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L'absorbimento (o scrubbing) è la rimozione di un componente soluto da uno stream di gas tramite l'assorbimento da parte di un liquido non volatile (il solvente)

La desorbimento (o stripping) viceversa è la rimozione di un componente da uno stream di liquido tramite vaporizzazione e assorbimento da parte di uno stream di gas insolubile.

Quindi, l'absorbimento e lo stripping sono operazioni unitarie opposte e spesso vengono utilizzati insieme come ciclo. Possono essere utilizzati come processi a stadi di equilibrio utilizzando colonne a piatti o, più comunemente, utilizzando colonne riempite.

In chimica fisica, l'assorbimento indica il fenomeno per cui si ha il trasferimento di una specie chimica (ovvero uno scambio di materia) da una soluzione sulla superficie di un solido (adsorbimento) o attraverso l'interfaccia di separazione tra due fasi (absorbimento).

ABSORBIMENTO

L'absorbimento fisico si basa sulla solubilità di un gas particolare in un liquido.

• Questa solubilità è spesso piuttosto bassa; di conseguenza, è necessaria una quantità relativamente grande di solvente liquido per ottenere la separazione desiderata.

• Questo solvente liquido contenente il soluto viene di solito rigenerato mediante riscaldamento o stripping per far uscire di nuovo il soluto.

Esempi:

• • CO2 e acqua Acetilene e acido acetico

  • CO e acqua NH3 e acetone

  • H2S e acqua Etano e disolfuro di carbonio

  • NH3 e acqua N2 e acetato di metile

  • NO2 e acqua NO ed etanolo 

L'absorbimento chimico si basa sulla reazione di un particolare gas con un reagente in un liquido.

• può spesso essere abbastanza elevato; di conseguenza, è necessaria una quantità minore di solvente/reagente liquido per ottenere la separazione richiesta.

• Tuttavia, il reagente può essere relativamente costoso ed è spesso auspicabile rigenerarlo quando possibile.

Esempi:

• • CO2/H2S e ammine etanoliche acquose

  • CO2/H2S e idrossidi acquosi

  • CO e sale di ammonio rameico acquoso

  • SO2 e dimetil anilina acquosa

  • HCN e NaOH acquoso

  • HCl/HF e NaOH acquoso 

La separazione dei componenti da una miscela gassosa può essere ottenuta in vari modi. Ad esempio, la frazionazione di ossigeno e azoto da un flusso d'aria viene effettuata mediante distillazione a bassa temperatura. Ciò richiede un ciclo di refrigerazione, ma è comunque un processo economicamente sostenibile. In altri casi, quando si desidera separare solo uno o alcuni componenti, non è possibile recuperare i componenti di interesse per condensazione poiché la temperatura richiesta sarebbe troppo bassa, e un processo di separazione termica non sarebbe economicamente conveniente.

Un'opzione alternativa è un processo di separazione non termica come l'absorbimento, dove viene aggiunta una seconda fase alla miscela gassosa (o di vapore), che è una fase liquida spesso chiamata solvente. Questo solvente liquido è scelto per massimizzare la sua affinità rispetto a uno (o più) componenti della fase gassosa (di vapore) da separare dal resto del gas (vapore).

La separazione per absorbimento viene ottenuta contattando opportunamente il flusso di gas con il solvente liquido. Con questa operazione, alcuni componenti possono essere trasferiti in modo selettivo dalla fase gassosa a quella liquida.

L'obiettivo di un processo di assorbimento può essere:

1. Recuperare i componenti di valore mediante la loro condensazione diretta nel solvente

2. Purificare un flusso di gas (vapore) separando i componenti indesiderati più pesanti

Il numero minimo di componenti in un processo di assorbimento è 3: il componente da recuperare mediante condensazione diretta nel liquido, un componente nella fase gassosa (di vapore), che non viene condensato. Il solvente, che è abbastanza pesante da non essere significativamente presente nella fase gassosa

In un sistema a tre componenti con due fasi coesistenti, possono essere scritte 3 condizioni di iso-fugacità per calcolare l'equilibrio termodinamico: 𝑓1 𝑣 = 𝑓1 L, ...

Con il numero 1 indichiamo il componente di vapore non soggetto a condensazione e con il numero 3 il solvente, che si assume non evaporare. Pertanto, il componente 2 è l'unico distribuito tra le due fasi coesistenti, per il quale la condizione di iso-fugacità ha una applicazione pratica.

