23209 (1)

При физической абсорбции процесс поглощения не сопровождается химиче-

ской реакцией.

При хемосорбции абсорбируемый компонент вступает в химическую реакцию с веществом абсорбента.

Согласно закону Генри растворимость газа в жидкости пропорцио-

нальна давлению, под которым газ находится, но при условии, что газ при растворении не образует новых соединений и молекулы его неполимеризуются.

Всякое плотное тело сгущает довольно значительно прилегающие не-

посредственно к его поверхности частицы окружающего его газообразного вещества. Если такое тело пористое, как например,древесный угольили губ-

чатаяплатина, то это уплотнение газов имеет место и по всей внутренней по-

верхности его пор, а тем самым, следовательно, и в гораздо более высокой степени. При всяком уплотнении выделяется тепло.

Вещества, которые абсорбируют-поглощают из воздуха водяной пар,

сгущают его тоже в себе, образуя воду, и от этого становятся влажными, как,

например, нечистая поваренная соль, поташ, хлористый кальций и т.п. Такие тела зовутся гигроскопическими.

Чем легче газ сгущается в жидкость, тем сильнее он поглощается. При малом наружном давлении и при нагреванииуменьшается количество по-

глощаемого газа. Чем мельче поры поглотителя, т.е. чем он плотнее, тем большею, в общем, он обладает поглотительной способностью; слишком од-

нако же мелкие поры, как например графита, не благоприятствуют абсорб-

ции.

По закону Дальтона из смеси газов каждый газ растворяется в жидко-

сти пропорционально своему парциальному давлению, вне зависимости от присутствия остальных газов. Степень растворения газов в жидкости опреде-

ляется коэффициентом, показывающим, сколько объёмов газа поглощается в одном объёме жидкости при температуре газа 0° и давлении в 760 мм ртутно-

го столба.

Коэффициенты абсорбции для газов и воды вычисляются по формуле

где -температура газа, 0С;

А,В,С – постоянные коэффициенты, определяемые для каждого от-

дельного газа.

По исследованиям Бунзена коэффициенты важнейших газов имеют значения, представленные в таблице1.

В качестве адсорбентов применяют пористые вещества с большой удельной поверхностью, обычно относимой к единице массы вещества. Ад-

сорбенты характеризуются своей поглотительной или адсорбционной спо-

собностью. Для осушки воздуха наиболее часто применяют силикагель, ко-

торый представляет собой продукты обезвоживания геля кремниевой кисло-

ты, получаемые путем обработки раствора силиката натрия (растворимого стекла) минеральными кислотами.

Таблица 1. Коэффициенты определяющие поглотительную способ-

ность газов

Удельная поверхность силикагелей от 400 до 770 м2/г. Размер гранул от

0,2 до 7 мм, насыпная плотность 400…800 г/л. Обводненность силикагеля в конце периода его эффективной работы достигает 9…11 % от общей его мас-

сы. При помощи силикагеля достигается глубокое осушение воздуха, харак-

теризуемое конечным влагосодержанием 0,02 г/кг, чему соответствует тем-

пература точки росы осушенного воздуха минус 50 °С. Однако по мере ув-

лажнения силикагеля эффективность осушки уменьшается, и при достиже-

нии предельной влажности слой сорбента прекращает поглощение влаги из воздуха.

Для восстановления адсорбционных свойств сорбент подвергают акти-

вации путем удаления из капилляров, накопившейся в них влаги. Активацию производят нагревом сорбента до температуры выше 100 °С или продувкой через слой сорбента горячего воздуха, имеющего температуру 150…180 °С.

Сущность адсорбции влаги из воздуха состоит в следующем. Водяной пар, адсорбированный поверхностью капилляра и сконденсировавшийся на ней, образуют в капилляре вогнутый мениск воды. Парциальное давление насыщенного водяного пара над вогнутой поверхностью воды ниже, чем над плоской поверхностью при той же температуре. Вследствие этого пар из воз-

духа будет диффундировать в полость капилляров и там конденсироваться.

Интенсивность осушки воздуха твердыми сорбентами определяется разно-

стью парциальных давлений насыщенного водяного пара над поверхностью мениска в капилляре и водяного пара в осушаемом воздухе. Этот перепад давлений зависит от диаметра капилляров, определяющих кривизну мениска,

температуры и влагосодержания осушаемого воздуха.

При повышении температуры воздуха или снижении парциального давления водяного пара в осушаемом воздухе интенсивность осушки снижа-

ется, так как в результате действия каждого из этих факторов уменьшается разность между парциальными давлениями водяного пара в осушаемом воз-

духе и на поверхности мениска в капилляре. При некоторой температуре эти давления могут стать одинаковыми, и тогда перенос влаги прекратится. При дальнейшем повышении температуры сорбента парциальное давление насы-

щенного водяного пара над мениском воды в капиллярах станет выше давле-

ния водяного пара в воздухе, и тогда начинается обратный процесс переноса влаги из капилляров сорбента в воздух. Это свойство используется при вос-

становлении влагопоглотительной способности (активации) сорбентов.

