Устройство для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ-жидкость
DEVICE FOR DETERMINING GAS VOLUME INVOLVED IN THE MASS-EXCHANGING PROCESS IN THE GAS-LIQUID SYSTEM

Изобретение относится к устройству для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость для вычисления скорости массообменного процесса, на основе которого вычисляют коэффициент массопередачи, используемого при разработке новых и модернизации известных промышленных массообменных аппаратов.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для определения скорости поглощения газа жидким поглотителем посредством определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость, и времени, в течение которого осуществляется массообменный процесс, включающее термостатированную емкость для жидкости, два градуированных стеклянных цилиндра для исследуемого газа (емкости для газа), которые соединены с термостатированной емкостью для жидкости, два манометра, два реометра, два холодильника, которые подсоединены к градуированным стеклянным цилиндрам, при этом градуированные стеклянные цилиндры снабжены уравнительными склянками, приводимыми в действие с помощью общей тяги с лебедкой.
Массообменный процесс осуществляют в термостатированной емкости для жидкости (емкость для исследуемой жидкости), пропуская исследуемый газ из емкости для газа в емкость для жидкости со строго определенной постоянной скоростью, которую измеряют с помощью реометра, и при одинаковом давлении, постоянное значение которого достигают с помощью уравнительных склянок.
Пропускание газа через поглотительный раствор (исследуемую жидкость) термостатированной емкости ведут до тех пор, пока объем газа при переходе из одного градуированного стеклянного цилиндра в другой останется без изменения, а объем газа фиксируют по мерной шкале градуированного стеклянного цилиндра как разность начального и конечного объемов газа. По количеству газа, участвующего в массообменном процессе в единицу времени, определяют скорость процесса (SU Авторское свидетельство №289337, МПК1 G01N 13/00, 1971).
Недостатками указанного объекта является технологически сложное и трудоемкое в изготовлении устройство, трудоемкость определения объема газа, участвующего в массообменном процессе, которое определяют при обеспечении строго определенной постоянной скорости подачи исследуемого газа в термостатированную емкость для жидкости и обеспечении постоянного давления в системе газ - жидкость, которое достигают посредством перемещения уравнительных синхронно связанных емкостей с градуированными стеклянными цилиндрами при помощи тяги путем вращения лебедки.
Задачей изобретения является упрощение устройства, позволяющего определять объем газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость.
Техническая задача решается устройством для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость, включающим емкость для исследуемого газа и емкость для исследуемой жидкости, выполненных в виде цилиндров с мерной шкалой, согласно изобретению емкость для газа и емкость для жидкости снабжены подвижным поршнем, при этом емкость для жидкости подсоединена к емкости для газа с низу.
Решение технической задачи позволяет упростить устройство, позволяющее определять объем газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость.
Устройство для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость (Фиг. 1), включает емкость для исследуемой жидкости 1 и емкость для исследуемого газа 2, которые выполнены в виде цилиндров с мерной шкалой, мерная шкала емкости для газа 3 и мерная шкала емкости для жидкости 4, емкость для газа и емкость для жидкости снабжены подвижным поршнем, подвижный поршень емкости для газа 5, подвижный поршень емкости для жидкости 6, при этом емкость для жидкости 1 подсоединена к емкости для газа 2 с низу.
Пример 1.
Заявленное устройство работает следующим образом. В емкость для жидкости 1 подают исследуемую жидкость, в емкость для газа 2 подают исследуемый газ, объем поданного газа определяют по мерной шкале емкости для газа 3, объем поданной жидкости определяют по мерной шкале емкости для жидкости 4, емкость для жидкости 1 соединяют с емкостью для газа 2 с низу, исследуемую жидкость из емкости для жидкости 1 с помощью подвижного поршня 6 подают в нижнюю часть емкости для газа 2, т.е. массообменный процесс осуществляют в емкости для газа, подавая исследуемую жидкость с помощью подвижного поршня 6 из емкости для жидкости 1 в емкость для газа 2, фиксируют время начала массообменного процесса. Массообменный процесс осуществляют при одинаковом давлении, постоянное значение которого достигается автоматическим перемещением подвижного поршня 5 емкости для газа 2.
По окончании массообменного процесса фиксируют положение подвижного поршня 5 на мерной шкале 3 емкости для газа 2 и время окончания массообменного процесса, когда объем газа в емкости для газа остается постоянным. По изменению объема газа в течение времени контакта фаз определяют численное значение объема газа, участвующего в массообменном процессе.
2
Определение объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость, осуществляют в устройстве по заявляемому объекту, где в качестве исследуемого газа берут CO, а в качестве исследуемой жидкости берут 0,1N раствор щелочи - NaOH.
2
3
3
3
3
Объем поданного газа СО определяют по мерной шкале 3 емкости для газа 2, в данном случае он равен 160 см (0,00016 м), объем поданной жидкости 0,1N раствора щелочи - NaOH определяют по мерной шкале 4 емкости для жидкости 1, емкость для жидкости 1 соединяют с емкостью для газа 2 с низу. Исследуемую жидкость из емкости для жидкости 1 в количестве 10 см (0,00001 м) с помощью подвижного поршня 6 подают в нижнюю часть емкости для газа 2, т.е. массообменный процесс осуществляют в емкости для газа. Фиксируют время начала массообменного процесса. Массообменный процесс осуществляют при одинаковом давлении, постоянное значение которого достигается автоматическим перемещением подвижного поршня 5 емкости для газа 2.
