يتمثل الإجراء في إنشاء توازنات كلية وتوازنات للمكونات حول برج الامتصاص، باستخدام غاز حامل خامل كمرجع للتدفق. قم بقياس تركيبات الغاز عند المدخل والمخرج، والضغط، ودرجة الحرارة، وظروف التدفق؛ واحسب التدفق المولي للغاز الخامل؛ واستنتج إجمالي تدفق الغاز الخارج من تدفق الغاز الخامل غير المتغير؛ ثم حدد إزالة المذاب، وامتصاص السائل، ومتطلبات المذيب. لتحليل التصميم أو الأداء، ادمج هذه التوازنات مع بيانات توازن الطور والحدود الهيدروديناميكية.
الخلاصة الأساسية: في برج امتصاص يعمل في حالة مستقرة، يغير المكون القابل للذوبان طوره بينما يوفر الغاز الحامل الخامل أساسًا محفوظًا لحساب تدفقات التيار غير المعروفة. تعتمد النتائج الدقيقة على تعريفات متسقة للتركيب، وتحويلات صحيحة لحجم الغاز، وتمييز واضح بين الامتصاص الفيزيائي والتفاعل الكيميائي.
تحديد النظام وأساس القياس
تحديد حدود برج الامتصاص
ارسم حجم تحكم حول عمود امتصاص الغاز بالكامل. حدد تيارات الغاز الداخلة والخارجة، وتيارات السائل الداخلة والخارجة، ومكون الغاز القابل للذوبان (A)، والحامل الخامل (I)، وأي أنواع إضافية أو تيارات تعويضية.
بالنسبة لبرج معبأ يعمل بالتيار المعاكس، يتدفق الغاز لأعلى بينما يتدفق المذيب السائل لأسفل. يمكن تطبيق التوازن على العمود بأكمله أو على أقسام تفاضلية عند تقييم انتقال الكتلة المحلي.
تأكيد التشغيل في حالة مستقرة
استخدم توازنات الحالة المستقرة فقط بعد استقرار معدلات تدفق الغاز والسائل، ودرجات الحرارة، والضغوط، والتركيبات. يمكن أن تؤدي بيانات بدء التشغيل الانتقالية إلى أخطاء ظاهرية في توازن الكتلة لأن مخزون العمود يتغير.
تأكد من عدم وجود تسريبات غير مقاسة، أو خسائر بسبب سحب السائل، أو تأثيرات التكثيف، أو تبخر المذيب التي قد تؤثر ماديًا على التوازن.
اختيار أساس تركيب متسق
قد يتم الإبلاغ عن تركيب الغاز ككسر مولي، أو نسبة مئوية بالحجم، أو جزء في المليون بالحجم. بالنسبة للغازات المثالية، تكون هذه متكافئة على أساس مولي:
[ y_A = \frac{\dot n_A}{\dot n_G} ]
يمكن التعبير عن تركيب السائل ككسر مولي، أو كسر كتلي، أو مولالية:
[ x_A = \frac{\dot n_A}{\dot n_L} ]
لا تدمج كسور الغاز المولية مع كسور السائل الكتلية في نفس المعادلة دون تطبيق تحويلات الوزن الجزيئي اللازمة.
حساب تدفق الغاز الخامل
تحديد تدفق الغاز الخامل عند المدخل
إذا كان معدل التدفق الحجمي للغاز الداخل معروفًا، فاحسب إجمالي التدفق المولي للداخل باستخدام علاقة الغاز المثالي:
[ \dot n_{G,\text{in}} = \frac{P_{\text{in}}\dot V_{\text{in}}}{Z_{\text{in}}RT_{\text{in}}} ]
هنا، (P) هو الضغط المطلق، و (\dot V) هو معدل التدفق الحجمي، و (T) هي درجة الحرارة المطلقة، و (R) هو ثابت الغاز، و (Z) هو معامل الانضغاط.
بالنسبة للغاز المثالي، اجعل (Z=1).
