في وحدة تجريبية لامتصاص الغاز، احسب التغير في معدل التدفق من خلال تتبع مكوّن من الغاز الحامل لا يتغير. حدّد التدفق المولي للغاز الخامل من التدفق الحجمي الداخل والضغط ودرجة الحرارة والتركيب؛ ثم استخدم تدفق الغاز الخامل نفسه مع تركيب الغاز الخارج لحساب إجمالي تدفق الغاز المنخفض. ويمثل الفرق بين التدفق المولي للمذاب عند الدخول وعند الخروج معدل الامتصاص.

الخلاصة الأساسية: الغاز الحامل هو المكوّن المرجعي لإجراء الميزان. فإذا لم يُمتص ولم يتولد، يظل تدفقه المولي ثابتًا، بينما تؤدي إزالة الغاز القابل للذوبان إلى خفض معدلات التدفق المولي والحجمي الكلي للغاز.

تحديد أساس ميزان المواد

تحديد مكوّنات الغاز

لنفترض أن:

(A) = المذاب القابل للذوبان المراد إزالته، مثل الأمونيا أو ثاني أكسيد الكبريت أو كلوريد الهيدروجين
(I) = الغاز الحامل الخامل، مثل الهواء أو النيتروجين
(G_{\text{in}})، (G_{\text{out}}) = معدلا التدفق المولي الكلي للغاز عند الدخول والخروج
(y_A)، (y_I) = الكسور المولية في الطور الغازي
(Q) = معدل التدفق الحجمي للغاز

بالنسبة إلى مخاليط الغاز المخففة، تُعامل الكسور الحجمية المبلّغ عنها عادةً على أنها كسور مولية، لأن الكسر الحجمي يساوي الكسر المولي للغازات المثالية عند درجة الحرارة والضغط نفسيهما.

استخدام أساس متسق

استخدم أحد الخيارين التاليين:

mol/s أو kmol/h للموازين المولية، أو
kg/s أو kg/h لموازين الكتلة.

لا تخلط بين التدفق الحجمي الفعلي والتدفق الحجمي القياسي من دون تصحيح درجة الحرارة والضغط. استخدم أيضًا درجة الحرارة المطلقة والضغط المطلق في قانون الغاز.

اختيار المكوّن المرجعي

يُعد الغاز الحامل الخامل المرجع الأكثر فائدة لأن كميته لا تتغير عادةً عبر برج الامتصاص:

[ \dot n_{I,\text{in}}=\dot n_{I,\text{out}} ]

يكون هذا الافتراض صحيحًا فقط إذا لم يُمتص الغاز الحامل أو يتولد أو يُستهلك أو يتكثف أو يُفقد بسبب التسرب.

حساب تدفق الغاز عند الدخول

تحويل الحجم الداخل إلى تدفق مولي كلي

بالنسبة إلى الغاز المثالي، احسب التدفق المولي الكلي للغاز الداخل باستخدام:

[ \dot n_{G,\text{in}}

\frac{P_{\text{in}}Q_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]

حيث:

(P_{\text{in}}) = الضغط المطلق عند الدخول
(Q_{\text{in}}) = معدل التدفق الحجمي الفعلي عند الدخول
(T_{\text{in}}) = درجة الحرارة المطلقة عند الدخول
(R) = ثابت الغاز
(Z_{\text{in}}) = معامل الانضغاط، وغالبًا ما يُقرب إلى 1 للغازات المخففة عند الضغط المعتدل

إذا كان مقياس التدفق يبلّغ عن تدفق حجمي قياسي، فاستخدم الضغط ودرجة الحرارة القياسيين المقابلين بدلًا من ظروف البرج الفعلية.

