Лаб. 16 - Кафедра &quot

Определение коэффициента массоотдачи в жидкой фазе
Моргунова Е.П.
Введение.
Абсорбция - это процесс избирательного поглощения газов или паров
жидким поглотителем (абсорбентом). Если поглощаемый компонент не
вступает в химическое взаимодействие с абсорбентом, то такой процесс
носит название физической абсорбции.
Процесс физической абсорбции обратимый – переход компонента в
жидкую фазу – абсорбция и обратный процесс ‒ переход из жидкой фазы в
газовую – десорбция. В данной работе изучается процесс десорбции
труднорастворимого диоксида углерода из водного раствора в воздух.
Скорость процесса десорбции диоксида углерода равна скорости его
абсорбции водой из воздушно
протекают
при
одинаковых
‒
газовой смеси, если эти процессы
условиях
(температуре,
давлении,
геометрических параметрах аппарата), поэтому процессы десорбции и
абсорбции подчиняется одним и тем же закономерностям.
Процесс абсорбции широко используется в химической технологии – как
в самих технологических процессах, так и при очистке газовых выбросов
химических предприятий от вредных примесей.
Количество компонента, переносимого из газовой фазы в жидкую, или
наоборот, описывается основным уравнением массопередачи:
𝐽𝑚 = К𝑥 ∙ 𝐴 ∙ 𝛥𝑋ср
𝐽𝑚 – количество компонента, переходящего из одной фазы в другую, кг/сек;
К𝑥 − коэффициент массопередачи в жидкой фазе,
кг
или м⁄с ;
м2 ∙с∙ кг⁄ 3
м
𝐴 − поверхность контакта фаз, участвующих в процессе массообмена, м2
𝛥𝑋ср – средняя движущая сила процесса массопередачи, выраженная через
концентрации в жидкой фазе, кг⁄ 3 ;
м
Данное уравнение используется для определения поверхности контакта фаз в
массообменных
аппаратах.
Количество
переносимого
компонента
М
определяется по уравнению материального баланса:
𝐽𝑚 = 𝑄𝑥 (𝑥н − 𝑥к )
(1)
3
𝑄𝑥 − объемный расход жидкой фазы (воды), м ⁄с ;
𝑥н, 𝑥к - содержание двуокиси углерода в воде в начале и в конце процесса
десорбции, кг⁄ 3 ;
м
Движущая сила в противоточном пленочном аппарате 𝛥𝑋ср определяется как
средняя логарифмическая величина между движущими силами на концах
колонны. Так, при десорбции CO2 из воды воздухом:
𝛥𝑥ср
(𝑥н − 𝑥н∗ ) − (𝑥к − 𝑥к∗ )
=
(𝑥 − 𝑥н∗ )
𝑙𝑛 н
(𝑥к − 𝑥к∗ )
𝑥н∗ , 𝑥к∗ − равновесное содержание двуокиси углерода в воде на входе и
выходе из колонны, соответственно, кг⁄ 3 ;
м
Равновесная концентрация двуокиси углерода на входе и выходе из колонны
определяется по равновесной зависимости 𝑥 ∗ = 𝑓(𝑦), где 𝑦 - содержание
двуокиси углерода в воздухе, кг⁄ 3 ;
м
Коэффициент массопередачи К𝑥 определяется по уравнению аддитивности
фазовых сопротивлений:
1
Кx
Где
1
1
= 𝛽 + 𝑚𝛽
𝑥
𝑦
𝛽𝑥 и 𝛽𝑦 – коэффициенты массоотдачи для жидкой и газовой фаз,
соответственно, м⁄с ;
m –коэффициент распределения, численно равный тангенсу угла наклона
линии равновесия в системе CO2 – H2O; для плохо растворимого газа
коэффициент распределения m очень большая величина;
Тогда
1
К𝑥
≈
1
𝛽𝑥
или
К𝑥 ≈ 𝛽𝑥 , а основное уравнение массопередачи
примет вид
𝛽𝑥 =
𝑄𝑥
𝐴 ∙ 𝛥𝑥ср
Данное уравнение лежит в основе экспериментального определения
коэффициента массоотдачи в жидкой фазе при десорбции диоксида углерода.
Цель работы: Экспериментальное определение коэффициента массоотдачи
в жидкой фазе при десорбции диоксида углерода в воздух в пленочной
колонне,
сравнение
полученного
значения
с
рассчитанным
по
критериальным уравнениям.
Схема лабораторной установки и ее описание
Схема установки представлена на рис.1. Исходная свежая вода из емкости
Е2 подается по трубопроводу с помощью насоса Н в емкость Е1. В этой
емкости вода насыщается диоксидом углерода, подаваемым из газового
баллона через барботер,
расположеный в верхней емкости.
