Absorpcja. Obliczanie parametrów kolumny absorpcyjnej.

Wydział Chemii UMCS
Zakład Technologii Chemicznej
Ćwiczenie nr 22
Absorpcja.
Obliczanie parametrów kolumny absorpcyjnej.
Lublin
2.3.Absorpcja.
Oblic zanieparametr6w kolumny absorpcyinei
przenikanie,lub inaczelwyrnianamasy,jest podstaw4wielu operacjijednostkowychtakich jak: destylacja,rektyfikacja, suszenie,nawtlzanie,absorpcja,adsorpcja,krystalizacja,
ttP.
rozpuszczante,
jest
pochlanianiemskladnikalub skladnik6wmieszaninygazoweJprzezctecz,
Absorpcja
kt6ra jest w tym przypadku absorbentem.Gaz wskutek dyfuz.li przenika do creczy przez
powierzchniEmiEdzyfazow%tworzqcroztwor. W mieszaniniegazowej mog4 byi skladniki
w cieczy.Pierwszez nich nazwane s4 skladrozpuszczalnei praktycznienierozpuszczalne
nikami czynnymi,drugieobojptnyrnilub inertami.
Statykaabsorpcji,tj. rownowagarniqdzy fazamiciekl4 | gazowauzaleLyod skladujednej
z faz, temperaturyi ciSnienia,gdyZ rozpatrywanyuklad dwufazowy posiada3 stopnie swobody (regula faz Gibbsa).Zatemw danej temperattrzei ciSnieniudanernuskladowijednej
z faz odpowiada SciSleokreSlonysklad fazy drugiej. Absorpcja zaldzie w6wczas, gdy
zawarto5iskladnikaw fazie gazowejjest wiqkszaniz odpowiadato stanowir6wnowagi.
Wydzielanie gazu z roztworu nazywamydesorpcj4lub eksorpcj4-.Desorpcjajest odwr6ceniemprocesuabsorpcji.Desorpcjazachodziwowczas,gdy stEzenieskladnlkaczynnegow gaziejestnizsze od stpzeniarownowagowego(w rownowadzez ciecz{KinetykEabsorpcji,to jest szybkoSiwymiany masy,okreslastopienoddaleniaukladu od
stanu rownowagi. OczywiSciestatyka,jak i kinetyka zalehnes4 ponadto od wla5ciwoSci
cieczy absorbuj4cej,skladnika absorbowanegoi gazu obojqtnego.Na kinetykq absorpcji
wptywaj q rownie? warunki zetkniqcia faz, zwrqzane z rodzajem konstrukcj i urz4dzema
absorbuj4cego(absorbera).Absorpcji czqsto towarzyszyreakcja cherrttcznLna przyklad
ptzy absorpcjiamoniakukwasemsiarkowymczy absorpcjiCOz w roztworze KOH.
W wielu przypadkachtrudno przeprowadzicostr4 granicA rniEdzy absorpcjq fizycznq
a absorpcjqzwiryanEz reakcj4 chemicznE
Absorpcji towarzyszy efekt cieplny spowodowany zmianE stanu skupienia. Mozemy
m6wii o absorpcjiizotermicznejw przypadku,gdy iloSi doprowadzanejcieczyjest stosunkowo du?aw por6wnaniu z iloSci4 gazu (rnala rozpvszczalnoSigazu) lub gdy cieplo absorpcjijest w sposob nalelyty odprowadzanez aparatuabsorpcyjnego.W przeciwnymrazie
absorpcjabgdzie przebiega6ze zmianqtemperaturyukladu. Z tego ostatniegoziawiskakorzystasiq w przemySle.Przyklademmole byi produkcja stqzonegokwasu solnegometod4
adiabatycznEW metodzie tej cieplo powstaj4cew czasieabsorpcji HCI jest bezpoSrednio
wykorzystywanedo odparowaniawody, co prow adzido otrzymaniastqzonegokwasu.
2.3.1.Absorpcjai absorberyw przemySlechemicznym
AbsorpcjQw przemySlechemicznymstosujesiq w nastppuj4cychprzypadkach:
I) otrzymanieproduktow koricowych,naprzyklad: absorpcjaHCI w wodzie w celu produkcji kwasusolnego;
2) rozdzial rnieszantn gazowych,na przyklad absorpcjafrakcji benzenowejz gazu koksownrczego;
*
W literaturze apglosaskiej mozna spotkac terrnin strippirtg zamiast wyrazu desorptiort. W chemicznel
lotnych skladnikow(w przernySletekstylnym- odbarwienie).
technologiipaliw strippittg oznaazaodpgdzenie
rcl
3) oczyszczaniegazow, na przyklad usuwanieCOz i CO z mieszaniny azotu i wodoru podczasprzygotowaniagazu do syntezyamoniaku,usuwanieH2S z gaz5w;
4) rekuperacja(odzyskiwanie)lotnych rozpuszczalnik6w.
AbsorpcjQna skalg technicznEprzeprowadza
siq z reguly w spos6b ci4gly w aparatach
roznych typ6w rolniqcych siq sposobemwytwarzaniapowierzchni miqdzyfazowej.Aparaty
te moznasklasyfikowacw spos6bnastgpuj4cy:
l) absorberypowierzchniowe(na przyklad:turyle, celariusze)obecnie maj4ceograniczone
zastosowanie
(rysunek2.3.L);
2) kolumny absorpcyjnenatryskowe(rysunek2.3.2);
3) kolurnny wypelnione,na przyklad pierScieniarniRaschiga,siodelkami Berla (rysunek
2.3.3);
4) absorberybelkotkowe,na przykladkolumnypolkowe(rysunki2.3.4 i2.3.5);
5) absorberyrozpryskowe(rysunek2.3.6).
Poszczegolnerodzaje wypelnieri przedstawionona rysunku 2.3.J, a ich ulozenie na rys u n k u2 . 3. 8 .
b)
gaz gaz
t
g:^cz
E]A
aecz
<-
c)
ciecz chlodzqca
I
gQz
+I
qecz
<1*
ciecz
i' gra z
r
Ry s unek2. 3.1 .A b s o rb e ryp o w i e rz c h n i o w(a
e - turyl, b - celariusz,c - kwarcowyabsorberrurowy z natryskiem
cieczychlodz4cej)
gaz
decz
sgL-&
T
I
lfifit
t ttt'ttrt
I
I
ciecz
_>
1
| ,','il;illl\|
I,':'iiiiiiiir",I
f:i'iiilill
l,','il;liilill
liilil:lli'l
lijririirl
liiiiiiirl
ll iilil i, ":lii lir, " , L g z
ggz_
T,i*r,
Ry s unek2. 3. 2 .Ko l u rn n aa b s o rp c y j nnaa try s kow a
108
R y s L r n e2k. 3 . 3 .K o l u n r n aa b s o r p c y - jzn w
a ypelrrieniem
gaz
t
gaz
I
I
TT
i
r-ia^.7
-->
TT
902 ,
I{ y s unek2. 3. 4.K o l u rl l i a a b s o rp c y j npao l k o w a
przelewenlcieczy
z nieuporz4dkowarryltl
pol kow a
R ysunek2.3.5.K ol ttl nnaabsorpcyj na
ienrdo przelewu(l - polka,2 - przelew)
z urz4dzen
gaz
_-->
CIECZ
<_
CICCZ
<_
I{ysunek2.3.6.Absorberrozpryskowymechaniczny(l - obudowa,2 wal, 3 Larczasitowa)
ffiGWffi@
10
(1 - pi erS ci eri
R aschi ga,2 - pi erS ci enLessi r r ga,
It y s unek2. 3. 7. R o d z a tew y p e l n i e n i ak o l u mn a bsorpcyi nych
3 - p i e r S c i e r i z s i a t kdi r u c i a n e j , 4 - p i e r S c i e r i l n t o s a , 5 - s i o d e l k o B e r l a , 6 - k s z t a l t k a b l i z n i a c z a , T - k r 4 z e k
Pryma)
Haltmeiera,B - spiralaWilsona,9 - skrqtkametalowa,l0 pierScieri
Aparaty absorpcyjne mog4 pracowad przy wykorzystaniu zasady wspolpr4du
(rownolegtyprqd gazu i cieczy)lub przeciwpr4du(kierunki gazu i creczy przeciwne).
tj. kilkakrotnypowr6t
stosujesiqrecyrkulacjQ,
przemyslowych
w rozwiEzaniach
Najczqsciej
jednostopniowa)
lub w szeregu
pojedynczym(recyrkulacja
cieczylub gazuw absorberze
wielostopniowa).
ze sob4aparat6w(recyrkulacja
pol4czonych
109
a)
b)
c)
Ry s unek2. 3. 8 .Sp o s o b yu l o z e n i aw y p e l n i e n ia
w absorberze
(a - ul ozeni ecl ow ol ne;
b, c - ul ozeni eregul ar' e)
Absorbery powierzchniowe stosujesiQw przypadkuabsorpcji,kt6rej towarzysz4efekty
cieplne (na przyklad absorpcjaHCI w wodzie). W absorberachpowierzchniowychgaz
przeplywanad swobodnQpowierzchni4cieczy;celowo unika siq tu rozwiniqciapowierzchni
rniqdzyfazowej.W tyrn przypadku zale|y na obnizeniuszybkoSciabsorpcji celem unikniEcia trudnoSciw odprowadzeniuduzych iloSciciepla.Wzrost temperaturycieczy,jakoskutek niedostatecznego
chlodzenia,mogtby spowodowai niekorzystneprzesunigcier6wnowagi, spadek rozpuszczalnoSci,
a nawet w pewnych przypadkachdesorpcjEskladnikowjuz
zaabsorbowanychw nilszej temperaturze.
Gdy glowny opor wystgpujepo stroniewarstewkigazowej(co ma miejsceprzy przenikaniu masy skladnikow dobrze rozpuszczalnych,na przykladprzy absorpcji amoniakuw wodzie) celowe jest stosowanietakiego urzqdzenia,ktore moae zapewnii dobre mieszanie
gazu. Warunek ten spelnia kolumna natryskowa, w kt6rej faza gazowa jest mieszana
wskutek ruchu kropli cieczy, w wyniku czego granrcznawarstewka cieczy redukuje sig.
Nieraz zamiastnatryskustosujesig aparatymechaniezneposiadaj4ceodpowiednieruchome
urzqdzenia rozpryskuj4ce do przestrzeni,przez ktor4 przeplywa gaz. Aparaty natryskowe
majq tE zaletq, 2e opor przeplywaj4cegoprzeznie gazujest niewielki.
W przypadkuabsorpcji skladnik6w o SredniejrozpuszczalnoSci,
gdy opor stawiany masie przenikaj4cejpo stronie gazowejjest wsp6lmiernyz oporem po stronte cieczy,stosuje
siq kolumny wypelnione, gdyz mamy tutaj dobre warunki mieszaniasiE zarowno cieczy,
jak i gazu.Ze wzglEdu na dobre warunki mieszaniakolumna ta moaebyi stosowanazarowno dla absorpcji skladnikow o dulej,jak i slabej rozpuszczalnoSci,
dlategojest ona najczESciejuirywanym aparatemabsorpcyjnym.
W przypadku absorpcji skladnika o malej rozpuszczalnoSci
w cieczy glowny opor dla
przenikaj4cej masy stwarza granicznawarstewka po stronie cieczy. W tym przypadku najlepiej stosowai urzqdzenia,w ktorych na skutek dobrego mieszanracreczy ta graniczna
warstewkabqdzie znaczniezmniejszona.Do tego celu sluz4 aparaty belkotkowe, w kt6rych mieszaniecieczy odbywa siq za poSrednictwempqcherzykow gazu.Do tego typu aparat6w naleZqkolumny p6lkowe. tJ|ywane sq one do takich procesowjak absorpcjadwutlenku wEglaw wodzie. Opor przeplywu gazuprzez kolurnny poikowe jest znaczniewyZszy
niz w przypadkukolumn natryskowych,gdyl gaz musi pokonai ci$pieniestatyczne cieczy
na wszystkichpolkach.
2,3.2.Podstawyteorety czneoperacjiabsorpcji
Na podstawieteorii warstewekgranicznychwhitmana i Lewisa oraz pierwszegorSwnania dyfuzji Ficka mozna wyprowadzicrownanieopisuj4cewymianQmasy w nastqpuj4cej
postaci:
G=K F Ly
gdzie: G - ilosc substancjiprzechodz4cej
z jedne.lr'azydo drLrgiej,
K - ogo l n yw s p o l c z y n n i kw y n ri a n yn rasy,
110
(2.3.r)
F - wielkoScpowierzchnirozdzialufaz,
rv danc.i
srrbstanc-ii
stqzenietn
ltlasy, czyliro4nicapomigdzyrzeczyr,vistyrrt
d-v- sila papgdowar,vypriany
u ' s tatti erow tttl tvagi .
o s i q g a l rty rrt
laz ica j e 1s tg z c n i e rrt
Silq napqdow4wytnianylnasymoznawiEc wyrazicw postacirozntcy:
ay-y - y*
( 2 . 32 )
gdzie:y - stqzenierzeczywistesubstancjiw dane-1fazie,
lv tej salnejfaziew stanier6wnowagi.
tejzesLrbstanc-ii
y* - stEzerrie
W miarQprzebieguabsorpcji wzdluZwysokosciaparatuabsorpcyjnegozmierriasiq sila
napQdowawymiany masy (zrnieniasiQ oddalenieukladu od stanu rownowagi) i dlatego
w obliczeniachtrudno jest poslugiwai siq tak4 zmienn4 wielkoSci4.W praktycznych
postugujemysiq wiqc sredni4sil4 napqdow4
obliczeniach
Dla dostateczmemalej powierzchniwymiany dF rownaniewyrniany masy ]molnazapisac
w postaci:
dG=K.dF.(y-y*)
(2.3.3)
wymianymasywiadomo, Ze'.
