научная статья по теме АБСОРБЦИЯ ПЛОХО РАСТВОРИМЫХ ГАЗОВ ПРИ ВОСХОДЯЩЕМ ПРЯМОТОКЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «АБСОРБЦИЯ ПЛОХО РАСТВОРИМЫХ ГАЗОВ ПРИ ВОСХОДЯЩЕМ ПРЯМОТОКЕ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 1, с. 120-128

УДК 66.074.51

АБСОРБЦИЯ ПЛОХО РАСТВОРИМЫХ ГАЗОВ

ПРИ ВОСХОДЯЩЕМ ПРЯМОТОКЕ © 2015 г. А. С. Горшков, В. Н. Новожилов, Д. А. Баранов

Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)

mil1414@yandex.ru Поступила в редакцию 11.03.2014 г.

Экспериментально изучены процессы абсорбции водой трех различных газов (гелий, кислород, фреон-12) в лабораторных условиях. Короткие стеклянные трубы имели диаметр 12.4 мм. Для исключения диффузионного сопротивления в газовой фазе использовали однокомпонентные газы, а не смеси газов. Плотность орошения периметра труб (0.1—0.8 см2/с) соответствовала пленочному режиму течения, при котором отсутствует брызгоунос. При обработке результатов безразмерную

Пх

среднюю концентрацию представляли как функцию параметра продольной координаты б = —.

дк

Оценка в терминах двухпленочной модели массопередачи показала, что коэффициент массоотдачи в жидкой фазе не остается постоянным, а уменьшается вдоль трубы. Предложен метод расчета, основанный на результатах теоретического решения задачи о диффузии в ламинарной пленке при восходящем прямотоке.

Б01: 10.7868/80040357115010029

ВВЕДЕНИЕ

Восходящий прямоток характеризуется высокими скоростями движения газа в трубах. Пленка жидкости, движущаяся вверх по стенке рабочей трубы, имеет малую толщину и малую скорость движения. Ожидалось, что интенсификация мас-сообменных процессов по сравнению с обычными аппаратами (насадочными, тарельчатыми и др.) будет относиться прежде всего к газовой фазе. Это было подтверждено в целом ряде работ [1—5], в которых изучали процессы с хорошо растворимыми газами. Менее изучены в этих условиях процессы с плохо растворимыми газами, в которых определяющую роль играет диффузионное сопротивление в жидкой фазе. Однако в работе [6], где изучали процесс абсорбции СО2 водой, было показано, что высокая интенсивность массообмена достигается и в жидкой фазе. В настоящей статье сообщаются результаты экспериментального исследования процессов абсорбции плохо растворимых газов (гелий, кислород, фреон-12) в воде при восходящем прямотоке.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Диффузионное сопротивление в газовой фазе исключалось тем, что использовались чистые (однокомпонентные) газы, а не смеси газов. Газы выбраны таким образом, чтобы охватить достаточно широкий диапазон свойств (плотность, коэффициент диффузии и др.). Процесс осуществляли в

отдельных стеклянных трубах. Внутренний диаметр труб во всех случаях составлял 12.4 ± 0.2 мм. Длину рабочих труб изменяли ступенчато на 4 уровнях: 40; 80; 150; 300 мм. Опытные устройства показаны на рис. 1. Характеристики газов и режимы экспериментов приведены в табл. 1

Ввод жидкости в рабочую трубу осуществляли через кольцевую щель шириной 1 мм. Длина успокоительного участка перед рабочей трубой равнялась 600 мм. Газ циркулировал в установке через водокольцевой газовый насос. Для поддержания постоянства давления в системе во время работы после рабочей трубы был подключен резиновый газгольдер емкостью 60 л. Воду деаэрировали путем кипячения. Для поддержания постоянной температуры 25°С применяли термо-статирующие рубашки на подводящих линиях воды и на коммуникациях газа. Плотность орошения q изменяли на 6 уровнях в диапазоне 0.1— 0.8 см2/с. Диапазон скоростей газов включает как область w < w0, так и область w > w0. Анализ проб жидкости на содержание кислорода проводили химическим методом по методике Винклера. Количественное определение содержания гелия и фреона-12 в пробах жидкости выполняли в специально сконструированном и изготовленном газоанализаторе [7].