يكون تدفق الغاز الخامل عند المدخل حينئذٍ:
[ \dot n_{I,\text{in}}
\dot n_{G,\text{in}}y_{I,\text{in}} ]
إذا كان تركيب المدخل يحتوي فقط على غاز خامل ومذاب (A)،
[ y_{I,\text{in}} = 1-y_{A,\text{in}} ]
تطبيق توازن المكون الخامل
عندما لا يذوب الغاز الخامل أو يتفاعل أو يتكثف بشكل ملحوظ،
[ \dot n_{I,\text{in}}=\dot n_{I,\text{out}} ]
هذه هي العلاقة الرئيسية لتحليل الامتصاص. عادة ما ينخفض إجمالي تدفق الغاز مع انتقال المذاب إلى السائل، لكن التدفق المولي الخامل يظل ثابتًا.
تعتبر هذه الطريقة عمومًا أكثر موثوقية من افتراض أن إجمالي تدفق الغاز لا يتغير.
تحديد تدفق الغاز الخارج وتركيزه
استنتاج إجمالي تدفق الغاز الخارج
بمجرد قياس تركيز المذاب عند المخرج، احسب إجمالي التدفق المولي للغاز الخارج من تدفق الخامل المحفوظ:
[ \dot n_{G,\text{out}}
\frac{\dot n_{I,\text{out}}}{y_{I,\text{out}}} ]
بالنسبة لغاز يحتوي فقط على حامل خامل (I) ومذاب (A)،
[ \dot n_{G,\text{out}}
\frac{\dot n_{I,\text{in}}}{1-y_{A,\text{out}}} ]
معدل المذاب المولي عند المخرج هو:
[ \dot n_{A,\text{out}}
\dot n_{G,\text{out}}y_{A,\text{out}} ]
تحويل التدفق الخارج إلى تدفق حجمي
استخدم الضغط ودرجة الحرارة عند المخرج:
[ \dot V_{\text{out}}
\frac{\dot n_{G,\text{out}}Z_{\text{out}}RT_{\text{out}}} {P_{\text{out}}} ]
يمكن أن يختلف التدفق الحجمي عند المخرج عن قيمة المدخل لسببين: تمت إزالة المذاب، وقد يخضع الغاز لتغيرات في الضغط أو درجة الحرارة.
التصحيح لأساس الإبلاغ
قد تبلغ أجهزة تحليل الغاز عن التركيزات على أساس رطب، أو جاف، أو حجم فعلي، أو حجم قياسي. قم بتحويل قياسات المدخل والمخرج إلى نفس الأساس قبل تطبيق توازن الخامل.
هذا التصحيح مهم بشكل خاص عندما يتبخر المذيب أو عندما يكون بخار الماء موجودًا في نظام التنقية.
إجراء توازن كتلة المكونات
توازن المذاب حول العمود
بالنسبة للمذاب (A)، التوازن المولي الكلي هو:
[ \dot n_{A,\text{in}}+\dot n_{A,L,\text{in}}
\dot n_{A,\text{out}}+\dot n_{A,L,\text{out}} ]
معدلات الطور الغازي عند المدخل والمخرج هي:
[ \dot n_{A,\text{in}}
\dot n_{G,\text{in}}y_{A,\text{in}} ]
[ \dot n_{A,\text{out}}
\dot n_{G,\text{out}}y_{A,\text{out}} ]
لذلك، فإن معدل الامتصاص المولي الصافي في السائل هو:
[ \dot n_{A,\text{absorbed}}
\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}} ]
إذا كان المذيب الداخل يحتوي على كمية ضئيلة من (A)، فهذه أيضًا هي الزيادة في تدفق المذاب في الطور السائل:
[ \dot n_{A,L,\text{out}}-\dot n_{A,L,\text{in}}
\dot n_{A,\text{absorbed}} ]
تحويل الامتصاص إلى معدل كتلي
معدل الكتلة الممتصة هو:
[ \dot m_{A,\text{absorbed}}
\dot n_{A,\text{absorbed}}M_A ]
حيث (M_A) هو الوزن الجزيئي للمذاب.
بالنسبة للغازات الحمضية أو الأنظمة التفاعلية، تمثل هذه الكمية الاختفاء الصافي لمكون الطور الغازي. قد يختلف الشكل الكيميائي للطور السائل عن نوع الغاز الأصلي.