Di conseguenza, i componenti 1 e 3 sono definiti "inert(i)" rispettivamente come "gas inerte" e "liquido inerte". Se la pressione è relativamente bassa, si può utilizzare un approccio γ-φ per esprimere la condizione di equilibrio per il componente 2. 

Sotto l'ipotesi che la soluzione liquida sia diluita (cioè xi<0.10), la condizione di equilibrio per il componente 2 può essere scritta come: che rappresenta una linea retta se l'assorbimento avviene a T e P costanti. 

La legge di Henry viene utilizzata per determinare la quantità di un componente supercritico o gas leggero nella fase liquida. Viene utilizzata solo con modelli di coefficiente di attività e idealità. 𝐻𝑖 viene calcolato a partire dalle costanti di Henry dipendenti dalla temperatura per ciascuna coppia soluto-solvente. 

I dati di assorbimento sono tipicamente disponibili sotto forma di frazioni molari di soluto, yi vs. xi, o in termini della costante di Henry. La legge di Henry, in termini di frazioni molari di soluto i e della pressione totale, è: quanto più alta è H, tanto più bassa è la solubilità x (con P e y costanti). La legge di Henry è valida a basse concentrazioni di soluto i, approssimativamente inferiori al 10%.

Come eseguire il processo

La migliore opzione è quella di far entrare in contatto il flusso di gas (vapore) con il flusso di solvente in un modello a corrente contraria. Dal punto di vista del processo, la separazione per assorbimento richiede un certo numero di stadi ideali in serie. Per quanto riguarda l'attrezzatura, il processo di assorbimento avviene in una colonna, che può essere una colonna a piatti o una colonna a imballaggio. Ci riferiamo a x e y come frazioni molari. Si noti che i flussi L e V NON sono costanti lungo la colonna. 

La principale differenza nel trattamento dell'absorbimento e della stripping, rispetto alla distillazione, è rappresentata dal modo in cui rappresentiamo gli equilibri (curva di equilibrio) e i bilanci di massa (linee di operazione).

• Nella distillazione, si supponeva che i flussi di liquido e vapore rimanessero costanti sotto CMO.

• Nell'assorbimento, si ha la rimozione del soluto dal flusso di gas e l'assorbimento dal flusso di liquido solvente; di conseguenza, le quantità o i tassi di flusso totali dei flussi di liquido e gas possono cambiare.

• A causa dell'assorbimento, in fondo i tassi di flusso sono maggiori rispetto alla parte superiore.

• Pertanto, è impossibile ottenere una linea di operazione che sia una linea retta. 

Se usiamo le frazioni molari del soluto e assumiamo che le quantità o i tassi di flusso dei flussi di gas e liquido rimangano costanti, possono verificarsi significativi errori se la concentrazione del soluto nel flusso di gas in ingresso è maggiore di circa l'1%. Se possiamo configurare la curva di equilibrio e la linea di operazione per tener conto di questo cambiamento nei tassi di flusso complessivi di gas e liquido, possiamo utilizzare il metodo di McCabe-Thiele per risolvere problemi di assorbimento e stripping.

Assumiamo che:

• Il gas vettore è insolubile (o ha una solubilità molto bassa), ad esempio N2 o Ar in acqua.

• Il solvente è non volatile (o ha una bassa pressione di vapore), ad esempio acqua in aria a basse temperature.

• Il sistema è isoterma, ad esempio gli effetti del calore di soluzione o di reazione sono bassi o c'è un sistema di raffreddamento o riscaldamento nella colonna.

• Il sistema è isobarico.

• La concentrazione del soluto è bassa, ad esempio <10% - questo è il limite per l'uso della legge di Henry. 

Sono disponibili diverse approssimazioni per i calcoli di assorbimento:

• In termini di HETP: Assorbimento diluito con OL costante. Sia la linea di operazione che quella di equilibrio sono lineari e parallele e sia la linea di operazione che quella di equilibrio sono lineari ma non parallele. Caso generale con OL non lineare in termini di L e V. I bilanci di massa sono riscritti in termini di gas inerte e soluto liquido.

• In termini di HTU - NTU: Caso generale con OL non lineare in termini di L e V. I bilanci di massa sono riscritti in termini di gas inerte e soluto liquido. 

Soluzione McCabe Thiele 

Per l'absorbimento diluito:

• Il diagramma di McCabe-Thiele è utile quando l'OL è rettilineo. Ciò richiede che il rapporto tra il flusso di liquido e il flusso di vapore sia costante.

