Методика проведення роботи

Міністерство освіти і науки молоді та спорту

Національний університет “Львівська Політехніка”

Лабораторна робота №18

на тему:

“Вивчення процесу абсорбції вуглекислого газу розчином лугу”

з дисципліни:

“Процеси та апарати хімічної технології ”

Виконав:ст.гр. АТПс-11

Вітічак Є.О.

Перевірила: Кіндзера Д.П.

Львів 2013

 

І. Мета роботи

Визначення коефіцієнту масопередачі К для абсорбції СО₂ розчи­ном лугу з повітряної суміші

Теоретичний вступ

Абсорбцією називається процес поглинання газів або парів з га­зової та парогазової суміші рідкими поглиначами (абсорбентом).

При фізичній абсорбції газ, який поглинається, не взаємодіє хі­мічно з абсорбентом. Якщо компонентно 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 співрозмірності 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 У_п до У_к, а в рідкій фазі від Х_п до Х_к. Кількість компоненту, що пере­йшов з газової фази, складає:

М = G(У_п - У_к) .

Рушійною силою процесу абсорбції (мал. І) в будь-якому перері­зі абсорбційної колони є різниця між робочою та рівноважнию концентраціями (У_роб- У_рівн). Рушійна сила змінюється по висоті абсорбера, тому вводиться поняття середньої рушійної сили по газовій фазі

де У_б = У_п -У_рп ; У_М= У_к -У_рк.

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

У_рп = 0; У_рк = 0

Тоді

Швидкість процесів абсорбції характеризується рівнянням, якщо рушійну силу виразити в концентраціях газової фази

М=К_у F

І наступним рівнянням, якщо рушійна сила виражена в концентраціях рідкої фази

М=К_х .

В цих рівняннях коефіцієнти масопередачі К_у і К_х визначаються таким чином:

К_у = і К_х=

Де - коефіцієнт масопередачі від потоку газу до поверхні контакту фаз;

- коефіцієнт масовіддачі від поверхні контакту фаз до потоку рідин;

тангенс кутанахилу рівноважної лінії.

- мольнамаса суміші;

- мольна маса СО₂;

- мольна маса повітря.

критерій Рейнольдса:

Re =

d – діаметр газопроводу в місці під’єднаня трубки Піто-Прандля, м

- в’язкість газової суміші, визначається з рівняння:

= + ;

В залежності від величини Re знаходиться співвідношення W/W_max.

в) середня швидкість руху газової суміші

W= , м/с

г) площа поперечного перерізу газопроводу в місці встановлення трубки Піто-Прандля (d =52 мм).

д) густина повітря в умовах досліду

= , кг/м³

де =273 ; = 760 мм рт. ст.

е) об’ємна витрата СО₂

= , м³/с

є) об’ємна витрата повітря

, м³/с

ж) об’ємна витрата газової суміші

, м³/с

з) масова витрата повітря

G= , кг/с

і) кількість поглинутого СО₂

М= У_п- У_к), кг

де У_п, У_к – концентрації СО₂ в газовій суміші відповідно на вході (внизу) і на виході (вверху) колони, кг/кг інертного газу.

Перерахунок об’ємної долі СО₂ у відносну масову концентрацію

У= ; кг СО₂/кг повітря

к) середня рушійна сила процесу хемосорбції (знаходиться на початку)

л) площа поверхні насадки

F=0.785 D² H , м²

де D – діаметр абсорбера, 0.14 м;

H – висота шару насадки, 1.38 м;

- питома поверхня насадки, 63 м²/м³.

Опис установки

Абсорбер 2, діаметром D =160 10 мм і висотою 3000 мм наповнений насадкою 2 (кільця Решига 50 50 7 мм). Висота насадкового шару 1380 мм. Розчин

NаОН (7 %) за допомогою поспи 8 попадає зі збірника в верхню частину абсорбера. Кількість рідини фіксується ротаметром 3. Стікаючи по насадці, рідина зливається назад в збірник. Газ, що абсорбується (СО₂), 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-Прантля ІІ, 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.

Методика проведення 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 хв 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.

Обробка дослідних даних

Обробка дослідних даних зводиться до визначення коефіцієнту масо передачі К:

К=

Для цього необхідно визначити:

а) максимальну швидкість руху газової суміші, м/с

, м/с

де g =9.81 м²/с – прискорення вільного падіння;

H – покази манометра;

K – поправочний коефіцієнт мікроманометра;

- питома густина рідини мікроманометрі, кг/м³;

- густина газової суміші при температурі досліду, кг/м³;

б) густина газової суміші

, кг/ м³;

де =760 мм рт. ст.;

=273 .

 

Приклад. Скруббер для поглинання парів ацетону з повітря скраплюється водою в кількості 3000 кг/год. Середня температура в скрубері 20 . Через скруббер пропускається під атмосферним тиском суміш повітря з парами ацетону, яка містить 6% (об.) ацетону. Чистого повітря в цій суміші – 1400 м³/год (за нормальних умов). В скруббері вловлюється 98 % ацетону.

Урівнювання лінії рівноваги:

Тут Х і виражені в кіломолях ацетону на 1 кмоль іншого компоненту (води чи повітря).

Знайти діаметр і висоту скруббера, заповненого керамічними кільцями, розміром 25 25 мм. Швидкість газу приймати на 25 % менше швидкості захлинання.

Коефіцієнт масопередачі К_у = 0.4 кмоль ацетону/(м² год Коефіцієнт змоченості насадки приймати рівним одиниці.

Розв’язання. Кількість поглиненого ацетону:

= кмоль/год,

де =0.98 – ступінь поглинання.

Початкова концентрація ацетону в воді, яка подається на верх скруббера, Х_в=0. Кінцева концентрація ацетону в воді, яка витікає внизу з скруббера:

=

Початкова концентрація ацетону в повітрі внизу при вході в скруббер:

Кінцева концентрація ацетону в повітрі, яке виходить з скруббера:

=0.00128

По цих точках на діаграмі Y-X нанесена робоча лінія; нище проведена рівноважна лінія по зрівнюванню

Знаходимо рухому силу абсорбції внизу скруббера:

Значення знаходимо по урівнюванню рівноважної лінії для Х_в, відповідного низу скруббера:

1.68 0.0393

Рухома сила абсорбції на верху скруббера:

Середня рухома сила:

Потрібну поверхню масопередачі знаходимо по урівнюванню:

Об’єм шару керамічних кілець, необхідний для створення знайденої поверхні, при :

V=

де =204 м²/м³ – питома поверхня насадки.

Уточнимо перетин скруббера.

По урінюванню вираховуємо фіктивну швидкість газу в точці інверсії, нехтуючи невеликим вмістом ацетону в рідині і газі.

Значення входящих в урівнювання величин:

L= 3000 кг/год; ;

G=1400 ;

L/G=3000/1810=1.66; ;

м³/м³.

Підставляємо ці значення в формулу:

lg(

або lg 0.0616 ,

звідки .

За умовою беремо робочу фіктивну швидкість газу на 25 % менше:

.

Площа поперечного перерізу скруббера:

Звідси діаметр скруббера:

Необхідна висота насадки: