氧吸收與解析實(shí)驗(yàn)報(bào)告.doc

氧吸收與解吸實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)日期：2011/4/15班級:*姓名：*學(xué)號：*同組人: *實(shí)驗(yàn)裝置：3號 陶瓷拉西環(huán)摘要：填料塔是化工過程重要的單元，本實(shí)驗(yàn)在室溫、常壓下，通過分別測定干、濕填料層壓降與空塔氣速的數(shù)據(jù)，并作圖分析得到兩種情況下塔壓降與空塔氣速關(guān)系，從而熟悉填料塔的構(gòu)造與操作、確定填料塔流體力學(xué)特性，進(jìn)而得知填料塔的處理能力及性能高低。同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)通過對富氧水進(jìn)行解吸，測定了解吸液相體積的總傳質(zhì)系數(shù)Kxa，進(jìn)而確定液相總傳質(zhì)單元高度HOL。一、 實(shí)驗(yàn)名稱：氧吸收與解吸實(shí)驗(yàn)二、 目的及任務(wù)：1. 熟悉填料塔的構(gòu)造與操作；2. 觀察填料塔流體力學(xué)狀況，測定壓降與氣速的關(guān)系曲線；3. 掌握總傳質(zhì)系數(shù)Kxa的測定方法并分析影響因素；4. 學(xué)習(xí)氣液連續(xù)接觸式填料塔，利用傳質(zhì)速率方程處理傳質(zhì)問題的方法。三、基本原理： 本裝置先用吸收柱將水吸收純氧形成富氧水后（并流操作，該步實(shí)驗(yàn)中省略），送入解吸塔頂再用空氣進(jìn)行解吸，實(shí)驗(yàn)需測定不同液量和氣量下的解吸總傳質(zhì)系數(shù)Kxa，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，得到Kxa=ALaVb的關(guān)聯(lián)式，同時(shí)對四種不同填料的傳質(zhì)效果及流體力學(xué)性能進(jìn)行比較。本實(shí)驗(yàn)手工采集數(shù)據(jù)，具有可操作性。1. 填料塔流體力學(xué)特性：圖1-1 填料層壓降空塔氣速關(guān)系示意圖氣體通過干填料層時(shí)，流體流動(dòng)引起的壓降和湍流流動(dòng)引起的壓降規(guī)律相一致。在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，此壓降對氣速作圖可得一斜率為1.82的直線（圖中aa線）。當(dāng)有噴淋量時(shí)，在低氣速下（c點(diǎn)以前）壓降也正比于氣速的1.82次冪，但大于同一氣速下干填料的壓降（圖中bc段）。隨氣速的增加，出現(xiàn)截點(diǎn)（圖中c點(diǎn)），持液量開始增大，壓降-氣速線向上彎，斜率變陡（圖中cd段）。到液泛點(diǎn)（圖中d點(diǎn)）后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。2. 傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)：填料塔與板式塔氣液兩相接觸情況不同。在填料塔中，兩相傳質(zhì)主要是在填料有效濕表面上進(jìn)行，需要計(jì)算完成一定吸收任務(wù)所需填料高度，其計(jì)算方法有：傳質(zhì)系數(shù)法、傳質(zhì)單元法和等板高度法。本實(shí)驗(yàn)是對富氧水進(jìn)行解吸。由于富氧水濃度很小，可認(rèn)為氣液兩相的平衡關(guān)系服從亨利定律，即平衡線為直線，操作線也是直線，因此可以用對數(shù)平均濃度差計(jì)算填料層傳質(zhì)平均推動(dòng)力。整理得到相應(yīng)的傳質(zhì)速率方式為：其中 相關(guān)的填料層高度的基本計(jì)算式為： 即 其中 ， 式中：GA 單位時(shí)間內(nèi)氧的解吸量Kmol/h Kxa 總體積傳質(zhì)系數(shù)Kmol/m3hxVP 填料層體積m3xm液相對數(shù)平均濃度差x1 液相進(jìn)塔時(shí)的摩爾分率（塔頂）xe1 與出塔氣相y1平衡的液相摩爾分率（塔頂）x2 液相出塔的摩爾分率（塔底）xe2 與進(jìn)塔氣相y2平衡的液相摩爾分率（塔底）Z 填料層高度m 塔截面積m2L 解吸液流量Kmol/hHOL以液相為推動(dòng)力的傳質(zhì)單元高度NOL以液相為推動(dòng)力的傳質(zhì)單元數(shù)由于氧氣為難溶氣體，在水中的溶解度很小，因此傳質(zhì)阻力幾乎全部集中于液膜中，即Kx=kx, 由于屬液膜控制過程，所以要提高總傳質(zhì)系數(shù)Kxa，應(yīng)增大液相的湍動(dòng)程度。在yx圖中，解吸過程的操作線在平衡線下方，本實(shí)驗(yàn)中還是一條平行于橫坐標(biāo)的水平線（因氧在水中濃度很?。１緦?shí)驗(yàn)在計(jì)算時(shí)，氣液相濃度的單位用摩爾分率而不用摩爾比，這是因?yàn)樵趛x圖中，平衡線為直線，操作線也是直線，計(jì)算比較簡單。四、 實(shí)驗(yàn)裝置與流程：實(shí)驗(yàn)裝置：3號 陶瓷拉西環(huán)1基本數(shù)據(jù)：解吸塔徑=0.1m，吸收塔徑=0.032m，填料層高度0.8m填料參數(shù)：瓷拉西環(huán)（12121.3）mm at=403m2/m3 =0.764m3/m3 at/=903m2/m32流程：圖2是氧氣吸收解吸裝置流程圖。氧氣由氧氣鋼瓶供給，經(jīng)減壓閥2進(jìn)入氧氣緩沖罐4，穩(wěn)壓在0.040.05Mpa,為確保安全，緩沖罐上裝有安全閥6，由閥7調(diào)節(jié)氧氣流量，并經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)8計(jì)量，進(jìn)入吸收塔9中，與水并流吸收。含富氧水經(jīng)管道在解吸塔的頂部噴淋?？諝庥娠L(fēng)機(jī)13供給，經(jīng)緩沖罐14，由閥16調(diào)節(jié)流量經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)17計(jì)量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解吸后的尾氣從塔頂排出，貧氧水從塔底經(jīng)平衡罐19排出。自來水經(jīng)調(diào)節(jié)閥10，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)17計(jì)量后進(jìn)入吸收柱。由于氣體流量與氣體狀態(tài)有關(guān)，所以每個(gè)氣體流量計(jì)前均有表壓計(jì)和溫度計(jì)?？諝饬髁坑?jì)前裝有計(jì)前表壓計(jì)23。為了測量填料層壓降，解吸塔裝有壓差計(jì)22。在解吸塔入口設(shè)有入口采出閥12，用于采集入口水樣，出口水樣在塔底排液平衡罐上采出閥20取樣。圖-2 氧氣吸收解吸裝置流程圖1、氧氣鋼瓶 9、吸收塔 17、空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)2、氧減壓閥 10、水流量調(diào)節(jié)閥 18、解吸塔3、氧壓力表 11、水轉(zhuǎn)子流量計(jì) 19、液位平衡罐4、氧緩沖罐 12、富氧水取樣閥 20、貧氧水取樣閥5、氧壓力表 13、風(fēng)機(jī) 21、溫度計(jì)6、安全閥 14、空氣緩沖罐 22、壓差計(jì)7、氧氣流量調(diào)節(jié)閥 15、溫度計(jì) 23、流量計(jì)前表壓計(jì)8、 氧轉(zhuǎn)子流量計(jì) 16、空氣流量調(diào)節(jié)閥 24、防水倒灌閥五、操作要點(diǎn)：1、流體力學(xué)性能測定(1) 測定干填料壓降塔內(nèi)填料務(wù)必事先吹干。a. 塔內(nèi)填料務(wù)必事先吹干。b. 改變空氣流量，測定填料塔壓降，測取68組數(shù)據(jù)。(2) 測定濕填料壓降a. 測定前要進(jìn)行預(yù)液泛，使填料表面充分潤濕。b. 固定水在某一噴淋量下，改變空氣流量，測定填料塔壓降，測取810組數(shù)據(jù)。c. 實(shí)驗(yàn)接近液泛時(shí)，進(jìn)塔氣體的增加量要減小，否則圖中泛點(diