DETERMINAREA EXPERIMENTAL A COEFICIENTULUI DE TRANSFER DE MAS N FAZ LICHID LA ABSORBIA CO2 PUR N AP, N COLOANE CU

FILM VERTICAL FORMAT PE SUPRAFEE NETEDE

Scopul lucrrii: - determinarea experimental a coeficientului de transfer de mas n faz lichid la

absorbia CO2 pur n ap, n coloane cu film vertical format pe suprafee netede, precum i dependena acestuia de unii parametri hidrodinamici;

- compararea rezultatelor obinute cu relaii teoretice din literatur.

1. Aspecte teoretice Absorbia este operaia de separare a amestecurilor gazoase bazat pe solubilitatea diferit

a componenilor ntr-un lichid corespunztor ales numit absorbant. Prin contactarea amestecului gazos cu absorbantul, unul sau mai muli componeni se dizolv, putnd fi recuperai, dac este cazul, prin operaia invers numit desorbie.

Absorbia poate fi urmare numai a unei dizolvri absorbia fizic, sau absorbia chimic (chemosorbie), dac gazul dizolvat reacioneaz chimic cu absorbantul sau cu un component al acestuia. Absorbia poate fi nsoit sau nu de un efect termic. Absorbia poate fi utilizat ca operaie de purificare a gazelor, de recuperare a unor componeni sau pentru realizarea unei reacii chimice n faza lichid. La scar industrial, absorbia se efectueaz att n utilaje tip coloan, asemntoare coloanelor de rectificare, ct i n utilaje specifice, n care fazele contactante circul n contracurent.

Absorbia CO2 n ap n filme lichide verticale continue Intensitatea transferului de mas ntr-un sistem gaz-lichid, la temperatur constant,

exprimat prin coeficientul de transfer de mas, depinde de natura fazelor contactante, de hidrodinamica sistemului (care intervine prin contribuia adus de difuziunea convectiv) i de starea suprafeei.

ntr-un proces de absorbie, fora motoare o reprezint diferena de concentraie molar a gazului dizolvat n lichid mC)( , sau diferena de presiune parial a gazului solubil n lichid

mp)( care determin debitul de component absorbit. Relaiile de calcul att pentru faza lichid ct i pentru faza gazoas sunt:

mlA CAKn )( (1)

mgA pAKn )( (2) unde: An debitul molar de substan transportat, kmol/s;

A aria suprafeei de contact a celor dou faze, m2; Kg coeficientul total de transfer de mas raportat la faza gazoas, kmol/m2sp; Kl coeficientul total de transfer de mas raportat la faza lichid, kmol/m2sC;

n cazul n care curba de echilibru gaz-lichid este o dreapt (ex. CO2 H2O), fora motoare a procesului devine media logaritmic a diferenei de concentraie sau de presiune la cele dou capete ale coloanei:

2

121

ln)(

CC

CCC m

(3)

unde: 1*11 CCC (4)

2*22 CCC (5)

*1C ,

*2C concentraia molar de echilibru n faza lichid corespunztoare temperaturii

fazei lichide i compoziiei fazei gazoase la intrarea, respectiv la ieirea din coloan, kmol/m3;

1C concentraia molar a gazului n lichid la intrarea acestuia n coloan, kmol/m3; 2C concentraia molar a gazului absorbit n lichid la ieirea acestuia din coloan,

kmol/m3;

n cazul n care lichidul absorbant, la intrare nu conine gaz dizolvat, iar gazul care se absoarbe este pur relaia (3) devine:

2

2

lnCC

CC

C m

(6)

Pentru concentraii sczute n faza gazoas ale componentului care se absoarbe, sau cnd echilibrul gaz-lichid este dat de legea lui Henry, coeficienii totali de transfer de mas sunt exprimai prin relaiile:

lg

g

kH

k

K

11

(7)

lg

l

kHk

K11

1

(8)

unde: kg, kl coeficieni pariali de transfer de mas n faza gazoas respectiv n faza lichid, kmol/m2sC;

H constanta lui Henry, atm m3/kmol;

n cazul absorbiei gazelor foarte solubile (de ex. NH3, SO2) valoarea raportului lkH este foarte mic astfel nct gg kK , ceea ce dovedete c rezistena filmului gazos este determinant la dizolvarea gazelor foarte solubile. n cazul absorbiei gazelor greu solubile (de ex. CO2), sau cnd se lucreaz cu gaze pure (valoarea raportului gHk1 este foarte mic), termenul putnd fi neglijat, astfel nct ll kK , ceea ce dovedete c rezistena filmului lichid este determinant pentru transferul de mas. Constanta Henry depinde de temperatura fazei lichide. Pentru diferite gaze care se absorb n ap valorile ei sunt date. Valoarea concentraiei de echilibru se calculeaz din legea lui Henry cu relaia:

HPC (9)

Analiza teoretic a determinrii coeficientului parial de transfer n faza lichid n coloane cu film vertical n cazul distribuiei parabolice de viteze n film a condus la urmtoarele relaii:

ll

ll LD

TDk

216.041.3 (10)

21

13.1

LTDk

l

ll (11)

Grosimea filmului de lichid se poate calcula cu relaia:

3 23

gll

(12)

unde: kl coeficientul parial de transfer de mas n faz lichid, m/s; lD coeficientul de difuzie al componentului absorbit n lichid, m

2/s;

grosimea filmului de lichid, m; l densitatea lichidului, kg/m3;

debitul de lichid pe perimetrul udat, kg/ms; l vscozitatea lichidului, kg/ms;

g acceleraia gravitaional, m/s2; L nlimea coloanei, m; Relaiile de mai sus sunt valabile numai pentru filme verticale formate pe suprafee netede.

2. Descrierea instalaiei experimentale i modul de lucru Instalaia de absorbie n film, prezentat n figura 1, pentru determinarea coeficienilor de

transfer de mas se compune din coloana cu perei udai (1) i traseele de alimentare cu gaz i cu lichid. Traseul de alimentare a fazei gazoase (CO2) se compune dintr-o butelie (4), un barbotor

(6) pentru saturarea gazului, un manostat (7) pentru meninerea constant a presiunii gazului, un ventil (5) pentru reglarea debitului i dou fluometre (2) pentru msurarea debitului de CO2, la intrarea respectiv la ieirea din coloan. Apa utilizat ca absorbant se introduce prin cdere liber (dintr-un vas de nivel) la partea superioar a coloanei, filmul formndu-se pe pereii acesteia. Debitul de ap se regleaz cu un robinet (10) montat amonte de rotametrul (3). Soluia rezultat la partea inferioar a coloanei este evacuat prin nchidere hidraulic (9), prin meninerea unui nivel de lichid constant la partea inferioar a coloanei, ceea ce nu permite evacuarea gazului prin antrenarea acestuia de ctre lichid.

Fig. 1. Schema instalaiei de laborator folosit pentru studiul experimental al absobiei

dioxidului de carbon n ap 1-coloana de absorbie, 2-fluometre, 3-rotametru, 4-butelie cu CO2, 5-reductor de presiune cu

manometre, 6-barbotor, 7-manostat, 8-separator de picturi, 9-vas cu preaplin, 10-robinet

Modul de lucru

Se pornete alimentarea cu ap a instalaiei prin ncrcarea vasului de nivel, urmat de deschiderea robinetului (10) pentru alimentarea coloanei (1). Se va trece un debit de lichid de

aproximativ 50-60 l/h prin coloan timp de 10-15 minute urmrindu-se ca filmul de lichid s fie format continuu pe ntreaga suprafa, dup care debitul de ap se va fixa la prima valoare experimental. Alimentarea cu gaz se ncepe dup ce se verific deschiderea robinetului de alimentare cu gaz (5) al coloanei i legarea evacurii din coloan la fluometrul (2). Pentru alimentarea cu gaz se deschide robinetul buteliei de CO2 (4) i apoi se stabilete un debit de lucru cu ajutorul reductorului de presiune astfel nct n manostatul (7) s aib loc formarea intermediar de bule. Dup modificarea unui parametru se ateapt 3-4 minute, necesare stabilirii unui regim staionar de transfer.

n timpul experienelor se va msura i temperatura lichidului la ieirea din coloan. Msurtorile se fac la debit de gaz constant pentru debite variabile de lichid, pn la acea valoare a debitului la care filmul nu se mai menine continuu.

3. Prelucrarea datelor experimentale Datele experimentale se vor nregistra n tabelul 1, prezentat mai jos

Tabelul 1. Date experimentale i calculate Nr.

crt.

Debit de lichid Debit de gaz la intrare Debit de gaz la ieire Gvl, l/s Gml, kg/s Gvgi, m3/s GMgi, kmol/s Gvge, m3/s GMge, kmol/s

Pentru calculul debitului de CO2 absorbit i a concentraiei n lichid a gazului la ieirea din coloan, se vor utiliza relaiile (13) i (14):

MgeMgiA GGn (13) vlA GnC 2 (14)

Concentraia la echilibru a CO2 se va calcula cu relaia (9) n care p* este egal cu presiunea atmosferic exprimat n atmosfere, iar valoarea constantei Henry se va considera la temperatura fazei lichide. Diferena medie logaritmic de concentraie se calculaz cu relaia (6).

Pentru a determina coeficientul de transfer de mas cu relaia (1) singura mrime rmas necunoscut este aria suprafeei de transfer de mas. Pentru coloana cu perei udai aceasta se va

considera egal cu aria suprafeei de formare a filmului. Rezultatele obinute din prelucrarea datelor experimentale vor fi trecute n tabelul 2.

Tabelul 2. Date calculate, determinarea coeficientului parial de transfer de mas nA, kmol/s C2, kmol/m3 (C)m, kmol/m3 kl, m/s

Interpretarea rezultatelor experimentale

Se vor compara rezultatele experimentale cu cele teoretice date de relaiile (10 i 11). Pentru calculul debitului de lichid pe perimetrul udat se va folosi relaia (15):

PuGml (15) iar pentru criteriul Reynolds, pentru curgerea n film vertical, se va folosi relaia (16):

l 4Re (16) lund pentru vscozitatea apei, l valoarea corespunztoare temperaturii de lucru. Rezultatele obinute vor fi trecute n tabelul 3.

Tabelul 3. Compararea datelor experimentale cu cele teoretice

Nr. crt. , kg/s , m kl (rel. 10), m/s kl (rel. 11), m/s klexp., m/s Re

Interpretarea grafic a rezultatelor experimentale se va face reprezentnd valoarea coeficientului de transfer de mas experimental, klexp. n funcie de criteriul Re. De asemenea se va calcula valoarea medie a abaterii relative ntre valorile teoretice i cele experimentale:

exp....exp.

ValteorValValAr

(17)

n

A

A

n

ir

r

1 (18)

i apreciai care dintre datele teoretice sunt mai apropiate de rezultatele experimentale obinute.

Referatul va cuprinde:

- tabelul cu datele nregistrate i calculate, cu exemplele detaliate de calcul; - compararea datelor experimentale cu cele teoretice pentru coloana cu suprafaa neted; - reprezentarea grafic a coeficientului de transfer de mas n funcie de criteriul Re.