В процессе тепло-и массообмена при осушении воздуха адсорбентами выделяется теплота сорбции, которая состоит из скрытой теплоты конденса-

ции и теплоты смачивания, освобождавшейся при контакте жидкой и твердой поверхностей. В результате преобразования скрытой теплоты в явную темпе-

ратура осушаемого воздуха повышается и может достигнуть 40…50 °С, что является недостатком твердых сорбентов. Обычно процесс осушения воздуха адсорбентами изображается в I-d диаграмме по линии I = const

Согласно существующей методике определения эффективности работы сорбционной установки определяют необходимое количестве сорбента, пло-

щадь лобового сечения слоя сорбента и его толщину.

Количество влаги, подлежащей удалению из воздуха определяется по зависимости:

где G − расход воздуха, кг/с;

d1, d2 − соответственно начальное и конечное влагосодержание возду-

ха, кг/кг;

τc − длительность цикла адсорбции влаги, с;

Требуемая масса Gс и объем Vc адсорбента определяется по формулам:

где αc − сорбционная способность, для силикагеля αc = 0,1;

ρс − плотность насыпного слоя сорбента, кг/м3, для силикагеля ρс = 600

кг/м3.

Фильтрующая поверхность Fс, определяется из формулы:

Аэродинамическое сопротивление слоя силикагеля определяется по

3. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 1.

Установка представляет собой закрытый корпус 1 с разветвленным воз-

душным каналом 2 внутри и встроенным вентилятором. Выходные каналы воздушной системы прикрыты решеткой 3 и регулятором воздушного потока

5 через адсорбент 4. Входной канал так же оснащен защитной решеткой 6.

Контроль энергопотребления можно осуществлять с помощью встроенного амперметра 7.

Работает установка следующим образом: поток влажного воздуха вса-

сывается в установку через отверстие при помощи вентилятора, далее воздух попадает в каналы выходные диаметром 110 мм ,расход воздуха через аб-

сорбент регулируется при помощи клапана 5. Част воздуха, проходящего че-

рез адсорбент осушается и выбрасывается в окружающую среду.

Контроль влажности воздуха осуществляется электронным измерителем влажности. Скорость воздушного потока - электронным анемометром.

Рисунок 1. Схема лабораторной установки

4.ПОДГОТОВКА УСТАНОВКИ К РАБОТЕ

4.1.Включить электрический увлажнитель воздуха на максимальный

режим.

4.2.Поставить в непосредственной близости лабораторную установку от увлажнителя воздуха.

4.3.Включить установку в сеть

4.4.Тумблером включить установку.

5.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1Ознакомиться с конструкцией лабораторной установки.

5.2Убедится в исправности установки и наличии измерительных

приборов.

5.3Подготовить лабораторную установку к пуску, подключить электропитание установки ( 220 В).

5.4Включить установку тумблером (8), циркуляционный насос термостата – тумблером (9). По истечении 2…3 мин осуществить отсчет времени работы установки с помощью секундомера.

5.5С помощью измерителя влажности каждые 5 минут измерять параметры воздуха на входе и на выходе установки (температуру и относительную влажность).

5.6При установленном положении регулятора расхода воздуха каждые 5 минут определять скорость воздушного потока через адсорбент с помощью электронного анемометра.

5.9Повторить опыт для вновь заданного (отличного от предыдущего) расхода воздуха.

5.10Выключить установку. Таблица 2 Ведомость эксперимента

1

…

10

6.ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

6.1.Записать данные показаний приборов ведомость эксперимента.

6.2 Определить с помощью H-d диаграммы влажного воздуха влагосодержание воздуха на входе и на выходе установки согласно показаниям измерителя влажности.

6.3. Рассчитать по формулам (2)…(8) искомые параметры.

6.4Занести результаты расчетов в таблицу 3.

6.5Записать вывод о проделанной работе.

Таблица 3. Результаты обработки опытных данных

1…

…10

7. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет выполняется в тетради. Он должен содержать в себе принципиальную схему установки, ведомость испытаний, расчетные формулы и примеры расчетов одного режима.

8.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.Что такое абсорбция?

2.Что такое адсорбция?

3.Назовите движущие силы сорбционных процессов.

4.Укажите зависимость коэффициента поглотительной способности сорбента от его природы.

5.Напишите уравнение Генри.

6.Объясните устройство и принцип действия лабораторной установки.

7.Назовите виды осушки влажного воздуха.

8.Что такое «влагосодержание» и «относительная влажность» воздуха?

9.Какие требования предъявляются к сорбентам?

10.Изобразите изотермическую осушку воздуха на H-d диаграмме влажного воздуха.

