книги / Процессы и аппараты химической технологии. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2
.pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Кафедра «Оборудование и автоматизация химических производств»
ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Лабораторный практикум
В двух частях
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Часть 2
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2019
УДК 66.02 (076.5) П84
Авторы:
И.Г. Ложкин, М.А. Ромашкин, В.М. Беляев, С.Х. Загидуллин, А.Г. Хлуденев
Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент Е.Р. Мошев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук, доцент Н.М. Рябчиков (ООО «УралПромБезопасность»)
Процессы и аппараты химической технологии : лабораП84 торный практикум : в 2 ч. / И.Г. Ложкин [и др.]. – Пермь :
Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2019.
ISBN 978-5-398-01762-5 Ч. 2. – 2019. – 71 с. ISBN 978-5-398-02205-6
Приведены методические указания к выполнению трех лабораторных работ по курсу «Процессы и аппараты химической технологии» (часть 2). Представлены теоретические сведения об абсорбции, ректификации, сушке, а также описание трех лабораторных установок по изучению массообменных процессов, порядок работы на них. Рассмотрена методика обработки экспериментальных данных.
Практикум предназначен для студентов химико-технологических специальностей.
УДК 66.02 (076.5)
ISBN 978-5-398-02205-6 (ч. 2) |
|
ISBN 978-5-398-01762-5 |
©ПНИПУ,2019 |
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Лабораторная работа № 1. Абсорбция ........................................... |
4 |
Лабораторная работа № 2. Испытание |
|
ректификационной колонны ......................................................... |
22 |
Лабораторная работа № 3. Исследование конвективной |
|
сушки твердого тела....................................................................... |
47 |
Список рекомендуемой литературы............................................. |
63 |
Приложение 1. Характеристики водных растворов |
|
этилового спирта и воды ............................................................... |
64 |
Приложение 2. Пример использования диаграммы Рамзина..... |
68 |
3
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 АБСОРБЦИЯ
Цели работы:
–практическое ознакомление с процессом абсорбции;
–определение опытного значения коэффициента массопередачи и сравнение его с расчетным значением.
Сведения из теории
Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В процессе физической абсорбции поглощаемый газ не взаимодействует химически с поглощающей жидкостью. Изменяя условия проведения процесса, можно выделить растворенный газ из жидкости, т.е. провести процесс десорбции. Если между газом и жидкостью происходит химическое взаимодействие, процесс называется хемо-
сорбцией.
Для системы газ – жидкость переменными, влияющими на процесс, являются температура, давление и концентрация извлекаемого компонента.
Существует несколько способов выражения концентрации компонента в газовой и жидкой фазах. Наибольшее распространение получили:
– относительные мольные концентрации:
Y кмоль компонента / кмоль инертного газа,
Xкмоль компонента / кмоль растворителя;
–относительные массовые концентрации:
Y кг компонента / кг инертного газа,
X кг компонента / кг растворителя.
4
Концентрация выражается также мольными x, y (кмоль/кмоль) или массовыми x , y (кг/кг) долями компо-
нента в смеси.
Используются также объемные концентрации:
– массовые:
Cy кг компонента / м3 газовой смеси (г/л),
Cx кг компонента / м3 раствора (г/л);
– мольные:
Cy моль компонента / м3 газовой смеси, Cx моль компонента / м3 раствора.
Между указанными вариантами выражения концентраций имеются формулы перерасчета одной концентрации в другую. В частности, объемную массовую концентрацию компонента в газе (г/л) можно рассчитать на основе мольной доли по уравнению:
|
|
|
Мк |
y, |
(1.1) |
|
C |
у |
|||||
|
||||||
|
|
|
Мсм |
|
где – плотность газовой смеси при рабочей температуре t,
|
273 Mсм |
; |
Mк – молекулярная масса компонента; |
|
22,4 (273 t) |
||||
|
|
|
Mсм – молекулярная масса смеси газов, Mсм Mк y Mв (1 y);
y – мольная доля компонента в газовой фазе; Mв – молекулярная масса воздуха.