C

Рис. 1. Абсорбционные трубки. d = 12.4 мм. Длина рабочих труб l, мм: (a) - 150 и 300; (б) - 40 и 80. 1 — рабочая труба, 2 — распределительные и приемные стаканы, 3 — сепарационный стакан, 4 — резиновая манжета, 5 — кран, 6 — теплоизолирующая рубашка, 7 — газоподводящая трубка, 8 — импульсные трубки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Экспериментальные данные были обработаны в виде зависимости С от гидродинамических параметров.

C =

c - c,

eq

(1)

- Ce,

0.4 0.3 0.2 0.1

0

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

1

2

3

4

5

6

(в)

сеп1г ^ед

Безразмерная концентрация С означает степень удаленности насыщения жидкости растворенным газом от состояния равновесия. С коэффициентом полезного действия по Мерфри эта величина связана соотношением

П = 1 - С. (2)

Примеры первичных результатов, полученных на системе кислород-вода, показаны на рис. 2 в

виде графических зависимостей С = /(#) при разных значениях скорости газа w и длины трубы I. Графики показывают, что степень насыщения жидкости п увеличивается с увеличением скорости газа w и длины трубы I. Степень насыщения уменьшается с увеличением плотности орошения Но при этом массовый расход поглощенного газа М увеличивается. Этот расход можно оценить по формуле

М = яа^с". (3)

В конкретном случае на системе кислород-вода (I = 150 мм; w = 18.4 м/с) при q = 0.2 см2/с величина М была равной 94.54 мг/ч, а при q = 0.8 см2/с эта величина имела значение 270.4 мг/ч. Если

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

q, см2/с

Рис. 2. Зависимость С = Дд) при разных длинах труб и скоростях газа. Система кислород—вода. ¿1 = 12.4 мм. Длина труб I, мм: (а) — 40, (б) — 80, (в) — 150. Скорость газа п>, м/с: 1 — 7.8; 2 — 15; 3 — 18.4; 4 — 25; 5 — 39.5; 6 — 53.

рассуждать в рамках двухпленочной теории, то при увеличении q средняя движущая сила уменьшается, а средний коэффициент массоотдачи увеличивается.

Зависимости, аналогичные тем, которые представлены на рис. 2, получены также и на системах гелий—вода и фреон-12—вода.

Безразмерную концентрацию С представили в зависимости от безразмерного комплекса

s =

Dx qh

(4)

Примеры такой зависимости для системы гелий—вода показаны на рис. 3. Сплошные линии на этом рисунке соответствуют теоретическому решению [8]. Значительное усиление массоотда-чи в эксперименте по сравнению с ожидаемым по теории [8] можно объяснить волновыми явлениями. К этому следует добавить, что эксперименты проводились на коротких трубах, когда процесс еще не стабилизирован как в гидродинамиче-

Таблица 1. Характеристики газов и режимы экспериментов

Название Гелий Кислород Фреон-12

Формула Не О2 С С^2

Молекулярная масса М, кг/кмоль 4 32 121

Плотность р^, кг/м3 0.164 1.31 4.96

Коэффициент диффузии в воде Б х 105, см2/с 6.3 2.41 1.095

Растворимость в воде (25°С, 750 мм рт. ст.)

