Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для определения объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ-жидкость

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.

Определение объема газа, участвующего в массообменном процессе в системе газ - жидкость, осуществляют в устройстве по заявляемому объекту, где в качестве исследуемого газа берут CO₂, а в качестве исследуемой жидкости берут 0,1N раствор щелочи - NaOH.

Объем поданного газа СО₂ определяют по мерной шкале 3 емкости для газа 2, в данном случае он равен 160 см³ (0,00016 м³), 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 см³ (0,00001 м³) 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.

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 см³ (0,00001 м³), а продолжительность массообменного процесса (поглощение раствором щелочи углекислого газа) определяют как разность показаний секундомера, зафиксированной в конце и начале массообменного процесса.

Численное значение объема газа, участвующего в массообменном процессе, определяют по изменению объема газа, ΔV_t=V_н-V_к, т.е. 160 см³ минус 10 см³ равно 150 см³ (0,00015 м³) 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;

ΔV_t=V_н-V_к - изменение объема газа в системе газ - жидкость от значения объема газа в начале массообменного процесса V_н до значения объема газа V_к по окончании массообменного процесса, м³;

Δt - интервал времени от начала массообменного процесса до окончания массообменного процесса в системе газ - жидкость, с;

ρ - плотность газа при температуре проведения массообменного процесса, кг/м³.

Скорость исследуемого массообменного процесса в системе газ - жидкость с использованием заявляемого объекта составляет 10,94⋅10^-7 кг/с.

Численное значение скорости получено из расчета по уравнению (1)

М=(ΔV_t/Δt)⋅ρ=(0,00015 м³/270 с)⋅1,97 кг/м³=10,94⋅10^-7 кг/с,

где ρ равно 1,97 кг/м³ - плотность СО₂ при температуре проведения процесса (в данном случае при 20°C).

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⋅м².

Коэффициент массопередачи вычисляют по уравнению

где М - скорость массообменного процесса, кг/с, которая определена в заявляемом устройстве и в устройстве по прототипу;

F - площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость, м².

Площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость с использованием заявляемого устройства вычисляют по уравнению

где D - диаметр емкости для газа заявляемого устройства, м².

Площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость по прототипу вычисляют по уравнению

где Vж - объем поглотительного раствора (исследуемой жидкости) в устройстве по прототипу, м³;

α - удельная поверхность контакта фаз, м²/м³.

Удельную поверхность контакта фаз в системе газ - жидкость по прототипу определяют статистической обработкой фотографий, на основе которых определяют средний объемно-поверхностный диаметр пузырьков d_п и газосодержание слоя ϕ, после чего удельную поверхность контакта фаз вычисляют по уравнению

где ϕ - газосодержание слоя исследуемой жидкости;

d_п - 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)

Ку=М/F=10,94⋅10^-7 кг/с/0,001256 м²=8,71⋅10^-4 кг/с м²,

где М - скорость массообменного процесса, кг/с;

F - площадь поверхности контакта фаз в системе газ - жидкость, м².

Примеры 2 и 3 с использованием устройства по прототипу и по заявляемому объекту выполнены аналогично примеру 1.

Данные по Ку - коэффициенту массопередачи массообменного процесса, кг/с⋅м², 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.

Как видно из таблицы 1, средние значения К_у - коэффициента массопередачи массообменного процесса, кг/с⋅м², 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.

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_а - количеству газа, участвующего в массообменном процессе в единицу времени, по уравнению

где F_a - площадь поверхности контакта фаз (поверхность массопередачи в разрабатываемом аппарате - абсорбере), м²;

М_а - заданная производительность аппарата, кг/с;

Ку - коэффициент массопередачи массообменного процесса, кг/с⋅м²;

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).

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⋅м², используемый при разработке новых и модернизации известных промышленных массообменных аппаратов.