Assorbimento gas-liquido: differenze tra le versioni

Versione delle 09:08, 23 ago 2009

Versione attuale delle 22:20, 15 lug 2022

(47 versioni intermedie di 29 utenti non mostrate)

Riga 1:

{{S|chimica fisica}}

{{torna a|Absorbimento}}

{{voce complessa |Apparecchiature chimiche|Operazione unitaria|Scambio di materia|Bilancio (fenomeni di trasporto)}}

[[Immagine:Absorber.svg|thumb|250px|Colonna di absorbimento gas-liquido da laboratorio. '''1a)''': ingresso CO₂; '''1b)''': ingresso H₂O; '''2)''': uscita miscela; '''3)''': colonna di absorbimento; '''4)''': riempimento.]]

Nell'[[industria chimica]], conl''''assorbimento ilgas-liquido''', termineo semplicemente '''assorbimento''', si intendeè un'[[operazione unitaria]] consistente nel trasferire uno o più componenti di una [[miscela gassosa]] dalla loro [[fase (chimica)|fase]] di [[gas]] verso una fase [[liquido|liquida]].

Il componente assorbito viene detto ''[[soluto]]'', mentre il liquido viene detto ''[[solvente]]''. È una tecnica usata, per esempio, per rimuovere [[ammoniaca]] e vapori di [[benzene]]-[[toluene]] dai gas di [[Carbone (minerale)|cokeria]].

Se tra soluto e solvente avvengono reazioni si parla di '''assorbimento chimico''', come nel caso dell'assorbimento di [[Acido solfidrico|idrogeno solforato]] da miscele [[idrocarburi|idrocarburiche]]che o della rimozione di [[anidride carbonica]] dai gas di sintesi per la produzione di ammoniaca.<ref name=chimc>[http://www.chimicando.it/contributi/impianti_2.pdf chimicando.it - Le migliori risorse e informazioni sul tema: chimicando<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref><br />

Spesso la reazione soluto-solvente, dà origine a specifiche sostanze, come la produzione di [[acido nitrico]], prodotto per assorbimento di N₂O₄ in [[acqua]].

L'[[apparecchiatura chimica]] destinata allo svolgimento dell'[[operazione unitaria]] di assorbimento gas-liquido è detta "colonna di assorbimento" (o "torre di assorbimento").<ref>{{en}} [http://goldbook.iupac.org/A00034.html IUPAC Gold Book, "absorber"]</ref>

==Prassi industriale==

== Apparecchiature utilizzate ==

L'operazione è effettuata in [[colonna di assorbimento|colonne di assorbimento]]: il solvente liquido viene fatto entrare in alto alla colonna, mentre il gas viene immesso dal basso [[scambio in controcorrente|in controcorrente.]] All'uscita della colonna solvente e soluto vengono separati, recuperando il soluto, riciclando il solvente nella colonna, che conterrà tracce di soluto.

Nell'operazione di assorbimento gas-liquido si ha lo [[scambio di materia]] (un [[soluto]]) da una [[fase (chimica)|fase]] [[gas]]sosa a una fase [[liquido|liquida]], quindi per incrementare il [[coefficiente di scambio di materia]] (ovvero la velocità di trasferimento di materia) è necessario avere un'ampia [[interfaccia (chimica)|area interfacciale]] tra le due fasi. Allo scopo si utilizzano dei contattori gas-liquido (in inglese ''"gas-liquid contactors"''), ovvero delle apparecchiature chimiche in cui si mettono a contatto una fase gassosa e una fase liquida in modo tale che possano avvenire scambi di materia e di calore in corrispondenza dell'interfaccia di separazione tra le due fasi.