3
3
Об окончании массообменного процесса судят по объему газа в емкости для газа, когда его объем остается постоянным. Фиксируют положение подвижного поршня 5 на мерной шкале 3 емкости для газа 2, в данном случае он равен 10 см (0,00001 м), а продолжительность массообменного процесса (поглощение раствором щелочи углекислого газа) определяют как разность показаний секундомера, зафиксированной в конце и начале массообменного процесса.
t
н
к
3
3
3
3
Численное значение объема газа, участвующего в массообменном процессе, определяют по изменению объема газа, ΔV=V-V, т.е. 160 см минус 10 см равно 150 см (0,00015 м) в течение времени контакта фаз, в данном случае, равного 270 с.
По количеству газа, участвующего в массообменном процессе в единицу времени, вычисляют скорость массообменного процесса по уравнению
где М - скорость массообменного процесса, кг/с;
t
н
к
н
к
3
ΔV=V-V - изменение объема газа в системе газ - жидкость от значения объема газа в начале массообменного процесса V до значения объема газа V по окончании массообменного процесса, м;
Δt - интервал времени от начала массообменного процесса до окончания массообменного процесса в системе газ - жидкость, с;
3
ρ - плотность газа при температуре проведения массообменного процесса, кг/м.
-7
Скорость исследуемого массообменного процесса в системе газ - жидкость с использованием заявляемого объекта составляет 10,94⋅10 кг/с.
Численное значение скорости получено из расчета по уравнению (1)
t
3
3
-7
М=(ΔV/Δt)⋅ρ=(0,00015 м/270 с)⋅1,97 кг/м=10,94⋅10 кг/с,
3
2
где ρ равно 1,97 кг/м - плотность СО при температуре проведения процесса (в данном случае при 20°C).
2
Для сравнения данных по скорости массообменного процесса, полученных с использованием устройства по заявляемому объекту и по прототипу при наличии одного и того же исследуемого газа и одной и той же исследуемой жидкости, вычисляют коэффициент массопередачи Ку, который равен количеству газа, участвующего в массообменном процессе в единицу времени, отнесенное к единице площади поверхности контакта фаз, кг/с⋅м.
Коэффициент массопередачи вычисляют по уравнению
где М - скорость массообменного процесса, кг/с, которая определена в заявляемом устройстве и в устройстве по прототипу;
2
F - площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость, м.
Площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость с использованием заявляемого устройства вычисляют по уравнению
2
где D - диаметр емкости для газа заявляемого устройства, м.
Площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость по прототипу вычисляют по уравнению
3
где Vж - объем поглотительного раствора (исследуемой жидкости) в устройстве по прототипу, м;
2
3
α - удельная поверхность контакта фаз, м/м.
п
Удельную поверхность контакта фаз в системе газ - жидкость по прототипу определяют статистической обработкой фотографий, на основе которых определяют средний объемно-поверхностный диаметр пузырьков d и газосодержание слоя ϕ, после чего удельную поверхность контакта фаз вычисляют по уравнению
где ϕ - газосодержание слоя исследуемой жидкости;
п
d - средний объемно-поверхностный диаметр пузырьков
(Рамм В.М. Абсорбция газов. - М.: Химия, 1976, с. 156).
Определение удельной поверхности контакта фаз связан с обработкой фотографий, являющейся трудоемкой работой.
Численное значение коэффициента массопередачи получают из расчета по уравнению (2)
-7
2
-4
2
Ку=М/F=10,94⋅10 кг/с/0,001256 м=8,71⋅10 кг/с м,
где М - скорость массообменного процесса, кг/с;
2
F - площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость, м.
Примеры 2 и 3 с использованием устройства по прототипу и по заявляемому объекту выполнены аналогично примеру 1.
2
Данные по Ку - коэффициенту массопередачи массообменного процесса, кг/с⋅м, полученные на основе определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость, с использованием устройства по прототипу и заявляемому объекту, приведены в таблице 1.
у
2
Как видно из таблицы 1, средние значения К - коэффициента массопередачи массообменного процесса, кг/с⋅м, полученные с использованием устройства по прототипу и заявляемому объекту, близки между собой, но данные по примерам 1, 2 и 3, полученные с использованием устройства по заявляемому объекту, более стабильные, чем с использованием устройства по прототипу.
К тому же устройство по прототипу технологически сложное и трудоемкое в изготовлении, определение объема газа, участвующего в массообменном процессе, является трудоемким за счет необходимости обеспечения строго определенной постоянной скорости подачи исследуемого газа в емкость для жидкости и обеспечения постоянного давления в системе газ - жидкость, достигаемого посредством перемещения уравнительных емкостей при помощи тяги путем вращения лебедки.
а
Численное значение коэффициента массопередачи массообменного процесса Ку используют при разработке промышленных массообменных аппаратов, например для расчета необходимой площади поверхности контакта фаз с целью обеспечения заданной производительности аппарата, которая равна М - количеству газа, участвующего в массообменном процессе в единицу времени, по уравнению
a
2
где F - площадь поверхности контакта фаз (поверхность массопередачи в разрабатываемом аппарате - абсорбере), м;
а
М - заданная производительность аппарата, кг/с;
2
Ку - коэффициент массопередачи массообменного процесса, кг/с⋅м;
Δ Yep - средняя движущая сила массообменного процесса
(Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, 1987, с. 291).
2
Таким образом, заявленное устройство для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость, надежное и простое по оформлению, на основе полученного объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость, получают стабильные значения скорости массообменного процесса в системе газ - жидкость, кг/с, а на основе скорости массообменного процесса вычисляют коэффициент массопередачи, кг/с⋅м, используемый при разработке новых и модернизации известных промышленных массообменных аппаратов.