Z z bilansumaterialowego
Poniewa
G:V.(y,_yr)
(2.3.4)
d G= V ' d y
(2.3.s)
lub
gcJzie:
absorbatrtw fazie gazowejprzedabsorpcj4
yr - stQzenie
ie absorbatuw fazie gazowejpo absorpc-ii,
lz - stQlen
V - natg/enieprzeplywu fazy gazowej.
r6wnari2.3.3i 2.3.5otrzymujerny.
Z porSwnania
dG=K'dF'(y-y*=
) V'dy
(2.3.6)
podstawiaj4cdo tego r6wnaniawielko SC,
V, obliczonEz rownaniabilansumaterialowego
wymiany, czyli podstawiaj4c:
V-
G
(2.3.1)
yt_ lz
otrzymuJe slQ:
O
K'dF'(y-Y*)=
'0,
(2.3.8)
!r-/z
od 0 do F i od yz do yt
Przeksztalcajqc to ostatnier6wnaniei catkuj4cgo w granicach:
otrzymujemy:
F
ldF-
J
G
lt-!z
0
I
dy
K ' ( v- v * )
y2
(2.3.e)
St4d molna otrzyma(,:
!t- lz
G = F . -',
- K. F' Ly.,,
(2.3.r0)
l o ,
r K.(y-y*)
)'2
111
gdzieAy+roznaczaSredniqsilEnapgdow4Ay;, _ . \V r - V r
(2.3
.tL)
l a v
UI
vJ -
Jv *
t",
NajczgSciejScisleokreSleniewielkoScipowierzchni rozdzialufaz nie jest mozliwe i dlatego wielkoSi tp we wzorach praktycznieuzywanych do obliczen zastApujesiE latwo
dostgpn4wielkoSci4objqtoSci.W przypadkukolumny absorpcyjnej z wypelnieniemobjqtoSc
jest iloczynem pola powierzchniprzekroju poprzecznegokolumny (oznaczanego
dalej jako
F,,) i wysokosciwypetnieniakolumny (oznaczan4dalejjako H,).
Przyjmuj4c, 2e wielkoSi powierzchni rozd,zialufaz jest proporcjonalnado objEtoSci,
lnoznanapisac:
F=U,.F0.H,,
(2.3.r2)
dF = a . Fo .dH ^,
(2.3.13)
lub
gdzie:a - wielkoscpowierzchnirozdzialufazw.jednostce
oblptosci.
Wstawiaj4ctak wyralon4 wielko66powierzchnido poprzedniowyprowadzonegor6wnania 2.3. 10, moZna otrzymac:
G:K.a.Fo.H,r.Ayu
(2.3.r4)
G:K,
(2.3.15)
lub
Fo H,r.Ay.n
gdzieobjEtodciowy
wspolczynnikwyrnianyrnasy K, = K .a,
(2.3. t6)
Wstawiaj4c
r6wnania2.3.4i 2.3.I 3 do rohniczkowego
r6wnani
a 2.3.8moznaotrzyna(,'.
dH*-
v 'dv
K,'Fo'(y-y*)
(2.3.r1)
Calkuj4c powylszqzaleznoSiw granicachod 0 do H,,i ody2do y, otrzyrnujesiq:
{^'1,
( 2 . 3. 1 8 )
H ru = l,Ir,. n'r,
(2.3. re)
nazywana;est
jednostkiprzenoszenia
wysoko5ci4
masy,
(2 3.20)
Hr,=
lub kr6tko:
dy
y y*
gdzie:
, =
ft,,
'
It't, -
V
Kr'Fn
'jf*
jest liczb4jednostekprzenoszeniamasy.
nazywana
(2.3.2r)
WysokoScwypelnieniakolurnnyjest wigc iloczynerl liczby i wysokoScijednostki przenoszeniamasy.