• Ulteriori ipotesi: Il calore di assorbimento è trascurabile e l'operazione è isoterma.

• Quando i flussi di gas e liquido sono entrambi abbastanza diluiti, le ipotesi saranno probabilmente soddisfatte.

• Se la frazione molare del soluto nell'alimentazione yB,N+1 è molto bassa, trasferire la maggior parte o addirittura tutto il soluto al liquido avrà un effetto molto limitato sul flusso di vapore complessivo V o sul flusso di liquido complessivo L. 

• Possiamo supporre che L e V siano entrambi costanti, e la linea operativa su un diagramma di McCabe-Thiele sarà dritto.

• Utilizzando l'inviluppo del bilancio di massa intorno alla parte superiore di la colonna di assorbimento mostrata in figura, possiamo scrivere il bilancio di massa del soluto per le costanti L e V.

Procedura

1. Tracciare il diagramma di equilibrio y vs x.

2. Per un problema di progettazione, solitamente sono noti x0, yN+1, y1 e L/V. Il punto (x0, y1) si trova sulla linea di operazione e la pendenza è L/V. Tracciare la linea di operazione.

3. Partire dalla fase 1 e procedere per stadi alternando tra le linee di equilibrio e di operazione. Nota che la linea di operazione si trova sopra la linea di equilibrio. Ciò avviene perché il soluto viene trasferito dal gas al liquido. Nella distillazione, il componente più volatile viene trasferito dal liquido al gas e la linea di operazione si trova sotto la curva di equilibrio. 

Analisi di stripping per sistemi diluiti

Poiché lo stripping è molto simile all'assorbimento, ci aspettiamo che il metodo sia simile.

• Il bilancio di massa per la colonna è lo stesso e OL è lo stesso:

• Per lo stripping conosciamo x0, xN, yN+1 e L/V. Poiché (xN, yN+1) è un punto sulla linea di esercizio, possiamo tracciare la linea di esercizio e calcolare le fasi.

Si noti che la linea di esercizio è al di sotto della curva di equilibrio perché il soluto viene trasferito dal liquido al gas.

• Ciò è quindi simile alla sezione di stripping di una colonna di distillazione.

• È possibile definire un rapporto massimo L/V; questo corrisponde alla quantità minima di gas di stripping.

• Partendo dal punto noto (yN+1, xN), disegnare una linea all'intersezione di x = x0 e la curva di equilibrio. In alternativa, potrebbe esserci un punto di pizzico tangente.

• Per uno stripper, y1 > yN+1, mentre il contrario è vero nell'assorbimento.

• Pertanto, la parte superiore della colonna si trova sul lato destro in questa figura ma sul lato sinistro nella figura di assorbimento.

• Lo stripping spesso ha grandi variazioni di temperatura, quindi il metodo di calcolo utilizzato qui è spesso appropriato solo per sistemi molto diluiti. 

Soluzione analitica per sistemi diluiti

Equazione di Kremser

Quando la soluzione è abbastanza diluita (diciamo meno del 1% di soluto sia nel gas che nel liquido), i flussi totali di liquido e gas non cambieranno significativamente poiché poco soluto viene trasferito. La colonna e la linea di esercizio sono le stesse di sopra. Per utilizzare l'equazione della linea di esercizio nel diagramma di McCabe-Thiele, assumiamo quanto segue:

1. L / V (flussi totali) è costante.

2. Sistema isoterma.

3. Sistema isobarico.

4. Calore di assorbimento trascurabile. 

5. La linea di equilibrio è retta → yj = m xj + b

Una soluzione analitica per l'assorbimento è derivata per il caso particolare in cui le linee di equilibrio e di esercizio sono parallele. 

Se le linee sono parallele. L'equazione di Kremser

La distanza tra le linee di esercizio e di equilibrio, Δy, è costante. Per andare dalle concentrazioni in uscita a quelle in ingresso con N stadi, abbiamo N Δy = yN+1 - y1

Δy può essere ottenuto sottraendo l'equazione di equilibrio dall'equazione di OL, con L / V costante e linee parallele (L / V = m):

Il caso più generale è quando le due linee non sono parallele. L'equazione di Kremser-Brown-Souders. 

