Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВПО

Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова

Факультет пищевых и химических производств

Кафедра химической технологии

Методические указания к выполнению лабораторной работы

по дисциплине «Общая химическая технология»

Тема:

Абсорбция углекислого газа карбонат-бикарбонатным раствором и водой в реакторе с мешалкой

Ю.Ф. Артамонов,

М.П. Чернов, А.В. Домин

Барнаул - 2014

УДК 66.01

Артамонов Ю.Ф. Абсорбция СО₂ карбонат-бикарбонатным раствором и водой в реакторе с мешалкой. Методические указания к выполнению лабораторной работы по дисциплине «Общая химическая технология» / Ю.Ф. Артамонов, М.П. Чернов, А.В. Домин - Электрон. дан. - Барнаул: АлтГТУ, 2014.

Даны сведения о гетерогенном химическом процессе в системе газ-жидкость, приведена схема лабораторной установки, определен порядок выполнения работ и методы обработки результатов.

Для студентов направлений 240100-62 «Химическая технология» и 241000-62 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии».

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цель и задачи работы

2. Теоретическое обоснование работы

3. Описание лабораторной установки

4. Методика проведения работы

5. Методы расчета

5.1 Физическая абсорбция

5.1.1 Определение коэффициента молекулярной диффузии углекислого газа в воде

5.1.2 Определение коэффициента массоотдачи углекислого газа в воде

5.2 Абсорбция углекислого газа карбонат-бикарбонатным раствором

5.2.1 Определение константы скорости псевдопервого порядка

5.2.2 Определение коэффициента ускорения абсорбции углекислого газа карбонат-бикарбонатным растворома техники безопасности при выполнении работы

6. Контрольные вопросы

Список литературы

Приложение А (обязательное). Схема установки

Приложение Б (справочное). Растворимость диоксида углерода в воде

Приложение В (обязательное). Форма титульного листа отчета о лабораторной работе

1. Цель и задачи работы

Целью работы является:

Определение лимитирующей стадии абсорбции углекислого газа карбонат-бикарбонатным раствором, а также количественная оценка скоростей массопереноса и химической реакции, ускорения массоотдачи в растворе за счет химической реакции.



2. Теоретическое обоснование работы

Химико-технологический процесс, как правило, складывается из следующих взаимосвязанных элементарных стадий:

Подвода реагирующих компонентов в зону реакции;

Химической реакции;

Отвода из зоны реакции полученных продуктов.

Подвод реагирующих компонентов в зону реакции осуществляется молекулярной диффузией и конвекцией. В двух или многофазных системах подвод реагирующих компонентов может совершаться абсорбцией или растворением их в жидкости, испарением жидкости или возгонкой твердых веществ. Межфазный переход - это сложный диффузионный процесс.

Химическая реакция - это второй этап химико-технологического процесса. В реагирующей системе химическая реакция может включать ряд стадий, приводящих к образованию целевого (а иногда дополнительного побочного) продукта. Обычно при анализе производственных процессов учитываются не все стадии реакции, а лишь те из них, которые имеют определяющее влияние на количество и качество получаемых целевых продуктов.

Общая скорость технологического процесса может лимитироваться одной из составляющих элементарных стадий, которая протекает медленнее других. Если наиболее медленно идет химическая реакция, то процесс происходит в кинетической области; в этом случае технологи стремятся усилить именно те факторы (концентрация исходных веществ, температура, замена катализатора), которые влияют особенно на скорость реакции.

Если общую скорость процесса лимитирует подвод реагентов в зону реакции или отвод продуктов, то это значит, что процесс происходит в диффузионной области. Скорость диффузии стремятся увеличить, прежде всего, перемешиванием (турбулизацией реагирующей системы), повышением температуры и концентраций, переводом системы в однофазную.

Если скорость всех стадий, составляющих технологический процесс, соизмеримы, то процесс происходит в переходной области и поэтому необходимо воздействовать, прежде всего такими факторами, которые ускоряют как диффузию, так и реакцию, т.е. повышать концентрацию исходных веществ и температуру.

Примером гетерогенного химико-технологического процесса является абсорбция углекислого газа водным карбонат-бикарбонатным раствором.

В растворе, содержащим карбонат и бикарбонат натрия, мгновенно устанавливается равновесие

СО₃^2- + Н₂О НСО^-₃ + ОН^-,(1)

которое определяет буферные свойства абсорбента, а, следовательно, постоянную способность связывать абсорбированный углекислый газ в бикарбонат

ОН^- + СО₂ НСО^-₃(2)

при достаточно большом объеме поглощенного газа.

Реакция (2) имеет умеренную скорость, которая может быть выражена

r = k[OH^-][CO₂].(3)

Поскольку концентрация гидроксид-иона остается неизменной, то реакцию (2) можно считать псевдопервого порядка, т.е.

k₁ = k[OH^-]1/c.(4)



3. Описание лабораторной установки

Схема установки представлена на рисунке А1 (в приложении А). Установка включает реактор Р1, мерник Т2, термостат Т3, лабораторный трансформатор Х4, расходомер Х5, контейнер Е6, соединительные линии, краны и зажимы.

