GAZ TRANSFERİ

Gaz transferi, Çevre Mühendisliğinde genelde atık su arıtımında yaygın olarak kullanılan bir işlemdir. Su arıtımında da koku veya tat problemlerine ya da korozyona yol açan birçok gazın su ortamından uzaklaştırılması ve dezenfeksiyon amacıyla suyun klorlanması da gaz transferine dayanan işlemlerdir. Ayrıca son 20 yılda özellikle ABD ve Avrupa’da içme suyu kaynaklarında düşük konsantrasyonlarda da olsa sıkça rastlanan fenoller veya petrokimya ürünleri gibi uçucu organik kirleticiler de gaz transferi yoluyla sudan uzaklaştırılmaktadırlar.

Ayrıca demir ve mangan gibi metaller de havalandırma yoluyla okside edilerek su ortamından uzaklaştırılabilirler. Genel anlamda gazların bir fazdan diğerine aktarılması ya da transferi olarak tanımlayabileceğimiz havalandırma, temelde kütle transferine dayanan fiziksel bir işlemdir.

Gaz transferini açıklayan birçok matematiksel model olmasına rağmen 1923 de Whitman ve Lewis tarafından geliştirilen ve iki film teorisi olarak bilinen modelin gerçekte gaz transferini en iyi tanımlayan model olduğu kabul edilir ve gaz transferi teorisi bu modeli esas alır. İki film teorisi, kütle transferinin gerçekleştiği gaz ve sıvı fazları arasında biri gaz ve diğeri de sıvı olmak üzere iki çok ince film tabakası olduğunu öngörür. Bu iki film tabakası fazlar arasındaki kütle transferine karsı belirli bir oranda direnç gösterir. Çözünürlüğü düşük gazlar için bu direnç gazın sıvı faza geçmesine karsı uygulanır. Yüksek çözünürlüklü gazlar için ise direnç gazın sıvı fazdan gaz fazına geçmesine karsıdır.

PG

PI

CI

CI

Ara kesit

İki film modeline göre sıvı ve gaz fazları arasında gaz transferi sadece moleküler yayılım mekanizması yoluyla olur.Fick’in moleküler yayılım kanununa göre iki faz arasındaki transfer oranı fazların arakesit alanı ve fazlar arasındaki konsantrasyon gradyanı ile doğru orantılıdır. Matematiksel olarak ifade edecek olursak:

Gaz faz Gaz film Sıvı film Sıvı faz

Burada;dC/dt: Gaz transfer oranı (mg/l.sn)KL: Bir katsayı (cm/sn)A: Fazların arakesit alanı(cm2)V: Arakesitin suda kapladıgı hacim(cm3)Ct: t anında gazın sıvı fazdaki konsantrasyonu (mg/L)Cs: Gazın sıvı içerisindeki doygunluk (denge)konsantrasyonu (mg/l)Esitlik 1’de geçen A ve V’nin fiziksel olarak belirlenmesiolanaksızdır. Bu nedenle (A/V) ifadesi KL ile birlestirilir vekütle transfer katsayısı olarak bilinen KLa ile ifade edilir.Böylece;

1

Burada;KLa: kütle transfer katsayısı (1/sn)Bu aşamada dikkat edilmesi gereken bir nokta eşitlik 2’nin herhangi bir gazın sıvı fazdan gaz faza transferi için geçerli olduğudur. Eşitlik 2 entegre edildiğinde sıvı fazdan gaz faza ya da gaz fazdan sıvı faza kütle transferi için aynı matematiksel ifade edilir. Ancak, eğer eşitlik 2 sıfır anından t anına C0 ve C aralıgında entegre edilirse;

2

3Buradan da;

Eşitlik 4 herhangi bir gazın hem sıvı fazdan gaz faza, hem de gaz fazdan sıvı faza transferi için geçerlidir.

Herhangi bir gaz transfer işleminde, kütle transfer katsayısı KLa deneysel olarak, transfer söz konusu gazın sıvı fazdaki konsantrasyonunun zamana karsı izlenmesiyle hesaplanabilir. Reaksiyon kinetiğe dayanan hesaplama isleminde KLa eşitlik 4’ün lineer hale getirilmesiyle elde edilen doğrunun eğiminden hesaplanabilir. Eşitlik 4, eşitliğin her iki tarafının doğal logaritması alınarak lineer hale getirilir. Böylece ln(Cs-C) değerleri zamana karsı çizilirse eğimden KLa ’nin hesaplanabileceği doğru elde edilmiş olur.

4

Bir gazın herhangi bir sıvı ortamındaki doygunluk konsantrasyonu ortamın sıcaklığına ve gazın sıvı ortama komsu olan gaz fazdaki kısmi basıncına bağlıdır (örneğin atmosfere açık bir beherde bulunan sudaki O2’nin doygunluk konsantrasyonu havadaki O2 kısmi basıncına bağlıdır.) ve Henry Kanunu yardımıyla belirlenir. Henry Kanunu aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

5

Burada;p: Gazın havadaki mol oranı (mol/mol)PT: Toplam basınç (atm)H: Henry sabiti (atm. Sıcaklıga baglı olarak degisir.)c: Denge halinde çözünmüs gazın sudaki mol oranı mol/mol)

Gerçekte bir gazın sıvı içindeki doygunluk konsantrasyonu,gazın, gaz ortamındaki konsantrasyonu ile doğru orantılıdır. Bu matematik olarak;

6

seklinde ifade edilir. Burada:CS: Gazın sıvı ortamdaki doygunluk konsantrasyonu, g/m3Cg: Gazın gaz ortamdaki konsantrasyonu, g/m3kD: Yayılma katsayısıKD gazın ve sıvının cinsine, sıcaklığına bağlı olarak değişir.Bir gazın gaz ortamındaki konsantrasyonu, gazın kısmi basıncına, molekül ağırlığı, sıcaklığa bağlı olduğundan doygunluk konsantrasyonu,

Denklemi kullanılabilir.