I12
Jednajednostka przenoszeniamasy odpowiadaodcinkowidiugoSciaparatu,na ktorym
zrnianarobocrych stpzenabsorbatur6wna jest Sredniejsile napqdowejna danym odcinku
aparatu.
rnasy(lrr,)
Jak widac z ostatnichwzor6w, obliczeniewysokoScijednostkiprzenoszenia
jeSli tylko znanesq wyjSciowedane.Wipcej trudnoSci
nie przedstawiawiqkszychtrudnoSci,
rnasyQn,). Dokonuje sig tego zantoae sprawic obliczenieliczby jednostekprzenoszenia
metody graficznel.
zwyczal z zastosowaniem
2.3.3.Graficzne wyznaczanieliczby jednostekprzenoszeniamasy (my)
W celu graficznegowyznaczenialiczby jednostek przenoszeniamasy naleZy najpierw
sporz4dzicwykresjak na rysunku2.3.9,we wsp6lrzqdnych:
w fazie cieklej,
x - wzglqdnestEzeniemolowe substancjiabsorbowanej
absorbowanej
w fazie gazowej.
y wzglpdnestEzeniemolowe substancji
Nanosz4cna wykres r6wnowagowestqzeniax i y, otrzymujesiq liniq r6wnowagow4(na
skladnika
rysunku 2.3.9 oznaczonq0C). Punkty odpowiadaj4cestEzeniomabsorbowanego
podczas
badan absorpcji
w obu fazach (ewentualnieodpowiadaj4cestpzeniomuzyskanym
lub przyjgtym do projektowania),otrzymujesiE liniq robocz4 nazywanqczasamirowniez
operacyjn4(na rysunku 2.3.9 Iinia prosta AB).Punkt A odpowiadaskladowi fazy cieklej
i gazowej w miejscu doprowadzeniatej drugiej do adsorbera.Skladowi fazy gazowej na
koncu operacji absorpcji(na wyjSciu gazu z absorbera),gdy faza ciekla nie zawierajeszcze
substancji,odpowiadana rysunku 2.3.9 punkt B. Lqczqc Srodki szeregu
zaabsorbowanej
odcinkow rzEdnychzawartychporniqdzylini4 r6wnowagowqi lini4 robocz4otrzymujesiq
M19,,ktora nie musi byc lini4 prost4.Odlirriq pomocniczq(na rysunku 2.3.9 oznaczonE
cinki rzgdnychrowne y-y*, na przyklad odcinek KL, wyraZaj4aktualnesilE nappdow4procesu.
Nastqpniez punktu B prowadzi siq liniq rownolegl4do osi x, do przeciqciaz lini4 pomocniczEMN w punkcreD, i dalej do punktuE polozonegona tej rownolegtejw odlegloSci
BD. Z punktu E wystawiasiq prost4prostopadl4do linti BE aZ do przeciqciazliniqrobocz4
w punkcie F.
Trojk4ty BEF i BDK s4 podobne,z czegowynika, ze:
EF _BE
KD BD
KI
BE,=2'BD i KD : *
Podstawiaj4c
.1
(zgodnie z przyiQtymizasadarniwykreslania
rysunku)otrzymujesiq :
RF KL 2.BD
:KL
EF:KD.uu =B D 2 B D
StopienBEF odpowiadapewnemuodcinkowi dlugoSciaparatu,w ktoryrn zmianastpzen
roboczych w f azie gazowej r6wna jest Etr, a w fazie cieklej BE. Odcinek KL obrazujeSredni4 silE napgdow4absorpcjina tym odcinku aparatu.PoniewaZzmianastqzenroboczychEF
r6wnajest sile napqdowejKL, wobec tego stopienBEF odpowiadajednostceprzenoszenia
masy.
W spos6banalogicznydo opisanego,z punktu F wykreSlasiq nastQpnystopien FGH
i potem dalszestopnie,aZ do punktu A, ktory odpowiadaskladowi fazy gazowejna wejSciu
do aparatu(na poczqtkuoperacji absorpcji) i znaJdujesig liczbE stopni, czyli liczbEjednostek przenoszenialnasy,potrzebnychdla zmianystqzeriroboczychod A do B.
113
linia
pomocntcza
0,025
'E
su)
linia
robocza
0,020
S
o
6 =
9 R
linia
rowltowagowa
€g
0 , 0 15
ER
.q .S
3=
N,q
C/) CU
0,010
o =
t O
b-p
gB
S €0,
- y*
Iv
-V
0,0i"
0 , 0 1 0 0 , 0 15
glqdnestqzeniemolowesubstancji X
absorbowanejw fazie cieklej
Rysunek2.3.9.Graficznewyznaczanie
liczbyjednostekprzenoszenia
rnasy
JeSlipomiqdzyA i B nie moZnawpisai calegostopniaprzeniesienia
masy,to liczbaprzeniesiennie jest liczb4calkowit4i rownajest stosunkowidlugoSciodcinkaAP, okreslaj4cego
niepelnystopieri,do dlugoSciodcinkaSf (mipdzy lini4 roboczqi rownowagow%przeprowadzonegoprzez Srodekniepelnegostopnia)plus hczbawpisanychcalkowiciestopniprzeniesieniamasy.
