microbik.ru
1
Таллиннский технический университет

Институт химической техники

Лабораторная работа по предмету „Химическая техника“

Oпределение коеффициента ускорения массоотдаци при хемосорбци

Таллинн

2008

Оглавление





Введение. 3

Цель работы 4

Экспериментальная установка 5

Необходимые реактивы 5

Измеряемые параметры 6

Выполнение работы 6

Порядок и последовательность вычислений 8

Выводы 11

Сведения по технике безопасности 11

Литература. 12

Введение.


Абсорбция в некоторых случаях сопровождается химической реакцией. При этом абсорбируемый компонент связывается в жидкой или газовой фазе в виде химического соединения. Этот процесс оказывает влияние как на равновесие между фазами, так и на кинетику абсорбции. При этом кинетика абсорбции определяется не только скоростью массообмена, но и кинетикой химической реакции. При протекании реакции в жидкой фазе понижается концентрация свободного газообразного компонента в жидкости. Это приводит к увеличению концентрационного градиента и ускорению абсорбции по сравнению с физической абсорбцией. Это ускорение тем больше, чем выше скорость реакции. При значительных скоростях реакции ускорение абсорбции может быть на столько большим, что сопротивление жидкой фазы становится равным нулю, т.е. нулю равна концентрация свободного газообразного компонента в жидкой фазе.

Ускорение абсорбции при протекании химической реакции в жидкой фазе может быть учтено увеличением коэффициента массоотдачи в жидкой фазе, если принимать движущую силу такой же, как при физической абсорбции или увеличением движущей силы, если принимать коэффициент массоотдачи таким же, как при физической абсорбции.

Первый способ соответствует условиям экспериментального определения коэффициентов массоотдачи, так как при этом движущую силу принимают обычно такой же, как при физической абсорбции.

Между обоими способами существует зависимость

(1)

(2)

где WA – количество поглощенного компонента, кмоль/с, кмоль/ш,

A – площадь поверхности контакта фаз, м2,

β'ж – коэффициент массоотдачи в жидкой фазе при протекании в ней реакции, отнесенный к движущей силе при физической абсорбции (Δж=cp-c),

βж – коэффициент массоотдачи в ждкой фазе при физической абсорбции,

Δж – движущая сила при физической абсорбции,

δ – величина, показывающая увеличение движущей силы в жидкой фазе при протекании в ней реакции,

χ – коэффициент ускорения абсорбции в жидкой фазе при протекании в ней реакции.

При определении χ нужно провести процессы хемосорбцин и абсорбции в одной и той же аппаратуре при одинаковых гидродинамических условиях и в подобных по физико-химическим показателям газо-жидкосткых системах.

Цель работы


Целью настоящей работы является определение коэффициента ускорения χ при абсорбции кислорода воздуха раствором сульфита натрия в присутствии катализатора (хемосорбция) с последующей абсорбцией кислорода воздуха в растворе сульфата натрия, образовавшегося в результате химической реакции окислении раствора сульфита натрии.

Процесс проводится в барботажном абсорбере с механическим перемешиванием жидкости при постоянном числа оборотов мешалки и постоянном расходе воздуха в каждой серии опытов.

При проведении эксперимента и в последующих расчетах учитывают следующее:

Площадъ поверхности контакта фаз в аппарате с механическим перемешиванием трудно определима, поэтому из опыта определяют объемный коэффициент массопередачи KV.

, (3)

где K – коэффициент массопередачм, м/с; м/ч,

a – удельная поверхность контакта фаз, м23, т.е. поверхность, приходящая на единицу рабочего объема аппарата.

Кислород является плохо растворимым газом, поэтому принебрегаем сопротивлением газовой фазы и принимаем

(4)

следовательно

(5)

Известно, что реакция окисления водного раствора сульфита натрия в присутствии катализатора (раствора СuSO4 или СoSO4) является необратимой быстрой реакцией первого порядка относительно кислорода и нулевого порядка относительно раствора Na2SO3 при умеренных концентрациях.

Экспериментальная установка


Лабораторный абсорбер состоит из цилиндрического сосуда (I) со сферическим днищем, снабженного четырмя отражательными перегородками (4). Диаметр сосуда D=210 мм; ширина перегородок dп=21 мм, полезный объем сосуда 12 л. В сосуде вращается восьмилопастная коническая турбинная мешалка (2), приводимая в действие электродвигателем постоянного така (5) с регулируемым числом оборотов.

Газ (воздух) подается в систему воздуходувкой (отсутствует на рисунке), количество его регулируется вентилем (9) и измеряется ротаметром (10).



Рис. 1. Схема опытной установки

Необходимые реактивы


  1. Раствор сульфита натрия 10—12 г/л Na2SO3, объем 10—12 л. При использовании кристаллического продукта Na2SO3·6H2O количество соли увеличивается. Раствор пригатавливают студенты.

  2. Раствор Na2S2O3 0,1 н.

  3. Раствор J2 + KJ 0,1 н.

  4. Раствор крахмала 0,5%.

  5. Раствор СuSO4 или СоSO4 1 М.

Измеряемые параметры


  1. Объем раствора в реакторе, Vж, л.

  2. Число оборотов мешалки Vn, об/мин.

  3. Расход воздуха Vв, л/мин.

  4. Исходная и конечная концентрация раствора сульфита натрия.

  5. Время опыта τ, мин.

  6. Температура раствора и воздуха.

Выполнение работы


  1. Приготовляют 10—12 литров раствора, содержащего 10—12 г/л Na2SO3 (непосредственно в реакторе).