На границе раздела фаз газ – жидкость происходит непрерывный переход компонента из одной фазы в другую. С течением времени устанавливается состояние динамического равновесия, при котором скорости переноса молекул в обоих направлениях одинаковы.
Равновесие в системах газ – жидкость при физической абсорбции описывается законом Генри – равновесная упругость
5
компонента над раствором пропорциональна его мольной доле в жидкости:
р* Е х, |
(1.2) |
где E – константа Генри; x – мольная доля компонента в жидкости, кмоль/кмоль.
Возможна и такая запись закона Генри:
|
|
x , |
(1.3) |
р* Е C |
где Cx – объемная массовая концентрация компонента в жидкости, г/л; E – константа Генри, мм рт. ст./(г·л–1).
Если концентрация компонента в какой-либо фазе отличается от равновесной, то будет протекать процесс абсорбции (или десорбции), причем движущей силой процесса является разность между фактической (рабочей) концентрацией компонента и его равновесной концентрацией в этой же фазе. Выражения для движущей силы могут различаться в зависимости от способов выражения концентрации, например:
у у у*, |
(1.4) |
х х х*, |
(1.5) |
где y, x – рабочие мольные доли компонента соответственно в газовой и жидкой фазах, кмоль/кмоль; y*, x* – равновесные мольные доли компонента, кмоль/кмоль.
В тех случаях, когда определяющей стадией процесса является перенос компонента в газовой фазе, можно использовать уравнение:
р р р*, |
(1.6) |
где р – движущая сила процесса, выраженная в единицах давления; р – парциальное давление компонента в газовой фазе;
6
p* – равновесная упругость компонента над раствором, определяемая по закону Генри.
Если p > p*, то происходит абсорбция компонента поглотителем.
При p < p* компонент десорбируется из жидкой фазы в газовую.
Связь парциального давления компонента p с мольной долей его в газе описывается законом Дальтона:
p = P · y, |
(1.7) |
где P – общее давление.
Расчет массообменной аппаратуры производится с использованием основного уравнения массопередачи:
М ky F уср kх F хср, |
(1.8) |
где M – количество компонента, перешедшего из одной фазы в другую, кг/ч; ky , kх – коэффициент массопередачи, выражен-
ный соответственно через массовые доли в газовой и жидкой фазах; F – поверхность контакта фаз, м2; уср , хср – средняя
движущая сила процесса, выраженная соответственно через массовые доли в газовой и жидкой фазах, кг/кг.
Применительно к условиям лабораторной работы основное уравнение массопередачи можно записать в виде:
М k F pср, |
(1.9) |
здесь применяются следующие размерности: М – г; pср –
мм рт. ст.; k – г/(ч м2 мм рт. cт.); F – м2.
При выполнении лабораторной работы это уравнение применяется для вычисления опытного значения коэффициента массопередачи.
Для определения количества компонента, переносимого через границу раздела фаз, составляется материальный баланс:
7
|
|
н Y |
к) L (X |
к X |
н), |
(1.10) |
М G (Y |
где G, L – массовые расходы инертного газа (воздуха) и раствори-
теля (воды) соответственно; Y н,Y к – относительная массовая концентрация компонента в газе на входе (начальная) и выходе
(конечная) из абсорбера; X н, X к – относительная массовая кон-
центрация компонента в жидкости на входе и выходе из абсорбера. Для абсорбции аммиака водой из аммиачно-воздушной
смеси, осуществляемой в лабораторной работе в условиях пленочного течения жидкости, материальный баланс (при противоточном движении фаз) выражается уравнением:
M V |
|
|
н C |
к ) W (C |
к C |
н), |
(1.11) |
(C |
|||||||
см |
|
|
y y |
x x |
|
где M – количество абсорбированного аммиака, г/ч; Vсм – объемный расход аммиачно-воздушной смеси, л/ч; Cyн, Cyк – на-
чальная и конечная массовые концентрации аммиака в газе, г/л; Cхн, Cхк – начальная и конечная массовые концентрации аммиака
вжидкости,г/л;W – объемный расход воды, л/ч.