Ora Δyj varia da stadio a stadio. I valori di Δyj possono essere determinati come prima usando l'equazione di equilibrio: xj = (yj-b)/m

La differenza tra le concentrazioni di gas in ingresso e in uscita deve essere la somma dei valori di Δyj 

• Il bilancio di materia attorno allo stadio j: 𝐿(𝑥𝑗 − 𝑥𝑗−1) = 𝑉(𝑦𝑗+1 − 𝑦𝑗)

• E considerando la relazione di equilibrio: 𝑦𝑗 = 𝑚 𝑥𝑗 + 𝑏 

• Si ottiene: (𝑦𝑗+1−𝑦𝑗) / (𝑦𝑗−𝑦𝑗−1) = 𝐿 /𝑚𝑉 =A 

• Sommate e moltiplicate membro a membro dove yi* è il valore che sarebbe inequilibrio con il liquido xi

Questa è l'equazione di Kremser-Brown-Souders. 

Questa è l'equazione di Kremser-Brian-King.

• Il rapporto A=L/(mV) è definito come il fattore di assorbimento. Il rapporto è espresso in termini di fattore di assorbimento e numero di stadi.

• L'equazione sopra rappresenta il rapporto tra il componente di suddivisione non assorbito che rimane in fase gassosa (y1) e il componente di suddivisione in ingresso nell'alimentazione (yN+1) riferito al vapore in equilibrio con le condizioni del liquido dell'alimentazione (x0). 

Da 0.9 in su non c'è, se l'assorbimento è troppo basso il numero di stadi va a tendere a infinito. Grafico vale sia per assorbimento sia per strippaggio.

Relazione tra HETP e HTU

In casi semplici, l'approccio HTU-NTU e l'approccio HETP possono essere correlati con una derivazione simile a quella usata per l'equazione di Kremser.

• Se le curve di operazione e di equilibrio sono diritte e parallele, mV/L = 1, abbiamo la situazione mostrata in Figura.

• La definizione di NTU:

 h=HTU * NTU = N * HETP → HETP = NTU * HTU / N 

Assorbimento e stripping: aggirare il problema

Mentre il flusso totale di gas e liquido può variare nell'assorbimento, il flusso del gas vettore, che si assume essere insolubile nel solvente, non cambia. Allo stesso modo, il flusso del solvente, che si assume essere non volatile, non cambia.

Di conseguenza, possiamo definire la nostra curva di equilibrio e la linea di lavoro in termini di rapporti molari rispetto al gas vettore e al solvente, invece di frazioni molari come abbiamo fatto nella distillazione.

In questo modo si aggira il problema della variazione delle quantità o dei flussi totali di gas e liquido nell'assorbimento e nello stripping. 

Bilanci di materia

Nel caso generale, è preferibile fare riferimento ai flussi "inerzi" piuttosto che ai totali. I flussi "inerzi" S e G rimangono costanti lungo la colonna.

Per esprimere i bilanci di materia in termini di flussi di componente (come di consueto), è necessario fare riferimento ai rapporti molari invece che alle frazioni molari. Nota che X e Y possono essere maggiori di 1. 

La relazione di equilibrio non è più una linea retta: è necessario utilizzare i rapporti molari invece delle frazioni molari.

𝑃. Questa equazione ha un'asintoto verticale in:

La condizione asintotica si verifica per un valore di X che è positivo se m (=H/P) > 1 e negativo se m (=H/P) < 1. La concavità della curva di equilibrio può essere positiva o negativa.

Caso m>1: la composizione del liquido deve essere inferiore a quella di equilibrio con il gas, in ogni sezione della colonna. Il trasferimento di massa del componente 2 avviene dal gas alla fase liquida, come tipico di qualsiasi processo di assorbimento. L'assorbimento è favorito da una bassa temperatura e una alta pressione, poiché in queste condizioni la distanza tra la linea di lavoro e la curva di equilibrio è massimizzata. 

Tracciamento della curva di equilibrio e retta di lavoro

La linea di funzionamento dell'assorbitore è: S è il solvente e G è il gas, la pendenza della linea di funzionamento è S/G. Si noti che con la pendenza della linea di funzionamento uguale a (S/G min), N → ∞

La specifica di progettazione è data in termini di composizione del gas (o del vapore) in uscita, come un recupero, cioè 1- (GYu / SYe): ovvero il rapporto (Yu / Ye). Per dati Ye e Yu è possibile identificare il (S/G min), cioè il consumo minimo di liquido assorbente per ridurre la composizione nel gas del componente 2 da Ye a Yu.

