Тепловые и массообменные процессы (стр. 6 из 7)
Основное уравнение массопередачи для процесса абсорбции
где М – количество компонента, передаваемое через поверхность контакта фаз, кмоль/с;
- поверхность контакта фаз, м2.Так как поверхность контакта газа и жидкости зависит от скорости потока, физических свойств фаз и типа аппарата, то обычно расчеты тарельчатых абсорберов проводят по модифицированному уравнению массопередачи, в котором коэффициенты массопередачи относят к единице рабочей площади тарелки
,где
- коэффициент массопередачи, отнесенный к единице площади тарелки, моль/м2(кмоль/кмоль)с;F- суммарная рабочая площадь тарелок в абсорбере, м2;
,где
- рабочая площадь тарелке, м2;n - число тарелок в абсорбере.
Рабочая площадь провальной тарелки может быть принята равной сечению абсорбера. Зная М – количество поглащенного аммиака (в кмоль/с), и рассчитав F и
можно определить коэффициент массопередачи 
.Коэффициенты массопередачи определяют по уравнениям аддитивности фазовых диффузионных сопротивлений
где βyf. βxf– коэффициенты массоотдачи, отнесённые к единице рабочей площади тарелки, соответственно в газовой и жидкой фазах, кмоль/м2 (кмоль/кмлоь)с.
При абсорбции хорошо растворимых газов
<< 
, и в этом случае величиной m/βy 
можно пренебречь, т.е. 
. Поэтому при абсорбции аммиака водой можно приравнять общий коэффициент массопередачи частному коэффициенту массоотдачи в газовой фазе.1 Требования безопасности
К работе на установке допускаются студенты, прошедшие в начале семестра инструктаж по технике безопасности в лаборатории
Б-011 и расписавшиеся в журнале инструктажей. Студенты обязаны перед началом работы надеть спецодежду и убрать волосы под косынку. Начинать работу можно только в присутствии учебного мастера и преподавателя, и только с их разрешения. Перед началом работы студенты должны отчитаться перед преподавателем о своей подготовке к работе.
При появлении запаха аммиака во время работы немедленно прекратить его подачу, перекрыв вентиль расхода, а расход воды в абсорбер увеличить до полного удаления запаха. В случае попадания раствора аммиака на кожу или в глаза немедленно обильное промывание широко раскрытого глаза водой или 0.5-1% раствором квасцов, наложить вазелиновое или оливковое масло. Необходимо помнить, что высокая концентрация аммиака в воздухе вызывает обильное слезотечение, боль в глазах, удушье, сильные приступы кашля, ПДК аммиака в воздухе – 20 мг/м3 . При отравлении аммиаком через дыхательные пути необходимо вынести человека на воздух, вдыхание теплых водяных паров, пить теплое молоко с содой. По окончании занятия каждый студент обязан проверить и привести в порядок рабочее место.
2 Описание установки и порядок выполнения работы
Абсорбер представляет собой колонну 1 с внутренним диаметром 0,2м, высотой 1,68м, выполненную из органического стекла (рисунок 2). В колонне установлены 4 тарелки провального типа с отверстиями 3,5мм, долей свободного сечения 20%. В верхней части колонны имеется брызгоотделитель, внутри которого размещены распределитель жидкости и каплеотборник, уменьшающий унос жидкости уходящими газами. Колонна установлена на сборнике 2 диаметром 0.44 и высотой 0.7м. Установка снабжена баллоном с аммиаком 5, системой трубопроводов, арматурой и КИП.
Абсорбент (вода) подается в верхнюю часть колонны 1. Расход воды регулируется вентилями по показаниям ротаметра 10. Воздух к установке подается от компрессора, расположенного в лаборатории Б-03, через коллектор 7. Скорость воздуха замеряется с помощью диафрагмы 8 и соединенного с ней дифманометра 9. Аммиак из баллона 5 дросселируется редукционным вентилем, расход NH3 определяется ротаметром 11. Аммиак поступает в коллектор 7, а затем в смеситель 6; куда подается и воздух, а затем аммиачно-воздушная смесь подается вниз абсорбера 1. Смесь движется снизу вверх, а сверху вниз по тарелкам стекает вода. На тарелках образуется газо-жидкостный слой. Вода поглощает абсорбтив (аммиак) и поступает в сборник 2. Воздух, содержащий газ, выбрасывается в атмосферу. В нижней части абсорбера находится пробоотборник для отбора пробы жидкости, поглотившей аммиак. Концентрация аммиакта в воде определяется титрованием пробы 0.1 HCℓ. Для определения гидравлического сопротивления на 2-х тарелках служит дифманометр 12.