Вода,
насыщенная углекислым газом подается в колонку Т, представляющую собой
стеклянную трубку. Расход подаваемой жидкости регулируется вентилем В1
и измеряется ротаметром 1. В верхней части трубчатой колонки расположено
распределительное
устройство
Р,
обеспечивающее
равномерное
распределение жидкости в виде тонкой пленки по периметру колонки.
Противотоком к жидкости в колонку подается воздух с помощью
воздуходувки. При стекании пленки жидкости из нее десорбируется диоксид
углерода. Вода после десорбции вновь стекает в емкость Е2.
Трубчатая колонка Т изготовлена из стекла и имеет внутренний диаметр 20
мм и высоту 750 мм. В верхней части трубки расположен распределитель
жидкости Р, а в нижней гидрозатвор З.
Е1
P
T
FI
З
1
B1
В2
K1
Воздух
K2
K3
E2
H
Рис.1. Схема лабораторной установки для определения коэффициента
массоотдачи в жидкой фазе.
Емкости Е1 и Е2 из стекла, объемом по 50 л.
Воздуходувка ротационная, пластинчатого типа, производительностью
2 нм3/мин и напором 5∙104 Па. Потребляемая мощность электродвигателя
воздуходувки 270 Вт.
Насос Н шестеренчатого типа, снабжен электродвигателем АОЛ-21/4
с числом оборотов двигателя 1400 об/мин и мощностью 270 Вт.
На линии подачи воды расположен ротаметр 1 марки РС-3 с максимальным
расходом воды 44 л/час и регулирующий вентиль В1.
Порядок проведения эксперимента
1. Включить пускатель насоса
Н. Жидкость начнет перекачиваться
из
нижней емкости Е2 в емкость Е1. Необходимо следить, чтобы уровень воды в
нижней емкости не опускался ниже 5 -7 см от конца всасывающего
трубопровода. Выключить насос.
2. Провести насыщение жидкости в верхней емкости Е1 диоксидом углерода,
находящемся в газовом баллоне. Для этого открыть вентиль головки баллона
специальным ключом, против часовой стрелки. Насыщение проводить 5 -6
минут. Закрыть вентиль на баллоне.
3. Включить воздуходувку.
4. Открыть вентиль В1 и установить заданный преподавателем расход воды,
насыщенной углекислым газом. Вода должна равномерной пленкой стекать
по внутренней поверхности трубки.
5. Отобрать пробы воды для определения содержания диоксида углерода до
десорбции и после с помощью соответствующих кранов К1 и К2. Объем проб
должен составлять 100 мл. Отбор проб следует проводить медленно,
небольшими порциями, чтобы не происходило дополнительной десорбции.
6. Отобрать последовательно несколько проб и сразу же измерить
концентрации растворов с помощью рН - метра.
7. Закрыть все вентили и выключить воздуходувку.
Обработка результатов экспериментов
1. Определение коэффициента массоотдачи на основе экспериментальных
данных.
Сделаем допущение, что при исследовании процесса десорбции диоксида
углерода из водного раствора его концентрация
в воздухе будет
пренебрежимо мала, т. е 𝑥н∗ = 0 и 𝑥к∗ = 0
Тогда
𝛥𝑥ср =
𝑥н −𝑥к
𝑥
𝑙𝑛 н
𝑥к
Примем, что поверхность контакта фаз (поверхность пленки) равна
внутренней поверхности трубки
A=π∙ d∙l
d – внутренний диаметр и длина трубки, м
l - длина трубки, м
Подставим полученные величины в основное уравнение массопередачи:
𝛽𝑥 =
Подставим соотношение
𝑄𝑥 (𝑥н − 𝑥к )
𝑥 −𝑥
𝜋 ∙ 𝑑 ∙ 𝑙 ∙ н 𝑥н к
𝑙𝑛
𝑥к
(𝑥н −𝑥к )
𝑥 −𝑥
∙ н 𝑥нк
𝑙𝑛
𝑥к
x
= ln xн
в уравнение массопередачи
к
и получим выражение для для расчета коэффициента массоотдачи :
𝛽𝑥 =
𝑄𝑥 (𝑥н −𝑥к )
𝑥 −𝑥
𝜋∙ 𝑑∙𝑙∙ н 𝑥нк
𝑙𝑛𝑥
к
𝑄
𝑥
𝑥
= 𝜋∙ 𝑑∙𝑙
∙ 𝑙𝑛 𝑥н
к
Выражение
(𝑥н −𝑥к )
представляет собой число единиц переноса,
𝑥 −𝑥
∙ н 𝑥нк
𝑙𝑛
𝑥к
выраженное через концентрации диоксида углерода в жидкой фазе - nx.
