Уравнение массопередачи для процесса абсорбции

(10).

где М — масса поглощенного абсорбтива (кг/с), определяется из уравнения (6); - коэффициент массопередачи, кг/(м²*с); F — межфазная поверхность взаимодействия фаз, м²; - средняя движущая сила процесса, кг/кг.

Величина рассчитывается по формуле.

(11).

где число единиц переноса по газовой фазе, которое характеризует количество перешедшего из фазы в фазу абсорбтива (изменение рабочей концентрации), приходящееся на единицу движущей силы. Число единиц переноса для неизотермической абсорбции определяется графическим интегрированием [1, 2]. Для изотермической абсорбции, когда равновесная линия является прямой, средняя движущая сила может быть рассчитана как среднелогарифмическая.

(12).

где — большая и меньшая движущая сила процесса, определяется как разность между рабочими и равновесными концентрациями на входе и выходе из аппарата.

В этом случае число единиц переноса определяется по уравнению.

(13).

Высота слоя насадки (Н, м) может быть рассчитана:

(14).

(15).

где — общая высота единицы переноса (ВЕП) по газовой фазе, которая по физическому смыслу представляет собой высоту слоя насадки, соответствующую одной единице переноса; D_a — диаметр абсорбционной колонны;? — удельная поверхность насадки.

Коэффициент массопередачи по газовой фазе определяется.

(16).

Здесь и — коэффициенты массоотдачи по газовой и жидкой фазам; - константа фазового равновесия.

Уравнение (15) с учётом (16) приводится к виду:

(17).

где — высота единицы переноса в газовой фазе; - высота единицы переноса в жидкой фазе; - фактор процесса массопередачи.

Для неупорядоченно загруженных насадок высота единиц переноса в газовой и жидкой фазах рассчитываются по формулам (18) и (19):

(18).

(19).

где — эквивалентный диаметр насадки;? — доля свободного объёма насадки; - критерий Рейнольдса для газовой фазы; - фиктивная скорость газовой фазы; ?_г и ?_г — плотность и вязкость газовой фазы; - приведённая толщина плёнки жидкости; - критерий Рейнольдса для жидкой фазы; mж — вязкость жидкости;; - диффузионные критерии Прандтля для газовой и жидкой фаз; ?_г и ?_ж — кинематический коэффициент вязкости газовой и жидкой фаз; D_г и D_ж — коэффициенты молекулярной диффузии поглощаемого газа в газовой и жидкой фазах. При поглощении аммиака из аммиачно-воздушной смеси водой D_г и D_ж определяется по уравнениям (20) и (21):

(20).

(21).

где Р₀ = 760 мм рт. ст.; Т₀ = 273,15 К; t — температура процесса абсорбции, ⁰С; Т = (Т₀ + t), К; Р = (Р_ат + Р_изб) — абсолютное давление в абсорбере, мм рт. ст.

Цель работы:

практическое ознакомление с процессом абсорбции в насадочной колонне, составление материального баланса процесса, построение рабочей и равновесной линии в диаграмме, определение средней движущей силы процесса, коэффициентов массоотдачи и массопередачи, общей высоты единиц переноса.

Схема установки и порядок работы:

Установка состоит из абсорбера (1), выполненного из органического стекла и имеющего в верхней части брызгоотделитель (3) и в нижней части сборник воды (4), снабженный смотровым стеклом (5). Корпус абсорбера наполнен насадкой из винипластиновых колец Рашига (2), уложенных на распределительной решётке (24). Смесь воздуха с аммиаком готовится в смесителе (9), куда через ротаметр (11) поступает воздух из линии сжатого воздуха и через ротаметр (12) аммиак из баллона (16). Расход воздуха регулируется вентилем (14), а аммиака — редуктором (17) и вентилем (15). Вода поступает в абсорбер через вентиль (13), ротаметр (10) и разбрызгиватель (7). Прошедшая через насадку вода, собирается в сборнике (4), откуда отводится через сливной кран (25) и гидрозатвор (6). Температура в насадке измеряется термометром (8), сопротивление аппарата — дифференциальным манометром (19), а избыточное давление газа на входе в аппарат U-образным манометром (18). Манометры (18) и (19) заполнены водой.