Burada:f: Kuru havada gazın hacim olarak yüzdesip: Gaz basıncıpw: Buhar basıncıMa: Gazın molekül agırlıgıR: Üniversal gaz sabiti (8.3145 j/K.mol)T: Mutlak sıcaklık

Çözünmüş oksijenin sudaki doygunluk değerinin bulunmasında çeşitli tecrübi denklemler de kullanılabilir. Mesela 40 0C ile 300 0C arasındaki su sıcaklıkları için:

Havalandırma işlemleri

Eşitlik 4 ve 5 incelendiğinde havalandırma işlemine

ilişkin aşağıdaki genel çıkarımlar yapılabilir:

• Gaz transfer oranı (hızı) konsantrasyon gradyanı ile ya da

başka bir deyişle gazın doygunluk konsantrasyonu ile her hangi bir t anındaki konsantrasyonu arasındaki fark ile doğru

orantılıdır.

• Gaz transfer hızı gaz ve sıvı faz arasındaki temas yüzeyi ile doğru orantılıdır.

• Havalandırma süresi ya da bekletme süresi arttıkça transfer

edilen gaz miktarı da artacaktır. ( gaz konsantrasyonu

doygunluğa ulasana dek)

• Gazın çözünürlüğünü belirleyen basınç ve sıcaklık gaz transfer

işlemini doğrudan etkileyen önemli faktörlerdir. Ayrıca sıcaklık

kütle transfer katsayısını (KLa) da etkiler.

Uygulamada kullanılan çeşitli havalandırma prosesleri yukarıdaki esaslar göz önüne alınarak tasarlanır. Herhangi bir havalandırma prosesi için belirlenmiş ve her koşul altında geçerli olan tasarım değerleri yoktur. Genel anlamda havalandırma proseslerinin tasarımını prosesin kullanım amacı belirler. Ancak genel bir yaklaşım olarak havalandırma üniteleri eşitlik 4 ve 5 yardımıyla belirlenecek havalandırma süresi (t) baz alınarak tasarlanır. Şelale havalandırma, dolgulu havalandırma kuleleri ve difüzörlü havalandırma prosesleri en yaygın kullanılan proseslerdir.

Şelale (Cascade) Havalandırma: .

Şelale havalandırma, havalandırılacak suyun belirli bir yüksekliğe pompalanması ve sonrasında yerçekimi ile serbest olarak ya da basamak veya katman halindeki tabakalardan akıtılarak hava ile temasın sağlanması esasına dayanır. Genelde suyun basamak veya tabakalardan akıtılması serbest akışa göreceli hava ile daha fazla temas yüzeyi sağladığı için daha fazla tercih edilir. Basitliği nedeniyle işletimi oldukça kolay bu proseste havalandırma verimi düşüktür ve bu nedenle genelde sadece sudan CO2 ve H2S gibi gazların giderilmesi amacıyla kullanılır.

Dolgulu Havlandırma Kuleleri: 1-3m çapında ve 5-10m

yüksekliğindeki kolonlar bu tip reaktörlerin gövdelerini

olustururlar. Su ve hava arasındaki temas yüzeyinin arttırılması amacıyla kolonun içi tamamıyla veya kısmen dolgu malzemesi ile doldurulur. Dolgu malzemesi sert yüzeyli plastik, cam seramik veya tas olabilir. Sekil olarak en düşük hacimde en yüksek yüzey alanına sahip dolgu malzemeleri genelde tercih edilir. Bu tip reaktörlerde su reaktörünün üst kısmından hava ise alt kısmından verilir.Kolon içerisinde suyun eşit dağıtımını sağlamak amacıyla kolonun alt veya üst kısmına vantilatör veya hava üfleyici (blower) benzeri çeşitli mekanizmalar yerleştirilebilir.

Özellikle yüksek havalandırma verimi ve diğer arıtma yöntemlerine göre ucuzluğu nedeniyle dolgulu havalandırma kuleleri, uçucu organik kirleticilerin gideriminde en çok tercih edilen prosestir. Sekil’de bu tip havalandırma prosesi görülmektedir.

Dolgulu Havalandırma Kulesi

Difüzörlü Havalandırma Sistemleri: Bu tip havalandırma ünitelerinde reaktör tabanına yerleştirilen difüzörler yardımıyla reaktördeki su tabandan havalandırılır. Bu sistemlerde havalandırma verimi kullanılan difüzör tipi ile doğru orantılıdır. Küçük çapta ve çok sayıda hava kabarcığı veren difüzörler daha fazla tercih edilmektedir. Uygun difüzör kullanıldığında bu tip havalandırma proseslerinden de yüksek havalandırma verimi elde etmek mümkündür. İşletimleri sırasında difüzörlerin tıkanma ve benzeri nedenlerle sıkça bakım gerektirmesi bu proseslerin en büyük dezavantajıdır. Sekil’de tipik bir havalandırma prosesi gösterilmiştir.