Методика проведения работы

Описание экспериментальной 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 объема газа, поглощаемого жидкостью, аб­сорбер через штуцер 12 и трехходовой кран 13 подключен к газо­вой бюретке 14, соединенной с уравнительным сосудом 15. Уравнительный сосуд перемещается 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 изменяется термомет­ром 19, а продолжительность опыта - электросекундомером 20.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения процесса абсорбции углекислого газа водой в аппарате с механическим перемешиванием

Методика проведения работы

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

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

Рис. 2. Положения 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 чисел оборотов (указываются 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 табл. 1.

Табл. 1 экспериментальные данные

Номер опыта	Частота вращения мешалки n, с-1	Продолжительность процесса τ, с	Объем поглощаемого газа, Vy, м3	Температура опыта t, ºС
			20·10-6
			40·10-6
			60·10-6
			80·10-6
			100·10-6

Обработка результатов

1. Определим количество поглощаемого углекислого газа по формуле:

где V_У – объем углекислого газа, поглощаемый в опыте, м³; V₀ – объем, занимаемый 1 кмолем газа при условиях опыта (давлении и температуре), кмоль.

Поверхность раздела фаз (принимается равной площади зеркала жидкости), F=3,14∙10^{-2 м}.

Объем, занимаемый 1 кмолем углекислого газа при условиях опыта, определяется по уравнению:

где P_CO2 – парциальное давление углекислого газа, мм. рт. ст. ; В – атмосферное давление, мм. рт. ст; Р_Н2О – упругость водяных паров при температуре опыта t, мм. рт. ст.

Таким образом при температуре 12˚С упругость водяных паров равна Р_Н2О=10,52 мм. рт. ст. Атмосферное давление (показания барометра-анероида) В=760 мм. рт. ст.

Объем одного киломоля углекислого газа:

Количество углекислого газа:

2. Определим значение равновесной концентрации углекислого газа в воде x*:

где С – растворимость углекислого газа в воде при температуре опыта; V ₀ – объем, занимаемый 1 кмолем углекислого газа при температуре опыта и парциальном давлении углекислого газа P_CO2, м³/кмоль.

При температуре 12˚С растворимость углекислого газа в воде равна С=1,05 м³/м³. Тогда равновесная концентрация углекислого газа в воде равна:

3. Определим количество газа в кмолях, поглощенное водой к концу опыта по формулам:

4. Определим концентрацию углекислого газа в воде в конце опыта по формуле:

где V_x – объем воды в аппарате, м³.

5. Рассчитаем число Рейнольдса по формуле:

где n – частота вращения мешалки, с^-1; d – диаметр мешалки, м; ν - кинематическая вязкость жидкости, м²/с.

Кинематическая вязкость воды при температуре 12˚С равна ν=1,246∙10^-6 м²/с. Диаметр мешалки d=6,67∙10^{-2 м}.

6. Определим коэффициент массопередачи по уравнению:

где τ – продолжительность опыта, с.

7. Определим диффузионное число Нуссельта по формуле:

где D – коэффициент молекулярной диффузии в жидкой фазе, м²/с. При температуре 12˚С D=1,5∙10^-9 м²/с.

8. Вычислим значение десятичного логарифма числа Рейнольдса и числа Нуссельта:

9. Результаты расчета всех опытов занесены в табл. 2.

Таблица 2

Номер опыта	Количество поглощенного газа М∙107, кмоль	Концентрация газа в воде, кмоль CO2/м3 H2O	Площадь контакта фаз F∙102, м»	Продолжительность процесса τ, с	Коэффициент массопередачи βx∙105, м2/с	Число Нуссельта Nux	Число Рейнольдса Rex∙10-6	lgNux	lgRex
равновесная x*	рабочая x∙104
	8,31	0,04	1,5	3,14		0,47	14,07	2,86	1,15	5,46
			0,95	28,25		1,45	5,7
	4,5		1,34	39,7	6,78	1,6	5,83
			6,05	90,56	8,93	1,96	5,95
	7,6		6,13	181,83	11,1	2,26	6,04

10. Построение зависимости lg Nu_x=f(jg Re_x) (рис. 3.):

Определим множитель А по уравнению:

Определим показатель степени n:

Вывод: в результате проведенных опытов были получены значения диффузионного числа Нуссельта и числа Рейнольдса для системы углекислый газ-вода.