Учитывая, что на абсорбцию подается чистая вода, для которой Cхн 0, из уравнения (1.11) получим:
|
|
к |
M . |
(1.12) |
C |
||||
|
х |
W |
|
В связи с тем что движущая сила процесса (разность между рабочей и равновесной концентрациями) изменяется по длине аппарата, в основное уравнение массопередачи (1.9) входит средняя движущая сила, определяемая как среднее логарифмическое:
р |
ср |
рб рм , |
(1.13) |
||
|
ln |
рб |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
р |
|
||
|
|
|
|
||
|
|
|
м |
|
где рб , рм – наибольшее и наименьшее значения движущей силы в абсорбере на входе и выходе, мм рт. ст.
8
Для условий лабораторной работы распределение давлений можно представить таким образом:
рб рн рн* ;рм рк рк* .
Здесь рн, рк – парциальное давление аммиака в смеси на входе и выходе из аппарата; рн* , рк* – равновесная упругость
аммиака над раствором на входе и выходе из абсорбционной трубки.
Значения рн и рк определяются по закону Дальтона (1.7), а рн* и рк* – по закону Генри (1.3) для соответствующих объем-
ных концентраций аммиака в газе и жидкости.
При абсорбции аммиака в условиях пленочного течения абсорбента поверхность раздела фаз является фиксированной и равной внутренней поверхности абсорбционной трубки:
F d Lт, |
(1.14) |
где d – внутренний диаметр трубки, м; Lт – длина трубки, м.
Опытное значение коэффициента массопередачи, определяемое по уравнению (1.9) с использованием экспериментальных данных, необходимо сравнить со значением, полученным на основании теоретического расчета.
Перенос вещества из одной фазы в другую складывается из переноса абсорбируемого компонента из основной массы газа к поверхности контакта и переноса компонента от поверхности контакта вглубь массы жидкости. Коэффициент массопередачи, характеризующий скорость суммарного процесса переноса массы, может быть представлен в следующем виде:
ky |
|
1 |
|
, |
kx |
|
1 |
|
, |
(1.15) |
|
1 |
|
m |
1 |
|
|
1 |
|||||
|
y |
x |
|
x |
m y |
|
|||||
|
|
|
|
|
9
где ky – коэффициент массопередачи, выраженный через мольную долю компонента в газовой фазе; kx – коэффициент массопередачи, выраженный через мольную долю компонента в жидкой фазе; y – коэффициент массоотдачи в газовой фазе; x – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; m – константа фазового равновесия, пропорциональная константе Генри.
Для газов с малой растворимостью величина m весьма велика, следовательно:
ky |
x |
, |
kx x. |
(1.16) |
|
m |
|
|
|
Для хорошо растворимых газов величина m мала, следовательно:
ky = y , |
kx = m y . |
(1.17) |
Расчет коэффициентов массоотдачи y и x производится с использованием теории подобия. Конкретные случаи массоотдачи в газовой и жидкой фазах описываются критериальными уравнениями вида:
Nu |
д |
A Rem (Pr )n , |
(1.18) |
|||
|
д |
|
|
|
||
где Nuд – диффузионный критерий Нуссельта, |
Nuд |
d |
; |
|||
D |
||||||
|
|
|
|
|
– коэффициент массоотдачи; d – определяющий линейный размер (диаметр трубки); D – коэффициент молекулярной диффузии; коэффициент A, показатели степеней m и n – постоянные
числа; Re – критерий Рейнольдса, Re w d ; w – линейная ско-
рость потока; – кинематическая вязкость; Prд – диффузион-
ный критерий Прандтля, Prд D .
10