حساب الإزالة أو الاسترداد
كسر إزالة الطور الغازي هو:
[ \eta_A
\frac{\dot n_{A,\text{in}}-\dot n_{A,\text{out}}} {\dot n_{A,\text{in}}} ]
نسبة الإزالة المئوية هي:
[ %,\text{removal}=100\eta_A ]
يجب أن يعتمد هذا الحساب على المعدلات المولية للمكونات، وليس فقط الفرق بين نسب تركيز المدخل والمخرج. يتغير إجمالي تدفق الغاز أثناء الامتصاص، لذا يمكن أن تكون فروق التركيز وحدها مضللة.
إكمال التوازنات الكلية والسائلة
توازن المواد الكلي
بالنسبة لبرج الامتصاص بأكمله:
[ \dot m_{G,\text{in}}+\dot m_{L,\text{in}}
\dot m_{G,\text{out}}+\dot m_{L,\text{out}} ]
أو، عند استخدام الكميات المولية بشكل متسق:
[ \dot n_{G,\text{in}}+\dot n_{L,\text{in}}
\dot n_{G,\text{out}}+\dot n_{L,\text{out}} ]
يجب أن يشمل التوازن الكلي تبخر المذيب، وانتقال الماء، ونواتج التفاعل، وأي سائل مسحوب عندما تكون هذه التأثيرات كبيرة.
تقدير تركيب السائل عند المخرج
إذا كان تدفق المذيب معروفًا وتم قياس تركيز المذاب في السائل الداخل، فاحسب تركيب السائل عند المخرج من توازن مكون الطور السائل:
[ \dot n_{A,L,\text{out}}
\dot n_{A,L,\text{in}} + \dot n_{A,\text{absorbed}} ]
ثم حدد (x_{A,\text{out}}) باستخدام أساس تركيب السائل المختار.
بالنسبة للكسور الكتلية، يجب أن تأخذ العلاقة في الاعتبار إجمالي تدفق كتلة السائل:
[ w_{A,L,\text{out}}
\frac{\dot m_{A,L,\text{out}}} {\dot m_{L,\text{out}}} ]
استخدام علاقة خط التشغيل
بالنسبة لقسم من برج الامتصاص ذي التيار المعاكس، يرتبط ميل خط التشغيل بنسبة تدفق السائل إلى الغاز. في صياغة مبسطة للكسر الوزني:
[ \frac{w_{A,G,\text{out}}-w_{A,G,\text{in}}} {w_{A,L,\text{out}}-w_{A,L,\text{in}}}
-\frac{F_L}{F_G} ]
يعتمد الشكل الدقيق على ما إذا كانت معدلات التدفق الإجمالية أو معدلات التدفق الخالية من المذاب مستخدمة. بالنسبة للأنظمة ذات انتقال المذاب الملحوظ، غالبًا ما تكون الإحداثيات الخالية من المذاب مفضلة لأن تدفقات الغاز الخامل وحامل المذيب هي الكميات المحفوظة.
تزيد نسبة السائل إلى الغاز المرتفعة عمومًا من سعة الامتصاص، بينما تتسبب النسبة المنخفضة في وصول المذيب إلى التشبع بسرعة أكبر.
ربط التوازن بالتوازن وأداء العمود
مقارنة تيارات المخرج بالتوازن
تحدد توازنات المواد مقدار المذاب الذي تم نقله. وهي لا تحدد، بحد ذاتها، ما إذا كان العمود يحتوي على مساحة تلامس أو ارتفاع كافٍ.
قارن تركيبات الغاز والسائل المقاسة ببيانات التوازن، مثل:
[ y_A^* = f(x_A) ]
تشير المسافة بين حالة التشغيل وحالة التوازن إلى القوة الدافعة لانتقال الكتلة.
تقدير متطلبات المذيب
يتم الاقتراب من معدل تدفق المذيب الأدنى عندما يلامس خط التشغيل علاقة التوازن عند نقطة حدية. يمكن بعد ذلك لترابطات التوازن والطرق مثل نهج "كريمسر" (Kremser) تقدير عدد المراحل المثالية أو تدفق المذيب اللازم لاسترداد مستهدف.
يجب أن يتجاوز معدل المذيب التشغيلي العملي الحد الأدنى لأن التشغيل عند الحد الأدنى يعطي قوة دافعة تتلاشى في جزء من العمود ويتطلب مساحة تلامس كبيرة بشكل غير عملي.