сщ, мг/л 1.76 40 339

Скорость газа м, м/с

В опытах 20-58.8 7.8-53 3.4-20

Для метода расчета 40; 50; 58.8 18.4; 25; 39.5 10; 15

Оптимальная м/с 33.8 12 6.06

Безразмерная $ 1.18-1.74 1.53- 3.29 1.65-2.48

Длина трубы 1, мм

В опытах 40; 80; 150 40; 80; 150; 300 80; 150; 300

Для метода расчета 40; 80; 150 80; 150; 300 80; 150; 300

Орошение q, см2/с

В опытах 0.1-0.8 0.1-0.8 0.1-0.8

Для метода расчета 0.2-0.8 0.2-0.8 0.2-0.8

Концентрация жидкости С, мг/л

Вход 0 0 0

Выход 0.66-1.78 10-38 111-335

Р, мм рт. ст. 737-777 739-762 722-781

ском, так и в массообменном отношении. В то же время теоретическое решение [8] относится к плоскому (безволновому) стабилизированному течению пленки. Нужно отметить, что на начальном участке (х ^ 0) наблюдается почти скачкообразное изменение концентрации (см. рис. 3).

Скорость массопередачи зависит от гидродинамических условий и коэффициента диффузии. В наших экспериментах гидродинамические условия однозначно определяются параметрами q и На рис. 4 представлены зависимости безразмерной концентрации С от безразмерной скорости $ для разных систем при одинаковом значении q. Как следует из графиков на рис. 4, при одинаковых гидродинамических условиях ^ — сош!, $ — сош!) более высокая степень насыщения п =

= 1 — С относится к газам, имеющим более высокий коэффициент диффузии Б. (Влияние плотности газа рй выражается формулами (17) и (22) при расчете и $). См. далее.

Среднеквадратичная погрешность экспериментального определения С составила ±9.63% (без учета выпадающих значений, определенных в соответствии с "правилом трех сигм").

Специально поставленные эксперименты показали отсутствие влияния направления массопе-редачи (абсорбция или десорбция) на кинетику массообмена.

Двухпленочная теория массопередачи, как известно, не соответствует условиям процесса диффузии в ламинарной пленке жидкости, текущей по твердой поверхности. Однако во многих работах результаты исследования массопередачи представляют в терминах этой теории. Для сопоставления с результатами других работ мы сделали оценку коэффициентов массоотдачи на некоторых примерах на основе первичных данных наших исследований. Система: кислород—вода. Плотность орошения q = 0.45 ем2/с. Скорость газа 15 м/с. Использовали среднюю логарифмическую движущую силу. Коэффициент массоот-дачи рассчитывали по формуле.

М

в =

(5)

Г Ас

Исходные данные и результаты расчетов представлены в табл. 2.

Полученные значения коэффициентов массо-отдачи удовлетворительно согласуются с литературными данными. Например, в работе [9] при

С

С

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

0

5

л

Рис. 4. Влияние коэффициента диффузии Б на безразмерную концентрацию С. q = 0.3 см2/с. I = 80 мм. Б х 105, см2/с: 1 — 6.3 (гелий); 2 — 2.41 (кислород); 3 — 1.095 (фреон-12).

также в работе [13] при исследовании процессов ректификации.

МЕТОД РАСЧЕТА

Для представления экспериментальных результатов использовали форму аналитического выражения, происходящую из теоретического решения [8].

С =

в—2ехр ^-0.9677^]

[(П + 1)Рх

(6)

0.4

Е

Рис. 3. Зависимость С = Де ) при разных скоростях газа. Система гелий — вода. аI = 12.4 мм. Линии — теория [8]. Точки — эксперимент. Скорость газа н, м/с: (а) — 30; (б) — 40; (в) — 50; (г) — 58.8.

абсорбции углекислоты водой в трубке диаметром 16.5 мм при длине 200 мм получены значения Щ в диапазоне 0.028—0.061 см/с.

Средний коэффициент массоотдачи уменьшается с увеличением длины рабочей трубы. Эта тенденция будет выражена еще сильнее, если рассматривать не средние, а локальные коэффициенты массоотдачи. Это говорит о коренном отличии аппаратов восходящего прямот

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»