Il migliore solvente è in genere l'[[acqua]]; infatti il solvente deve avere bassa volatilità, bassa viscosità e deve essere poco corrosivo, non tossico ed economico.<br/>

Il gas deve avere una elevata [[solubilità]] e questo si verifica quando soluto e solvente hanno caratteristiche chimico-fisiche simili.<ref name=chimc/>

L'assorbimento gas-liquido può avere luogo nei seguenti contattori gas-liquido, disposti in ordine per ''[[hold-up (chimica)|hold-up]]'' crescente:

* [[colonna spray]] (o "a spruzzo")

* [[colonna a parete bagnata]]

* [[colonna a piatti]]

* [[colonna a riempimento]]

* [[recipiente agitato]]

* [[colonna a bolle]].

<gallery widths="200">

File:Wetted wall column.svg|[[Colonna a parete bagnata]]

File:Colonna di distillazione a piatti.png|[[Colonna a piatti]]

File:Packed bed column.svg|[[Colonna a riempimento]]

File:Bubble column (it).svg|[[Colonna a bolle]]

</gallery>

Nella colonna spray la fase liquida costituisce la fase dispersa (sotto forma di minutissime [[goccia|goccioline]]), mentre la fase gassosa costituisce la fase continua.

Nella colonna a bolle invece avviene il contrario: la fase liquida costituisce la fase continua, mentre la fase gassosa costituisce la fase dispersa (sotto forma di [[Bolla (fisica)|bolle]]). Gli altri casi rappresentano invece dei casi intermedi tra la colonna spray e la colonna a bolle.

Nella colonna a film cadente un sottile strato liquido scorre sulle pareti interne del recipiente; questa apparecchiatura è utile ai fini dello studio del meccanismo di assorbimento, infatti è possibile verificare l'efficienza dello scambio di materia al variare dello spessore del film liquido. La colonna a film cadente invece non si presta alla prassi industriale a causa della bassa area interfacciale.

== Assorbimento gas-liquido in laboratorio ==

[[File:Absorber.svg|thumb|Colonna di absorbimento gas-liquido da laboratorio.<br />

1a. ingresso CO₂;<br />

1b. ingresso H₂O;<br />

2. uscita miscela;<br />

3. colonna di absorbimento;<br />

4. riempimento.]]

{{S...|chimica |arg2=fisica}}

== Assorbimento gas-liquido nell'industria ==

Tra i diversi contattori gas-liquido, la colonna a riempimento è quella che viene in genere preferita per svolgere l'operazione di assorbimento su scala industriale.

L'operazioneNella ècolonna effettuatadi inassorbimento la [[colonnacorrente di assorbimentomateriale|colonne di assorbimentocorrente]]: contenente il solvente liquido viene fattofatta entrare in alto alla colonna, mentre illa corrente gasgassosa viene immessoimmessa dal basso [[scambio in controcorrente|in controcorrente.]]. All'uscita della colonna solvente e soluto vengono separati, recuperando il soluto, riciclando il solvente nella colonna, che conterrà tracce di soluto.

Il migliore solvente è in genere l'[[acqua]]; infatti il solvente deve avere bassa volatilità, bassa viscosità e deve essere poco corrosivo, non tossico ed economico.<br />

Il gas deve avere una un'elevata [[solubilità]] e questo si verifica quando soluto e solvente hanno caratteristiche chimico-fisiche simili.<ref name=chimc/>

Il [[trasferimento di materia]] si realizza al raggiungimento dell'[[equilibrio termodinamico]] del sistema solvente-miscela di alimentazione. La quantità di materia trasferita riguarda un solo componente: il soluto presente nell'alimentazione.

=== Dimensionamento della colonna di assorbimentodell'apparecchiatura gas-liquido===

Nel dimensionamento delle colonne, si fa riferimento alle condizioni di equilibrio come condizioni al limite. Per effettuare il dimensionamento bisogna risolvere l'[[equazione]] di [[bilancio di materia]] e determinare quindi il numero degli stadi necessario per effettuare l'operazione.<br />

In ogni stadio si realizza il raggiungimento dell'equilibrio ideale.

La risoluzione si può effettuare per via grafica, rappresentando su un grafico X-Y ([[frazione molare|rapporti molari]] rispettivamente del liquido e del gas) una [[curva di equilibrio]], rappresentante la relazione tra le correnti in uscita da ogni piatto, e una ''retta di lavoro'', alla quale ci si riferisce per studiare le relazioni tra le [[Composizione chimica|composizioni]] delle correnti all'interstadio.

