يُحسب التدفق الحجمي وكثافة الغاز من خلال تتبّع مكوّن غازي محفوظ، ثم تصحيح النتائج وفقًا للتركيب ودرجة الحرارة والضغط والسلوك غير المثالي. في المبخّر، يبقى مكوّن التتبع ثابتًا بينما تؤدي زيادة السائل المتبخر إلى زيادة إجمالي مولات الغاز. وفي الماصّ، يبقى مكوّن التتبع ثابتًا بينما يؤدي المذاب الممتص إلى خفض إجمالي مولات الغاز.

الخلاصة الأساسية: اختر مكوّن تتبع غير متفاعل وغير قابل للتكثف—مثل النيتروجين في الهواء—واستخدم تدفقه المولي لربط حالتي الدخول والخروج. بعد معرفة التدفق المولي الكلي والوزن الجزيئي المتوسط في كل حالة، احسب التدفق الحجمي باستخدام قانون الغاز، والكثافة باستخدام (\rho = PM/(ZRT)).

تحديد أساس مجرى الغاز

اختيار مكوّن تتبع محفوظ

يجب أن يمر مكوّن التتبع عبر الوحدة دون تغيير في كميته المولية. ومن الأمثلة المناسبة النيتروجين في مجرى هواء أو غاز خامل آخر لا يُمتص ولا يتكثف ولا يتبخر ولا يُستهلك بالتفاعل.

بالنسبة إلى مكوّن التتبع (t):

[ \dot n_{t,1}=\dot n_{t,2} ]

لا يصح هذا الافتراض إلا عند عدم وجود تسربات أو تفاعلات أو ذوبان ملحوظ لمكوّن التتبع أو مواد صلبة أو قطرات سائلة غير محسوبة تخرج مع الغاز.

تحويل حجم الدخول المقاس إلى تدفق مولي

إذا قيس التدفق الحجمي للدخول عند ظروف الدخول الفعلية:

[ \dot n_1=\frac{P_1\dot V_1}{Z_1RT_1} ]

فإن تدفق مكوّن التتبع عند الدخول هو:

[ \dot n_t=y_{t,1}\dot n_1 ]

حيث:

• (\dot V) هو معدل التدفق الحجمي،
• (P) هو الضغط المطلق،
• (T) هي درجة الحرارة المطلقة،
• (Z) هو معامل الانضغاط،
• (R) هو ثابت الغاز،
• (y_t) هو الكسر المولي لمكوّن التتبع.

بالنسبة إلى الغازات المخففة عند الضغط المعتدل، غالبًا ما تكون قيمة (Z) قريبة من الواحد، مما يعطي صيغة الغاز المثالي.

حساب التدفق المولي عند الخروج من التركيب

استخدام كسر مكوّن التتبع عند الخروج

نظرًا إلى ثبات التدفق المولي لمكوّن التتبع:

[ \dot n_2=\frac{\dot n_t}{y_{t,2}} ]

لذلك تكون نسبة التدفق المولي الكلي عند الخروج إلى التدفق عند الدخول:

[ \frac{\dot n_2}{\dot n_1}

\frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} ]

تعبّر هذه المعادلة عن تأثير التركيب بصورة مستقلة عن درجة الحرارة والضغط.

إذا انخفض كسر مكوّن التتبع عند الخروج، فهذا يعني أن التدفق المولي الكلي للغاز قد ازداد. وإذا ارتفع كسر مكوّن التتبع، فهذا يعني أن التدفق المولي الكلي للغاز قد انخفض.

تحديد التدفق الحجمي عند الخروج

التدفق الحجمي عند الخروج هو:

[ \dot V_2= \frac{\dot n_2Z_2RT_2}{P_2} ]

وبدمج ذلك مع موازنة مكوّن التتبع نحصل على:

[ \boxed{ \frac{\dot V_2}{\dot V_1}

\frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} \frac{Z_2}{Z_1} \frac{T_2}{T_1} \frac{P_1}{P_2} } ]

بالنسبة إلى سلوك الغاز المثالي:

[ \boxed{ \frac{\dot V_2}{\dot V_1}

\frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} \frac{T_2}{T_1} \frac{P_1}{P_2} } ]

يجب التعبير عن درجات الحرارة بالكلفن أو الرانكن، كما يجب أن تكون الضغوط مطلقة.

حساب كثافة الغاز عند كل حالة

تحديد الوزن الجزيئي المتوسط

لكل تركيب غازي:

[ \overline M=\sum_i y_iM_i ]

حيث إن (y_i) هو الكسر المولي و(M_i) هو الوزن الجزيئي للمكوّن (i).

