (CO2, SO2), το υδρόθειο (H2S) και τα οξείδια του αζώτου (NOx). Σημαντική εξαίρεση
αποτελεί η απορρόφηση της αμμωνίας (NH3) που απαντάται συχνά. Με απορρόφηση διαχωρίζονται επίσης
ορισμένες οργανικές ενώσεις του θείου, που ονομάζονται μερκαπτάνες και είναι ιδιαίτερα δύσοσμες (Astarita
et al, 1983).
Παράδειγμα σημαντικής βιομηχανικής διαδικασίας όπου εφαρμόζεται απορρόφηση είναι η παραγωγή
υδρογόνου με αναμόρφωση υδρογονανθράκων με ατμό (steam reforming). Το τελικό προϊόν των καταλυτικών
αντιδράσεων είναι μίγμα H2 με CO2, και καθαρό Η2 λαμβάνεται με διαχωρισμό του CO2 με απορρόφηση.
Επίσης, κεντρικό τμήμα της πρωτογενούς επεξεργασίας του φυσικού αερίου είναι η απομάκρυνση με
απορρόφηση του περιεχόμενου H2S (Διατηρείται επίτηδες μια ελάχιστη συγκέντρωση H2S που χρησιμεύει στον
εντοπισμό διαρροών από την χαρακτηριστική οσμή). Επίσης, σε πολλές περιπτώσεις διαχωρίζεται και μέρος
του περιεχόμενου CO2, με σκοπό την αύξηση της θερμογόνου δύναμης του μεταφερόμενου προϊόντος (μείωση
κόστους μεταφοράς ανά μονάδα θερμογόνου δύναμης). Η ταυτόχρονη απορρόφηση δύο αερίων, CO2 και H2S,
θέτει ενδιαφέροντα προβλήματα χημικής κινητικής και εκλεκτικότητας (Astarita et al, 1983. Bontozoglou &
Karabelas, 1991).
Μία σημαντική εφαρμογή της απορρόφησης στην ενεργειακή βιομηχανία είναι η απομάκρυνση του
διοξείδιου του θείου, που παράγεται κατά την καύση στερεών καυσίμων, με δέσμευση του SO2 σε διάλυμα
116
υδρασβέστου. Η εφαρμογή αυτή έχει ιδιαίτερη περιβαλλοντική βαρύτητα καθώς είναι γνωστό ότι η
απελευθέρωση SO2 στην ατμόσφαιρα είναι υπεύθυνη για το καταστροφικό φαινόμενο της όξινης βροχής. Η
απορρόφηση διαδραματίζει κεντρικό ρόλο και σε άλλες ενεργειακές τεχνολογίες. Για παράδειγμα, στις αντλίες
θερμότητας και συναφείς τεχνολογίες ψύξης/κλιματισμού, η απορρόφηση/εκρόφηση των ατμών του
εργαζόμενου μέσου υποκαθιστά τον συμπιεστή ατμών με την απλούστερη και φθηνότερη στη λειτουργία
αντλία συμπίεσης του διαλύματος (Smith & Van Ness, 2004). Επίσης, η επεξεργασία του νερού λεβήτων
περιλαμβάνει ως σημαντικό βήμα την εκρόφηση του διαλυμένου οξυγόνου, η οποία επιτυγχάνεται με την άμεση
επαφή του νερού με αδρανές αέριο ή ατμό.
Πέρα από τις εφαρμογές στην χημική και ενεργειακή βιομηχανία, η απορρόφηση διαδραματίζει
κεντρικό ρόλο σε γεωφυσικά αλλά και σε βιολογικά φαινόμενα. Η απορρόφηση ατμοσφαιρικού οξυγόνου από
τις υδάτινες μάζες (ποταμοί, λίμνες, θάλασσες) είναι απαραίτητη για τη συντήρηση της υδρόβιας ζωής. Η
απορρόφηση οξυγόνου στο αίμα (με παράλληλη εκρόφηση του διοξειδίου του άνθρακα που παράχθηκε από τις
κυτταρικές καύσεις) συνιστά το βασικό καθήκον των πνευμόνων των θηλαστικών (Fournier, 1999).
6.1.2 Η επιλογή διαλύτη
Οι υγροί διαλύτες που χρησιμοποιούνται στην απορρόφηση κατατάσσονται στους φυσικούς και τους χημικούς.