Dla przylradkuwymiany masy przedstawionego
na rysunku2.3.9, stosunek+
,Sr
- 0,65,
a liczbajednostekprzenoszenia
masywynosi4,65.
Jak moznazauwaLyc,do wyzn aczanialiczby jednostekprzenoszeniamasy niezbqdnajest
znajomoSistqzenskladnika absorbowanegow gornej czqsci absorbera,oznaczanychdalej
!g I xs, oraz w dolnej czqSciabsorbera,oznaczanychdalej jrtr x,t. W przypadku absorpcji
mieszaninyamoniakui powietrzaw wodziestqzeniate wyraLasiq odpowiedniow kilomolach amoniakuna kilomol powietrzai kilomolachamoniakuna kilomol wody.
I14
2.3.4.Opis cwiczenia
Cel cwiczenia
ogolnegor6wnaniawymiany
Celerncwiczeniajest poznaniepraktycznegozastosowania
masy do obliczen wybranych podstawowychwielkoSci projektowych dla przypadku wyw wodzie.
rnianymasyw ukladzieciecz-Edz,naprzykladzieabsorpcjiamoniaku
Zadania
1. Wyznaczyc liczbq jednostek przenoszeniamasy i obliczyi wysokoSi wypelnieniakolumny absorpcyjnej.
I.Jwaga!Prowadzqcy cwiczeniapodaje nastqpujqcedaneprocesowe:
a) sklad i szybkoic objqtoiciowq ntieszaninyamoniaku i powietrza wprowadzanei do
absorpcji (cnl/min),
b) szybkoSt objqtoSciowq wody wprowadzanej do zraszania koluntny absorpcylnei
(cnf /min),
(zalo2ony)stopien absorpcii amoniaku w wodzie (%")
2qdany
c)
sprawdzicprzeprowadzoneobliczenra.
Z. W aparaturzelaboratoryjnejeksperymentalnie
Sprzgt i odczynniki
Sprzqt:
| . Zestawaparaturowyz rysunku 2.3. 10.
2. Erlenmajerka250 cm'.
3. Pipeta5 cm3.
4. Biureta.
Odczynniki:
1. Sprgzonepowietrze.
2. SprEzonyamoniak.
3. Roztw6r0,1 molowy HCl.
4. Roztwlr oranhumetYlowego.
5. Woda destylowana.
Wykonanie iwiczenia
Wyznaczanie liczby jednostek przenoszeniamasy przy absorpcji amoniaku w wodzie
N a podstawiedanychprocesowychnaleZyobliczyi:
pocz4tkowestqzenieNHI w fazie gazowej,w kmol NH3 / kmol powietrza;
stqzenieNH: w gazieodlotowYlTl,w kmol NHI / kmol powietrza;
stgzenieNH: w roztworzeotrzymanympo absorpcji,w kmol NH: / kmol wody;
Xd
stgzenieNH: w cieczy,kt6r4 zraszasig kolumnEabsorpcyjn4.
Xu
PoniewaZdo absorpcjistosujesiE,,czyst4"wodE (bez amoniaku)wiqc rs = 0.
OtrzymanewartoScistgzeniaNH3 w poszczegolnychfazachna wejSciu kolumny (r* yr
gorna czgscabsorbera)i wyjSciu (ra i ld - dolna czgscabsorbera)nale2ynanieSi na wykres
zawierajqcylinig r6wnowagow4 ukladu amoniak-woda-powietrze,jak na rysunku 2.3.9.
Wykres ten nalezy sporzqdzic na podstawie wartoSci stEzenr6wnowagowych amoniaku
!a
Y"
115
T abela2. 3. 1.S tE z e n i r6
a w n o w a g o wa
e n ro n i a ku
-f
kntol NH1
=
y=
-=----:-
kntol H zO
kntol l,{H 3
kntol powietrza
0
0
0,0050
0,0045
0,0100
0 , 0 10 2
0,0126
0,0138
0,0150
0,0183
0,0200
0,0231
0.0230
0.0321
podanychw tabeli2.3.1.LqczqcpunktyB (x*yg)orazA (xd,y,)lini4 prost4 otrzymujesig
robocz4linigabsorpcj
i AB.