Реактор Р1, в котором осуществляется абсорбция углекислого газа раствором, снабжен рубашкой для подогрева раствора и мешалкой. Мешалка имеет накрест расположенные на двух уровнях лопасти. Нижние лопасти служат для турбулизации жидкости, а верхние, которые только частично погружаются в раствор, служат для удаления с поверхности раздела фаз поверхностно-активных веществ, практически всегда присутствующих в неконтролируемых количествах и мешающих абсорбции газа.

Для обеспечения герметичности рабочего объема реактора, вал мешалки имеет сальниковые уплотнения.

Термостат Т3 служит для поддержания данной температуры в циркуляционном контуре, включающем рубашку реактора, змеевик термостата.

Трансформатор Х4 (ЛАТР) предназначен для изменения напряжения питания электродвигателя-привода мешалки, а следовательно, для изменения числа оборотов мешалки.

Расходомер мыльно-пленочный Х5 предназначен для определения расхода углекислого газа, поступающего в реактор.

Контейнер полиэтиленовый Е6 предназначен для создания необходимого запаса углекислого газа.

Краны 7, 8 и зажим 9 - для слива раствора из мерника, реактора и регулирования подачи углекислого газа из контейнера, соответственно.

Термометром 10 замеряют температуру раствора в реакторе.



4. Методика проведения работы

Заполнить контейнер Е6 углекислым газом из баллона.

Залить в мерник Т2 определенное количество воды (первоначально измерив или до метки).

Задать температуру 20-25С на электроконтактном термометре (ЭКТ) термостата, включить привод циркуляционного насоса термостата .

Слить воду из мерника Т2 в реактор Р1. Кран 7 оставить открытым.

Открыть зажим 9 и пропустить некоторое количество, примерно 0,5 0,7 л углекислого газа через реактор. Ускорение пропуска газа достигается легким нажатием руки на контейнер.

Закрыть кран 7. С помощью мыльно-пленочного расходомера (Х5) определить количество углекислого газа, поступающего на абсорбцию в реактор.

Включить привод мешалки и, регулируя трансформатором (Х4) напряжение питания, установить минимальную скорость вращения мешалки (по заданию преподавателя). Определить скорость абсорбции углекислого газа.

Повторить опыт при других оборотах мешалки, меняя напряжение питания электродвигателя через 10 В до 110 В.

Повторить опыт при той же температуре и в том же порядке, но используя в качестве абсорбента карбонат-бикарбонатный раствор.

Задать на ЭКТ температуру на 10-15С выше (35-40С) и повторить опыт. Повторить опыт при более высокой (на 10-15С выше) температуре абсорбента (50-55С).

углекислый абсорбция диффузия массоотдача



5. Методы расчета

5.1 Физическая абсорбция

5.1.1 Определение коэффициента молекулярной диффузии углекислого газа в воде

Количество газа (моль), абсорбируемого единицей спокойной поверхности жидкости (см²) за какое-то время равно:

, (5)

где А концентрация газа растворенного у поверхности жидкости, равновесная с составом газа в основной массе жидкости, моль/см³;

А⁰ - концентрация растворенного газа в основной массе жидкости, моль/см³;

D_А - коэффициент диффузии углекислого газа в воде, см²/с;

- время абсорбции, с.

Поскольку объем воды в реакторе большой, то прирост концентрации углекислого газа в массе жидкости за короткий период абсорбции незначителен и им можно пренебречь, т.е. можно принять А⁰ = 0.

Равновесная концентрация углекислого газа может быть определена по данным, приведенным в таблице Б1 приложения Б.

5.1.2 Определение коэффициента массоотдачи углекислого газа в воде

Скорость абсорбции углекислого газа, перемешиваемого непроточной водой может быть определена по формуле:

R_А = K_La(A A⁰), (6)

где R_А - скорость абсорбции за время , моль/(см³с);

а - поверхность контакта, отнесенная к единице объема жидкости, см-¹;

K_L коэффициент массоотдачи в жидкой фазе, см/с.

По указанной выше причине можно принять А⁰ = 0 и по данным опытов при разной интенсивности перемешивания определить коэффициент массоотдачи.

5.2 Абсорбция углекислого газа карбонат-бикарбонатным раствором

5.2.1 Определение константы скорости псевдопервого порядка

В случае массопереноса газа в растворе молекулярной диффузией (при отсутствии перемешивания), процесс сопровождается реакцией первого порядка и при условии k₁ 1 скорость абсорбции может быть рассчитана по уравнению

(7)

Проводя опыты по абсорбции углекислого газа карбонат-бикарбонатным раствором при различных температурах можно определить константы скорости реакции при каждой из них и энергию активации реакции.

