Мет_указ [2ч] _022014_ - Рек_К, Сушка, Абсор _фото_

Пермский национальный исследовате льский

политехн ический университет

Кафедра «Машины и ап араты производственных про ессов»

ПРОЦЕСС Ы И АППАР АТЫ ХИМИЧЕ СКОЙ ТЕХН ОЛОГИИ (2 ча сть)

Пермь 2014

Составители: С.Х. Загидуллин, А.Г. Хлуденев, В.М. Беляев, И.Г. Ложкин

Процессы и аппараты химической технологии: Методические указа-

ния к лабораторным работам. Ч.2. Сост. С.Х. Загидуллин, А.Г. Хлуденев, В.М. Беляев, И.Г. Ложкин; Перм. нац. исслед. политех. ун-т. – Пермь, 2011, – 45 с.

Дано описание трех лабораторных установок по изучению массообменных процессов, порядок работы на них. Рассмотрена методика обработки экспериментальных данных.

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2014

2

Лабораторная работа №1 «Абсорбция»

Цели лабораторной работы:

–практическое ознакомление с процессом абсорбции;

–определение опытного значения коэффициента массопередачи и сравнение его с расчетным значением.

Краткие сведения из теории

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощенный 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 хемосорбцией.

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 концентрации:

Y кмоль компонента / кмоль инертного газа,

X кмоль компонента / кмоль растворителя.

Концентрация выражается также мольными или массовыми долями компонента в смеси x , y .

Используется также объемная концентрация:

сГ кг компонента / м3 газовой смеси (г/л);

сЖ кг компонента / м3 раствора (г/л).

Вчастности, объемную концентрацию компонента в газе (г/л) можно рассчитать по уравнению

3

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 компонента над раствором пропорциональна его мольной доле в жидкости:

где сЖ – объемная концентрация компонента в жидкости, г/л;

Е – константа Генри, мм рт.ст./(г/л).

Если концентрация компонента в какой-либо фазе отличается от равновесной, то будет протекать процесс абсорбции (или десорбции), причем движущей силой процессов 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

где у, х – рабочие концентрации компонента соответственно в газовой и жидкой фазах;

у*, х* – равновесные концентрации компонента.

В тех случаях, когда определяющей стадией процесса является перенос компонента в газовой фазе, можно использовать уравнение:

где р – парциальное давление компонента в газовой фазе; р*– равновесная упругость компонента над раствором, определяе-

мая по закону Генри.

Если р > р*, то происходит абсорбция компонента поглотителем. При р < р* компонент десорбируется из жидкой фазы в газовую.

4

Связь парциального давления компонента р с объемной долей его в газе описывается законом Дальтона:

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:

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:

где M – количество абсорбированного аммиака, г/ч;

5

VСМ – расход аммиачно-воздушной смеси, л/ч;

W– расход воды, л/ч;

сГН , сГК – начальная и конечная концентрации аммиака в газе, г/л ;

сЖН , сЖК – начальная и конечная концентрации аммиака в жидкости, г/л.

Учитывая, что на абсорбцию подается чистая вода, для которой сЖН 0 , получим:

Всвязи с тем, что движущая сила процесса (разность между рабочей

иравновесной концентрациями) изменяется по длине аппарата, в основное уравнение массопередачи (9) входит средняя движущая сила, определяемая как средняя логарифмическая:

где рБ , рМ – наибольшее и наименьшее значения движущей силы в

абсорбере на входе и выходе, мм рт.ст.

Для условий лабораторной работы распределение давлений схематично можно представить таким образом:

Здесь рН , рК – парциальное давление аммиака в смеси на входе и выходе из аппарата;

р*Н , р*К – равновесная упругость аммиака над раствором на входе и выходе из абсорбционной трубки.

Значения рН и рК определяются по закону Дальтона, а р*Н и р*К –

по закону Генри для соответствующих объемных 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:

где d – внутренний диаметр трубки, м; L – длина трубки, м.

6

Опытное значение коэффициента массопередачи, определяемое по уравнению (9), с использованием экспериментальных данных, необходимо сравнить со значением, полученным на основании теоретического расчета.

