Mass transfer parameter evaluation for gas-liquid contactors

Gas side mass transfer coefficient kG is a fundamental parameter for sizing absorption columns for the treatment of acid gases. Common practice to measure kG is the reactive absorption of SO2 in a solution of NaOH. A drawback to this method is that it uses noxious products that are often incompatible with safety and corrosion issues. Hence alternative methods with friendlier chemicals are sought, and specifically here, by physical absorption of ethanol or methanol into water. Results of previous work, at IFP Energies Nouvelles facilities, for kG measurements on a commercial packing (Mellapak 250.X, ag = 250 m2/m3) using both the reactive absorption and physical absorption methods showed disagreements of 30 to 50% which go beyond experimental uncertainty. Potential sources of these differences are either of hydrodynamic (particularly as regards the liquid film flow) or thermochemical origin. In this work the objective is to verify the absence thermochemical sources. The basic idea is to show that in a device where the flow conditions are well established then both types of methods give the same results. Experiments were first carried out in a Lewis Cell facility (test unit U858) to determine the kG using both types of chemical systems. In this device the interfacial area ae, the liquid side resistance to mass transfer and other physical conditions of the system are well controlled. The results were however inconclusive due to experimental uncertainties of unknown origins. Secondly, tests were carried out in a laboratory scale counter-current flow column absorber (Unit T215) over a commercial gauze structured packing (Sulzer EX™) which has a high geometric area (ag = 1700 m2/m3). The results in this device show matching values of kG that indicates that the two methods can give the same results under adequate flow conditions. In particular the high geometric area and the woven nature of the packing constrain the fluids to a smooth homogeneous laminar flow. The differences previously observed in the larger scale Mellapak 250.X packing are therefore most likely linked to the impact of complex turbulent flow fields on global mass transfer coefficients. Along with the principal goal of this work, liquid side mass transfer coefficient kL and effective contact area ae of Sulzer EX™ is also measured for future applications.

Il coefficiente di trasferimento di massa lato gas kG è un parametro fondamentale per il dimensionamento delle colonne di assorbimento per il trattamento dei gas acidi. Uno dei metodi impiegati per misurare il kG è tramite l'assorbimento reattivo di SO2 in una soluzione di NaOH. Lo svantaggio di questo metodo è che utilizza prodotti che sono spesso incompatibili con gli aspetti legati alla sicurezza e corrosione. Quindi si sono cercati metodi alternativi con sostanze chimiche meno dannose, e in particolare in questo lavoro, mediante l'assorbimento fisico di etanolo o metanolo nell'acqua. I risultati ottenuti da un lavoro svolto precedentemente presso IFPEN per la stima di kG su un riempimento commerciale (Mellapak™ 250.X, ag = 250 m2/m3) tramite l’assorbimento reattivo e quello fisico hanno mostrato disaccordi dal 30% al 50% che vanno oltre l'incertezza sperimentale. Le potenziali fonti di queste differenze potrebbero essere di origine idrodinamica (in particolare per quanto riguarda il flusso del film liquido) o termochimica. L’obiettivo principale di questo lavoro era verificare l'assenza di fonti termochimiche. L'idea di base era mostrare che in un dispositivo in cui le condizioni di flusso sono ben controllate e stabilite, entrambi i tipi di metodi danno gli stessi risultati. Gli esperimenti sono stati condotti per prima in una Cella di Lewis (Impianto U858) per determinare il kG utilizzando entrambi i tipi di sistemi chimici. In questo dispositivo l'area interfacciale ae, la resistenza del lato liquido al trasferimento di massa e altre condizioni fisiche del sistema sono ben controllate. I risultati sono stati tuttavia inconcludenti a causa di incertezze sperimentali di origine sconosciuta. In secondo luogo, le prove sono state eseguite in una colonna di assorbimento controcorrente (ImpiantoT215) impiegando un riempimento strutturato commerciale in garza (Sulzer EX™) che ha un'area geometrica elevata (ag = 1700 m2/m3). I risultati ottenuti con i due metodi mostrano valori simili di kG. Questo indica che i due metodi possano dare gli stessi risultati in condizioni di flusso adeguate. In particolare, l'elevata area geometrica e la forma intrecciata del riempimento vincolano i fluidi ad un flusso laminare omogeneo. Le differenze precedentemente osservate nel riempimento Mellapak™ 250.X su una scala più grande sono quindi dovute, molto probabilmente, alla presenza di zone locali complesse con flusso turbolento che incidono sui coefficienti di trasferimento di massa globale. Inoltre, sono stati svolti degli esperimenti per determinare i coefficienti di trasferimento di massa lato liquido kL e l’area effettiva di contatto ae del riempimento Sulzer EX™ per le applicazioni future.