تقييم القيود الهيدروديناميكية
استخدم معدلات تدفق الغاز والسائل لتحديد ما إذا كان العمود يعمل ضمن نافذته الهيدروليكية. يؤثر قطر العمود، وتصميم التعبئة أو الصواني، وانخفاض الضغط، واحتجاز السائل، وسرعة الغمر على السعة القابلة للاستخدام.
يمكن أن يؤدي التشغيل فوق حد الغمر إلى تراكم السائل، وزيادات حادة في انخفاض الضغط، والسحب، والتدفق غير المستقر. لا يثبت توازن الكتلة الذي يبدو صحيحًا أن تشغيل العمود مقبول إذا كانت الحالة الهيدروليكية غير مناسبة.
ربط الإزالة بكفاءة انتقال الكتلة
بالنسبة للأعمدة المعبأة، يمكن ربط الإزالة المقاسة بارتفاع وحدة انتقال أو HETP. بالنسبة لأعمدة الصواني، يمكن ربطها بمتطلبات المرحلة النظرية وكفاءة الصينية.
يجب أن تستند مقاييس الأداء هذه إلى بيانات تشغيل فعلية، لأن تنبؤات التوازن وحدها لا تلتقط الخلط، أو التوجيه، أو البلل، أو الرغوة، أو التلامس غير المثالي.
فهم المقايضات
لا تفترض تدفق غاز إجمالي ثابت
قد يظل تدفق الحامل الخامل ثابتًا بينما ينخفض التدفق المولي الكلي للغاز مع امتصاص المكون القابل للذوبان. يمكن أن يؤدي افتراض تدفق غاز إجمالي ثابت إلى تشويه معدل المذاب الخارج المحسوب وكفاءة الإزالة.
التمييز بين الامتصاص والتفاعل
بالنسبة للامتصاص الفيزيائي، يدخل المذاب إلى السائل كنوع كيميائي مماثل. بالنسبة للامتصاص التفاعلي، مثل امتصاص ثالث أكسيد الكبريت في محاليل حمض الكبريتيك، قد يتفاعل الغاز أو يخضع لتحول كيميائي إضافي بعد دخول السائل.
لا يزال توازن المكونات الكلي ساريًا، ولكن تفسير تركيب السائل، والتوازن، واستهلاك المذيب يتطلب قياس العناصر المتفاعلة وأي حركية تفاعل ذات صلة.
تجنب وحدات التدفق والتركيز غير المتسقة
تشمل الأخطاء الشائعة خلط معدلات التدفق الحجمي القياسية والفعلية، واستخدام ضغط المقياس بدلاً من الضغط المطلق، ودمج بيانات الغاز على أساس جاف مع بيانات على أساس رطب.
يجب تحويل كل تيار مقاس إلى أساس مشترك قبل الموازنة.
عامل افتراض الغاز الخامل كافتراض قابل للاختبار
يكون النيتروجين أو أي غاز حامل آخر مفيدًا كمرجع فقط إذا كانت خسارته ضئيلة. تحقق من ذوبان الخامل، والتسرب، والتكثيف، والتفاعل الكيميائي، وتحيز المحلل.
إذا لم يغلق توازن الخامل ضمن عدم اليقين في القياس المتوقع، فافحص القياسات وافتراضات العملية قبل استخدام النتيجة للتصميم.
أدرك أن نظام الدفعة المغلق مختلف
في برج الامتصاص المستمر، عادة ما يتم التعامل مع معدلات تدفق الحامل الغازي والسائل ككميات تيار. في نظام الدفعة المغلق أو الفقاعي، تتغير مخزونات الغاز والسائل بمرور الوقت، لذا يجب أن يستخدم التحليل مصطلحات التراكم.
لا يمكن تطبيق معادلة خط التشغيل في الحالة المستقرة مباشرة على نظام دفعة غير مستقر.
اتخاذ الخيار الصحيح لهدفك
استخدم التسلسل التالي لتحليل يمكن الدفاع عنه:
- إذا كان تركيزك الأساسي هو إزالة المكونات: احسب التدفق المولي الخامل عند المدخل، واستنتج إجمالي تدفق الغاز عند المخرج من تركيز الخامل عند المخرج، وقارن المعدلات المولية للمذاب عند المدخل والمخرج.