Перенос вещества из одной фаз в другую складывается из переноса абсорбируемого компонента из основной массы газа к поверхности контакта и переноса компонента от поверхности контакта в глубь массы жидкости. Коэффициент массопередачи, характеризующий скорость суммарного процесса переноса массы, может быть представлен в виде

где kУ – коэффициент массопередачи, выраженный через концентрацию компонента в газовой фазе;

kХ – коэффициент массопередачи, выраженный через концентрацию

компонента в жидкой фазе;У – коэффициент массоотдачи в газовой фазе;

Х – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе;

m – константа фазового равновесия, аналогичная константе Генри. Для газов с малой растворимостью величина m весьма велика, по-

этому можно записать

Расчет коэффициентов массоотдачи У и Х производится с ис-

пользованием теории подобия. Конкретные случаи массоотдачи в газовой и жидкой фазах описываются критериальными уравнениями вида:

где коэффициент A и показатели степеней m и n – постоянные числа; Nu Д d / D – диффузионный критерий Нуссельта;

Re wd / – критерий Рейнольдса;

PrД / D – диффузионный критерий Прандтля;

– коэффициент массоотдачи;

7

d – определяющий линейный размер (диаметр трубки); D – коэффициент молекулярной диффузии;

w – линейная скорость потока;

– кинематическая вязкость.

Для условий лабораторной работы (абсорбция хорошо растворимого газа) справедливы уравнения (17), а коэффициент массоотдачи в газовой фазе может быть рассчитан из критериального уравнения:

при следующих размерностях величин, входящих в критерий Нуссельта: d – м, D – м2/ч, – г/(ч м2 мм рт.cт.).

Описание установки и ее работы

Схема установки для проведения процесса абсорбции представлена на рис.1.

Основной частью установки является абсорбционная трубка 4. Внутренний диаметр трубки 18 мм, длина – 320 мм.

Поглощение аммиака из его смеси с воздухом происходит водой, стекающей пленкой по внутренней поверхности трубки. Вода поступает из напорного бака 1; расход ее регулируется вентилем 2 и измеряется ротаметром РС-3а; температура воды измеряется термометром 5. Аммиак увлекается воздухом из емкости с аммиачной водой 14 и дозируется с помощью вентиля 7 по расходомеру 6.

Концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси определяется по поглощенному серной кислотой количеству аммиака, пропускаемого через дрексели 10 и 12. Замер количества вытекшей при этом из аспиратора 13 воды осуществляется мерным цилиндром 15.

Приступить к работе можно только после детального ознакомления с установкой. Пуск установки производится с разрешения преподавателя в следующем порядке:

1.Открыть запорный вентиль для подачи воды в напорный бак и дождаться перелива. В дальнейшем следить за работой перелива, не допуская понижения уровня воды в напорном баке.

2.Регулирующим вентилем 2 установить по ротаметру 3 заданный преподавателем расход воды (градуировочный график для ротаметра прилагается). Следить за тем, чтобы вода равномерно омывала всю поверхность абсорбционной трубки.

8

3.Открыть запорный вентиль на воздушной линии.

4.Регулирующим вентилем 7 установить по ротаметру 6 заданный преподавателем расход аммиачно-воздушной смеси (градуировочный график для ротаметра прилагается).

5.Залить в дрексель 10 – 10 мл, а в дрексель 12 – 2 мл 0,1 н. раствора серной кислоты, прибавить несколько капель метилоранжа и долить до отметки дистиллированной водой.

6.Наполнить водой аспиратор 13.

7.Через 10…15 минут после пуска установки замерить концентрацию аммиака в аммиачно-воздушной смеси на входе в абсорбционную трубку.

Для этого:

а) поставить трехходовой кран 9 в положение А; б) при закрытом вентиле 8 проверить аспиратор на герметичность, открыв

кран 11; после того как вода не будет выливаться из аспиратора, слить воду из мерного цилиндра 15;

в) открыть вентиль 8 и с небольшой скоростью пропускать через дрексель 10 аммиачно-воздушную смесь до обесцвечивания (или появления желтого цвета);

г) закрыть кран 11 и вентиль 8; замерить количество вытекшей из аспиратора воды.

8.Замерить в той же последовательности концентрацию аммиака в амми- ачно-воздушной смеси на выходе из абсорбционной трубки, поставив трехходовой кран в положение Б.

9.После окончания работы закрыть регулирующие и запорные вентили. Все измеренные величины занести в табл. 1.

9

1

Рис. 1. Схема абсорбционной установки: 1 – напорный бак; 2,7 – регулирующие вентили; 3 – ротаметр РС-3а для измерения расхода воды; 4 – абсорбционная трубка; 5 – термометр; 6 – ротаметр РС-3а для измерения расхода аммиачновоздушной смеси; 8,16 – вентили для пуска аммиачно-воздушной смеси в дрексели; 9 – трехходовой кран; 10, 12 – дрексели; 11 – кран; 13 – аспиратор; 14 – емкость с аммиачной водой; 15 – мерный цилиндр.

10