Лабораторная работа №14 «Исследование тепломассообменных процессов при ректификации»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определение основных парметров, характеризующих тепломассооб-

менные процессы при ректификации спирта.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Всем хорошо известно, что этиловый спирт находит широкое примене-

ние не только как пищевой продукт, используемый для приготовления на-

питков, но и как консервирующее средство в заготовках плодов, ягод и со-

ков. Он незаменим при изготовлении лекарственных настоек, стимулирует кровообращение, и поэтому применяется как эффективное средство для ком-

прессов и растирок.

Этиловый спирт (этанол или винный спирт) - С2Н5ОН - бесцветная жид-

кость с характерным запахом. Получается сбраживанием пищевого сырья,

гидролизом растительных материалов и синтетически - гидратацией этилена.

Очищается ректификацией.

Синтетический путь получения этанола (из газа этилена) технически дос-

таточно сложен, а результатом является технический спирт-ректификат, со-

держащий некоторое количество не отделяемых ректификацией примесей.

Этот путь широко применяется в промышленности.

Другой путь получения спирта более доступен и связан с технологией сбраживания простых сахаров дрожжами. Именно так получается обычное вино и именно поэтому первое имя этилового спирта - винный спирт. Хими-

ческая формула этого превращения в очень упрощенном виде выглядит так: С6Н1206 = 2С2Н5ОН + 2С02 + ТЕПЛО (1)

То есть из одной молекулы сахара с помощью дрожжевых клеток обра-

зуется две молекулы этилового спирта, две молекулы углекислого газа и вы-

деляется приличное количество тепла. Для определения соотношения массо-

вых превращений достаточно подставить в предыдущую химическую фор-

мулу мольные массы атомов водорода Н=1, углерода С=12 и кислорода 0=16:

(12-6+1-12+166) = 2(12-2+1 5+16+1) + 2(12+ 16-2),

или

180 = 92 + 88;

и тогда можно сделать вывод, что из 180кг сахара получается 92кг спирта и

88кг углекислого газа. Таким образом, теоретический выход спирта из сахара составляет 92/180=0,511 кг/кг, или, с учетом плотности этилового спирта (р = 0,8кг/л), - 0,639л/кг.

1кг (сахар) ► 0, 639л (спирт)

Если спирт получают не из сахара, а из сахаросодержащего сырья (ви-

ноград, сахарная свекла, топинамбур и т.д.), то, зная сахаристость продукта,

легко определить выход из него спирта. Так, например, если яблоки содержат

12% сахара, то теоретический выход спирта из сока этого сырья (выход сока из яблок составляет 70%) будет равен 54мл/кг

1кг (яблоки) ► 0,7кг (сок) ► 0,084кг (сахар) ► 0,054л (спирт).

Чаще всего спирт получают из крахмалосодержащего сырья (карто-

фель, зерно и т.д.). Тогда в технологической цепочке приготовления спирта появляется процесс осахаривания крахмала - превращение (гидролиз) крах-

мала под воздействием определенных ферментов в сахар, после чего произ-

водится его сбраживание (С6Н10О5)п + п-Н20 + ФЕРМЕНТ = п-С6 Н1206, (2)

Практический выход спирта всегда на 10... 15% меньше теоретического.

Такие потери считаются нормальными и, главным образом, связаны с:

-«недобродом», то есть с ситуацией, когда часть сахара остается в бражке

ине превращается в спирт;

-неправильным брожением, то есть когда часть сахара превращается не в спирт, а в некоторые другие вещества - примеси;

-прямыми потерями, когда часть спирта просто улетучивается вместе с углекислым газом в процессе брожения, или теряется при перегонке и рек-

тификации.

В таблице 1 приведены ориентировочные значения практического выхо-

да пищевого спирта (в миллилитрах) из одного килограмма исходного сырья.

Таблица 1 Выход спирта из различных видов сырья при 15% потерь на

всей технологической цепочке

Практический выход в значительной степени зависит от содержания крахмала или сахара в реальном сырье, от точности соблюдения технологи-

ческого процесса приготовления бражки, а также от требований, предъяв-

ляемых к качеству получаемого спирта.

Для приготовления бражек можно использовать некондиционное сырье:

частично подгоревшее зерно, подгнившие фрукты, мороженый картофель и т.п. Однако при этом необходимо помнить, что чем выше качество исходного сырья, тем выше качество получаемого из него спирта.

Перегонка бражки

Простая перегонка (дистилляция) - процесс, при котором происходит од-

нократное испарение наиболее летучих компонентов из кубовой жидкости и однократная конденсация этих паров.

При кажущейся простоте процесс перегонки бражки является весьма от-

ветственным в общей технологической схеме получения спирта. Точность соблюдения технологии перегонки определяет качество спирта-сырца, и, в

конечном итоге, качество спирта-ректификата. Дело в том, что среди много-

численных вредных примесей, содержащихся в спирте-сырце (а