حساب تدفق الغاز الخامل

إذا كان الكسر المولي للغاز الخامل عند الدخول هو (y_{I,\text{in}}):

[ \dot n_I

y_{I,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

وبشكل مكافئ، إذا كان الكسر المولي للمذاب عند الدخول هو (y_{A,\text{in}})، وكان الغاز يحتوي فقط على المذاب والغاز الحامل الخامل:

[ y_{I,\text{in}}=1-y_{A,\text{in}} ]

وعليه:

[ \dot n_I

(1-y_{A,\text{in}})\dot n_{G,\text{in}} ]

حساب تدفق المذاب عند الدخول

يكون التدفق المولي للمذاب عند الدخول:

[ \dot n_{A,\text{in}}

y_{A,\text{in}}\dot n_{G,\text{in}} ]

وهذه هي الكمية التي ستُقارن بتدفق المذاب عند الخروج لتحديد مقدار الإزالة.

حساب تدفق الغاز عند الخروج

تطبيق ميزان الغاز الخامل

نظرًا إلى مرور الغاز الحامل الخامل عبر برج الامتصاص دون تغير:

[ \dot n_{I,\text{out}}

\dot n_{I,\text{in}}

\dot n_I ]

إذا قيس الكسر المولي للغاز الخامل عند الخروج وكان (y_{I,\text{out}})، فإن التدفق المولي الكلي للغاز الخارج هو:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

بالنسبة إلى غاز يحتوي فقط على الغاز الحامل الخامل والمذاب المتبقي:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{1-y_{A,\text{out}}} ]

هذا هو الحساب الأساسي. فالتدفق المولي الكلي عند الخروج لا يساوي عمومًا التدفق المولي الكلي عند الدخول، لأن المذاب قد أُزيل.

حساب تدفق المذاب عند الخروج

باستخدام تركيز المذاب المقاس عند الخروج:

[ \dot n_{A,\text{out}}

y_{A,\text{out}}\dot n_{G,\text{out}} ]

إذا وُجدت مكوّنات غازية أخرى غير ممتصة، فاستخدم التركيب الكامل عند الخروج:

[ \dot n_{G,\text{out}}

\frac{\dot n_I}{y_{I,\text{out}}} ]

يجب أن يتضمن الكسر الخامل أساس التركيب الفعلي المستخدم في القياس، مثل الغاز الجاف أو الغاز الرطب.

تحديد معدل امتصاص المذاب

بافتراض عدم تولد المذاب أو استهلاكه بسبب تفاعل في الطور الغازي:

[ \dot n_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{in}}

\dot n_{A,\text{out}} ]

ويكون معدل الامتصاص الكتلي المقابل:

[ \dot m_{A,\text{absorbed}}

\dot n_{A,\text{absorbed}}M_A ]

حيث (M_A) هو الوزن الجزيئي للمذاب.

حساب كفاءة الإزالة

يكون الجزء المُزال:

[ \eta_A

\frac{\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}}} {\dot n_{A,\text{in}}} ]

وتكون نسبة الإزالة المئوية:

[ %,\text{الإزالة}

100\eta_A ]

ويُعد هذا عادةً مقياس الأداء الأكثر مباشرة لعمود الغسل.

تحويل تغيرات التدفق المولي إلى تغيرات التدفق الحجمي

استخدام قانون الغاز عند الخروج

بعد معرفة التدفق المولي الكلي عند الخروج، احسب التدفق الحجمي للغاز الخارج عند ظروف البرج عند الخروج:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}Z_{\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

بالنسبة إلى الغاز المثالي:

[ Q_{\text{out}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

يمكن أن يكون الحجم عند الخروج أكبر أو أصغر من الحجم عند الدخول. تميل إزالة المذاب إلى خفض عدد مولات الغاز الكلية، بينما تميل زيادة درجة الحرارة أو انخفاض الضغط إلى زيادة الحجم.

فصل تأثيرات التركيب عن تأثيرات الظروف

يمكن أن يحدث التغير في التدفق الحجمي بسببين محتملين:

تأثير التركيب: يغير الامتصاص العدد الكلي لمولات الغاز.
التأثير الديناميكي الحراري: تغير درجة الحرارة أو الضغط يغير حجم الغاز.

