PAKhT_LABI / Лабораторна робота №18

Міністерство освіти і науки України

Національний університет “Львівська політехніка”

Звіт

з лабораторної роботи №18

з курсу „ПАХТ ”

Львів-2007

1. Мета роботи

Визначення коефіцієнту масопередачі К для абсорбції СО₂ розчином лугу з повітряної суміші.

2. ОСНОВНІ ТЕОРЕТИЧНІ ПОЛОЖЕННЯ

Абсорбцією називається процес поглинання газів або парів з газової та паро-газової суміші рідкими поглиначами ( абсорбентами ). При фізичній абсорбції газ, який поглинається, не взаємодіє хімічно з абсорбентом. Якщо компонент, що поглинається утворює з абсорбентом хімічні сполуки, то процес називається хемосорбцією. Фізична абсорбція в більшості випадків є зворотною. Зворотний процес – виділення поглинутого газу з поглинача – називається десорбцією.

В промисловості процеси абсорбції застосовуються для вилучення цінних компонентів з газових сумішей та для очищення цих сумішей від шкідливих домішок.

При абсорбції вміст газу в розчині залежить від властивостей газу або рідини: тиску, температури і складу газової суміші (парціального тиску абсорбтиву).

В багатьох випадках поглинання газу рідиною супроводжується хімічною взаємодією фаз. При протіканні реакції в рідкій фазі частина газоподібного компоненту переходить в зв'язаний стан. При цьому концентрація вільного компоненту в рідині зменшується, що призводить до прискорення процесу абсорбції оскільки збільшується рушійна сила процесу .Швидкість хемосорбції залежить як від швидкості реакції, так і від швидкості масопередачі між фазами. В залежності від того, який процес визначає загальну швидкість процесу переносу маси, розрізняють кінетичну і дифузійну області протікання хемосорбційних процесів.

В кінетичній області швидкість власне хімічної взаємодії менша швидкості масопередачі і тому лімітує швидкість цього процесу.

В дифузійній області лімітує процес хемосорбції швидкість дифузії компонентів в зоні реакції, яка залежить від гідродинаміки та фізичних властивостей фаз. При спів-розмірності швидкості реакції і масопередачі процес абсорбції протікає в змішаній (дифузійно-кінетичній) області.

В результаті масообміну між газоподібною і рідкою фазами концентрація компоненту, що поглинається, в газовій фазі змінюється від y_п до y_к, а в рідкій фазі від x_п до x_к. Кількість компоненту, що перейшов з газової фази, складає:

, (1)

Рушійною силою процесу абсорбції (рис.1) в будь-якому перерізі абсорбційної колони є різниця між робочою та рівноважною концентраціями (y_роб  y_рівн). Рушійна сила змінюється по висоті абсорбера, тому вводиться поняття середньої рушійної сили по газовій фазі:

, (2)

де y_б = y_п  y_рп;

y_м = y_к  y_рк.

Оскільки СО₂ добре реагує з розчином NaOH , то концентрація CO₂ під поверхнею рідини близька до нуля і можна прийняти:

y_рп = 0, y_рк = 0.

, (3)

Швидкість процесів абсорбції характеризується рівнянням (4), якщо рушійну силу y_сер виразити в концентраціях газової фази:

, (4)

і рівнянням (5), якщо рушійна сила x_сер виражена в концентраціях рідкої фази:

, (5)

Рис.1.

В цих рівняннях коефіцієнти масопередачі K_y і K_x визначаються таким чином:

, (6)

і

, (7)

де _г – коефіцієнт масовіддачі від потоку газу до поверхні контакту фаз;

_р  коефіцієнт масовіддачі від поверхні контакту фаз до потоку рідини ;

m  тангенс кута нахилу рівноважної лінії.