Il bilancio di materia deve essere riferito alla portata di inerte sia per la fase gassosa che quella liquida, si utilizzano, quindi, i [[frazione molare|rapporti molari]] per esprimere le composizioni. Il bilancio di materia del soluto è:<ref name= pack>[http://www.cheresources.com/packcolzz.shtml Packed Column Design]</ref>

:<math> G_i \cdot Y_{in}+L \cdot X_{in}=G_i \cdot Y_{us}+L \cdot X_{us}</math>

dove:

Riga 36 ⟶ 69:

Questa equazione può essere scritta nel seguente modo:

:G_i &middot;· (Y_in – Y_us) = L &middot;· (X_us - X_in)

che rappresenta l'equazione di una [[retta]] di [[coefficiente angolare]] ''L/G'' passante per i punti (X_in;Y_us) e (X_us;Y_in).

Quando la retta di lavoro interseca la curva di equilibrio nel punto (Xus ;Yin) si avrà la condizione detta di ''pinch'', che corrisponde al limite teorico di una un'operazione possibile con un numero infinito di piatti; il rapporto L/G rappresenta il rapporto minimo solvente/gas, il quale andrà maggiorato di un valore dato.

Tracciata la retta di lavoro sul grafico si procede alla costruzione a gradini con il [[metodo di McCabe-Thiele|metodo McCabe e Thiele]].<ref name= pack/> Poiché si fa riferimento a condizioni ideali di equilibrio, le quali normalmente non vengono raggiunte, si dovrà disporre dell'efficienza della colonna. Il numero degli stadi reali (N_re) sarà uguale al numero degli stadi ideali (N_id) diviso l'efficienza della colonna.

== Absorbimento chimico ==

Nell'absorbimento chimico la specie che si vuole absorbire nel liquido viene ad essere prodotta a partire da una reazione chimica tra un componente ''A'' presente nella fase gassosa e un componente ''B'' presente nella fase liquida. Quindi la reazione può essere schematizzata come segue:

Riga 52 ⟶ 84:

essendo ''A'' e ''B'' i reagenti e ''b'' il [[coefficiente stechiometrico]] di ''B''.<ref>Il coefficiente stechiometrico di ''A'' viene invece assunto unitario. Qualunque sia il coefficiente stechiometrico di ''A'', è possibile infatti ricondurci alla condizione di coefficiente stechiometrico di ''A'' unitario dividendo tutti i coefficienti stechiometrici della reazione per lo stesso coefficiente stechiometrico di ''A''.</ref>

=== Cinetiche di assorbimento ===

Nell'assorbimento chimico avviene sia il trasporto di materia dei componenti ''A'' e ''B'' sia la reazione tra questi due componenti. La cinetica del processo è quindi determinata da due fattori, che sono la velocità del [[scambio di materia|trasporto di materia]] e la velocità della [[reazione chimica]].

Riga 64 ⟶ 96:

* <math>C_{B \delta}</math>: concentrazione di ''B'' in corrispondenza del piano di reazione

A seconda che il processo sia dominato da una o dall'altra velocità o da entrambe, possiamo avere i seguenti casi (rappresentati in figura):<ref>* {{cita libro| Octave | Levenspiel | Chemical Reaction Engineering | ed=3|1998 | Wiley |edlingua= 3 inglese| pagine= 414-415 |lingua= inglese}} ISBN 047125424X0-471-25424-X</ref>

* '''a) reazione istantanea''': la velocità della reazione è elevatissima, per cui la reazione avviene in un volume di spessore trascurale, approssimabile ad un piano, detto appunto "piano di reazione". Il componente ''A'' viene trasportato dall'interfaccia fino al piano di reazione (che si trova all'interno del film liquido), e in corrispondenza del piano di reazione ''A'' e ''B'' reagiscono istantaneamente, per cui la loro concentrazione si annulla in corrispondenza di esso. Abbiamo le seguenti condizioni al contorno per le concentrazioni di ''A'' e di ''B'':

