- •Федеральное агентство по образованию
- •Гидродинамика и массообмен в газожидкостных потоках
- •Введение
- •1.1. Описание схемы экспериментальной установки и принципа работы ксиа
- •1.1.1. Описание конструкции модели ксиа и принципа
- •1.1.2. Описание экспериментальной установки
- •1.3. Методики проведения экспериментов
- •1.3.1. Методика определения условий устойчивой работы ксиа
- •1.3.2. Методика определения производительности ксиа
- •1.3.3. Методика экспериментального определения
- •2.1.1. Описание схемы экспериментальной установки
- •2.2. Методика проведения экспериментов
- •2.3. Обработка результатов эксперимента
- •3.2. Описание экспериментальной установки
- •Методика проведения работы
- •Порядок выключения установки
- •3.3. Методика отбора проб из газожидкостной смеси и расчет концентрации растворенного газа в жидкости
- •3.4. Определение концентрации растворенного диоксида углерода в воде
- •Методика определения объемного коэффициента массоотдачи в жидкой фазе в нисходящем потоке
- •4.2. Описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов
- •Содержание
- •Гидродинамика и массообмен в газожидкостных потоках
2.3. Обработка результатов эксперимента
По результатам измерений необходимо построить следующие графики:
1. Графики зависимости и ал по сечениям опускной и подъемной труб, т.е. зависимости и .
2. Графики зависимости осредненных, по сечению трубы, значений и по высоте труб, и .
3. Графики, осредненных по объему, значений и а для нисходящего и восходящего потоков.
Для обработки интегральных значений и рекомендуется использовать уравнения (; ; Vп) с учетом модели дрейфа или в виде зависимости от удельной подводимой мощности струи Nуд.
Обработку значений и при различных расходах жидкости и газа следует проводить в зависимости от удельной подводимой энергии Nуд или от значений удельной диссипации энергии в соответствующих трубах, т.е.
и ,
где Е – удельная энергия диссипации в соответствующей трубе, Вт/м3.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
Определение коэффициента массопередачи
в процессе физической абсорбции
Цель работы: Определение объемного коэффициента массоотдачи для случая физической абсорбции диоксида углерода при различных гидродинамических режимах движения газожидкостной смеси в модели струйно-инжекционного кожухотрубного сатуратора.
3.1. Основные положения при описании процесса
массопереноса труднорастворимых газов
Абсорбция – процесс избирательного (селективного) поглощения газа или пара жидкостью. Абсорбция бывает трех видов: физическая, хемосорбция и биосорбция. При физической абсорбции молекулы газа не вступают в химическую связь с молекулами жидкости, а лишь располагаются в межмолекулярном пространстве между ними. Процесс физической абсорбции обратим. При изменении внешних условий (температуры и давления) наблюдается как процесс поглощения (абсорбция), так и процесс выделения (десорбция) растворенного газа из жидкости. При хемосорбции молекулы газа вступают полностью (или частично) в химическую реакцию с молекулами жидкости, образуя одно или несколько новых веществ. При биосорбции молекулы растворившегося газа потребляются микроорганизмами, что приводит к снижению концентрации газа в жидкости.
Наиболее широкое применение процессы физической абсорбции получили в химической и пищевой промышленностях, например, процесс насыщения прохладительных напитков диоксидом углерода (углекислым газом), процесс аэрации культуральных жидкостей в дрожжевой и микробиологических промышленностях и другие.
Как и в любом массообменном процессе между газом и жидкостью, при физической абсорбции скорость переноса массы определяется скоростью переноса молекул газа из газовой фазы в жидкую и скоростью накопления их в жидкости. Количество вещества М, переносимого в единицу времени из газовой фазы в жидкую, определяется основным уравнением массопередачи
, (3.1)
где К – коэффициент массопередачи, м/с; F – площадь поверхности контакта фаз, м2; DС – движущая сила процесса, кг/м3 .
Число молекул (или их масса), содержащихся в единице жидкой фазы, определяется концентрацией растворенного газа, С.
Максимальная концентрация данного газа, возможная в данной жидкости при данной температуре и давлении, носит название равновесной концентрации и для случая абсорбции чистых газов зависит от общего давления Р. Если физическая абсорбция носит избирательный характер, то для поглощаемого газа будет зависеть от парциального давления данного газа в смеси.
Для труднорастворимых газов зависимость от давления Р определяется законом Генри
, (3.2)
где Не – константа Генри, зависящая от температуры, давления и физических свойств газа и жидкости, Па.
Значения константы Генри при различных температурах для системы СО2 – вода приведены в табл. 3.1
Таблица 3.1
t,°С |
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
Не×10-6, Па |
73,5 |
88,6 |
105,3 |
123,7 |
143,6 |
165,0 |
187,5 |
Расчет любого абсорбционного аппарата заключается в определении его основных габаритных размеров и интенсивности проведения процесса. Для этой цели используют уравнение (3.1), в которое входят две наиболее важные характеристики К и F.
При определенных допущениях (отсутствии диффузионного сопротивления при переходе молекул газа через поверхность контакта фаз, существовании равновесия на этой поверхности и других) коэффициент К определяется по формуле
(3.3)
где m – тангенс угла наклона линии равновесия; bг ; bж – коэффициенты массоотдачи в газовой и жидкой фазах соответственно, м/с.
Если основное сопротивление массопереносу лежит в жидкой фазе, то К » bж (случай абсорбции труднорастворимых газов). Следовательно, уравнение (3.1) можно представить в виде
. (3.4)
Определение коэффициента массоотдачи в жидкой фазе bж и площади поверхности контакта фаз F как теоретическими, так и экспериментальными методами достаточно сложно и трудоемко, поэтому уравнение (3.4) часто приводят к виду
, (3.5)
где bV – объемный коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, с-1.
Значение bV находится из уравнения
, (3.6)
где Vр – рабочий объем абсорбера, м3; а – удельная поверхность контакта фаз, т.е. площадь поверхности контакта фаз, приходящейся на единицу рабочего объема абсорбера, м2/м3.
Средняя движущая сила может быть определена, если известны рабочая и равновесная линии процесса абсорбции для данного газожидкостного аппарата (абсорбера, сатуратора, аэратора и т.п.). Обычно начальные и конечные концентрации заданы технологическими условиями и построение рабочей линии процесса не вызывает сложностей. Оценка тепловой и гидродинамической обстановки в аппарате позволяет построить равновесную линию, для чего используется уравнение (3.2).
Среднюю движущую силу абсорбции находят по формуле
. (3.7)
где , – разность концентраций переносимого компонента газа на входе и выходе из аппарата, кг/м3; , – равновесные концентрации переносимого компонента газа на входе и выходе из аппарата, кг/м3; , – концентрации переносимого газа в объеме жидкости на входе и выходе из аппарата, соответственно, кг/м3.
Величину М определяют из материального баланса по растворенному газу по уравнению, кг/с
. (3.8)
Отсюда
. (3.9)