Обработка результатов эксперимента

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 блоков16 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 перемешивателем.

 

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. Положение 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. Перекрыть вентили 7, 8, 9 и соединить сосуд с атмосферой, переключив краны 13 и 18 в положение "а". Слить воду из аппа­рата.

Таблица 1

Номер опыта	Частота вращения мешалки n, с-1	Продолжительность процесса τ, с	Объем поглощаемого газа Vy∙106, м3	Температура опыта t,˚C

 

Обработка результатов эксперимента

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 20˚С упругость водяных паров равна Р_Н2О =17,51 мм. рт. ст. Атмосферное давление (показания барометра-анероида) В =752 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 20˚С растворимость углекислого газа в воде равна С =0,8 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 20˚С равна ν =1,006∙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 20˚С D =1,7∙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
	1,97	0,03	1,3	3,14		1,1		0,663	2.64	4,82
	2,6		0,61		0,884	2,38	4,95
			0,47		1,105	2,27	5,04
	5,3		0,4		1,326	2,2	5,12

 

 

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.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: