يتم تحديد التوازن الحجمي للغاز عن طريق حفظ مكون الغاز الجاف غير القابل للتكثيف، وليس بافتراض أن الحجم الكلي للغاز ثابت. احسب أولاً التدفق المولي للغاز الجاف عند المدخل، ثم استخدم تدفق الغاز الجاف غير المتغير لتحديد إجمالي التدفق المولي عند المخرج بعد إضافة بخار الماء. وأخيراً، طبق قانون الغاز المثالي عند درجات الحرارة والضغوط الفعلية للمدخل والمخرج للحصول على معدلات التدفق الحجمي المقابلة.

الخلاصة الأساسية: في المحطات التجريبية للتبخير والترطيب، تؤدي إضافة الماء إلى تغيير إجمالي مولات الغاز وتركيبه، بينما قد تؤدي درجة الحرارة والضغط أيضاً إلى تغيير حجم الغاز. الغاز الحامل الجاف وغير المتفاعل - مثل النيتروجين أو جزء الهواء الجاف - هو المكون الرابط المستخدم لإغلاق التوازن.

لماذا لا يتم حفظ الحجم الكلي للغاز

يزيد بخار الماء من تدفق الغاز الكلي

عندما يتبخر الماء السائل في تيار غازي عابر، يظل التدفق المولي للغاز الحامل الجاف ثابتاً بشكل أساسي، لكن التدفق المولي لبخار الماء يزداد.

لذلك،

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

\dot n_{\text{total,in}} ]

عند حدوث التبخير وعدم إزالة أي مكون غازي آخر.

قد يزداد التدفق الحجمي بشكل أكبر إذا كان غاز المخرج أكثر دفئاً أو يتم الحفاظ عليه عند ضغط مطلق أقل.

الغاز الحامل الجاف هو المكون الرابط

يعتمد التوازن على مكون لا يتفاعل أو يتكثف أو يذوب بشكل كبير أو يغادر الطور الغازي بطريقة أخرى.

بالنسبة لنظام الهواء والماء، يمكن التعامل مع هذا على أنه هواء جاف. في نظام مختبري محكوم، غالباً ما يستخدم النيتروجين كمكون محفوظ.

التوازن الأساسي هو:

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

حيث (\dot n_d) هو معدل التدفق المولي للغاز الجاف.

الخطوة 1: تحديد تدفق الغاز الجاف عند المدخل

تحويل حجم المدخل إلى تدفق مولي كلي

بالنسبة لمعدل التدفق الحجمي للغاز الداخل المقاس، استخدم معادلة الغاز المثالي:

[ \dot n_{\text{in}}

\frac{P_{\text{in}}\dot V_{\text{in}}} {R T_{\text{in}}} ]

استخدم الضغط المطلق ودرجة الحرارة المطلقة.

إذا كان تركيب الغاز الداخل معروفاً، فإن التدفق المولي للغاز الجاف هو:

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

y_{d,\text{in}}\dot n_{\text{in}} ]

حيث (y_{d,\text{in}}) هو الكسر المولي للغاز الجاف عند المدخل.

إذا كان تدفق المدخل معلناً بالفعل على أساس الغاز الجاف، فقد يمثل (\dot n_{\text{in}}) مباشرة (\dot n_d).

استخدم الرطوبة أو تركيب بخار الماء بشكل متسق

يرتبط الكسر المولي لبخار الماء بنسبة الغاز الجاف المولية من خلال:

[ Y=\frac{\dot n_w}{\dot n_d}

\frac{y_w}{1-y_w} ]

حيث:

• (Y) هي الرطوبة المولية، بمول ماء/مول غاز جاف؛
• (y_w) هو الكسر المولي لبخار الماء؛
• (\dot n_w) هو التدفق المولي لبخار الماء.

يجب تعريف نسبة الرطوبة بشكل متسق عند كل من المدخل والمخرج.

