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 20·1 0-6 м3 углекислого газа; при достижении уровнем жидкости в бюретке показаний, соответствующих поглощению 20·1 0-6 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 VУ – 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 PCO2 – парциальное давление углекислого газа, мм. рт. ст. 
; В – атмосферное давление, мм. рт. ст; РН2О – упругость водяных паров при температуре опыта t, мм. рт. ст.
Таким образом при температуре 12 ˚С упругость водяных паров равна РН2О =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 PCO2, 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 Vx – 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 Nux=f(jg Rex) (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.
