книги / Процессы и аппараты химической технологии. Процессы и аппараты химической технологии. Ч. 2

3

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 АБСОРБЦИЯ

Цели работы:

–практическое ознакомление с процессом абсорбции;

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

Сведения из теории

Абсорбцией называется процесс поглощения газов или паров из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). В процессе физической абсорбции поглощаемый 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 хемо-

сорбцией.

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 мольные концентрации:

Y кмоль компонента / кмоль инертного газа,

Xкмоль компонента / кмоль растворителя;

–относительные массовые концентрации:

Y кг компонента / кг инертного газа,

X кг компонента / кг растворителя.

4

Концентрация выражается также мольными x, y (кмоль/кмоль) или массовыми x , y (кг/кг) долями компо-

нента в смеси.

Используются также объемные концентрации:

– массовые:

Cy кг компонента / м3 газовой смеси (г/л),

Cx кг компонента / м3 раствора (г/л);

– мольные:

Cy моль компонента / м3 газовой смеси, Cx моль компонента / м3 раствора.

Между указанными вариантами выражения концентраций имеются формулы перерасчета одной концентрации в другую. В частности, объемную массовую концентрацию компонента в газе (г/л) можно рассчитать на основе мольной доли по уравнению:

где – плотность газовой смеси при рабочей температуре t,

Mсм – молекулярная масса смеси газов, Mсм Mк y Mв (1 y);

y – мольная доля компонента в газовой фазе; Mв – молекулярная масса воздуха.

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

5

компонента над раствором пропорциональна его мольной доле в жидкости:

где E – константа Генри; x – мольная доля компонента в жидкости, кмоль/кмоль.

Возможна и такая запись закона Генри:

где Cx – объемная массовая концентрация компонента в жидкости, г/л; E – константа Генри, мм рт. ст./(г·л–1).

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

где y, x – рабочие мольные доли компонента соответственно в газовой и жидкой фазах, кмоль/кмоль; y*, x* – равновесные мольные доли компонента, кмоль/кмоль.

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

где р – движущая сила процесса, выраженная в единицах давления; р – парциальное давление компонента в газовой фазе;

6

p* – равновесная упругость компонента над раствором, определяемая по закону Генри.

Если p > p*, то происходит абсорбция компонента поглотителем.

При p < p* компонент десорбируется из жидкой фазы в газовую.

Связь парциального давления компонента p с мольной долей его в газе описывается законом Дальтона:

где P – общее давление.

Расчет массообменной аппаратуры производится с использованием основного уравнения массопередачи:

где M – количество компонента, перешедшего из одной фазы в другую, кг/ч; ky , kх – коэффициент массопередачи, выражен-

ный соответственно через массовые доли в газовой и жидкой фазах; F – поверхность контакта фаз, м2; уср , хср – средняя

движущая сила процесса, выраженная соответственно через массовые доли в газовой и жидкой фазах, кг/кг.

Применительно к условиям лабораторной работы основное уравнение массопередачи можно записать в виде:

здесь применяются следующие размерности: М – г; pср –

мм рт. ст.; k – г/(ч м2 мм рт. cт.); 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:

7

где G, L – массовые расходы инертного газа (воздуха) и раствори-

теля (воды) соответственно; Y н,Y к – относительная массовая концентрация компонента в газе на входе (начальная) и выходе

(конечная) из абсорбера; X н, X к – относительная массовая кон-

центрация компонента в жидкости на входе и выходе из абсорбера. 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; Vсм – объемный расход аммиачно-воздушной смеси, л/ч; Cyн, Cyк – на-

чальная и конечная массовые концентрации аммиака в газе, г/л; Cхн, Cхк – начальная и конечная массовые концентрации аммиака

вжидкости,г/л;W – объемный расход воды, л/ч.

Учитывая, что на абсорбцию подается чистая вода, для которой Cхн 0, из уравнения (1.11) получим:

В связи с тем что движущая сила процесса (разность между рабочей и равновесной концентрациями) изменяется по длине аппарата, в основное уравнение массопередачи (1.9) входит средняя движущая сила, определяемая как среднее логарифмическое:

где рб , рм – наибольшее и наименьшее значения движущей силы в абсорбере на входе и выходе, мм рт. ст.

8

Для условий лабораторной работы распределение давлений можно представить таким образом:

рб рн рн* ;рм рк рк* .

Здесь рн, рк – парциальное давление аммиака в смеси на входе и выходе из аппарата; рн* , рк* – равновесная упругость

аммиака над раствором на входе и выходе из абсорбционной трубки.

Значения рн и рк определяются по закону Дальтона (1.7), а рн* и рк* – по закону Генри (1.3) для соответствующих объем-

ных 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; Lт – длина трубки, м.

Опытное значение коэффициента массопередачи, определяемое по уравнению (1.9) с использованием экспериментальных данных, необходимо сравнить со значением, полученным на основании теоретического расчета.

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

9

где ky – коэффициент массопередачи, выраженный через мольную долю компонента в газовой фазе; kx – коэффициент массопередачи, выраженный через мольную долю компонента в жидкой фазе; y – коэффициент массоотдачи в газовой фазе; x – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе; m – константа фазового равновесия, пропорциональная константе Генри.

Для газов с малой растворимостью величина m весьма велика, следовательно:

Для хорошо растворимых газов величина m мала, следовательно:

Расчет коэффициентов массоотдачи y и x производится с использованием теории подобия. Конкретные случаи массоотдачи в газовой и жидкой фазах описываются критериальными уравнениями вида:

– коэффициент массоотдачи; d – определяющий линейный размер (диаметр трубки); D – коэффициент молекулярной диффузии; коэффициент A, показатели степеней m и n – постоянные

числа; Re – критерий Рейнольдса, Re w d ; w – линейная ско-

рость потока; – кинематическая вязкость; Prд – диффузион-

ный критерий Прандтля, Prд D .

10