газ абсорбция аммиак поглотитель Перед включением установки в работу необходимо:

• 1. Визуально проверить её исправность.
• 2. Заполнить аспиратор (21) водопроводной водой (объём воды в аспираторе контролируется по шкале (22) и перед началом работы должен быть не менее 2 литров).
• 3. В поглотительные склянки (20) залить по 25 мл 0,1 N раствора соляной кислоты, 2−3 капли индикатора метилового красного и добавить дистиллированной воды с таким расчётом, чтобы высота в них была 1,5−2 см.
• 4. Собрать систему для анализа газа на выходе из аппарата, как это показано на рис. 2 и по манометру (23) уравнять давление внутри аспиратора с атмосферным.
• 5. Вентилем (14) включить воздух в систему и установить заданный его расход по ротаметру (11).
• 6. При помощи редуктора (17) и вентиля (15) по ротаметру (12) устанавливается заданный расход аммиака.

Работать с баллоном (16) разрешается только учебному мастеру или преподавателю!

• 7. При помощи вентиля (13) в систему пускается вода, расход которой контролируется и регулируется по ротаметру (10).
• 8. Дифманометром (19) измеряется сопротивление орошаемой насадки, а манометром (18) — избыточное давление газовой смеси на входе в аппарат.
• 9. По установлении режима (через 5−10 минут) после пуска воды отбирается проба газовой смеси на выходе из аппарата. Для этого открывается сливной кран аспиратора (21) и через поглотительные склянки (20) за счёт создающегося в аспираторе (21) разряжения просасывается исследуемый газ, объём которого контролируется по количеству воды, вытекающей из аппарата, и должен быть равен одному литру. Давление в аспираторе по манометру (23) уравнивается с атмосферным, после чего по шкале (22) замеряется объём вытекающей из него воды. Избыток кислоты в поглотительных склянках (20) оттитровывается 0,1N раствором щелочи.
• 10. Замеряется температура в абсорбере по термометру (8), после чего установка выключается.

Полученные в результате эксперимента данные сводятся в таблицу № 2.

Таблица № 2.

t = ⁰C; Р_ат = мм рт. ст; К_К =; К_щ =.

Расход воздуха.	Расход аммиака.	Расход воды.	Объём щелочи, пошедшей на титрование, мл.	Объём кислоты, залитой в склянки, мл.	Объём воды, вытекшей из аспиратора, мл.	Избыточное давление в системе, мм вод.ст.
Деления ротаметра.	кг/с.	Деления ротаметра.	кг/с.	Деления ротаметра.	кг/с.

К_К, К_щ — титры кислоты и щелочи соответственно.

Характеристики насадки (? и ?) и размеры аппарата (H и D_a) приведены на схеме установки. По полученным данным производится расчёт.

Порядок расчёта:

1. Начальная концентрация аммиака в воздухе.

где G, G_a — расходы воздуха и аммиака определяется по калибровочным графикам ротаметров.

2. Конечная концентрация аммиака в воздухе yк (м.д.) определяется на основании анализа пробы газа.

b — общий объём 0,1N раствора кислоты, налитой в обе поглотительные склянки, мл; a — общий объём 0,1N раствора щёлочи, пошедшей на титрование избытка кислоты в обеих поглотительных колбах, мл; V — объём воды, вытекшей из аспиратора, мл.

Относительная массовая концентрация аммиака на выходе из абсорбера.

3. Количество аммиака, поглощаемого водой.

кг/с.

4. Так как = 0, то конечная концентрация аммиака в воде определяется из уравнения (6).

5. Равновесная концентрация аммиака в воздухе на входе в абсорбер рассчитывается по уравнению (4) при подстановке. Соединяя точку с координатами (,) прямой линией с началом координат, получают равновесную линию (рис.1).

• 6. Рабочая линия процесса строится по двум точкам () и (,).
• 7. Определение средней движущей силы процесса () ведётся по уравнению (12).
• 8. Число единиц переноса () рассчитывается по формуле (13).
• 9. Опытное значение общей высоты единиц переноса () и коэффициента массопередачи по газовой фазе () определяют из уравнений (14) и (10)

кг / м²*с.

м.

• 10. Частные значения высот единиц переноса в газовой и жидкой фазах, рассчитывают по уравнениям (18) и (19).
• 11. Коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах

кг / м²*с.

кг / м²*с.

12. Расчетные значения и находят из уравнений (16) и (17).

13. На оснований сравнения опытных и расчетных значений и определяется абсолютная и относительная погрешность проведённого исследования.