Для расчета 𝛽𝑥 можно также использовать линейную массовую плотность
орошения колонны Г:
𝜌 𝑄𝑥
Г=
𝜋𝑑
,
кг
м∙с∙
где ρ – плотность жидкой фазы, кг/м3 (ρводы =1000 кг/м3 ), а
𝛽𝑥 =
Г
𝑥
∙
𝑙𝑛 н
𝑥
1000∙𝑙
к
Для определения концентрации диоксида углерода в водном растворе
используем показания рН- метра. Диоксид углерода взаимодействует с водой
с образованием слабо диссоциирующей угольной кислоты:
СО2 + Н2О → Н2СО3 → 2Н+ + СО−
3
Сделаем допущение, что концентрация образующейся угольной кислоты,
пропорциональна концентрации ионов водорода, а следовательно, и рН
раствора. Тогда:
ln
xн
xк
= 2,3 𝑙𝑔
[𝐻н+ ]
𝑥н
10−рНн
= 2,3 𝑙𝑔 [𝐻 + ] = 2,3 𝑙𝑔 10−рНк =
𝑥к
к
2,3 𝑙𝑔 10−рНн - 2,3 𝑙𝑔 10−рНк = 2,3(рНк - рНн) = 2,3 ΔрН
Тогда:
или:
Г
𝑥
2,3 ∙ Г
𝛽𝑥 = 1000∙𝑙∙ 𝑙𝑛 𝑥н = 1000∙𝑙 ∙ ΔрН
к
𝛽𝑥 =
𝑄𝑥
∙2,3 𝛥рН
𝜋∙ 𝑑∙𝑙
2. Расчет коэффициента массоотдачи по критериальным уравнениям,
предложенным Г. С. Борисовым для колонн пленочного типа в интервале
300< 𝑅𝑒 < 1600
Критерий Рейнольдса для пленки равен
𝑅𝑒 =
4𝑄𝑥 𝜌ж
𝛱𝜇ж
𝛱 – смоченный периметр равный: 𝛱 = 𝜋 𝑑
Коэффициент массоотдачи может быть рассчитан по критериальным
уравнениям, через диффузионный критерий Шервуда
𝛽𝑥 =
𝑆ℎ ∙ 𝐷
𝛿пр
𝑆ℎ − диффузионный критерий Шервуда;
𝐷 − коэффициент диффузии распределяемого компонента в жидкости. Для
СО2 в воде при 20°С 𝐷 = 1,8 ∙ 10−9 м2 /с ;
𝛿пр ‒ приведенная толщина пленки, равная:
3 𝜇2
ж
𝛿пр = √ 2
𝑔𝜌ж
𝑚
𝑆ℎ = 𝐵 ∙ 𝑅𝑒 ∙ 𝑆𝑐
0,5
𝛿пр 𝑛
∙( )
𝑙
𝑆𝑐‒ диффузионный критерий Шмидта, равный:
𝑆𝑐 =
𝜇ж
𝜌ж ∙ 𝐷
Значения В, m, n для различных режимов движения пленки представлены
ниже:
Режим движения
Re<300
300<Re<1600
В
m
0,888
0,45
1,21∙106∙0,909n
7,7∙10-5
Re>1600
n
0,5
(3,2 – lgRe)/1,47
(n/3)-2,18
1,0
0
Результаты экспериментальных и расчетных данных представляются в виде
таблицы 1.
Таблица 1. Результаты экспериментальных и расчетных данных.
№п/п Qx, м3⁄ рНн
с
рНк
𝛽𝑥 экспер 𝛿пр ∙ 105
м/с
𝑆𝑐
𝑆ℎ
м
𝛽𝑥 расчет
м/с
1
2
3
Провести
сравнение
экспериментальных
и
расчетных
значений
коэффициентов массоотдачи.
Вопросы для подготовки к защите лабораторной работы
1. Основное уравнение массопредачи, коэффициент массопередачи его
физический смысл и размерность.
2. Уравнение массоотдачи, коэффициент массоотдачи, его размерность и
физический смысл.
3. Уравнение аддитивности фазовых сопротивлений. Проанализировать
уравнение для случаев хорошо и плохо растворимых газов.
4. Принципы интенсификации процессов массообмена. Влияние скорости
движения фаз на процесс абсорбции.
5. Основные критерии подобия диффузионных процессов и их физический
смысл.
6. Достоинства и недостатки пленочных абсорбционных аппаратов.