Procedura di incremento viene eseguita da Y1, X0.

Analisi HTU-NTU per assorbitori concentrati e strippers con un solo soluto

È più complessa rispetto alla distillazione perché i flussi totali non sono costanti, il soluto diffonde attraverso uno strato di film stagnante senza diffusione inversa, NB = 0.

Assumeremo che il sistema sia isoterma. Per i film stagnanti con NB = 0, abbiamo un caso speciale di diffusione: 

In modo simile a quanto fatto per le colonne a imballaggio, per l'altezza differenziale dz nella sezione di rettifica, il tasso di trasferimento di massa in termini di coefficienti individuali è (notare ora (yA - yAI)): 𝑁𝐴𝑎𝐴𝐶𝑑𝑧 = 𝑘′𝑦𝑎 𝑦𝐴 − 𝑦𝐴𝐼 𝐴𝐶𝑑z

dove NA = flusso di A in kmol/m2-h o lbmol/ft2-h e Ac = area trasversale della colonna in m2 o ft2. Questa equazione ha unità di kmol/h o lbmol/h.

Il tasso di trasferimento di massa deve anche essere uguale alle variazioni della quantità del componente più volatile nelle fasi liquida e di vapore, dove L e V non sono più costanti: 𝑁𝐴𝑎𝐴𝐶𝑑𝑧 = −𝐴𝐶 𝑑 𝑉𝑦𝐴 = −𝐴𝐶 𝑑 𝐿𝑥A). Le variazioni in V possono essere correlate al flusso costante di gas di portata G come V = G / (1-yA)

Così: 

Il termine V/(k'ya Ac) rappresenta l'altezza di una unità di trasferimento di massa in fase gassosa HG: HG può essere determinata tramite correlazioni generali nG per l'assorbimento concentrato, che sono diverse da quelle per la distillazione.

La differenza nei limiti di integrazione nelle due definizioni per nG si verifica perché la direzione di trasferimento del componente A nella distillazione è opposta a quella nell'assorbimento.

Ci sono termini aggiuntivi all'interno del segno integrale nell'assorbimento perché il trasferimento di massa avviene attraverso un film stagnante e non è un trasferimento controcorrente equimolare come nella distillazione.

Per una pila di assorbimento di NP stadi di contatto ideali, il numero di gradi di libertà è dato da:

𝑁𝑖 = 2𝑛 + 2𝑐 + 5

Di solito, i valori di n dispersioni termiche sono noti, e quelli di n pressioni devono essere assegnati, così come C + 2 variabili dei due flussi vengono impostate, in modo che rimanga solo 1 grado di libertà.

Questa è una situazione scomoda che non fornisce gradi di libertà nei problemi di valutazione. Si decide di aumentare questo numero di 1, considerando il flusso di liquido in ingresso come secondo grado di libertà.

Una colonna di assorbimento ha due gradi di libertà nel progetto del processo (ad esempio Yu e L) e uno nella valutazione del processo (ad esempio Yu).

In modalità di progettazione:

• Quando si progetta un processo di assorbimento continuo a controcorrente, Yu è solitamente la specifica di progettazione. Il flusso di liquido assorbente (il solvente) L è il secondo grado di libertà e di solito viene mantenuto il più basso possibile per ridurre i costi relativi alla purificazione del solvente e al recupero del prodotto a valle.

In modalità di valutazione:

• Nel caso della valutazione, l'unico grado di libertà disponibile è impostato su Yu, che è nuovamente la specifica di progettazione, e il flusso di liquido è quello risultante dal calcolo. Diversamente da un processo di distillazione, un processo di assorbimento è più complicato perché richiede almeno due fasi:

  • quella di assorbimento, seguita da una fase di rigenerazione del solvente e di recupero del prodotto di interesse dalla miscela con il solvente.

  • Questa seconda fase può essere realizzata in vari modi. 

Bilancio energetico complessivo

L'assorbimento di componenti gassosi in fase liquida è un processo esotermico, in quanto l'assorbimento è una condensazione parziale per contatto diretto. Pertanto, l'energia rilasciata durante la condensazione deve essere smaltita in qualche modo.

Se si assume che la colonna sia adiabatica, come avviene nella pratica, questa energia aumenta la temperatura all'interno della colonna.

• Il profilo di temperatura aumenta dall'alto verso il basso della colonna.