  2. Определяют точную концентрацию раствора иодометрически. Для этого: в коническую колбу емкостью 250 мл пипетируют 25 мл 0,1 н раствора J2+KJ, из реактора отбирают пипеткой пробу раствора 10 мл и выливают в слой раствора иода без соприкосновения с воздухом. Если проба при этом в колбе обесцвечивается, определение повторяют, увеличивая объем раствора иода или уменьшая объем пробы. К слабо окрашенной пробе приливают 5 мл раствора крахмала и титруют до исчезновения синей окраски раствором 0,1 н тиосульфата натрия. Концентрация раствора Na2SO3 вычисяется по формуле:

, г-экв/л,

или

, г/л.

  1. Включают мешалку и регулируют заданное число оборотов мешалки.

  2. Включают воздуходувку и регулируют расход воздуха в пределах от 6—8 л/мин.

  3. Добавляют раствор катализатора в количестве 10-3 моль/л CuSO4 или СоSО4 и включают секундомер.

  4. Отбирают пробы из реактора (через 5 мин), определяя концентрацию Na2SO3 выше описанным (см. п. 2) способом.

  5. Наносят опытные точки на график в координатах [Na2SO3]-τ, как это показано на рис. 2.



Рис. 2. Изменение концентрации раствора Na2SO3 во времени


  1. При достижении полного окисления раствора Na2SO3 до Na2SO4 по реакции:



в момент времени τ, переходят к определению кислорода, абсорбирующегося в растворе сульфата натрия.

  1. используется селективный электрод для измерения концентрации растворенного кислорода в воде.

  2. Поглощение кислорода воздуха проводят при таких же числах оборотов и расходе воздуха что, и ранее.

  3. Наносят опытные точки на график, как это показано на рис. 3.



Рис. 3. Изменение концентрации растворенного O2 в растворе Na2SO4
По приближении к равновесному содержанию опыт заканчивают.

Ориентировочные данные по равновесной растворимости кислорода в воде приведено в табл. 1.

Таблича 1

Растворимости O2 в воде при 760 ммНg

t ºC

10

12

14

16

18

20

22

24

25

O2 мг/л

11,47

10,99

10,54

10,13

9,74

9,39

9,06

8,76

8,62

m0

25,27

26,18

27,03

27,95

28,95

29,83

30,67

31,46

31,85



Порядок и последовательность вычислений


Расчет проводят по жидкой фазе, пренебрегая сопротивлением газовой фазы.

  1. Расчет хемосорбции

    1. Вычисляют количество поглощенного кислорода по уравнению материального баланса в виде:

(6)

где и – начальная и конечная концентрация раствора Na2SO3, г-экв/л,

и – концентрации кислорода в воздухе при входе в аппарат и выходе из него, моль O2/л возд,

Vж – объем раствора Na2SO3 в реакторе, л,

VГ – расход воздуха, л/мин,

Δт – продолжительность опыта, мин,

Соотношение = 4.

    1. Вычисляют объемный коэффициент массопередаци по уравнению для хемосорбции:

(7)

где средняя движущая сила хемосорбции, моль O2/л:

(8)

или при ,

, (8a)

где и (9)

В уравнениях (8) и (9)

и равновесные концентрации кислорода в растворе при входе в аппарат и на выходе из аппарат, моль O2раст.,

и действительные концентрации растворенного кислорода в растворе сульфита натрия.

Учитывая быструю реакцию в жидкой фазе между O2 и Na2SO3 cH = 0 и cK = 0.

С учетом вышесказанного для хемосорбции

(10)

или при ,

(10a)

Равновесные концентрации:

, (11)

где парциальное давление O2 в воздухе, = 0,21 at,

R – газовая постоянная, R = 0,082 ,

T = tº + 273,

m – константа фазового равновесия, .

Следовательно:

, . (12)

Константа фазового равновесия для солевого раствора:

, (13)

где m0константа равновесия O2 в воде. Значения приведены в табл. 1,

C – концентрация электролита, моль Na2SO4/л.

Поправочные коэффициенты:

кΓ = 0,08 для O2,

к+ = 0,16, z+ = 1 учитывает поправки на Na+,

к- = 0,2, z- = 2 учитывает поправки на SO42-.

Предполагая, что основное сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкой фазе, принимаем:

(14)

  1. Расчет абсорбции

  1. Количество поглощенного в растворе сульфата натрия кислорода находят по рис. 3, принимая в учет прямолинейную часть графика:

(15)

где и концентрации в конце и начале прямолинейного участка графика, мг O2/л,

Δτ – промежуток времени, соответствующий прямолинейному участку графика, мин.

  1. Вычисляют среднюю движущую силу по ур. (8) или (8a) аналогично пункту A с учетом действительных концентраций O2 в растворе Na2SO4.

  2. Вычисляют . (16)

  3. Приравнивают по ур. (14) и (16).

  4. Рассчитывают коэффициент ускорения:


Выводы


По величине значения χ (оно должно быть ≥ 1) сделать заключение о влянии протекания химической реакции на скорость массоотдаци.

Сведения по технике безопасности


При работе с механическим перемешивающим устройством нужно учесть следующее:

    1. Вал мешалки вращается со скоростью до 1000 об/мин. Необходимо остерегаться соприкосновения с движущимися частями установки.

Литература.


  1. В. B. Рамм, Абсорбция газов, "Химия", М., 1966, стр. 129—136, 143—147,
    601—607.

  2. В. B. Рамм, Абсорбция газов, "Химия", М., 1976, стр. 111—126, 250—260, 508.

  3. Павлов К. Ф, Романков П. Г. и др. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, "Химия", Л., 1976, стр. 257—256.