الخطوة 2: تحديد تبخر الماء

تطبيق توازن مكون الماء

عند الحالة المستقرة، يكون توازن الماء هو:

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

\dot n_{w,\text{in}} + \dot n_{\text{evap}} ]

باستخدام أساس الغاز الجاف:

[ \dot n_{\text{evap}}

\dot n_d\left(Y_{\text{out}}-Y_{\text{in}}\right) ]

هذا يعطي المعدل المولي للماء المتبخر.

المعدل الكتلي المقابل هو:

[ \dot m_{\text{evap}}

\dot n_{\text{evap}}M_w ]

حيث (M_w) هو الوزن الجزيئي للماء.

بالنسبة لمحطة تجريبية ذات تغذية معروفة بالماء السائل، يجب أولاً تحويل معدل التغذية السائلة إلى معدل مولي:

[ \dot n_{w,\text{liquid}}

\frac{\dot m_{w,\text{liquid}}}{M_w} ]

فقط الجزء الذي يدخل فعلياً إلى الطور الغازي ينتمي إلى (\dot n_{\text{evap}}).

حساب إجمالي التدفق المولي للمخرج

لأن التدفق المولي للغاز الجاف محفوظ:

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

\dot n_d+\dot n_{w,\text{out}} ]

بدلاً من ذلك، إذا كان الكسر المولي للغاز الجاف عند المخرج معروفاً:

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

\frac{\dot n_d}{y_{d,\text{out}}} ]

غالباً ما يكون هذا هو النهج الأكثر ملاءمة عند قياس رطوبة المخرج مباشرة.

الخطوة 3: تحويل التدفق المولي إلى تدفق حجمي

حساب حجم المدخل

التدفق الحجمي للمدخل هو:

[ \dot V_{\text{in}}

\frac{\dot n_{\text{total,in}}RT_{\text{in}}} {P_{\text{in}}} ]

حساب حجم المخرج

التدفق الحجمي للمخرج هو:

[ \dot V_{\text{out}}

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

يؤدي الجمع بين توازن الغاز الجاف وقانون الغاز إلى:

[ \dot V_{\text{out}}

\frac{\dot n_d(1+Y_{\text{out}})RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]

وبالمثل، يمكن كتابة تدفق المدخل كـ:

[ \dot V_{\text{in}}

\frac{\dot n_d(1+Y_{\text{in}})RT_{\text{in}}} {P_{\text{in}}} ]

وبالتالي فإن نسبة التمدد الحجمي هي:

[ \frac{\dot V_{\text{out}}}{\dot V_{\text{in}}}

\frac{1+Y_{\text{out}}}{1+Y_{\text{in}}} \frac{T_{\text{out}}}{T_{\text{in}}} \frac{P_{\text{in}}}{P_{\text{out}}} ]

يُظهر هذا التعبير المساهمات الثلاث في تغير الحجم:

1. إضافة الماء، من خلال (Y_{\text{out}}/Y_{\text{in}})؛
2. تغير درجة الحرارة، من خلال (T_{\text{out}}/T_{\text{in}})؛
3. تغير الضغط، من خلال (P_{\text{in}}/P_{\text{out}}).

تطبيق التوازن على محطة تجريبية للترطيب

الترطيب بالتيار المعاكس

في عمود الترطيب، يتلامس الغاز غير المشبع مع الماء السائل المتداول. يكتسب الغاز بخار الماء بينما يظل الغاز الحامل الجاف ثابتاً تقريباً.

معادلات توازن المادة المطلوبة هي:

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

و

[ \dot n_{d} \left(Y_{\text{out}}-Y_{\text{in}}\right)

\dot n_{\text{liquid evaporated}} ]

يتم بعد ذلك حساب التدفق الحجمي للمخرج من رطوبة المخرج ودرجة الحرارة والضغط.

التشغيل الأديباتي (المعزول)

في عمود ترطيب معزول، يسحب التبخر الحرارة الكامنة من أطوار الغاز والسائل. يظل التوازن الحجمي توازناً للمادة، ولكن يجب الحصول على درجة حرارة المخرج من توازن طاقة منفصل.