• Il bilancio energetico complessivo semplificato attorno a una colonna di assorbimento adiabatico è:

• ricorda che 𝐿(𝑋N − 𝑋 ) 0) = 𝑉(𝑌𝑁+1 − 𝑌1)

• Questo bilancio energetico è scritto su base molare, in modo che il calore di condensazione e le capacità termiche specifiche sia del vapore che del liquido siano in base molare.

• Entrambi i termini del lato destro contribuiscono al calcolo delle temperature. 

Il bilancio energetico deve essere utilizzato insieme ai bilanci di materia e alla relazione di equilibrio per calcolare un processo di assorbimento adiabatico.

La soluzione di questo modello richiede una procedura iterativa.

Di conseguenza, in una colonna di assorbimento adiabatica le correnti in uscita possono essere a una temperatura più alta rispetto a quelle in ingresso. L'aumento della temperatura dall'alto verso il basso di una colonna di assorbimento comporta una diminuzione della solubilità.

Rispetto all'operazione isoterma, sarà richiesto un valore più elevato del rapporto (L/V)min o, con lo stesso rapporto (L/V), sarà necessario un numero maggiore di stadi ideali per la separazione desiderata. 

Note

Si noti che la linea di operazione per un assorbitore si trova sopra la curva di equilibrio. Per una data concentrazione di soluto nel liquido, la concentrazione di soluto nel gas è sempre maggiore del valore di equilibrio, che fornisce la forza trainante per la separazione.

Il soluto viene trasferito dal gas al liquido nell'assorbimento. Nella distillazione, abbiamo rappresentato il componente più volatile, che è stato trasferito dal liquido al gas. Nella distillazione, se avessimo rappresentato il componente meno volatile, che è stato trasferito dal gas al liquido, anche la linea di operazione sarebbe stata sopra la curva di equilibrio.

Inoltre si osservi che la linea di operazione è lineare se usiamo le mole ratio. Questo risultato è dovuto alla forma della linea di operazione dove L/V è una costante. L e V sono basati sul solvente non volatile e il gas di carica insolubile, rispettivamente, che non cambiano. Se avessimo usato le frazioni molari e i flussi totali di gas e liquido, la linea di operazione sarebbe curva perché i flussi totali di gas e liquido cambierebbero poiché stiamo rimuovendo il soluto dal gas e lo stiamo assorbendo nel liquido.

Si potrebbe utilizzare le frazioni molari e i flussi totali di gas e liquido nei nostri calcoli solo se il soluto è a basse concentrazioni, ad esempio <1%, nella maggior parte dei sistemi. Non confondere questo requisito con quello per l'uso della legge di Henry, che richiede basse concentrazioni di soluto, <10%, per essere valide. 

Nota la posizione della parte superiore e inferiore della colonna sul diagramma di McCabe-Thiele. Di solito si parte dall'alto della colonna, il che equivale a salire sul grafico di McCabe-Thiele per l'assorbimento.

Poiché si parte dalla OL, è necessario esprimere la curva di equilibrio in termini di XEq = XEq(YEq). Anche se questo sembra essere il contrario di ciò che abbiamo fatto nella distillazione, dove abbiamo usato yEq = yEq(xEq) quando siamo saliti sul grafico, ricorda che stiamo ancora scendendo dall'alto della colonna nel grafico di assorbimento.

Usiamo YEq vs. XEq per disegnare la curva di equilibrio, ma abbiamo anche bisogno di XEq vs YEq per risolvere effettivamente il problema analiticamente. 

Effetti di temperatura e pressione 

Perché temperature basse?   𝑃𝑦2 = 𝑥2𝐻2 

Poiché H aumenta con T, secondo la legge di Henry, x diminuisce con l'aumento di T. Per una buona solubilità, T dovrebbe essere bassa.

La pressione di vapore di un solvente aumenta con T: maggiore è l'evaporazione del solvente a temperature elevate, ciò causerà la perdita del solvente. Per la stabilità del solvente la temperatura dovrebbe essere bassa.

Perché alta pressione?  𝑃𝑦2 = 𝑥2𝐻2 

Legge di Henry → maggiore è la pressione parziale (Py), maggiore è la solubilità x (a H costante): l'alta P totale significa alta solubilità del gas e maggiore velocità di trasferimento di massa.

L'alta P totale impedisce al solvente di evaporare.

Quindi, sia l'alta P che la bassa T sono per le stesse due ragioni, aumentare la quantità di componente disciolto nel liquido, prevenire l'evaporazione del solvente. 

