Міністерство освіти і науки України Національний університет “Львівська політехніка”

лабораторна робота №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 yп до yк, а в рідкій фазі від xп до xк. Кількість компоненту, що перейшов з газової фази, складає:

кп уyGM , (1) Рушійною силою процесу абсорбції (рис.1) в будь-якому перерізі абсорбційної

колони є різниця між робочою та рівноважною концентраціями (yроб yрівн). Рушійна сила змінюється по висоті абсорбера, тому вводиться поняття середньої рушійної сили по газовій фазі:

м

б

мбсер

yyyy

y

lg3,2

, (2)

де yб = yп yрп; yм = yк yрк.

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

yрп = 0, yрк = 0.

к

п

кпсер

yyyy

ylg3,2

, (3)

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

серy yFKM , (4) і рівнянням (5), якщо рушійна сила xсер виражена в концентраціях рідкої фази:

серx xFKM , (5)

Рис.1.

В цих рівняннях коефіцієнти масопередачі Ky і Kx визначаються таким чином:

рг

y mK

11 , (6)

і

гр

x

mK

111 , (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):

серyFMK

, (8)

Для цього необхідно визначити: а) максимальну швидкість руху газової суміші, м/с:

сум

суммkHgw

2max , 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.

б) густину газової суміші:

TPTPM сум

сум

0

0

4,22 , кг/м3, (10)

де Р0 = 750 мм рт. ст.; Т0 = 273°К; Мсум = МCO2 y + Мпов (1 y) – мольна маса суміші;

в) критерій Рейнольдса:

сум

сумdw

maxRe , (11)

де d – діаметр газопроводу в місці під'єднання трубки Піто-Прандтля, м; в'язкість газової суміші, визначається з рівняння:

пов

пов

CO

CO

сум

сум MyMyM

1

2

2 ;

В залежності від величини Re знаходиться співвідношення W/Wmax. г) середню швидкість руху газової суміші:

maxmax w

www , м/с, (12)

д) площу поперечного перерізу газопроводу в місці встановлення трубки Піто-Прандтля:

4

2dFc

, м2, (13)

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

е) густину повітря в умовах досліду:

TPTP

пов

0

00 , кг/м3, (14)

ж) об'ємну витрату СО2: псумCO yVV

2, м3/с, (15)

з) об'ємну витрату повітря:

2COсумпов VVV , м3/с, (16) и) об'ємну витрату газової суміші:

0FwVсум , м3/с, (17) к) масову витрату повітря:

повповVG , кг/с, (18) л) кількість поглинутого СО2:

кп yyGM , кг, (19) де yп yк – 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:

yyy

129

44 , кг СО2/кг повітря, (20)

м) середню рушійну силу процесу хемосорбції (знаходиться за формулою (3). н) площу поверхні насадки:

HDF 2785,0 , 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/м2с yсер М, кг G, кг/с w/wmax сум, Пас сум,

кг/м3 wmax Vсум

6. РОЗРАХУНКИ