Riga 73 ⟶ 105:

** <math>C_{B \infty} \ne 0</math>

** <math>C_{B \delta} = 0</math>

* '''b) reazione istantanea con eccesso di ''B'''''<ref>Per "eccesso di ''B'' si intende una situazione in cui il componente ''B'' è presente in una quantità molto elevata.</ref> (o "reazione superficiale"): differisce dal caso precedente per il fatto che il piano di reazione non si trova all'interno del film liquido, bensì in corrispondenza dell'interfaccia gas liquido. La concentrazione del reagente ''A'' è nulla nel liquido, mentre la concentrazione di ''B'' all'interfaccia può assumere un valore diverso da zero. Le condizioni associate sono:

** <math>C_{Ai} = 0</math>

Riga 81 ⟶ 112:

** <math>C_{B \infty} \ne 0</math>

** <math>C_{B \delta} = C_{Bi}</math>

* '''c) reazione veloce''': in questo caso la reazione non avviene in prossimità di un piano, bensì in corrispondenza di un volume di reazione, che si trova all'interno del film liquido. Le condizioni associate sono:

** <math>C_{Ai} \ne 0</math>

Riga 87 ⟶ 117:

** <math>C_{Bi} = 0</math>

** <math>C_{B \infty} \ne 0</math>

* '''d) reazione veloce con eccesso di ''B''''': il volume di reazione si trova all'interno del film liquido ma a ridosso dell'interfaccia gas-liquido. La concentrazione di ''B'' può essere considerata costante all'interno del liquido. Le condizioni associate sono:

** <math>C_{Ai} \ne 0</math>

Riga 93 ⟶ 122:

** <math>C_{Bi} = C_{B \infty}</math>

** <math>C_{B \infty} \ne 0</math>

* '''e) reazione con velocità intermedia rispetto alla velocità di trasferimento di materia''': la reazione tra ''A'' e ''B'' avviene in tutto il liquido (ovvero sia nel film lato liquido sia nel bulk del liquido). La concentrazione di ''A'' nel bulk del liquido non si annulla. Le condizioni associate sono:

** <math>C_{Ai} \ne 0</math>

Riga 99 ⟶ 127:

** <math>C_{Bi} \ne 0</math>

** <math>C_{B \infty} \ne 0</math>

* '''f) reazione con velocità intermedia rispetto alla velocità di trasferimento di materia con eccesso di ''B''''': come nel caso precedente, ma essendo in eccesso di ''B'' la concentrazione di ''B'' rimane costante in tutto il liquido. Le condizioni associate sono:

** <math>C_{Ai} \ne 0</math>

Riga 105 ⟶ 132:

** <math>C_{Bi} = C_{B \infty}</math>

** <math>C_{B \infty} \ne 0</math>

* '''g) reazione lenta''' (o "regime diffusionale lento"): in questo caso la reazione avviene solo nel bulk, infatti essa è talmente lenta che nel film liquido (che ha spessore sottile rispetto al bulk), per quello che riguarda i profili di concentrazione, prevalgono nettamente gli effetti del trasporto di materia su quelli associaiassociati alla reazione chimica. Le condizioni associate sono:

* '''g) reazione lenta''' (o "regime diffusionale lento"): in questo caso la reazione avviene solo nel bulk, infatti essa è talmente lenta che nel film liquido (che ha spessore sottile rispetto al bulk), per quello che riguarda i profili di concentrazione, prevalgono nettamente gli effetti del trasporto di materia su quelli associai alla reazione chimica. Le condizioni associate sono:

** <math>C_{Ai} \ne 0</math>

** <math>C_{A \infty} \ne 0</math>

** <math>C_{Bi} = C_{B \infty}</math>

** <math>C_{B \infty} \ne 0</math>

* '''h) reazione lenta con eccesso di ''B''''' (o "regime cinetico lento"): le concentrazioni di ''A'' e ''B'' in questo caso possono assumersi costanti in tutto il liquido e il film lato liquido ha spessore nullo. Le condizioni associate sono:

** <math>C_{Ai} = C_{A \infty}</math>

Riga 120 ⟶ 145:

Si può notare che per velocità di reazione più elevate il piano di reazione (o il centro del volume di reazione) è più vicino all'interfaccia gas-liquido, mentre per velocità di reazione meno elevate il piano di reazione (o il centro del volume di reazione) è più distante dall'interfaccia gas-liquido. Siccome i reagenti ''A'' e ''B'' vengono consumati dalla reazione ma diffondono in senso opposto l'uno rispetto all'altro, le pendenze dei loro profili di concentrazione hanno segno discorde (ad esempio <math>C_A (z)</math> è decrescente e <math>C_B (z)</math> è crescente, se nel nostro riferimento il gas è a sinistra dell'interfaccia e il liquido è a destra dell'interfaccia).

[[File:Cinetiche di assorbimento chimico.svg|thumb|center|700px|Cinetiche di assorbimento, ordinate per rapporto tra velocità di reazione e velocità di trasporto di materia decrescente (da sinistra a destra). Nella riga inferiore sono riportati gli stessi casi della colonna superiore,ma con eccesso del componente ''B''.|667x667px]]

=== Applicazioni dell'absorbimento chimico ===

Viene utilizzato per la separazione della [[anidride carbonica|CO₂]] dai gas esausti<ref>[http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/Web_sites/02-03/carbon_sequestration/Carbon%20Sequestration-423.htm Solvent Absorption (Solvent Scrubbing)<!-- Titolo generato automaticamente -->]</ref><ref>{{cita pubblicazione

| quotes =

| autore = Sumin Lu, Youguang Mz, Chunying Zhu e Shuhu Shen

| data =

| anno = 2007

| mese =

| titolo = The Enhancement of CO2 Chemical Absorption by K2CO3 Aqueous Solution in the Presence of Activated Carbon Particles

| rivista = Chinese Journal of Chemical Engineering

| volume = 15

| numero = 6

| paginepp = 842-846

| doi = 10.1016/S1004-9541(08)60012-9

| id =

| url = http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B82XJ-4RK0K16-D&_user=7842809&_rdoc=1&_fmt=&_orig=search&_sort=d&view=c&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=7842809&md5=918d54c7ee109b7ffb48b378e7b98a00

| lingua = inglese

| accesso = 29 maggio 2009

| cid =

}}

</ref><ref>{{ko}} [http://www.cheric.org/PDF/CT/CT09/CT09-1-0043.pdf A Study on CO2 Removal by Chemical Absorption Using Structured Packing]</ref> o per la separazione dell'[[acido solfidrico|H₂S]] dai biogas<ref>[http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0104-66322004000300006 "Chemical absorption of H2S for biogas purification"]</ref><ref>{{cita pubblicazione

| quotes =

| autore = HamdIdot Temel

| linkautore =

| coautori =

| data =

| anno = 2002

| titolo = The Chemical Absorption of Sulfur Dioxide in Aqueous Suspension of Limestone and DTA Studies

| mese =

| titolo = The Chemical Absorption of Sulfur Dioxide in Aqueous Suspension of Limestone and DTA Studies

| rivista = Archives of Nature Conservation & Landsc

| volume = 41

| numero = 3-4

| paginepp = 141-147

| doi = 10.1080/0003930022000043437

| id =

| url = http://www.informaworld.com/smpp/content~content=a713710272~db=all~jumptype=rss

| lingua = inglese

| accesso = 29 maggio 2009

| cid =

}}

</ref><ref>{{cita pubblicazione

| quotes =

| autore = Ying-Chien Chung, Kuo-Ling Ho, Ching-Ping Tseng

| data =

| anno = 2006

| mese =

| titolo = Treatment of High H2S Concentrations by Chemical Absorption and Biological Oxidation Process

