Исследование процесса абсорбции.

Цель работы:

Схема установки и порядок работы:

Порядок расчёта:

Список литературы:

Вопросы для самопроверки.


Исследование процесса абсорбции.

Абсорбцией называется процесс избирательного поглощения газов или паров из газовых или паро-газовых смесей жидкими поглотителями. Поглощаемый газ (абсорбтив) при физической абсорбции не взаимодействует с поглотителем (абсорбентом). При этом газовая фаза, в которой находится абсорбтив, а также абсорбент являются инертными носителями поглощаемого газа. Максимальное количество абсорбтива, которое может поглотить (растворить) абсорбент, зависит от свойств газа и жидкости, давления и температуры. Оно определяет равновесное состояние между газовой и жидкой средами. Это состояние описывается законом Генри [1 - 4].

P* = EЧx
(1)

где P* - парциальное давление абсорбтива над абсорбентом в условиях равновесия; х – мольная доля поглощаемого газа в абсорбенте; Е – константа Генри (зависит от температуры и природы газа), имеющая размерность давления.
В соответствии с законом Дальтона парциальное давление компонента в газовой смеси пропорционально его мольной доле y.

P* = PЧy
(2)

где P – общее давление газовой смеси.
Формула (1) с учётом (2) может быть преобразована в уравнение (3), представляющее собой уравнение равновесной линии

(3)

где y* - равновесная концентрация абсорбтива в газовой фазе над раствором с концентрацией х; E и P – должны иметь одну и туже размерность. Если концентрация поглощаемого газа выражена в относительных массовых долях, то есть (кг поглощаемого газа)/(кг инертной фазы), то уравнение (3) примет вид:а.

(4)

Здесь - равновесная концентрация абсорбтива в газовой фазе; - рабочая (текущая) концентрация абсорбтива в абсорбенте; Мж, МГ, Ма – молекулярные массы абсорбента, инертной газовой фазы и поглощаемого газа.
Значения константы Генри (Е) определяют по таблицам в справочной литературе [2, 3].
При поглощении аммиака из аммиачно-воздушной смеси водой константа Генри в интервале температур от 0 до 500С представлена в таблице 1.

Таблица №1: константа Генри Е для аммиака [3]
Температура, 0С
0
10
20
30
40
50
Е, ат
0,274
0,485
0,823
1,36
2,15
3,36

По уравнению (4) строится равновесная линия процесса абсорбции, интерпретирующая связь между равновесной концентрацией абсорбтива в газовой среде () и её текущим значением для жидкой фазы ().
Для изотермической абсорбции, когда теплотой растворения поглощаемого газа в абсорбенте можно пренебречь, равновесная линия, построенная по уравнению (4), представляем прямую, проходящую через начало координат и точку с координатами и (рис.1).
Материальный баланс процесса абсорбции составляется по распределяемому компоненту, исходя из того, что количество абсорбтива, поступающего в аппарат с инертными газовой и жидкой фазами, равно его количеству, уходящему из абсорбера с теми же фазами.

(5)

где G и L – массовые расходы инертной газовой фазы и абсорбента, кг/с.
Из уравнения (5) определяют массу абсорбтива М, ушедшего из газовой фазы и поглощенного абсорбентом в единицу времени, кг/с

(6)

Для произвольного сечения аппарата уравнение (5) может быть представлено в виде:

(7)

Уравнение (7) характеризует связь между текущими значениями концентраций абсорбтива в газовой и жидкой фазах. Его называют уравнением рабочей линии процесса абсорбции

(8)
или
(9)

Уравнения (8) и (9) представляют собой прямую линию, тангенс угла которой равен . Отрезок, отсекаемый продолжением рабочей линии на оси ординат, равен свободному члену . Отношение - называется удельным расходом абсорбента и является одной из основных характеристик процесса абсорбции. Рабочая линия строится в фазовой диаграмме и проходит через две точки с координатами () и () (рис.1).


Рис. 1. Схема и фазовая диаграмма процесса абсорбции.

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; Da – диаметр абсорбционной колонны; s - 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; e - доля свободного объёма насадки; - критерий Рейнольдса для газовой фазы; - фиктивная скорость газовой фазы; rг и mг – 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; nг и nж – кинематический коэффициент вязкости газовой и жидкой фаз; Dг и Dж – коэффициенты молекулярной диффузии поглощаемого газа в газовой и жидкой фазах.
При поглощении аммиака из аммиачно-воздушной смеси водой Dг и Dж 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 = (Рат + Ризб) – 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.


Рис. 2. Схема насадочной абсорбционной установки для поглощения аммиака водой:
высота слоя насадки Н = 1240 мм, диаметр колонны Da = 58 мм.

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; Рат =    мм рт.ст; КК =    ; Кщ =    
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
                   
КК, Кщ – титры кислоты и щелочи соответственно.

Характеристики насадки (s и e) и размеры аппарата (H и Da) приведены на схеме установки. По полученным данным производится расчёт.

Порядок расчёта:

1. Начальная концентрация аммиака в воздухе

где G, Ga – 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

, 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

, кг / м2

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.

Список литературы:

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 752 с.
2. Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии /К.Ф.Павлов, П.Г.Романков, А.А.Носков. Л.: Химия, 1987. 576с.
3. Плановский А.Н. и др. Процессы и аппараты химической технологии /А.Н.Плановский, В.Н.Рамм, С.З.Каган. 2-е изд. М.: Госхимиздат, 1962. 847 с.
4. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1976. 655 с.

Вопросы для самопроверки.

1. Определение и назначение процесса абсорбции.
2. Почему процесс абсорбции является экзотермическим?
3. Как влияют температура и давление на равновесие процесса абсорбции?
4. Уравнение, описывающее равновесие процесса абсорбции. Коэффициент Генри.
5. Материальный баланс процесса абсорбции.
6. Уравнение линии рабочих концентраций и порядок её построения.
7. Удельный расход абсорбента, влияние его значения на работу абсорбера.
8. Движущая сила процесса, её расчёт.
9. Число единиц переноса, его физический смысл и порядок определения.
10. Коэффициенты массоотдачи и массопередачи. Факторы, влияющие на их величину.
11. Высота, эквивалентная единице переноса. Факторы, влияющие на её величину.
12. Методика проведения опыта и обработка его результатов.