للترطيب الأديباتي، يمكن التعبير عن العلاقة كـ:

[ (\theta-\theta_s)s

(H_s-H)\lambda ]

حيث (s) هي الحرارة الرطبة، (H) هي الرطوبة، (\theta_s) هي درجة حرارة التشبع الأديباتي، و(\lambda) هي الحرارة الكامنة للتبخير.

يتم تمثيل الحرارة الرطبة عادة كـ:

[ s=C_a+\mathscr{H}C_w ]

بالنسبة لنظام الهواء والماء، التقريب المستخدم بشكل متكرر هو:

[ s\approx 1.00+1.9\mathscr{H} \quad \text{kJ/(kg·K)} ]

بمجرد تحديد درجة حرارة المخرج من توازن الطاقة، يتم إدراجها في معادلة الغاز المثالي للتدفق الحجمي للمخرج.

إجراء القياس العملي

قياس التدفق في ظروف محددة

لا تكون قراءة التدفق الحجمي ذات معنى إلا عند معرفة درجة حرارته وضغطه وأساس رطوبته.

سجل:

• درجة حرارة المدخل والمخرج؛
• الضغط المطلق للمدخل والمخرج؛
• معدل التدفق الحجمي؛
• تركيب الغاز أو الرطوبة؛
• معدلات التغذية والتفريغ للسائل.

لا تقارن أحجام المدخل والمخرج مباشرة ما لم يتم تصحيحها لنفس ظروف المرجع.

تصحيح قياسات إزاحة الغاز

إذا تم استخدام سحاحة غاز أو وعاء تسوية، فقم بموازنة مستويات السائل قبل القراءة. هذا يجعل ضغط الغاز داخل أنبوب القياس مساوياً للضغط الخارجي.

اسمح للجهاز بالوصول إلى التوازن الحراري قبل تسجيل الحجم.

إذا تم جمع الغاز فوق سائل، اطرح ضغط بخار السائل:

[ P_{\text{dry gas}}

P_{\text{total}}-P_{\text{vapor}} ]

يجب أيضاً اختيار سائل الإزاحة بحيث لا يذوب أو يتفاعل بشكل كبير مع الغاز الذي يتم قياسه.

فهم المقايضات

افتراضات الغاز المثالي

تعد معادلة الغاز المثالي كافية عادة لظروف المحطات التجريبية للهواء والماء والنيتروجين والماء عند ضغط معتدل. عند الضغط العالي أو عند وجود غازات غير مثالية بقوة، يجب تضمين معامل الانضغاط:

[ \dot V

\frac{Z\dot nRT}{P} ]

أخطاء قياس الرطوبة

قد تتأثر مستشعرات الرطوبة بتدرجات الحرارة، والتكثيف، ووقت الاستجابة، وضعف خلط الغاز.

يمكن أن يؤدي خطأ صغير في رطوبة المخرج إلى خطأ كبير في تبخر الماء المحسوب لأن تدفق الغاز الجاف يُضرب في فرق الرطوبة.

تأثيرات انخفاض الضغط

قد يكون للأعمدة المعبأة، وغرف الرش، وأبراج الترطيب انخفاضات قابلة للقياس في الضغط.

استخدام ضغط المدخل لحساب المخرج يمكن أن يبالغ في تقدير أو يقلل من حجم المخرج، اعتماداً على ظروف التشغيل الفعلية.

تجاهل انتقال السائل

قد يحتوي مخرج الغاز على قطرات سائل محتجزة بالإضافة إلى بخار الماء. تلك القطرات لا تنتمي إلى التوازن المولي للطور الغازي ويجب إزالتها بواسطة مزيل الرذاذ أو حسابها بشكل منفصل.

الخلط بين الرطوبة الكتلية والمولية

قد يتم الإبلاغ عن الرطوبة ككيلوجرامات من الماء لكل كيلوجرام من الغاز الجاف، أو مولات من الماء لكل مول من الغاز الجاف، أو كسر مولي لبخار الماء.

