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 =
4П
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.