يصبح الغاز أخف عند إزالة المكوّنات الثقيلة أو إضافة مكوّنات أخف. فعلى سبيل المثال، تؤدي إضافة بخار الماء عمومًا إلى خفض الوزن الجزيئي المتوسط لمجرى هواء جاف، بينما يمكن أن تؤدي إضافة بخار ثقيل إلى زيادته.

تطبيق معادلة كثافة الغاز

كثافة كتلة الغاز هي:

[ \boxed{ \rho=\frac{P\overline M}{ZRT} } ]

بالنسبة إلى الغاز المثالي:

[ \rho=\frac{P\overline M}{RT} ]

وعليه فإن نسبة الكثافة عبر الوحدة هي:

[ \boxed{ \frac{\rho_2}{\rho_1}

\frac{P_2}{P_1} \frac{\overline M_2}{\overline M_1} \frac{Z_1}{Z_2} \frac{T_1}{T_2} } ]

يفصل هذا التعبير بين التأثيرات الرئيسية الثلاثة:

• الضغط: تؤدي زيادة الضغط إلى زيادة الكثافة.
• درجة الحرارة: تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى خفض الكثافة.
• التركيب: تؤدي زيادة الوزن الجزيئي المتوسط إلى زيادة الكثافة.

ربط التدفق الكتلي بالتدفق الحجمي

في أي موضع من العملية:

[ \dot m=\rho\dot V ]

وبالتالي:

[ \dot V=\frac{\dot m}{\rho} ]

لا يبقى التدفق الكتلي الكلي للغاز ثابتًا بالضرورة عند تبخر مادة إلى الغاز أو امتصاصها منه. أما التدفق الكتلي لمكوّن التتبع فيبقى ثابتًا، بينما يتغير التدفق الكتلي الكلي للغاز مع المكوّنات المنتقلة.

تطبيق الطريقة على مبخّر

تحديد البخار المضاف

في وحدة تبخير أو ترطيب، تدخل مادة سائلة—غالبًا الماء—إلى الطور الغازي. وإذا كان الغاز الحامل الجاف محفوظًا:

[ \dot n_{\text{dry},1}

\dot n_{\text{dry},2} ]

فإن تدفق بخار الماء عند الخروج هو:

[ \dot n_{\mathrm{H_2O},2}

y_{\mathrm{H_2O},2}\dot n_2 ]

إذا كان غاز الدخول يحتوي بالفعل على بخار ماء:

[ \dot n_{\mathrm{H_2O,evap}}

\dot n_{\mathrm{H_2O},2}

\dot n_{\mathrm{H_2O},1} ]

يكون معدل التبخر على أساس كتلي:

[ \dot m_{\mathrm{H_2O,evap}}

\dot n_{\mathrm{H_2O,evap}}M_{\mathrm{H_2O}} ]

أخذ درجة الحرارة والضغط في الحسبان في الوقت نفسه

تميل إضافة بخار الماء إلى زيادة إجمالي مولات الغاز. إلا أن حجم الخروج قد يزداد أكثر أو ينخفض تبعًا لدرجة حرارة الخروج وضغطه.

استخدم:

[ \dot V_2= \dot V_1 \frac{y_{t,1}}{y_{t,2}} \frac{Z_2}{Z_1} \frac{T_2}{T_1} \frac{P_1}{P_2} ]

عادةً ما يكون التدفق الحجمي عند مخرج دافئ وبضغط ثابت تقريبًا أكبر، لكن يجب أن تؤخذ تأثيرات التركيب والضغط في الحسبان أيضًا.

استخدام أساسين رطب وجاف متسقين

من الأخطاء الشائعة خلط تركيب الغاز الجاف مع التدفق الحجمي للغاز الرطب. يجب أن يتوافق كسر مكوّن التتبع مع الأساس نفسه المستخدم في قياس التدفق.

فعلى سبيل المثال، إذا كان التدفق المقاس هو تدفق غاز رطب، فاستخدم الكسر المولي لمكوّن التتبع في الغاز الرطب. وإذا أُبلغ عن التدفق على أساس جاف، فحوّل الأساس قبل تطبيق الموازنة.

تطبيق الطريقة على ماصّ

حساب تدفق الغاز الحامل

في ماصّ الغاز، ينتقل المكوّن القابل للذوبان—مثل الأمونيا—من الغاز إلى السائل. ويبقى الغاز الحامل الخامل في الطور الغازي:

[ \dot n_{\text{carrier},1}

\dot n_{\text{carrier},2} ]

ومن قياس الدخول:

[ \dot n_{\text{carrier}}

y_{\text{carrier},1} \frac{P_1\dot V_1}{Z_1RT_1} ]

تحديد تدفق الغاز عند الخروج

باستخدام الكسر المولي للغاز الحامل عند الخروج:

[ \dot n_2

\frac{\dot n_{\text{carrier}}}{y_{\text{carrier},2}} ]

عند إزالة الأمونيا، ينخفض كسرها المولي عند الخروج عمومًا، بينما يرتفع كسر الغاز الحامل. ونتيجة لذلك، يكون التدفق المولي الكلي عند الخروج أقل من تدفق الدخول.