- إذا كان تركيزك الأساسي هو استهلاك المذيب: طبق توازن المذاب على تيارات السائل وقم بتضمين تبخر المذيب، والتفاعل، ومتطلبات التعويض حيثما كان ذلك مناسبًا.
- إذا كان تركيزك الأساسي هو التنبؤ بالتدفق الخارج: استخدم تدفق الخامل المحفوظ والتركيب عند المخرج أولاً، ثم قم بتحويل التدفق المولي الناتج باستخدام الضغط ودرجة الحرارة عند المخرج.
- إذا كان تركيزك الأساسي هو تحديد حجم العمود أو تشغيله: ادمج توازن المواد مع بيانات التوازن، ونسب المذيب إلى الغاز، وحدود الغمر، وانخفاض الضغط، وكفاءة المرحلة أو التعبئة.
- إذا كان تركيزك الأساسي هو التحقق من بيانات المصنع التجريبي: أغلق توازنات الخامل، والمذاب، والسائل، والتوازنات الكلية، وابحث في أي تناقض قبل حساب الكفاءة أو معلمات التوسع.
يبدأ تحليل برج الامتصاص الموثوق به بأساس خامل محفوظ، ويأخذ في الاعتبار انتقال المذاب بشكل صريح، ثم يربط التوازنات الناتجة بالتوازن، والهيدروليكا، وأداء انتقال الكتلة.
جدول الملخص:
| خطوة التحليل | الحساب أو الفحص الرئيسي | النتيجة |
|---|---|---|
| تحديد النظام | تحديد الغاز، والسائل، والمذاب، والحامل الخامل، وظروف التشغيل | حجم تحكم واضح وأساس قياس |
| حساب تدفق الخامل | تحويل حجم الغاز الداخل باستخدام الضغط المطلق، ودرجة الحرارة، والانضغاط، والتركيب | تدفق مولي للغاز الخامل محفوظ |
| استنتاج تدفق الغاز الخارج | استخدام تركيز الخامل عند المخرج وتوازن الخامل | معدلات الغاز الكلية والمذاب عند المخرج |
| إكمال توازن المذاب | مقارنة المعدلات المولية للمذاب عند المدخل والمخرج | الكمية الممتصة وكفاءة الإزالة |
| إكمال توازنات السائل والكلية | تضمين امتصاص المذيب، والتبخر، والتفاعل، والسحب، والتعويض | تركيب السائل عند المخرج وإغلاق التوازن |
| تقييم الأداء | المقارنة مع التوازن، ونسبة المذيب إلى الغاز، وانخفاض الضغط، وحدود الغمر، وكفاءة الانتقال | رؤى التصميم أو التوسع |
تحسين تحليل برج الامتصاص باستخدام LABPARK
هل تحتاج إلى بيانات موثوقة لتجارب امتصاص الغاز، أو التدريس، أو البحث، أو تطوير العمليات؟ اتصل بـ LABPARK لمناقشة مصنع تجريبي لعمليات الوحدة التعليمية أو المهنية المطابق لأهدافك.
تدعم LABPARK الجامعات، ومعاهد البحوث، والمؤسسات بمصانع تجريبية للهندسة الكيميائية، والمعالجة الحيوية والتكنولوجيا الحيوية، وتطبيقات معالجة البيئة والمياه. تساعد أنظمتنا لامتصاص الغاز الفرق في قياس التدفق، والتركيب، وإزالة المذاب، وامتصاص السائل، وسلوك التوازن، وحدود التشغيل في إعداد عملي ومسيطر عليه. يمكننا مساعدتك في اختيار التكوين المناسب للتعليم المختبري، والتحقق على نطاق تجريبي، وتحسين العمليات، ودراسات التوسع.
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 يتم تحديد اتجاه نقل الكتلة والقوة المحركة له في عمليات وحدة امتصاص الغاز في النباتات التجريبية؟
- كيف يؤثر سلوك الضغط الجزئي على مصانع امتصاص الغاز التجريبية؟ إتقان نقل الكتلة
- كيف يمكن نمذجة الامتصاص الكيميائي كامتصاص فيزيائي؟ معيار تبسيط الوحدة التجريبية.