فعلى سبيل المثال، حتى إذا انخفض التدفق المولي للغاز، فقد يؤدي التسخين داخل البرج إلى تعويض جزء من هذا الانخفاض في التدفق الحجمي المقاس.

الربط المباشر بين التدفق عند الدخول والخروج

بدمج علاقات الغاز المثالي نحصل على:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

بالنسبة إلى الغازات غير المثالية، أدرج نسبة معاملي الانضغاط:

[ \frac{Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}}

\frac{\dot n_{G,\text{out}}}{\dot n_{G,\text{in}}} \frac{Z_{\text{out}}}{Z_{\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

توضح هذه المعادلة بجلاء سبب احتمال إبلاغ مقاييس التدفق عند الدخول والخروج عن معدلات تدفق حجمي مختلفة، حتى عندما يظل التدفق المولي للغاز الحامل ثابتًا.

إكمال الميزان من جانب السائل

كتابة ميزان المذاب حول العمود بأكمله

عند الحالة المستقرة، يكون ميزان المذاب:

[ \dot n_{A,\text{gas,in}} + \dot n_{A,\text{liquid,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} + \dot n_{A,\text{liquid,out}} ]

إذا كان السائل الداخل لا يحتوي على مذاب:

[ \dot n_{A,\text{liquid,out}}

\dot n_{A,\text{gas,in}}

\dot n_{A,\text{gas,out}} ]

ينبغي أن تتفق هذه النتيجة مع معدل امتصاص المذاب المحسوب من جانب الغاز.

أخذ تدفق المذيب في الاعتبار

إذا كان المذيب غير متطاير ولا يتفاعل:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} ]

لكن في الأنظمة العملية قد يتبخر الماء أو مذيب آخر إلى الغاز. وإذا كان تبخر المذيب ملحوظًا، فيجب أن يتضمن ميزان المذيب هذا الفقد:

[ \dot n_{S,\text{liquid,in}}

\dot n_{S,\text{liquid,out}} + \dot n_{S,\text{gas,out}}

\dot n_{S,\text{gas,in}} ]

لذلك قد يكون تصحيح الغاز الرطب ضروريًا عند مقارنة تراكيب الغاز أو معدلات التدفق.

استخدام الكسور الكتلية عندما تُبلّغ بيانات التشغيل بهذه الطريقة

إذا أُبلغ عن تركيب السائل على شكل كسر كتلي للمذاب (w_A)، فإن التدفق الكتلي للمذاب في السائل هو:

[ \dot m_{A,\text{liquid}}

w_A\dot m_{\text{liquid}} ]

في الممتص ذي الحالة المستقرة، ينبغي أن تساوي الزيادة في مذاب السائل إزالة المذاب من جانب الغاز:

[ \dot m_{A,\text{liquid,out}}

\dot m_{A,\text{liquid,in}}

\dot m_{A,\text{gas,in}}

\dot m_{A,\text{gas,out}} ]

وهذا مفيد بصفة خاصة للأمونيا المائية، وغسل الغازات الحمضية، والأنظمة الأخرى التي تُقاس فيها تراكيز السائل مباشرةً.

تفسير أداء العمود

مقارنة التراكيب المقاسة مع الاتزان

يحدث امتصاص الغاز بسبب الفرق بين حالة الغاز والسائل الفعلية وحالة الاتزان. وتربط بيانات اتزان البخار والسائل بين الضغط الجزئي للمذاب في الغاز وتركيزه في السائل عند درجة حرارة التشغيل وضغطه.

بالنسبة إلى الأنظمة المخففة، يمكن كتابة علاقة الاتزان بالشكل:

[ y_A^*=m x_A ]

حيث:

(y_A^*) = كسر المذاب في الطور الغازي عند الاتزان
(x_A) = كسر المذاب في الطور السائل
(m) = ميل الاتزان

يحدد ميزان المواد كمية المذاب التي أُزيلت؛ بينما تساعد علاقة الاتزان في تفسير ما إذا كان للعمود قوة دفع كافية لانتقال الكتلة.

