ПАХТ - ЛАБЫ

где Mж , Mин. г - молекулярные массы жидкости и инертного газа. Уравнение массопередачи. Массопередачей называется процесс

переноса вещества из ядра потока одной фазы в ядро потока другой фазы через границу раздела фаз. Процесс массопередачи можно разбить на три этапа: а) перенос вещества из ядра первой фазы к границе раздела (массоотдача в фазе G); б) перенос через границу раздела фаз; в) перенос от границы раздела в ядро второй фазы (массоотдача в фазе L). Если предположить, что при взаимодействии фаз на границе раздела мгновенно устанавливается равновесие, которое сохраняется в течение всего периода контакта фаз между собой, то процесс в целом можно описать уравнением массопередачи:

движущая сила процесса (средняя по поверхности контакта фаз разность рабочей и равновесной концентраций).

Коэффициент массопередачи по газовой фазе можно определить по уравнению

где βy , βx - коэффициенты массоотдачи в фазах G и L.

При допущении о движении фаз в режиме идеального вытеснения значение средней движущей силы определяется по формуле

*

ра, ∆Yк = Yк - Y (XН ) .

191

Схема противоточного абсорбера, построение рабочей линии, равновесной линии, а также движущей силы представлены на рис. 1.

Процесс абсорбции применяется в производстве кислот, при санитарной очистке промышленных газов, переработке углеводородного сырья и обычно осуществляется в колонных аппаратах при противотоке газа и жидкости. Абсорбент подают в верхнюю часть аппарата, а газ – в нижнюю (см. рис.1). При взаимодействии фаз происходит процесс массопередачи. С целью увеличения поверхности контакта фаз, а следовательно, и результирующего эффекта процесса, внутренний объем аппарата заполняют насадкой (насадочные абсорберы).

б

а

Рис. 1. Схема противоточного абсорбера (а)

играфическое изображение процесса абсорбции (б):

1– рабочая линия; 2 – линия равновесия

Вкачестве насадки в насадочных аппаратах может быть использован любой материал, инертный к взаимодействующим средам и обладающий большой удельной поверхностью и смачиваемостью абсорбентом. Существуют также специальные насадки: кольца Рашига, седлообразная насадка, насадка «Инталлокс», хордовая и т.д. Любой тип насадки характеризуется двумя основными параметрами: удельной поверхностью (поверхность насадки в единице объема слоя на-

192

садки) и долей свободного объема (объем пустот в единице объема слоя насадки).

В зависимости от скорости движения газового потока и расхода абсорбента насадочный аппарат может работать в различных гидродинамических режимах: пленочном, подвисания, барботажном (захлебывания, эмульгирования), режиме уноса.

Цель работы: ознакомление с работой насадочного абсорбера; экспериментальное исследование его массообменных характеристик, определение коэффициента массопередачи (расчетного и экспериментального); анализ влияния расходов газа и жидкости на величину экспериментального коэффициента массопередачи.

Описание установки

Абсорбционная установка (рис. 2) предназначена для проведения процесса абсорбции хлористого водорода из смеси с воздухом водой при противоточном движении фаз. Она состоит из насадочного абсорбера, линии подачи газовой смеси и абсорбента, контрольноизмерительной и регулирующей аппаратуры. Абсорбер 1 работает при противоточном движении фаз и представляет собой колонный аппарат D=100 мм и высотой 2530 мм.

Абсорбер состоит из восьми секций. В верхней секции разме-

щены каплеотбойник и распределитель жидкости. Шесть секций заполнены насадкой из керамических колец Рашига размером 15×15×2.

Удельная поверхность насадки а=200 м2/м3, доля свободного объема насадки Vсв=0.71 м3/м3, суммарная высота слоя насадки H=1500 мм. Каждая из секций снабжена распределителем жидкости. В нижней секции собраны узел подачи газа и узел гидрозатвора для отвода жидкости.

Вода подается в верхнюю часть абсорбера, стекает по насадке и через узел гидрозатвора 2 сбрасывается в канализацию. Расход воды регулируется вентилем 3. Газовая смесь подается в нижнюю часть абсорбера, проходит через насадку, каплеотбойник и сбрасывается в атмосферу. Расход газа регулируется вентилем 4. Давление и температура в абсорбере измеряются при помощи датчиков 5 и 6 соответственно. Начальная и конечная концентрации хлористого водорода в

193

газе измеряются с помощью датчика 7. Выходные сигналы датчиков поступают на вторичный регистрирующий прибор 8.

Рис. 2. Абсорбционная установка:

1 – колонна абсорбционная; 2 – гидрозатвор; 3, 4 – вентили; 5, 6, 7 – датчики давления, температуры и концентрации соответственно; 8 – регистрирующий прибор; 9 – переключатель

Внимание! В целях обеспечения безопасных условий труда на лабораторной установке процесс физической абсорбции хлористого водорода водой имитируется электронной резисторной схемой, построенной с учетом закономерностей реального процесса и требующей бережного к себе отношения. По входным параметрам, задаваемым оператором с пульта, схема отрабатывает алгоритм, моделирующий процесс абсорбции, и выдает конечный результат на стрелочный индикатор.

