Изучение процесса абсорбции углекислого газа водой в аппарате с механическим перемешиванием

Министерство  образования Российской Федерации

Воронежская государственная  технологическая академия

Кафедра  ПАХПП

 

 

 

 

 

О Т Ч Ё Т

по  лабораторной работе № 7

«ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ УГЛЕКИСЛОГО  ГАЗА ВОДОЙ В АППАРАТЕ С МЕХАНИЧЕСКИМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ.»

по  курсу «Технологические процессы и оборудование»

Специальность 210200  АТП

 

 

 

Автор отчёта студент

группы  А-018 Доценко Д.С.

Руководитель  доцент Зотов А. П.

 

 

 

 

Воронеж 2003

 

Цель работы: получение зависимости диффузионного числа Нуссельта от числа Рейнольдса для системы углекислый газ – вода.

 

 

 

Описание установки.

 

Установка (рис.1) состоит  из ресивера 1, абсорбера 2 с диаметром D=0,2 м с мешалкой 3 диаметром d=6,67*10^-2 м, приводимой во вращение электродвигателем постоянного тока 4 через привод 5. Частота вращения мешалки устанавливается регулятором 6. углекислый газ подается в абсорбер 2 из ресивера 1 по трубопроводу с вентилями 7, 8, 9 и краном 10. Жидкость в абсорбер 2 заливается через воронку 11.

Для измерения объёма газа, поглощаемого жидкостью, абсорбер через штуцер 12 и трехходовой кран 13 подключен к газовой бюретке 14, соединенной с уравнительным сосудом 15. Перемещение уравнительного сосуда осуществляется с помощью системы блоков 16 или вручную. Контроль за постоянством давления в абсорбере осуществляется манометром 17, соединенным с линией продувки углекислым газом трехходовым краном 18. Температура жидкости в абсорбере измеряется термометром 19, а продолжительность опыта электросекундомером 20.

 

Методика проведения работы.

 

Через воронку 11 в аппарат с мешалкой залить воду (количество указывается преподавателем). Вынуть воронку и закрыть отверстие пробкой.

Соединить газовую бюретку 14 с атмосферой (положение “а” (рис. 2) крана 13), вытеснить из неё воздух, поднимая уравнительный сосуд 15 с водой в крайнее верхнее положение, после чего кран 13 перевести в положение “в”, отсекая бюретку от атмосферы.

 

 

 

        а             б             в 

 

Рис. 2. Положение кранов 13 и 18 во время работы.

 

Установить кран 18 в положение  “а” (для отключения манометра 17 на время продувки).

Проверить наличие избыточного  давления углекислого газа в ресивере 1 (не более 0,01 Мпа). Последовательно  соединить вентили 7, 8, 9, кран 13 и  продуть абсорбер углекислым газом (не более 3 мин.).

После продувки отключить установку от ресивера 1 и атмосферы путём ряда последовательных операций:

а) перекрыть доступ углекислого  газа в абсорбер краном 10 и сразу  же перевести кран 13 в положение “б”;

б) медленно снизить уровень  жидкости в бюретке 14 до нуля, опуская  уравнительный сосуд 15;

в) подключить манометр 17, поставив кран 18 в положение “в”, если в аппарате избыточное давление (уровень жидкости в правом колене выше уровня жидкости в левом колене манометра 17), то сбросить его краном 13, быстро поворачивая кран из положения “б” в положение “в” и обратно. В случае наличия в аппарате вакуумметрического давления (уровень жидкости в правом колене ниже уровня жидкости в левом колене манометра 17) – очень осторожно добавить через кран 10 углекислый газ в аппарат 2.

Установить регулятор частоты вращения мешалки 6 в положение, соответствующее минимальному значению используемых в эксперименте числа оборотов (указанных преподавателем).

Включить мешалку и  секундомер (тумблер одновременного включения перевести в положение “Вкл.”); поддерживая в абсорбере постоянное давление (уровень жидкости в правом и левом коленах манометра одинаковы) в течение опытов перемещением уравнительного сосуда 15 вверх, измерить секундомером 20 время поглощения водой 20*10^-6 м³ углекислого газа; при достижении уровнем жидкости в бюретке показаний, соответствующих поглощению 20*10^-6 м³ углекислого газа (20, 40, 60, 80, 100 дел.) каждый раз быстро переводить регулятор числа оборотов мешалки 6 в следующее положение, увеличивая число оборотов мешалки. Выключить мешалку и секундомер. Результаты измерений внести в таблицу 1.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.

Номер опыта	Частота вращения мешалки n, с-1	Продолжительность процесса t, с (от начала опыта)	Объём поглощаемого газа Vy, м3	Температура опыта t, 0С
1	80	16	20	12
2	310	26	40
3	420	32	60
4	480	36	80
5	610	38	100
1	80	14	20	12
2	310	23	40
3	420	29	60
4	480	33	80
5	610	35	100
1	80	16	20	12
2	310	25	40
3	420	30	60
4	480	34	80
5	610	36	100

 

 

Перекрыть вентили 7, 8, 9 и  соединить сосуд с атмосферой, переключив краны 13 и 18 в положение “а”. Слить воду из аппарата.

 

Обработка результатов  эксперимента.