Στους πρώτους, η διάλυση του αέριου στο υγρό είναι κύρια φυσικό φαινόμενο, όπως για παράδειγμα η διάλυση
CO2 ή SO2 σε νερό. Σε πολλές όμως περιπτώσεις είναι προτιμότερη η χρήση διαλύτη που αντιδρά χημικά με το
απορροφούμενο αέριο. Με τον τρόπο αυτό διατηρείται μικρή συγκέντρωση ελεύθερου αερίου διαλυμένου στο
υγρό (και συνεπώς μεγάλη ωθούσα δύναμη για την απορρόφηση) και επίσης ενισχύεται ο συντελεστής
μεταφοράς μάζας στο υγρό.
H επιλογή φυσικού ή χημικού διαλύτη έχει συνήθως να κάνει με την δυσκολία της απορρόφησης. Αν
το προς απορρόφηση συστατικό βρίσκεται σε μεγάλη συγκέντρωση στο αέριο ρεύμα (πχ 10-50%), τότε η
απορρόφηση επιτυγχάνεται οικονομικά σε φυσικό διαλύτη. Για μικρότερες συγκεντρώσεις προτιμάται χημικός
διαλύτης, καθόσον η στήλη που απαιτείται με τη χρήση φυσικού διαλύτη είναι συνήθως αντιοικονομικά
μεγάλη.
O διαλύτης μιας διεργασίας απορρόφησης στις περισσότερες περιπτώσεις αναγεννάται και
ανακυκλώνεται. Αυτό επιτυγχάνεται με αναστροφή των συνθηκών που ευνοούν την απορρόφηση, δηλαδή με
αύξηση της θερμοκρασίας ή ελάττωση της πίεσης. H συμπληρωματική αυτή διεργασία (εκρόφηση) εκτελείται
σε παράπλευρη στήλη, συχνά με την βοήθεια θερμαντικού μέσου ή παροχής αδρανούς αερίου. Ένα παράδειγμα
τέτοιας ολοκληρωμένης διαδικασίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.1 και αφορά μία τεχνολογία διαχωρισμού CO2
από καυσαέρια, όπως περιγράφεται από τους Tobiesen et al (2009). Παρατηρήστε ότι η εκρόφηση του CO2 από
το κορεσμένο διάλυμα γίνεται με θέρμανση. Το ενδιάμεσο στάδιο εκτόνωσης υπό κενό αποσκοπεί στην
απομάκρυνση του Ο2 που διαλύθηκε, το οποίο θα υποβάθμιζε τον διαλύτη που χρησιμοποιείται και θα αύξανε
την διαβρωτική του δράση.
H εκρόφηση είναι γενικά εύκολη στους φυσικούς διαλύτες. Οι χημικοί διαλύτες πρέπει να είναι
κατάλληλα επιλεγμένοι ώστε η χημική αντίδραση να είναι αμφίδρομη, δηλαδή να οδηγεί σε ασθενείς ενώσεις
που διασπώνται σχετικά εύκολα. Το δημοφιλέστερο παράδειγμα χημικού διαλύτη είναι οι αλκανολαμίνες (de
Medeiros et al, 2013) που είναι ασθενείς οργανικές βάσεις, και ομοιάζουν με το μόριο της αμμωνίας όπου ένα
υδρογόνο έχει αντικατασταθεί από ένα αλκύλιο.
Σε περιπτώσεις όπου επιδιώκεται δέσμευση αέριου ρυπαντή που περιέχεται σε πολύ μικρές
συγκεντρώσεις (<1%), είναι ενδεχόμενα συμφέρουσα η χρήση ενός φθηνού, ισχυρού χημικού διαλύτη, που
χρησιμοποιείται μια φορά και απορρίπτεται. Ένα παράδειγμα, ενδεικτικό των παραπάνω ενδεχομένων, είναι η
απορρόφηση H2S. Σε μεγάλες περιεκτικότητες στο αέριο είναι συνηθισμένη η χρήση του φυσικού διαλύτη
αιθυλενογλυκόλη. Σε μικρότερες συγκεντρώσεις χρησιμοποιείται χημική απορρόφηση με αιθανολαμίνες, ενώ
σε ελάχιστες περιεκτικότητες μπορεί να είναι συμφέρουσα η χρήση διαλύματος NaOH με απόρριψη του