Порядок проведения работы

194

Тумблером «Сеть» на пульте установки включают электропитание вторичного прибора и преобразователей. После прогрева в течение 3-5 минут регуляторами производят установку заданных преподавателем расходов жидкости и газа, а затем поворотом переключателя параметров 9 подключают соответствующие датчики к регистрирующему прибору 8 и снимают его показания. Опытные данные заносят в

табл.1.

Внимание! В опыте 1:

1.Расход газовой смеси Gɺ см устанавливать в интервале

(0.8÷1)10-2 кг/с;

Lɺ

2. Удельный расход жидкости ℓ= Gɺ принять равным 2.

Вопыте 2 Lɺ уменьшить в два раза по сравнению с опытом 1, а Gɺ оставить, как в опыте 1.

Вопыте 3 Gɺ уменьшить в два раза по сравнению с опытом 1, а Lɺ оставить, как в опыте 1.

Методика обработки опытных данных и основные расчетные зависимости представлены в табл. 2.

Пункт 13 выполняется только для опыта 1.

195

1Относительная массовая концентрация хлористого

196

100С, используя критериальные формулы (9) и (10), приведенные ниже. Учитывая малое содержание HCl в газовой и жидкой фазах, можно при расчетах в качестве теплофизических свойств фаз ( ρ, µ ) использовать свойства воздуха и воды соответственно.

Коэффициенты массоотдачи βг и βж могут быть определены из критериальных уравнений для насадочных абсорберов с неупорядоченной насадкой (навалом) при пленочном режиме.

Для газовой фазы

отдачи в газовой фазе, м/с; ρг - плотность воздуха, кг/м3; µг - дина-

мический коэффициент вязкости воздуха, Па×с; w - фиктивная скорость газа, м/с; Dг - коэффициент молекулярной диффузии погло-

197

198

Контрольные вопросы

1.Какие процессы называются массообменными?

2.Дайте характеристику процесса абсорбции.

3.Составьте материальный баланс в процессах массообмена.

4.Как описывают равновесие в системах газ-жидкость?

5.Напишите уравнение массопередачи.

6.Как выражается связь коэффициента массопередачи и коэффициентов массотдачи?

7.Как оценивается движущая сила процесса массопередачи?

8.Приведите схему противоточного насадочного абсорбера.

9.Составьте графическое изображение процесса абсорбции.

10.Назовите типы насадок и приведите их характеристики.

11.Дайте описание режимов работы насадочных абсорберов.

12.Как определяется экспериментальный коэффициент массо- пере-дачи?

13.Как определяется расчетный коэффициент массопередачи?

14.Проанализируйте зависимость KY эксп от Gɺ и Lɺ .

РАБОТА 22

ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ

Доц. В.Г. Бочкарев, доц. Э.Н. Закиров, доц. А.И. Разинов, ассист.Н.Е.Харитонова, ассист.О.В. Захарова

Ректификация является одним из видов перегонки. Перегонкой называется процесс разделения жидких смесей с различной летучестью компонентов за счет их частичного испарения с последующей конденсацией паров. По летучести компоненты можно подразделить на легколетучий и труднолетучий. Чистый легколетучий компонент обладает при фиксированной температуре более высоким давлением насыщенного пара, а при фиксированном давлении - более низкой температурой кипения, чем труднолетучий. Поэтому легколетучий компонент также называют низкокипящим, а труднолетучий - высококипящим. В простейшем случае бинарной (двухкомпонентной) сме-

199

си доля легколетучего компонента в условиях равновесия в паре y* выше, чем в жидкости x, а труднолетучего, наоборот, в паре ниже, чем

вжидкости (за исключением азеотропных смесей).

Врезультате перегонки в паре, а после его конденсации в дис- тилляте увеличивается доля легколетучих компонентов, в жидкости же (кубовом остатке) увеличивается доля труднолетучих компонентов по сравнению с исходной смесью.

Перегонка подразделяется на простую перегонку (дистилляцию)

и ректификацию. Простая перегонка (дистилляция) - разделение жид-

кой смеси за счет ее частичного испарения с последующей конденсацией равновесного с ней пара. Ректификация - разделение жидкой смеси за счет взаимодействия неравновесных потоков жидкости и пара, в ходе которого пар обогащается легколетучим, а жидкость - труднолетучим компонентами.

Простую перегонку применяют в основном для разделения смесей компонентов, существенно различающихся по летучести, а ректификацию - для разделения компонентов, достаточно близких по летучести. С помощью ректификации можно достичь сколь угодно высокой степени разделения неазеотропных смесей. Рассмотрим процесс ректификации на примере установки периодического действия.

*Основными недостатками периодической ректификации по сравнению с непрерывной являются нестационарность данного про- цесса и периодический способ его проведения. Это вызывает допол- нительные сложности расчета и эксплуатации периодических уста- новок, а также меньшую их производительность, что обусловливает меньшую их распространенность в промышленности. Определенные преимущества периодической ректификации проявляются при разде- лении смесей: а) с малыми расходами - в этом случае проведение про- цесса имеет смысл лишь после их накопления; б) многокомпонентных - периодически действующая установка позволяет осуществлять процесс в одной колонне, в то время как его проведение в непрерывной требует количества колонн на единицу меньше числа компонентов; в) с изменяющимся качественным и количественным составом.

*Разделы, выделенные курсивом, можно исключить для специ- альностей, для которых в рабочих программах не предусмотрено изу- чение процесса периодической ректификации.

200