 

По формуле  рассчитать коэффициент массоотдачи. Для этого определить:

• количество поглощенного углекислого газа (одинаковое во всех опытах), кмоль

,

где V_y – объём углекислого газа, поглощаемого в опыте, м³;

V₀ – объём, занимаемый 1 кмолем газа при условиях опыта (давлении и температуре), м³/кмоль;

,

где Р_со2 – парциальное давление углекислого газа, мм. рт. ст. (98,5 об. %-концентрация углекислого газа в ресивере), ;

В – атмосферное давление , мм. рт. ст.(показания барометра анероида);

Р_н2о – упругость водяных паров при температуре опыта t=12 ⁰С, мм. рт. ст. (приложение 9. Р_н2о=10,52 мм. рт. ст.)

 мм.рт.ст.;

 

,

,

 

,

 

,

 

,

 

,

 

• равновесную концентрацию углекислого газа в воде при условиях опыта (давлении и температуре), кмоль/м³,

 

,

где С – растворимость  углекислого газа в воде при температуре  опыта, м³/(м³*атм.) (приложение 8. С=0,71 м³/м³*атм. При t=12 ⁰С).

 

,

Значение равновесной концентрации углекислого газа в воде x^* постоянно для всех опытов.

Рассчитаем количество газа в кмолях, поглощенное водой к концу  каждого опыта М^’ ( , , , , ,):

 

;

;

;

;

;

 

Рассчитаем концентрацию углекислого газа в воде в конце  опыта в кмоль/м³ (рабочую концентрацию):

,

где V_x – объём воды в аппарате, м³;

V_x=5*10^-3 м³;

 

,

,

,

,

,

 

Время процесса поглощения углекислого  газа в опыте, с (определяется разностью показаний секундомера, зафиксированных в конце и начале данного опыта).

Определяем коэффициент массоотдачи:

,

 

,

,

,

,

,

 

По формуле  рассчитать число Рейнольдса. Значение кинематической вязкости воды выбрать при температуре опыта по приложению 2 или 4. (n=1,3*10^-6 м²/с, d=6,67*10^-2м – диаметр мешалки).

,

,

,

,

,

По формуле  рассчитать диффузионное число Нуссельта. Значение коэффициента молекулярной диффузии углекислого газа в воде при температуре опыта определить по приложению 10. (D=1,46*10^-9 м²/с при12 ⁰С).

 

Определить значения Lg Re_x и Lg Nu_x:

 

Lg Re_x1=5,43;              Lg Nu_x1=3,75; 

Lg Re_x2=6;                  Lg Nu_x2=3,86;    

Lg Re_x3=6,15;             Lg Nu_x3=3,98;

Lg Re_x4=6,21;             Lg Nu_x4=4,09; 

Lg Re_x5=6,31;             Lg Nu_x5=4,19;

Результаты расчета для всех опытов внести в таблицу 2.

 

Таблица 2.

Номер опыта	Количество поглощенного газа М, кмоль	Концентрация газа в воде, кмоль СО2 м3 H2O		Поверхность контакта фаз F, м2	Время процесса t, с	Коэффициент массоотдачи bх,м/с	Число Нуссельта Nux	Число Рейнольдса Rex	Lg Nux	Lg Rex
		Равновесная x*	Рабочая (действительная)х
1	8,5*10-7	0,00029	1,68*10-5	3,14*10-2	15	0,00061	5650	273760	3,75	5,43
2			3,36*10-5		15	0,0008	7411	1060820	3,86	6
3			5,04*10-5		8	0,00104	9634	1437240	3,98	6,15
4			6,72*10-5		7	0,00133	12320,9	1642560	4,09	6,21
5			8,4*10-5		2	0,0017	15748	2087240	4,19	6,31

 

График зависимости Lg Nu_x=f(Lg Re_x) приведён на следующей странице на рисунке 1.

Определить множитель  А и показатель степени n в критериальном уравнении:

,

где - тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс; ОА=1,5, ОВ=3,3.

- отрезок, отсекаемый прямой  на оси ординат.

 

;

А=10^1,5=31,6;

 

Выводы: Абсорбцией называют процесс избирательного поглощения компонентов из газовых или парогазовых смесей жидкими поглотителями (абсорбентами). При физической абсорбции поглощаемый компонент не взаимодействует химически с абсорбентом.

В результате выполнения лабораторной работы был рассчитан  коэффициент массоотдачи, являющийся кинетической характеристикой, зависящей от свойств фазы и гидродинамических условий в ней, связанных в свою очередь с физическими свойствами фазы, а так же с геометрическими факторами, определяемыми конструкцией и размерами массообменного аппарата. Коэффициенты массоотдачи учитывают как молекулярный, так и конвективный перенос вещества в фазе.

Рассчитаны числа Рейнольдса, характеризующие гидродинамическую обстановку в жидкой фазе в аппарате с механическим перемешиванием.

Рассчитаны диффузионные числа  Нуссельта, характеризующие интенсивность массоотдачи.

По результатам экспериментов  построена зависимость Nu_x=f(Re_x), которая выражает собой влияние гидродинамической обстановки в жидкой фазе на интенсивность массоотдачи в ней и массопередачи в целом.