| rivista = Environmental Engineering Science

| volume = 23

| numero = 6

| paginepp = 942-953

| doi = 10.1089/ees.2006.23.942

| id =

| url = http://www.liebertonline.com/doi/abs/10.1089/ees.2006.23.942?cookieSet=1&journalCode=ees

| lingua = inglese

| accesso = 29 maggio 2009

| cid =

}}

</ref>

== Note ==

{{<references|2}}/>

== Bibliografia ==

* {{cita libro| Warren | McCabe | Unit Operations In Chemical Engineering | 2005 | Tata Mcgraw Hill Publishers | coautori= Julian Smith, Peter Harriott | ed= 6 |lingua= inglese|paginepp= pp. 546-595}} ISBN|isbn= 00706008210-07-060082-1 }}

* {{cita libro| Robert | Perry | [[Perry's Chemical Engineers' Handbook]] | 2007 | McGraw-Hill | wkautore= Robert H. Perry | coautori= Don W. Green |ed= 8 |lingua= inglese}}|isbn= ISBN0-07-142294-3 0071422943}}

* Stephen Whitaker, Alberto E. Cassano, "Concepts and design of chemical reactors", Taylor & Francis, 1986, pp.513-560&nbsp;513–560. ISBN 28812411822-88124-118-2

== Voci correlate ==

* [[Absorbimento]]

* [[Adsorbimento]]

* [[Colonna di assorbimento]]

* [[Colonna a riempimento]]

* [[Colonna a piatti]]

* [[Scrubber]]

* [[Teoria della penetrazione]]

* [[Teoria del film (fenomeni di trasporto)|Teoria del film]]

==Collegamenti esterni==

* {{en}} [http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/08/CO2E/PDF/session%206/JYG-English.pdf "Chemical Absorption Technology of CO2 Abatement"]

* {{en}} [http://www.rheology.or.kr/down/16-1(4).pdf "Effect of rheological properties on chemical absorption of carbon dioxide with ME"]

* {{en}} [http://www.anl.gov/PCS/acsfuel/preprint%20archive/Files/45_4_WASHINGTON%20DC_08-00_0650.pdf "Study of CO, Absorption and Desorption in a Packed Column"]

== Collegamenti esterni ==

* {{cita web|1=http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/08/CO2E/PDF/session%206/JYG-English.pdf|2="Chemical Absorption Technology of CO2 Abatement"|lingua=en|accesso=29 maggio 2009|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20090507171552/http://www.netl.doe.gov/publications/proceedings/08/CO2E/PDF/session%206/JYG-English.pdf|dataarchivio=7 maggio 2009|urlmorto=sì}}

* {{en}}cita [web|1=http://www.rheology.or.kr/down/16-1(4).pdf |2="Effect of rheological properties on chemical absorption of carbon dioxide with ME"]|lingua=en|accesso=29 maggio 2009|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20041119042412/http://www.rheology.or.kr/down/16-1(4).pdf|dataarchivio=19 novembre 2004|urlmorto=sì}}

* {{cita web|1=http://www.anl.gov/PCS/acsfuel/preprint%20archive/Files/45_4_WASHINGTON%20DC_08-00_0650.pdf|2="Study of CO, Absorption and Desorption in a Packed Column"|lingua=en|accesso=29 maggio 2009|urlarchivio=https://web.archive.org/web/20080924134647/http://www.anl.gov/PCS/acsfuel/preprint%20archive/Files/45_4_WASHINGTON%20DC_08-00_0650.pdf|dataarchivio=24 settembre 2008|urlmorto=sì}}

{{Laboratorio chimico}}

{{Processi di separazione}}

{{Portale|chimica|fisica|ingegneria}}

Riga 210 ⟶ 219:

[[Categoria:Chimica fisica]]

[[Categoria:Operazioni unitarie]]

[[Categoria:Metodi di separazione]]

[[de:Sorption]]

[[en:Sorption]]

[[fr:Sorption]]

[[ru:Сорбция]]