15. Критериальные формулы для расчета коэффициентов массоотдачи в насадочных абсорберах с неупорядоченной насадкой (навалом) при пленочном режиме.

а) Для газовой фазы:

. (1.45)

Здесь ; ; ; _г- коэффициент массоотдачи для газа, ; D_г- коэффициент диффузии поглощаемого компонента в газе, м²/с. Остальные обозначения - см. формулы (1.36) и (1.38).

Уравнение (1.45) справедливо при значениях Re_г от 10 до 10 000.

б) Для жидкой фазы:

, (1.46)

где ;; ; _ж - коэффициент массоотдачи для жидкости, м/с; -так называемая приведенная толщина жидкой пленки, м; D_ж- коэффициент диффузии поглощаемого компонента в жидкости, м²/с; L - массовый расход жидкости, кг/с.

Выражение для критерия Re_ж получено следующим путем.

Обозначения-см. уравнения (1.36) и (1.38).

Омываемый жидкостью периметр сечения абсорбера находим из уравнения (1.38):

П=F/Н_н=S. (1.47)

Скорость течения пленки жидкости через насадку:

, (1.48)

где  - средняя толщина пленки, м.

Эквивалентный диаметр жидкой пленки:

d_пл=4П/П=4. (1.49)

Подставляя эти значения в выражение для критерия Re_ж, получаем:

. (1.50)

16. Определение диаметра и высоты тарельчатой абсорбционной колонны проводится так же, как и для тарельчатых ректификационных колонн-см. гл. 2. Диаметр тарельчатого абсорбера рассчитывают по уравнениям (2.16) и (2.17). Высоту тарельчатой части абсорбера Н_т определяют по уравнению (2.18). Требуемое число тарелок находят графически с применением кинетических зависимостей для расчета коэффициентов массопередачи или ВЕП. При приближенных расчетах для определения числа тарелок находят графически число ступеней изменения концентрации (рис. 1.4) и затем число тарелок n по уравнению (2.19).

Примеры

Пример 1.1. Жидкая смесь содержит 58,8% (мол.) толуола и 41,2% (мол.) четыреххлористого углерода (ч. х. у.). Определить относительную массовую концентрацию толуола X (в кг толуола/кг ч. х. у.) и его объемную массовую концентрацию С_x (в кг/м³).

Р е ш е н и е . Относительная массовая концентрация толуола:

,

где М_тол- мольная масса толуола (92 кг/кмоль); М_ч.х.у.- то же четыреххлористого углерода (154 кг/кмоль); x - мольная доля толуола.

Имеем:

кг толуола/кг ч. х. у.

Чтобы рассчитать объемную массовую концентрацию толуола С_x, необходимо знать плотность смеси _см. Для расчета плотности предварительно найдем массовую долю толуола x.

По табл. 1.2:

.

Далее по табл. IV находим: плотность толуола _тол=870 кг/м³, плотность четыреххлористого углерода _ч.х.у.=1630 кг/м³.

Считая, что изменение объема при смешении не происходит, т. е. объем смеси равен сумме объемов компонентов, находим объем одного кг смеси

м³,

откуда плотность смеси:

кг/м³.

Можно рассчитать _см и так:

кг/м³.

Объемная массовая концентрация толуола:

С_x=x=11600,461=535 кг/м³.

Пример 1.2. Воздух атмосферного давления при температуре 34С насыщен водяным паром. Определить парциальное давление воздуха, объемный и массовый % пара в воздушно-паровой смеси и его относительную массовую концентрацию, считая оба компонента смеси идеальными газами. Атмосферное давление 745 мм рт. ст. Определить также плотность воздушно-паровой смеси, сравнить ее с плотностью сухого воздуха.

Р е ш е н и е. По табл XXXVIII находим, что при t= 34C давление насыщенного водяного пара составляет 39,9 мм рт. ст. Это давление является парциальным давлением водяного пара р_п в воздушно-паровой смеси, а парциальное давление воздуха равняется:

p_в=П - p_п=745-39,9  705 мм рт. ст.

Мольная (объемная) доля водяного пара в меси:

y=p_п/П=39,9/745=0,0535.

Массовая доля пара:

Относительная массовая концентрация

кг пара/кг воздуха.

Плотность воздушно-паровой смеси рассчитываем как сумму плотностей компонентов, взятых каждая при своем парциальном давлении:

==(29705+1839,9)=1,105 кг/м³.

Можно рассчитать плотность смеси иначе.

Мольная масса смеси:

М_см=М_пy+М_в(1-y)=180,0535+290,9465=28,4 кг/кмоль.

Плотность смеси при П=745 мм рт. ст. и t=34C:

кг/м³

Плотность сухого воздуха при тех же давлении и температуре:

кг/м³.

Пример 1.3. При температуре 25С приведены в соприкосновение: воздух атмосферного давления, содержащий 14% (об.) ацетилена (С₂Н₂), и вода, содержащая растворенный ацетилен в количестве: а) 0,2910^-3 кг на 1 кг воды; б) 0,15310^-3 кг на 1 кг воды. Определить: 1) из какой фазы в какую будет переходить ацетилен; 2) движущую силу этого процесса перехода в начальный момент времени (в относительных мольных концентрациях). Атмосферное давление 765 мм рт. ст. Равновесные концентрации ацетилена в газовой и в жидкой фазах определяются законом Генри.

Р е ш е н и е . Закон Генри [уравнение (1.2)]:

p=Еx.

По табл, XLI находим, что при t=25С коэффициент Генри Е=1,0110⁶ мм рт. ст.

Парциальное давление ацетилена в воздухе по уравнению (1.1):

p=yП=0,14765=107 мм рт. ст.

а) Мольная доля ацетилена в воде при X=0,2910^-3кг ацетилена/кг воды (табл. 1.2):

.

Ответы на вопросы примера могут быть получены двумя путями.

I. В условиях равновесия парциальное давление ацетилена в газовой фазе над жидкостью с x=0,210^-3 по закону Генри должно составлять:

p=Еx=1,0110⁶0,210^-3=202 мм рт. ст.

Имеющееся в действительности над этой жидкостью парциальное давление ацетилена меньше: p=107 мм рт. ст. Чтобы в процессе массопередачи система газ-жидкость приближалась к состоянию равновесия, парциальное давление ацетилена в газовой фазе должно увеличиваться, т. е. он будет переходить из воды в воздух.

Движущая сила этого процесса перехода (отклонение от состояния равновесия) в начальный момент времени будет равна: в единицах парциального давления ацетилена

p=p-p=202-107=95 мм рт. ст.

в мольных долях

y=y-y= -0,14=0,264-0,14=0,124;

в относительных мольных концентрациях

=0,359-0,163=0,196 кмоль ацетилена/кмоль воздуха.