STRIPPING 

Lo stripping è l'operazione che permette di separare uno (o più) componente volatile da un'alimentazione liquida quando sono molto più volatili degli altri componenti presenti nell'alimentazione. Si tratta di un processo di vaporizzazione parziale, che viene effettuato mettendo in contatto la miscela liquida con una fase gassosa esterna (come aria, azoto, vapore supersaturato), in grado di separare i componenti volatili.

Lo stripping può essere un'alternativa al processo flash, soprattutto quando quest'ultimo non riesce a soddisfare le specifiche di progettazione richieste. Tuttavia, il processo di stripping richiede un secondo passaggio per separare il componente (o i componenti) dal gas di stripping.

L'uso di vapore invece di gas non condensabili può essere una buona soluzione, purché possa essere condensato in una fase liquida separata rispetto ai componenti volatili. Se, come spesso accade, i componenti stripping sono insolubili in acqua, dal condensatore si ottengono due fasi liquide, che possono essere facilmente separate mediante metodi gravitazionali. E' importante che il vapore non condensi all'interno della colonna. La temperatura della colonna dovrebbe essere maggiore della T di ebollizione alla P operativa nella colonna. 

Una curva di equilibrio e una linea di operazione

Di solito si assume che solo pochi componenti (uno) siano trasferiti dalla fase liquida a quella di vapore. I flussi totali di L e V sono maggiori nella parte superiore della colonna. Allo stesso modo dell'assorbimento, il componente non volatile nella corrente liquida e il vapore nella corrente di vapore sono considerati "inerti" poiché non partecipano al trasferimento di massa. 

A causa della non costanza dei flussi molari nella colonna (come per l'assorbimento), anche per lo stripping è conveniente scrivere i bilanci di massa ed energia rispetto ai flussi di massa inerti (che sono costanti) piuttosto che ai flussi totali e ai rapporti di composizione anziché alle frazioni di composizione.

Analogamente al processo di assorbimento, riferirsi ai flussi inerti anziché ai flussi totali consente di ottenere linee di operazione rappresentabili da equazioni lineari. S rappresenta il flusso inerte del solvente e G il flusso inerte del gas.

Come per l'assorbimento, anche per lo stripping la relazione di equilibrio, che sarebbe lineare in riferimento alle frazioni molari, appare come un ramo di un'iperbole quando si utilizzano i rapporti molari:

Nel piano X-Y, il bilancio di massa (riferito sia alla parte superiore che a quella inferiore) rappresenta una linea retta, la cui pendenza è ST/G. Questo è il reciproco del consumo specifico di vapore, che può essere espresso come:

In ogni sezione della colonna, la composizione del vapore deve essere inferiore a quella di equilibrio con il liquido, perché il trasferimento di massa di B avviene dalla fase liquida a quella di vapore. Questo è tipico dei processi di stripping, simili ai processi di distillazione. Ciò significa che lo stripping è favorito da alte temperature e basse pressioni. Patm e T>120°C (per evitare la condensazione del vapore all'interno della colonna) 

Calcolo del numero di stadi ideali necessari per abbassare la concentrazione liquida da Xo a XN. Dato Xo, XN, YN+1, S e G, trovare N

Procedura:

• Tracciare i dati VLE come rapporti molari

• Tracciare (XN, YN+1) e (X0, Y1) e disegnare OL (che sarà sotto la linea di equilibrio)

• Passare agli stadi dal top

Per Gmin: tracciare X0 sulla linea di equilibrio e calcolare Gmin=S/(S/G)max

• → (S/G)opt=.7 (S/G)max

In alcuni casi (con la curva dell'equilibrio curva) la OL è tangente alla curva di equilibrio tra X0 e XN (punto di pizzico). La pendenza massima della linea operativa (L/V)max, corrispondente al consumo minimo di vapore (V/L)min, viene stimata dalla condizione di tangenza della linea operativa alla curva di equilibrio (punto di pizzico). Tuttavia, il valore di (L/V)max, potrebbe non corrispondere alla condizione di tangenza, come accade quando Xe < Xtan. 

Equazione di Kremser-Brown-Souders

Solo nel caso di stripping intenso, la diluizione del componente nelle fasi è tale da rendere possibile:

• sostituire i rapporti molari con le frazioni molari,

• le portate degli inerti con quelle totali.

• In queste condizioni, è possibile la valutazione analitica del numero di stadi teorici, secondo la procedura descritta per l'assorbimento.