5.2.2 Определение коэффициента ускорения абсорбции углекислого газа карбонат-бикарбонатным раствором

Поглотительный раствор обладает буферными свойствами и в процессе абсорбции углекислого газа в течение какого-то времени химическая активность раствора остается постоянной. Это позволяет рассматривать процесс стационарным, у которого скорости стадий (абсорбции и химической реакции) равны:

R_А = K_L^/a(A A⁰) = k₁A⁰, (8)

где К_L^/ коэффициент массоотдачи, осложненный химической реакцией, см/с.

За счет химической реакции коэффициент массоотдачи увеличивается в несколько раз по сравнению с физической абсорбцией:

К_L^/ = К_L (9)

параметр называют коэффициентом ускорения массоотдачи.

В уравнение (8) входит неизвестная концентрация углекислого газа в массе раствора А⁰. Для исключения неизвестной концентрации А⁰ запишем отдельно выражение скоростей массопереноса и реакции, преобразуем и сложим:

R_А = K_L^/a(A A⁰)

R_А = k₁A⁰

Тогда R_А = (10)

Или

(11)



Первый член в знаменателе уравнения (10) (1/k₁) характеризует величину сопротивления протекания химической реакции, второй (1/К_L^/а) - величину сопротивления массопереноса. Сопоставляя коэффициенты массоотдачи физической абсорбции (уравнение 6) и хемосорбции (уравнение 11), полученные при одинаковых температуре и интенсивности перемешивания, можно по уравнению (9) определить коэффициент ускорения.



6. Требования к отчёту о лабораторной работе

Отчет оформляется один на бригаду на сброшюрованных листах формата А4 в соответствии с требованиями СТО АлтГТУ 12 570-2013 «Общие требования к текстовым, графическим и программным документам». Титульный лист оформляется согласно приложения В.

В отчете необходимо дать описание лабораторной установки и порядок работы на ней, результаты эксперимента и расчета процессов абсорбции углекислого газа водой (таблица 1) и карбонат-бикарбонатным раствором (таблица 2) при заданных преподавателем температурах.

Таблица 1

Физическая абсорбция

U, В
V, см3
, с
Q
DА
RА
KL a

Таблица 2

Абсорбция углекислого газа карбонат-бикарбонатным раствором

U, В
V, см3
, с
RА
k1
KL/ a

Температура воды t, поверхность абсорбции 25,2 см², объем воды в реакторе V см³, поверхность контакта фаз, отнесенная к объему жидкости а см -¹, равновесная концентрация углекислого газа в воде А.

Определить энергию активации химической реакции. Построить графики зависимости скорости абсорбции R от интенсивности перемешивания и температуры раствора.

Сделать выводы о влиянии различных факторов на скорость протекания процесса, определить лимитирующую стадию процесса.

При необходимости отчёт может содержать список использованной литературы и различные приложения.



7. Правила техники безопасности при выполнении работы

приготовить минимальное количество необходимой посуды, реактивов и приборов;

проверить правильность собранной установки;

проверить заземление установки;

проверить работу мешалки, регулирование ее оборотов ЛАТРом;

включение привода циркуляционного насоса и обогрева термостата производится только под наблюдением преподавателя.



8. Контрольные вопросы

1. В чём заключается главная кинетическая особенность гетерогенных химических процессов?

2. Какие кинетические модели обычно используют для описания гетерогенных процессов в системе «газ-жидкость»?

3. Какой смысл вкладывается в понятия « кинетическая область гетерогенного процесса», «диффузионная область»?

4. Как увеличить коэффициент массоотдачи на стадии внешней диффузии?

5. Сформулируйте основные свойства лимитирующей стадии.

6. Как определить лимитирующую стадию гетерогенного процесса, экспериментально изучая влияние температуры на скорость образования продуктов в ходе этого процесса?

7. Какая величина называется коэффициентом ускорения абсорбции? Почему можно говорить об ускорении абсорбции, если в жидкой фазе протекает химическая реакция?



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. Учеб. для вузов / А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. - 3-е изд., перераб. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 528 с.

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: Учеб. для вузов. - 12 издание стереотипное доработанное. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. - 784 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное)

Схема установки

Рисунок А1 - Схема установки

Р1 - реактор; Т2 - термостат; Х4 - трансформатор; Х5 - расходомер; Е6 - контейнер; 7, 8, 9 - краны; 10 - термометр

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (справочное)

Растворимость диоксида углерода в воде

Таблица Б1

T, 0C	15	20	25	30	40	50
A, л/л	1,019	0,878	0,759	0,665	0,530	0,436



ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное)

Форма титульного листа отчета о лабораторной работе

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

Факультет пищевых и химических производств

Кафедра химической технологии

Отчет защищен с оценкой

(подпись преподавателя) (и.о. фамилия)

Дата

Отчет

по лабораторной работе №

по дисциплине «Общая химическая технология»

Абсорбция СО₂ карбонат-бикарбонатным раствором и водой в реакторе с мешалкой

ЛР 240100.01. 000 ОТ

Студенты группы

Преподаватель

Барнаул 20

Размещено на Allbest.ru