استخدام علاقة خط التشغيل

بالنسبة إلى الممتص ذي الجريان المعاكس وفي الحالة المستقرة، يمكن التعبير عن علاقة مبسطة لميزان الكتلة باستخدام الكسور الوزنية للمذاب:

[ \frac{w_{A,\text{gas,out}}-w_{A,\text{gas,in}}} {w_{A,\text{liquid,out}}-w_{A,\text{liquid,in}}}

-\frac{F_{\text{liquid}}}{F_{\text{gas}}} ]

تعكس الإشارة السالبة التغيرين المتعاكسين في التركيب: إذ ينخفض المذاب في الغاز بينما يزداد في السائل.

توفر النسبة المرتفعة لتدفق السائل إلى الغاز عمومًا قدرة أكبر للمذيب وامتصاصًا أقوى، لكنها تزيد أيضًا من تدوير السائل ومتطلبات المرافق اللاحقة.

فهم المفاضلات

لا تفترض ثبات تدفق الغاز الكلي

يؤدي تثبيت التدفق الكلي للغاز بعد الامتصاص إلى ميزان غير صحيح للمذاب، ما لم يكن التدفق خاضعًا للتحكم المستقل أو يحل مكوّن غازي آخر محل المذاب المُزال.

النهج الصحيح هو الحفاظ على الغاز الحامل الخامل وإعادة حساب التدفق الكلي عند الخروج من تركيب الغاز الخارج.

لا تخلط بين التدفق الفعلي والتدفق القياسي

قد يبلّغ مقياس التدفق عن ( \mathrm{m^3/h}) عند الظروف القياسية، بينما يعمل العمود عند ضغط ودرجة حرارة مختلفين. حوّل جميع القراءات إلى أساس مشترك قبل استخدامها في الميزان.

قد يؤدي عدم القيام بذلك إلى أخطاء ظاهرية كبيرة في ميزان المواد حتى عندما تكون المعدات تعمل بصورة صحيحة.

التحقق من بخار المذيب والتكثف

يزيد بخار الماء المضاف إلى الغاز عدد مولات الغاز الكلية، بينما يزيل التكثف مولات من الطور الغازي. وقد تكون هذه التأثيرات مماثلة لإزالة المذاب في بعض الأنظمة.

استخدم تراكيب الغاز الجاف متى أمكن، أو أدرج بخار المذيب صراحةً في ميزان المكوّنات.

أخذ التفاعل والتأثيرات الحرارية في الاعتبار

تتفاعل بعض الغازات الممتصة في السائل، كما قد يحدث للأمونيا أو كلوريد الهيدروجين في الأنظمة المائية. ولا يبطل التفاعل ميزان المذاب الكلي، لكنه يؤثر في الاتزان وتركيب السائل والشكل الذي توجد به الأنواع الممتصة.

قد يطلق الامتصاص أيضًا حرارة كبيرة. وإذا تغيرت درجة حرارة العمود بصورة ملحوظة، فاستخدم درجة الحرارة المقاسة عند الخروج في حساب حجم الغاز، وقيّم متطلبات التبريد بصورة منفصلة باستخدام ميزان الطاقة.

اعتبار إغلاق الميزان أداة تشخيصية

من الفحوصات المفيدة الكلية:

[ \text{إغلاق الميزان}

\frac{\text{معدل الإدخال}-\text{معدل الإخراج}} {\text{معدل الإدخال}} ]

بالنسبة إلى المذاب، ينبغي أن يتفق تراكمه في السائل أو معدل امتصاصه مع الانخفاض المحسوب من جانب الغاز ضمن حدود عدم اليقين المتوقع في القياس.

تشير الفروق الكبيرة عادةً إلى استخدام أسس تدفق غير صحيحة، أو أخطاء في قياس التركيب، أو وجود تسربات، أو تشغيل غير مستقر، أو تبخر غير مقاس للمذيب، أو افتراض غير صالح بشأن الغاز الخامل.