حساب المذاب الممتص

معدل إزالة المذاب من الطور الغازي هو:

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

\dot n_{\text{solute},1}

\dot n_{\text{solute},2} ]

مع:

[ \dot n_{\text{solute},1}=y_{\text{solute},1}\dot n_1 ]

[ \dot n_{\text{solute},2}=y_{\text{solute},2}\dot n_2 ]

ويكون معدل كتلة المذاب الممتص:

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

\dot n_{\text{solute,absorbed}}M_{\text{solute}} ]

بعد ذلك يجب حساب التدفق الحجمي عند الخروج عند درجة حرارة الخروج وضغطه الفعليين، لا افتراض مساواته لتدفق الدخول.

استخدام معدلات التدفق القياسية والفعلية بصورة صحيحة

التمييز بين الحجم الفعلي والحجم القياسي

يشير معدل التدفق الحجمي الفعلي إلى حجم الغاز عند ضغطه ودرجة حرارته التشغيليين. أما معدل التدفق الحجمي القياسي فيشير إلى حالة مرجعية متفق عليها.

بالنسبة إلى التدفق المولي نفسه:

[ \frac{\dot V_2}{\dot V_1}

\frac{Z_2T_2P_1}{Z_1T_1P_2} ]

يجب التعامل مع تغيرات التركيب بصورة منفصلة من خلال موازنة مكوّن التتبع عند تغير التدفق المولي الكلي.

تحويل قراءات الأجهزة قبل إجراء الموازنة

قد تعرض مقاييس التدفق ذات العوامة، ومقاييس التوربين، والأجهزة المماثلة الحجم عند ظروف معايرة أو ظروف مرجعية بدلًا من ظروف العملية الفعلية. وقبل استخدام هذه القراءة في موازنة المواد، تحقق مما يلي:

• ما إذا كانت القراءة تمثل حجمًا فعليًا أم قياسيًا.
• درجة الحرارة والضغط المرجعيان.
• ما إذا كان تركيب الغاز المستخدم للمعايرة يطابق غاز العملية.
• ما إذا كان الجهاز يحتاج إلى تصحيح للانضغاط أو الوزن الجزيئي.

فهم المفاضلات

طريقة مكوّن التتبع قوية لكنها مشروطة

لا تكون الطريقة موثوقة إلا عندما يكون مكوّن التتبع المختار محفوظًا فعلًا. فالنيتروجين ليس مكوّن تتبع صالحًا إذا شارك في تفاعل أو ذاب بدرجة ملحوظة في السائل أو تكثف أو أزيل انتقائيًا.

إذا لم يوجد مكوّن محفوظ، فأجرِ موازنة كاملة للمكوّنات باستخدام تراكيب الدخول والخروج المقاسة وجميع معدلات انتقال الطور ذات الصلة.

قد لا يكون سلوك الغاز المثالي مناسبًا

تكون معادلة الغاز المثالي مناسبة عادةً لمجاري الغاز منخفضة الضغط، لكن المخاليط ذات الضغط المرتفع أو غير المثالية بشدة تتطلب استخدام معامل الانضغاط (Z)، أو معادلة حالة أكثر ملاءمة.

كما تتطلب المجاري المحتوية على الماء عناية خاصة بالقرب من حالة التشبع، حيث قد يؤثر التكثف أو الانجراف أو سلوك البخار غير المثالي في الموازنة.

قد تهيمن قياسات التركيب على عدم اليقين

يُحسب التدفق المولي الكلي عند الخروج من:

[ \dot n_2=\frac{\dot n_t}{y_{t,2}} ]

لذلك يمكن أن تؤدي الأخطاء الصغيرة في قياس كسر مكوّن التتبع عند الخروج إلى أخطاء كبيرة عندما تكون قيمة (y_{t,2}) صغيرة أو عندما يكون تغير التركيب كبيرًا.

ينبغي التحقق من أن محللات الغاز ومقاييس التدفق وحساسات درجة الحرارة وحساسات الضغط تستخدم أساسًا زمنيًا وموقع أخذ عينات مشتركين.