Posluguj4csiQ otrzymanymwykresemlinii rownowagiOC i linii roboczejAB, dalsze
przeprowadza
wyznaczenie
liczbyjednostekprzenoszenia
siq w sposobopisanyw podrozdziale2.3.3.
WyznaczaniewysokoSciwypelnienia kolumny do absorpcji
WysokoSi wypelnieniakolumny do absorpcjiamoniakuoblicza siE,wstawiajEc wyznaliczbqjednostekprzenoszenia
masyQn,) do wzoru2.3.22,bqd4cegoinnym
ezonEgrafrcznie
zapisemr6wnania 2.3.IB.
H*={^.,,,,
gdz ie:V
Kr-
[ml
(2 3.22)
natpzenieprzeplywuabsorbowanego
skladnikafazygazowej,tj. szybkoScpodarvaniaanroniaku,
kmo l /g o d z i n a ,
rv ir,viczeniukolurnnyrowny
objEtoSciowy
rvspolczynnikwyrrrianymasy,dla stosowanej
0 ,3 2 k rn o l /g o d z ' m l ,
F o - powierzchniaprzeklojukolurnny, nrt.
Eksperymentalneprzeprowadzanieabsorpcji amoniaku w wodzie
Schemataparaturydo badaniaabsorpcjiamoniakuw wodzie przedstawionyjest na rys u n k u2 . 3. 1 0 .
Aby przeprowadzicabsorpcjEamoniakuz j.go mieszaninyz powietrzemw kolurnnie
z wyliczon4wczesniejwysoko5ci4wypelnienia,nale?ynajpierw z krzywych kalibracyjnych
przeplywomierzy(fleometrow) odczytacich koniecznewychylenia dla uzyskaniawymagzrnych przeptywow gazow.Znaj4c te wielkoSci,mozna przyst4picdo zestawianiamieszaniny
amoniakui powietrza.W tym celu naleZy:
1. Wlqczyc sprEzarkq(kompresor)powietrza. Gdy ciSnieniena manometrzesprgzarki
osi4gniewarloSi okolo 5 atrnosfer,wylEczycjq.
wylotowym ( 1B)
2. DokrEcajqc zawor rnembranowysprqzarki( lA), ustalicna manornetrze
ciSnienie
0,5 atmosfery.
3. Ustalii ciSnieniepowietrza w aparaturzeprzez ostroznedokrqcanieSruby nastawczej
rvyreduktorabutlowego(2), tak aby nadmiarowepowietrzew manostacie(3) spoko.;nie
plywalow postacinieduZychbanieczek.
116
wyciqgu
Rys nr r ek2. 3. 10. S c h e rn a a
t p a ra tu ryd o b a c l a n i aabsorpcj iamoni akuw w odzi e.(i A - zaw 6r membranowy
r y l o t o w y , 2 - r e d u k t o rb u t l o w y , 3- m a n o s t a t , 4 - z a w o r i g l o w y , 5 - p r z e p l y r v o r n i e r z
s p r E z a r k il ,B m a n o m e tw
p o w iet r z a,6 m ics z a l n i k7, - k ra n . 8 - p l u c z k a.9- z-aw orgl ow ri ybLrtl zi arnoni aki em,l 0 - zaw 6r i gl or,r,y
l ub
re d uk t orbut lowy ,I I - rn a n o s ta t,
l 2 -z a w o r i g l o wy, 13 -przepl yrvorni erz
anroni aku,l 4- kol umnaabsorpcyj na,
1 5 - p o r n p a p e r y s t a l t y c z n1 a6 ,- z b i o r n i k z w o d 4 l 7 - k r a n , l 8 - e l e k t r o n i c z n y r e g u l a t o r p r z e p l y w u ( z a s t E p u j 4 c y
e l e m e n t yI l , 1 2 i 1 3 )
4. Za ponocEZaworu iglowego (4) ustawii wlaSciwe,wyznaczonez krzywej kalibracyjnej,
wychylenieprzeplyworn
ierzapowietrza(5).
5. Strumien powietrza za pomocq kranu (7) skierowacz mieszalnika(6) poprzez pluczkE
wodn4 (8) do wyci4gu.
6. OdkrEciczawor glowny butli z amoniakiem(9).
7. OdkrpcajecostroZniezawor iglowy (10) przy butli z amoniakiem,ustalii swobodnywyptyw nadmiarowegogazuw manostacie(1 1).