كيفية تطبيق ذلك على وحدتك التجريبية

استخدم التسلسل التالي لكل حالة تشغيل مستقرة:

إذا كان تركيزك الأساسي على دقة ميزان المواد: احسب التدفق المولي للغاز الخامل عند الدخول، وساوِه بتدفق الغاز الخامل عند الخروج، واستخدم التراكيب المقاسة لتحديد جميع معدلات التدفق الكلية ومعدلات تدفق المكوّنات.
إذا كان تركيزك الأساسي على تغير تدفق الغاز: أعد حساب الحجم عند الخروج باستخدام (Q=\dot n ZRT/P)، مع استخدام درجة حرارة وضغط الخروج بدلًا من افتراض ثبات التدفق الحجمي عند الدخول.
إذا كان تركيزك الأساسي على كفاءة إزالة المذاب: احسب ((\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}})/\dot n_{A,\text{in}})، وتحقق من النتيجة بمقارنتها بالزيادة في المذاب داخل السائل.
إذا كان تركيزك الأساسي على متطلبات المذيب: ادمج ميزان المذاب مع تركيب السائل وبيانات الاتزان لتحديد ما إذا كان تدفق المذيب يوفر قدرة امتصاص كافية.
إذا كان تركيزك الأساسي على التشغيل الموثوق للوحدة التجريبية: تحقق من ظروف الغاز الجاف مقابل الرطب، وهبوط الضغط، وتغير درجة الحرارة، وتبخر المذيب، والتفاعل، وإغلاق الميزان الكلي قبل تفسير أداء الفصل.

مع استخدام الغاز الحامل الخامل مكوّنًا مرجعيًا، وبيانات متسقة للضغط ودرجة الحرارة والتركيب، يمكن حساب أداء الامتصاص وتغيرات تدفق الغاز مباشرةً والتحقق منهما بصورة مستقلة.

جدول الملخص:

الحساب	المعادلة أو الطريقة الأساسية	الغرض
إجمالي تدفق الغاز عند الدخول	(\dot n_{G,in}=P_{in}Q_{in}/(ZRT_{in}))	تحويل الحجم الداخل إلى تدفق مولي
تدفق الغاز الحامل الخامل	(\dot n_I=y_{I,in}\dot n_{G,in})	تحديد المكوّن المرجعي المحفوظ
إجمالي تدفق الغاز عند الخروج	(\dot n_{G,out}=\dot n_I/y_{I,out})	أخذ إزالة المذاب في الاعتبار
معدل امتصاص المذاب	(\dot n_{A,absorbed}=\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})	تحديد كمية المذاب الملتقطة
كفاءة الإزالة	(\eta_A=(\dot n_{A,in}-\dot n_{A,out})/\dot n_{A,in})	قياس أداء الممتص
التدفق الحجمي عند الخروج	(Q_{out}=\dot n_{G,out}Z_{out}RT_{out}/P_{out})	تحديد التغير الفعلي في تدفق الغاز
التحقق من جانب السائل	الزيادة في مذاب السائل = إزالة مذاب الغاز	التحقق من إغلاق ميزان المواد

هل تخطط لإنشاء وحدة تجريبية لامتصاص الغاز أو تحسينها؟ تواصل مع LABPARK لمناقشة تطبيقك. توفر LABPARK وحدات تجريبية تعليمية ومهنية للعمليات الكيميائية، والهندسة الحيوية والتقنيات الحيوية، والتدريب والبحث في مجال البيئة ومعالجة المياه. تساعد أنظمتنا الجامعات ومعاهد البحوث والمؤسسات على تعليم وتقييم موازين المكوّنات الخاملة، وتغيرات تدفق الغاز، وإزالة المذاب، والامتصاص من جانب السائل، وسلوك الاتزان، وأداء خط التشغيل باستخدام معدات عملية تركز على التطبيقات.