كيف تقيّم وحدات الامتصاص الغازي التجريبية في الهندسة الكيميائية تغيرات حجم الغاز؟ قارن بين طريقتين للغسل

تستخدم وحدات الامتصاص الغازي التجريبية في الهندسة الكيميائية كلتا الطريقتين لتحويل إزالة المذاب إلى تغير قابل للقياس في حجم الغاز. تقدّر طريقة حجم المكوّن النقي الحجم الذي يشغله الغاز الممتص، وتزيل هذه المساهمة من الخليط الداخل قبل تصحيح الحجم وفق درجة حرارة وضغط المخرج. أما طريقة الضغط الجزئي فتستخدم غازًا خاملًا محفوظًا، مثل النيتروجين أو الهواء الجاف، وتحسب حجم المخرج من الضغوط الجزئية الداخلة والخارجة له.

يتمثل المبدأ الأساسي في حفظ مكوّن مرجعي غير ممتص: فعلى الرغم من انخفاض كمية المذاب الذي خضع للغسل، يبقى المكوّن الخامل في الطور الغازي، مما يوفر أساسًا موثوقًا لحساب حجم الغاز النهائي.

لماذا يتغير حجم الغاز أثناء الغسل

تؤدي إزالة المذاب إلى تغيير إجمالي مولات الغاز

إذا امتص جهاز الغسل حمض الهيدروكلوريك أو الكلور أو ثاني أكسيد الكبريت أو ثاني أكسيد الكربون أو أي مكوّن آخر قابل للذوبان، فإن المذاب ينتقل من الطور الغازي إلى الطور السائل.

وبالتالي ينخفض إجمالي عدد مولات الطور الغازي، ما لم يُضف مكوّن متطاير آخر، مثل بخار الماء، إلى الغاز.

تؤثر درجة الحرارة والضغط أيضًا في الحجم

يعتمد حجم الغاز على أكثر من مجرد التركيب. وبالنسبة إلى الغاز المثالي:

PV = nRT

وبناءً على ذلك، قد يكون لتيار المخرج حجم مختلف بسبب التغير في مولات الغاز أو درجة الحرارة أو الضغط أو العوامل الثلاثة معًا.

يوفر الغاز الخامل المرجع

يُختار غاز حامل، مثل النيتروجين أو الهواء الجاف، ليكون المكوّن الرابط. ويُفترض أن يظل تدفقه الكتلي أو المولي ثابتًا عبر عمود الامتصاص.

يسمح هذا المكوّن المحفوظ للمهندسين بالتمييز بين الإزالة الفعلية للمذاب وتغيرات الحجم الناتجة فقط عن ظروف التشغيل.

تطبيق طريقة حجم المكوّن النقي

ابدأ بحساب حجم الخليط الداخل

قِس أو احسب حجم الغاز الداخل ودرجة حرارته وضغطه:

V_in, T_in, P_in

إذا كان للمكوّن الممتص الكسر المولي الداخل y_A,in، فإن حجمه الجزئي وفق الغاز المثالي عند ظروف الدخول هو:

V_A,in = y_A,in V_in

وبصورة مكافئة، باستخدام مولاته الداخلة:

V_A,in = n_A,in R T_in / P_in

أزل الحجم المرتبط بالمذاب الممتص

في حالة الامتصاص الكامل للمكوّن A، يُقَرَّب حجم الغاز المتبقي عند درجة حرارة وضغط الدخول كما يلي:

V_remaining,in = V_in - V_A,in

أما في حالة الامتصاص الجزئي، فينبغي إزالة الجزء الممتص فقط:

V_remaining,in = V_in - Delta(n_A) R T_in / P_in

حيث إن Delta(n_A) هو عدد مولات A المنقولة إلى السائل.

ويكتسب هذا التمييز أهمية لأن جهاز الغسل يزيل عادةً جزءًا من المذاب وليس كله.

صحّح حجم الغاز المتبقي وفق ظروف المخرج

بعد تحديد حجم الغاز المتبقي عند ظروف الدخول، طبّق تصحيح الغاز المثالي:

V_out =
V_remaining,in (T_out / T_in) (P_in / P_out)

يفترض هذا الحساب أن الغاز المتبقي يتصرف بصورة مثالية، وأن تركيب الغاز المستخدم في تقدير الحجم معروف أو مقَرَّب بصورة كافية.

استخدم الطريقة لتقدير أولي للحجم

تتميز طريقة المكوّن النقي بالوضوح لأنها تتعامل مع المذاب الممتص بوصفه مساهمة حجمية تختفي من تيار الغاز.

وتفيد هذه الطريقة بصفة خاصة في تعليم العلاقة المباشرة بين إزالة المذاب وانخفاض حجم الطور الغازي، شريطة تحديد نسبة الامتصاص وظروف التشغيل بوضوح.

تطبيق طريقة الضغط الجزئي

اكتب موازنة الغاز الخامل

لنفترض أن المكوّن I يمثل الغاز الحامل غير الممتص. تكون كميتا مولاته الداخلة والخارجة متساويتين:

n_I,in = n_I,out

باستخدام قانون الغاز المثالي وقانون دالتون:

n_I,in = P_I,in V_in / (R T_in)
n_I,out = P_I,out V_out / (R T_out)

بمساواة هذين التعبيرين نحصل على:

V_out =
V_in (P_I,in / P_I,out) (T_out / T_in)

وهنا تكون الضغوط الجزئية للغاز الخامل كما يلي:

P_I,in = y_I,in P_in
P_I,out = y_I,out P_out

فسّر تغير الضغط الجزئي

عندما يزيل جهاز الغسل المذاب، يشغل الغاز الخامل جزءًا أكبر من خليط المخرج. لذلك قد تزداد حصته المولية رغم بقاء عدد مولاته دون تغيير.

وعند ثبات درجة الحرارة، إذا انخفض الضغط الجزئي للغاز الخامل، فيجب أن يزداد حجم المخرج ليستوعب الكمية نفسها من الغاز الخامل. أما إذا ظل الضغط الجزئي للغاز الخامل ثابتًا، فإن موازنة الغاز الخامل تتنبأ بعدم حدوث تغير في الحجم ناتج عن التركيب.

طبّق الحالة متساوية الحرارة الشائعة

إذا تساوت درجتا حرارة الدخول والمخرج:

V_out / V_in = P_I,in / P_I,out

يُعد هذا الشكل مناسبًا لحسابات الوحدات التجريبية لأنه يتجنب الحساب المباشر لمساهمة كل مكوّن في الحجم.

أدرج ظروف المخرج المقاسة

ينبغي أن تستخدم الطريقة الضغط الجزئي الفعلي للغاز الخامل عند المخرج، المحسوب من تركيب المخرج المقاس والضغط الكلي.

قد يؤدي استخدام الضغط الكلي وحده إلى نتيجة غير صحيحة، لأن الضغط الكلي لا يحدد مقدار مساهمة الغاز الحامل المحفوظ في هذا الضغط.

ربط حسابات الحجم بأداء الغسل

حدّد كمية المذاب الممتص

توفر موازنة المذاب الكمية الممتصة:

n_A,absorbed = n_A,in - n_A,out

وبالنسبة إلى تيار غازي ذي مكوّن خامل محفوظ، يمكن حساب كميتي المذاب الداخلة والخارجة نسبةً إلى تدفق الغاز الخامل:

n_A / n_I = y_A / y_I

وتكون نسبة الامتصاص بعد ذلك:

fraction absorbed =
(n_A,in - n_A,out) / n_A,in

اربط التركيب بالاتزان

يعتمد تركيب المذاب عند المخرج على الاتزان بين الغاز والسائل، وتدفق المذيب، ودرجة الحرارة، والضغط، وكفاءة التلامس في العمود.

يمكن استخدام قانون هنري أو بيانات أخرى للاتزان بين البخار والسائل لتقدير تركيز المذاب المتبقي في الغاز عند ظروف التشغيل.

تحقق من موازنتي الغاز والسائل معًا

ينبغي أن تكون نتيجة حجم الغاز متوافقة مع كلا الطورين:

• يفقد الطور الغازي المذاب الممتص.
• يكتسب الطور السائل المذاب.
• يبقى الغاز الحامل الخامل في الطور الغازي.
• يجب إدراج أي مذيب متبخر أو بخار قابل للتكثف بوصفه مكوّنًا إضافيًا في الطور الغازي.

وتُعد هذه الموازنة المجمعة أساسية عندما يؤثر بخار الماء أو مواد الغسل الكيميائية التفاعلية في تركيب المخرج.

فهم المفاضلات

تعتمد طريقة المكوّن النقي على أساس واضح للامتصاص

لا يكون طرح الحجم الجزئي الكامل للمذاب صحيحًا إلا عندما تتم إزالة المكوّن بالكامل، أو عندما يمثل الحساب صراحةً الكمية الممتصة.

إذا بقي مذاب متبقٍ في غاز المخرج، فإن طرح كامل حجمه الداخل يؤدي إلى المبالغة في تقدير انخفاض حجم الغاز.

تعتمد طريقة الضغط الجزئي على صلاحية المكوّن الرابط

يجب أن يكون الغاز الحامل غير ممتص، وغير متكثف، وغير تفاعلي في ظروف العمود.

إذا ذاب النيتروجين بدرجة كبيرة، أو تفاعل الأكسجين، أو فُقد تدفق الغاز الحامل بسبب التسرب، فسيتحيز حجم المخرج المحسوب.

قد لا يكون سلوك الغاز المثالي كافيًا عند الضغط المرتفع

عند الضغوط المتوسطة، يكون قانون الغاز المثالي غالبًا مناسبًا للحسابات التعليمية والحسابات الأولية للوحدات التجريبية.