لا يمكن إهمال هبوط الضغط تلقائيًا

قد يتغير الضغط بدرجة كبيرة عبر الماصّات والمبخّرات المعبأة. ويمكن أن يؤدي استخدام ضغط واحد للوحدة بأكملها إلى تشويه حسابات الكثافة والتدفق الحجمي معًا.

بالنسبة إلى الحسابات الهيدروديناميكية، استخدم ظروف الضغط ودرجة الحرارة المحلية أو التمثيلية، وخذ هبوط الضغط عبر المعدة في الحسبان.

اختيار الإجراء المناسب لهدفك

استخدم سير العمل التالي لمعظم حسابات المحطات التجريبية:

• إذا كان تركيزك الأساسي هو التنبؤ بالتدفق الحجمي: اختر مكوّن تتبع محفوظًا، واحسب التدفقات المولية الكلية عند الدخول والخروج من كسره المولي، ثم طبّق تصحيحات الضغط ودرجة الحرارة والانضغاط.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو كثافة الغاز: احسب الوزن الجزيئي المتوسط من التركيب الكامل للغاز، ثم استخدم (\rho=P\overline M/(ZRT)) عند ظروف التشغيل المحلية.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو التبخر أو الترطيب: حدّد الزيادة في التدفق المولي للبخار من تدفق الغاز الجاف المحفوظ وكسري البخار عند الدخول والخروج.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو أداء الامتصاص: استخدم تدفق الغاز الحامل المحفوظ لتحديد إجمالي تدفق الغاز عند الخروج، ثم احسب إزالة المذاب من معدلاته المولية عند الدخول والخروج.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو دقة موازنة المواد: ضع جميع قياسات التدفق على أساس فعلي أو قياسي متسق، وتحقق من صحة افتراض مكوّن التتبع قبل حساب التغيرات.

مع وجود مكوّن تتبع صالح واتساق ظروف الحالة، يمكن تحويل تغيرات التركيب مباشرةً إلى نتائج موثوقة للتدفق الحجمي والكثافة وموازنة الكتلة.

جدول الملخص:

تصميم المحطة التجريبية المناسبة للحصول على بيانات موثوقة عن تدفق الغاز

هل تحتاج إلى التحقق من أداء التبخر أو الترطيب أو الامتصاص أو معالجة الغاز؟ تواصل مع LABPARK لمناقشة تطبيقك.

توفر LABPARK محطات تجريبية تعليمية ومهنية لعمليات الوحدات، مخصصة للهندسة الكيميائية، والمعالجة الحيوية والتكنولوجيا الحيوية، وتطبيقات المعالجة البيئية ومعالجة المياه. تساعد أنظمتنا الجامعات ومعاهد البحوث والمؤسسات على دراسة تغيرات تركيب الغاز، وانتقال الكتلة، وسلوك التدفق، والكثافة، وهبوط الضغط، وأداء العمليات في ظل ظروف تشغيل مضبوطة.

يمكننا مساعدتك في اختيار وتهيئة المحطة التجريبية المناسبة، وأجهزة القياس، ومعدات مناولة الغاز والسائل، وخصائص التشغيل اللازمة للتدريس والبحث وتطوير العمليات وتدريب القوى العاملة. تواصل مع LABPARK لتحديد إعداد عملي وموثوق ينتج بيانات تجريبية ذات قيمة ويدعم أهدافك التقنية.

المنتجات ذات الصلة

• مصنع امتصاص ونزع امتصاص تعليمي للعمليات الوحدوية
• وحدة الامتصاص بالملء التعليمية لعمليات الوحدة النموذجية
• مصنع تجريبي متعدد الوسائط للامتصاص والامتصاص العكسي لتدريب العمليات الوحدوية
• مصنع تعليمي تجريبي لامتصاص ثاني أكسيد الكربون ونزعه لدراسات التقاط الكربون
• وحدة تجريبية رائدة لعمليات الامتصاص والامتصاص العكسي للغاز بوضع ثنائي

يسأل الناس أيضًا

• كيف يمكن إظهار الفرق بين الامتصاص الفيزيائي والكيميائي باستخدام مصنع تجريبي؟ دليل عملي للمختبر.
• كيف تؤثر درجة الحرارة والضغط على امتصاص وإزالة الغاز؟ تحسين أداء المصنع التجريبي
• كيف تؤثر الإلكتروليتات على ذوبانية الغاز؟ قياس تأثير التمليح الخارجي في مصانع الامتصاص التجريبية
• لماذا تكون معدلات نقل الكتلة في الطور السائل في وحدات التجارب الأولية قابلة للمقارنة مع معدلات الطور الغازي؟ رؤى رئيسية
• لماذا يعتبر تكوين الواجهة أمرًا حاسمًا في مصانع الامتصاص التجريبية؟ ربط النظرية بالتطبيق العملي