8. Za pomocq zaworu iglowego (12) ustawii wlaSciwewychylenie przeplywotnierzaamoniaku ( I 3) (zgodniezkrzyw4 kalibracyjnq).
Uwaga! Zawor iglowy (10), ntanostat (1 I), zawor iglowy (12) oraz przeplywomierz (13)
mogq byt zastepione reduktorent butlowym i elektronicznyntregulatorent (18) masowego
przeplywu emoniaku. W takim przypadku, zamiast czynnoici opisanych w punktach 7 i B,
nalezy, po punkcie 6, dokrqcajqc zawor ntentbranowyreduktora butlowego (10,) ustalit na
jego manon'tetrzewylotowym ciinienie 0,5 atmosferyi ustawi6 na elektronicznymregulatorze przeply*u (18) zalozonyprzeplyw amoniaku.
W ten spos6bzestawionamieszankagazowapowinna przeplyrvacz ominigciemkolumny
absorpcyjnejprzez przynajmniej l0 minut, dla ustaleniasip jej zadanegoskladu. W tym
czasieprzyst4pii do wypelnianiakolumny (14) szklanyrnipierScieniamina wysokoSi poprzednio obliczon4.WysokoSdwypetnieniamierzyc od konca rurki, ktor4 mieszaninagazowa wplywa do kolumny.
Po przygotowaniukolumny tnoZnaprzelEczycstrumierimieszaniny gazow za pomoc4
kranu (7) do kolurnny,zakrgcajqcwczeSniejdolny kran kolumny (17).Nastqpniewlqczyc
i ustawii pompq perystaltycznq(15)na wymagan4dla zraszaniakolumny wydajnoSi.
Uwaga! Po skierowaniu mieszaniny gazow do kolumny nalezy skorygowat ewentualne
zmiany przeplywow,powodowane wiqkszymoporem ich przeplywu przez kolumnq.
Po okolo 30 minutach pracy kolumny molna przyst4pii do analizowaniaroztworu po
absorpcjt.Przez ten okres nalezy roztw6r arnoniakuzbieraj4cysiq u dolu kolurnny absorp-
Irl
cyjnej zlewa(,,tak aby wchodz4cy do niej gaz nie barbotowal - powodowaloby to zmianq
opor6w i tym samym iloSci przeplywaj4cegogazv. Zbierany roztwor moze nie byi analizowany, gdyz ustalanie stanu r6wnowagi absorpcji wymaga dlu2szegoczasu, wynik moglby
byc zafalszowanyr6wniez ustalaniemwielkoSci przeplyw6w amoniaku i powietrza. Nowe
porcje roztworu po absorpcji zlewac do erlenmajerki,w zalehnoSciod zalohonychparametr6w zraszaniakolumny) po kilku lub kilkunastu minutach pracy kolumny i poddai analizie.
Analizapolegana miareczkowymoznaczeniustqzeniaamoniakuw roztworzepo absorpcji.
Z zebranegoroztworu pobrai pipetk4 5 cm' probki, dodai wody destylowaneji miareczkowai w erlenmajerce0,1 M roztworem kwasu solnego wobec oranhumetylowego jako
wskaZnika.
Nalezy wykona(, szeregkolejnych analizpr6bek zbieranychw czasieabsorpcji.Srednia
z kolejnych wynikow niewykazuj4cychtendencjiwzrostowychSwiadczyo osi4gnigciustanu
stacjonarnegooperacji absorpcjii jest podstawqdo obliczeniastgzeniaamoniakuw roztworze po absorpcji.
Obliczony na podstawie analiz praktyczny stopieri absorpcji amoniaku w wodzie naleZy
porownai z parametrami zalolonymi i podai w sprawozdaniu.Do sprawozdania naleZy
dol4czycr6wniez wykres, za pomoc4kt6rego Wznaczono liczbq stopni przenoszeniamasy
i obliczeniawysoko5ciwypelnieniakolumnyabsorpcyjnej.
Literatura
1. Kozak D., Wybrane operacjejednostkowe i aparaty przemyslu chemicznego,Wydawnictwo Uniwersytetu
M ar ii Cur i e -S k l o d o w s k i eLju, b l i n I 9 8 6 .
2. Pawlow K.F., Romankow P.G., Noskow A.A., Przyklady i zadania z zakresu aparatury i in2ynierii
chenicznej,WydawnictwaNaukowo-Techniczne,
WarszawaI 988.
3. KuczyriskiW., Cwiczeniaz technologiichemicznej,PahstwoweWydawnictwoNaukowe,Warszawa1914.