أما عند الضغط المرتفع أو بالقرب من التكثف، فقد تكون هناك حاجة إلى معاملات الانضغاط وتأثيرات الفيوغاسية للغازات الحقيقية:

PV = ZnRT

ويظل منطق المكوّن المحفوظ نفسه ساريًا، لكن يجب تطوير نموذج الخواص.

يعقّد التكثف وتبخر المذيب الموازنة

قد يزيل جهاز الغسل مكوّنًا غازيًا واحدًا، بينما يضيف في الوقت نفسه بخار مذيب إلى تيار الغاز.

فعلى سبيل المثال، يمكن للغسل بالماء أن يمتص غازًا حمضيًا، مع زيادة محتوى بخار الماء في الوقت نفسه. لذلك يجب أن يشمل التغير الصافي في الحجم كلا التأثيرين.

يجب قياس هبوط الضغط أو نمذجته

تعاني الأعمدة المحشوة عادةً من هبوط في الضغط بين المدخل والمخرج.

قد يؤدي افتراض ثبات الضغط عندما يكون للعمود هبوط ضغط ملحوظ إلى إخفاء تأثير الامتصاص والتسبب في تقدير غير دقيق لتدفق الخروج.

اختيار الطريقة المناسبة لهدفك

استخدم الطريقة التي تتوافق بأفضل صورة مع القياسات المتاحة والسلوك الفيزيائي للوحدة التجريبية.

• إذا كان تركيزك الأساسي هو تعليم التأثير المباشر لإزالة المذاب: استخدم طريقة حجم المكوّن النقي، مع طرح الحجم الموافق للكمية الممتصة فعليًا فقط، ثم التصحيح وفق درجة حرارة وضغط المخرج.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو التقييم الدقيق لتدفق الوحدة التجريبية: استخدم طريقة الضغط الجزئي مع غاز حامل خامل تم التحقق منه وضغوط جزئية مقاسة عند الدخول والمخرج.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو أداء جهاز الغسل: اجمع أيًا من طريقتي الحجم مع موازنتي المذاب والمذيب لحساب كفاءة الإزالة واستهلاك السائل.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو الأنظمة ذات الضغط المرتفع أو القابلة للتكثف: أدرج تأثيرات الغاز الحقيقي واتزان البخار والسائل والتكثف وتبخر المذيب، بدلًا من الاعتماد على طرح حجم الغاز المثالي وحده.

ومن خلال ربط الحساب بمكوّن خامل محفوظ وظروف تشغيل مقاسة، يستطيع المهندسون التمييز بين تغيرات حجم الغاز الناتجة عن الغسل وتلك الناتجة عن درجة الحرارة أو الضغط أو التبخر.

جدول الملخص:

خطّط لدراسة امتصاص غازي أكثر موثوقية مع LABPARK. تساعد وحدات العمليات التعليمية والمهنية التجريبية لدينا الجامعات ومعاهد البحوث والمؤسسات على تقييم غسل الغازات، وموازنات الغازات الخاملة، وإزالة المذاب، وهبوط الضغط، وتبخر المذيب، وسلوك تدفق المخرج في ظروف تشغيل واقعية. توفر LABPARK وحدات تجريبية للهندسة الكيميائية، والعمليات الحيوية والتكنولوجيا الحيوية، وتطبيقات المعالجة البيئية ومعالجة المياه. تواصل مع LABPARK لمناقشة الغاز المستهدف والمذيب وظروف التشغيل وأهدافك التعليمية أو البحثية وتكوين الوحدة التجريبية الذي يدعم بصورة أفضل التدريب الدقيق وتطوير العمليات وتوسيع النطاق.

المنتجات ذات الصلة

• وحدة تجريبية رائدة لعمليات الامتصاص والامتصاص العكسي للغاز بوضع ثنائي
• مصنع تعليمي تجريبي لامتصاص ثاني أكسيد الكربون ونزعه لدراسات التقاط الكربون
• وحدة تجريبية لعمليات الامتزاز والالتقاط لثاني أكسيد الكربون
• مصنع امتصاص ونزع امتصاص تعليمي للعمليات الوحدوية
• وحدة الامتصاص بالملء التعليمية لعمليات الوحدة النموذجية

يسأل الناس أيضًا

• كيف تؤثر درجة الحرارة والضغط على امتصاص وإزالة الغاز؟ تحسين أداء المصنع التجريبي
• كيف تنطبق نظرية الفيلمين ونظرية الاختراق على التدريس باستخدام وحدة امتصاص الغاز التجريبية؟ رؤى تربوية رئيسية.
• كيف يؤثر سلوك الضغط الجزئي على مصانع امتصاص الغاز التجريبية؟ إتقان نقل الكتلة
• كيف يتم تحديد اتجاه نقل الكتلة والقوة المحركة له في عمليات وحدة امتصاص الغاز في النباتات التجريبية؟
• كيف يمكن نمذجة الامتصاص الكيميائي كامتصاص فيزيائي؟ معيار تبسيط الوحدة التجريبية.