هذه الكميات ليست قابلة للتبديل بدون تحويل. يجب أن يستخدم التوازن تعريفاً واحداً متسقاً في جميع أنحائه.

كيفية تطبيق ذلك على محطتك التجريبية

استخدم سير العمل التالي لإغلاق التوازن الحجمي للغاز:

• إذا كان تركيزك الأساسي هو حجم غاز المخرج: قم بقياس أو حساب رطوبة المخرج ودرجة الحرارة والضغط المطلق، ثم استخدم (\dot V_{\text{out}}=\dot n_{\text{total,out}}RT_{\text{out}}/P_{\text{out}}).
• إذا كان تركيزك الأساسي هو معدل التبخير: احفظ تدفق الغاز الجاف واحسب (\dot n_{\text{evap}}=\dot n_d(Y_{\text{out}}-Y_{\text{in}})).
• إذا كان تركيزك الأساسي هو أداء الترطيب: قارن رطوبة المدخل والمخرج على أساس الغاز الجاف مع التحقق من إغلاق توازن الغاز الحامل الجاف.
• إذا كان تركيزك الأساسي هو التحقق التجريبي: صحح جميع قياسات التدفق لظروف درجة الحرارة والضغط والرطوبة الفعلية، وتحقق بشكل منفصل من توازنات الماء والطاقة.

بمجرد معرفة المكون الرابط للغاز الجاف وظروف التيار الفعلية، يتبع التوازن الحجمي للتبخير أو الترطيب مباشرة من توازنات المكونات وقانون الغاز المثالي.

جدول الملخص:

هل تحتاج إلى بيانات موثوقة على نطاق تجريبي للتبخير أو الترطيب أو نقل الكتلة بين الغاز والسائل؟ اتصل بـ LABPARK لمناقشة متطلباتك. توفر LABPARK محطات تجريبية للعمليات الوحدوية التعليمية والمهنية للهندسة الكيميائية، والمعالجة الحيوية والتكنولوجيا الحيوية، وتطبيقات معالجة البيئة والمياه. تساعد أنظمتنا الجامعات ومعاهد البحوث والمؤسسات على تقييم توازنات الغاز الجاف، وتغيرات الرطوبة، ومعدلات التبخير، وأداء الطاقة، وظروف التشغيل الحقيقية بمعدات عملية وقابلة للتكوين. شارك أهداف عمليتك مع فريقنا لتحديد تكوين المحطة التجريبية المناسب للتدريس أو البحث أو تطوير العمليات أو تدريب القوى العاملة.

المنتجات ذات الصلة

• محطة تجريبية تعليمية لعمليات وحدات التبخير بالغشاء الصاعد والمنخفض
• وحدة تجريبية لتدريب العمليات الوحدية لاستخلاص المنتجات الطبيعية
• مصنع تجريبي تعليمي للعمليات الوحدوية لتبخر الفلاش فوق الحرج عالي الجاذبية
• مصنع تجريبي متعدد الوسائط للامتصاص والامتصاص العكسي لتدريب العمليات الوحدوية
• محطة تجريبية لعمليات الهدرجة التعليمية المستمرة بالدورة المغلقة بسعة 100 لتر

يسأل الناس أيضًا

• كيفية اختيار مبخرات الدورة الطبيعية مقابل القسرية حسب نوع التغذية
• كيف تختلف متطلبات العمليات الوحدة بين العمليات الكيميائية التقليدية والعمليات الحيوية؟ بناء مناهج أفضل للمصانع التجريبية
• كيف تساعد وحدات العمليات التعليمية المصغرة على سد الفجوة بين النظرية والتصميم؟ سد فجوة الهندسة
• كيف تتعامل وحدات العمليات التعليمية التجريبية المصغرة مع السلامة وإدارة النفايات عند التوسع في النطاق؟
• كيف تربط مصانع الوحدات التشغيلية التجريبية التعليمية بين النظرية وتطوير العمليات الصناعية؟ التعلم العملي