Il bilancio di materia intorno all'ideale stadio j è: 

𝐿(𝑥𝑗 − 𝑥𝑗−1) = 𝑉(𝑦𝑗+1 − 𝑦𝑗)

Considerando la relazione di equilibrio yj = m xj e moltiplicando membro per membro tutti i bilanci di stadio otteniamo:

Non è possibile trovare una soluzione al problema di stripping di interesse per recuperi superiori al 90% se il fattore di stripping è inferiore a 0,9. 

Gradi di libertà

Le considerazioni sviluppate per il processo di absorbimento possono essere ripetute anche per lo stripping: 𝑁𝑖 = 2𝑛 + 2𝑐 + 5

Di solito i valori di n dispersioni termiche sono noti e quelli di n pressioni devono essere assegnati, così come C + 2 variabili dei due alimentatori sono fissati, in modo che rimanga solo 1 grado di libertà. Questa è una situazione scomoda, pertanto, si decide di aumentare questo numero di 1, considerando il flusso di vapore in ingresso come secondo grado di libertà. Quindi, una colonna di stripping ha due gradi di libertà nella progettazione (ad esempio XN e V) e uno nella valutazione (ad esempio XN). 

• In modalità di progettazione: Quando si progetta un processo di stripping continuo a controcorrente, XN solitamente è la specifica di progettazione. Il flusso di vapore di stripping di solito viene mantenuto il più basso possibile per ridurre i costi energetici. In generale, il valore ottimale (Vopt) può essere correlato a quello di (Vmin) → (Vopt) = K (Vmin)

• In modalità di valutazione: Nel caso della valutazione, l'unico grado di libertà disponibile è impostato su XN, che è di nuovo la specifica di progettazione, e il flusso di vapore è quello risultante dal calcolo senza possibilità di ottimizzarlo.

Bilancio energetico complessivo 

semplificato per una colonna di stripping adiabatico ( con 𝑆(𝑋0 − 𝑋𝑁) = 𝐺 𝑌1)

Questo bilancio energetico è scritto su base molare, in modo che il calore specifico di condensazione e le capacità termiche specifiche sia del vapore che del liquido siano in base molare.

Se teniamo conto dei valori reali delle proprietà e dei flussi reali, possiamo vedere che solo il primo termine del lato destro contribuisce al calcolo delle temperature. Pertanto, è ragionevole semplificare l'equazione precedente in:

Si conclude che la vaporizzazione del componente B avviene a spese del calore sensibile del liquido, che quindi si raffredda dall'alto verso il basso: in una colonna di stripping, la temperatura diminuisce dall'alto verso il basso. 

Calcolo per un processo adiabatico:

Alternativamente, ma con meno rigore, si può calcolare la curva di equilibrio "adiabatica".

• L'intervallo tra Xe e Xu è diviso in un certo numero di segmenti.

• Quindi, da ciascun Xk, viene calcolata la temperatura corrispondente Tk: 

Il consumo minimo di vapore e il numero di stadi sono valutati come nel caso isoterma.

Calcolo di un processo a singolo stadio

Il processo di cattura della CO2 con MEA (monoetanolamina) può essere simulato all'interno del software Aspen Plus utilizzando una serie di blocchi funzionali che rappresentano le unità di processo necessarie:

INTERNI 

Effetti di temperatura e pressione

Perché bassa pressione? Perché una diminuzione della pressione (P) è accompagnata da una diminuzione della solubilità del gas (x2) nella fase liquida (legge di Henry). Con la diminuzione della pressione, la temperatura di saturazione viene ridotta, il che potrebbe causare l'entrainment del componente meno volatile nelle testate.

Perché alta temperatura? Perché a temperature più elevate, H aumenta riducendo x2 e aumentando la concentrazione del componente più volatile nella fase gassosa. Se la temperatura è troppo alta (sopra il punto di rugiada della miscela), ciò porterebbe all'entrainment del componente meno volatile nelle testate e aumenterebbe il carico del condensatore.

Bassa pressione e alta temperatura facilitano una migliore stripping.

• Riduzione della solubilità del gas (x2) nella fase liquida

• Ma ci sono limiti alle condizioni di temperatura e pressione utilizzate nel caso dell'operazione di stripping.

• Il trade-off finale è tra la purezza del prodotto richiesta e la minimizzazione dei carichi del reboiler e del condensatore.