При выполнении работы строго соблюдать очередность подачи. Сначала необходимо подать воду в абсорбер, установить заданный расход и поддерживать его постоянным. Затем подать воздух в колонну, установить и поддерживать постоянную его скорость в колонне и замерить перепад давления на 2-х тарелках. И только потом открыть редукционный вентиль и подать аммиак в абсорбер. Установить расход аммиака не более 10-20 делений по ротаметру, через 3-5 минут отобрать пробу жидкости внизу колонны и прекратить подачу аммиака, затем воздуха и не ранее 10-15 минут закрыть вентили на линии подачи воды в абсорбер.
Все измеренные величины занести в таблицу.
1 – абсорбер; 2 – сборник; 3 – фильтр; 4 – гидрозатвор; 5 – баллон с аммиаком; 6 – смеситель; 7 – коллектор; 8 – диафрагма; 9 – дифманометр; 10,11 – ротаметры; 12 – дифманометр; В – вентили
Рисунок 2 - Схема абсорбционной установки
3 Обработка опытных данных
Таблица 1
Опытные и рассчитанные данные
| Наименование величин | Значение | Среднее значение | ||
| 1 | 2 | 3 | ||
| Расход воды; кмоль/с | ||||
| Скорость воздуха в колонне; м/с | ||||
| Расход воздуха в колонне; кмоль/с | ||||
| Расход аммиака, кмоль/с | ||||
| Перепад давления на 2-х тарелках; Па | ||||
Концентрация аммиака в исходной смеси  | ||||
Концентрация аммиака в воздухе на выходе из колонны  | ||||
Концентрация аммиака в воде на выходе из колонны  | ||||
| Движущая сила массопередачи | ||||
| Коэффициент массопередачи Kyf(опытный) | ||||
| Коэффициент массоотдачи βyf(расчетный) | ||||
Расходы воды, воздуха и аммиака необходимо выразить в мольных единицах. Концентрацию аммиака в воздухе YH определяем исходя из расходов аммиака и воздуха в кмоль NH3/кмоль воздуха.
Конечная концентрация аммиака в воздухе YKрассчитывается из уравнения материального баланса
.Начальная концентрация аммиака в воде XH=0, так как вода, поступающая в абсорбер, аммиака не содержит аммиак.
Конечная концентрация аммиака в воде XK определяется титрованием отобранной пробы 0.1 н раствором HCℓ. Определив в результате титрования нормальность раствора, выразить концентрацию поглощаемого газа в Cх [кмоль/м3] и пересчитать в относительные мольные единицы по формуле
где Мж,МК – молекулярные массы воды и аммиака, кг/кмоль;
ρж – плотность воды, кг/м3.
Расход воздуха в колонне определяется по уравнению расхода.
Рассчитав концентрации YH, YK, XH, XK, строим рабочую линию по 2 точкам (XH , YK), (XK, YH ).
Линия равновесия определяется по уравнению
, где m=1.825 – найдена экспериментально для водных растворов NH3. Наносим рабочую и равновесную линии на график, определяем 
. Зная количество поглощенного аммиака, определяем коэффициент массопередачи Kyf. Коэффициент массоотдачи βyfопределяем из критерия Нуссельта диффузионного 
,где Д – коэффициент молекулярной диффузии компонента в газе, м2/с;
ℓ – характерный линейный размер, в данном случае ℓ =κ - капиллярная константа, м.где
- поверхностное натяжение на границе газ - жидкость, н/м .Критерий Нуссельта диффузионный для провальных тарелок рассчитывается по уравнению
,