3. Опис лабораторної установки

Абсорбер 1 діаметром Dx = 160x10 мм і висотою 3000 мм наповнений насадкою 2 (кільця Рашига 50x50x7 мм). Висота насадкового шару 1380 мм. Розчин NaOH (7 %) за допомогою помпи 8 попадає зі збірника в верхню частину абсорбера. Кількість рідини фіксується ротаметром 3. Стікаючи по насадці, рідина зливається назад в збірник. Газ, що абсорбується (CO₂) з балону 7 дроселюється редукційним вентилем 5. Витрата газу визначається по ротаметру 4. Газ змішується з повітрям, що подається в систему вентилятором 9. Кількість газової суміші, що подається в абсорбер, визначається трубкою Піто-Прандтля 11, яка приєднана до мікроманометра 10. Витрата рідкої та газової фаз регулюється запірно-регулюючою арматурою 6. Вентилі 12 використовуються для відбирання проб газу з нижньої та верхньої частини абсорбера.

4. Порядок виконання роботи

Включають помпу 8 і за допомогою вентилів 6 встановлюють по ротаметру 3 задану витрату рідини. Після цього включають вентилятор 9 та вентилем 6 встановлюють необхідну витрату повітря. Редукційним вентилем 5 в лінію подачі повітря дроселюють з балону 7 вуглекислий газ. Через 3-5 хвилин відбирають проби газової суміші в верхній та нижній частинах абсорбера. Відбирання проб проводиться відкриванням вентилів 12. Концентрація СО₂ в газовій суміші визначається за допомогою газоаналізатора.

5. Обробка експериментальних даних

Обробка дослідних даних зводиться до визначення коефіцієнту масопередачі К з рівняння (4):

, (8)

Для цього необхідно визначити:

1. максимальну швидкість руху газової суміші, м/с:

, м/с, (9)

де g = 9,81 м/с² – прискорення вільного падіння;

Н – покази мікроманометра;

k – поправочний коефіцієнт мікроманометра;

_м – питома густина рідини в мікроманометрі, кг/м³;

_сум – густина газової суміші при температурі досліду, кг/м³.

2. густину газової суміші:

, кг/м³, (10)

де Р₀ = 750 мм рт. ст.;

Т₀ = 273°К;

М_сум = М_CO2  y + М_пов  (1  y) – мольна маса суміші;

3. критерій Рейнольдса:

, (11)

де d – діаметр газопроводу в місці під'єднання трубки Піто-Прандтля, м;

  в'язкість газової суміші, визначається з рівняння:

;

В залежності від величини Re знаходиться співвідношення W/W_max.

4. середню швидкість руху газової суміші:

, м/с, (12)

5. площу поперечного перерізу газопроводу в місці встановлення трубки Піто-Прандтля:

, м², (13)

де d – діаметр газопроводу в місці встановлення трубки Піто-Прандтля (dx^' = 52x2 мм).

6. густину повітря в умовах досліду:

, кг/м³, (14)

7. об'ємну витрату СО₂:

, м³/с, (15)

8. об'ємну витрату повітря:

, м³/с, (16)

9. об'ємну витрату газової суміші:

, м³/с, (17)

10. масову витрату повітря:

, кг/с, (18)

11. кількість поглинутого СО₂:

, кг, (19)

де y_п  y_к – концентрації СО₂ в газовій суміші відповідно на вході (внизу) та на виході (вверху) колони , кг/кг інертного газу.

Перерахунок об'ємної долі СО₂ у відносну масову концентрацію:

, кг СО₂/кг повітря, (20)

12. середню рушійну силу процесу хемосорбції (знаходиться за формулою (3).

13. площу поверхні насадки:

, м², (21)

де D – діаметр абсорбера, 0,14 м;

Н – висота шару насадки, 1,38 м;

  питома поверхня насадки, 63 м²/м³.

Таблиця 1

Ky, кг/м2с	yсер	М, кг	G, кг/с	w/wmax	сум, Пас	сум, кг/м3	wmax	Vсум
1,91102	6,55102	1,67103	2,79102	0,9	1,73105	1,2	0,71	2,4102

6. Розрахунки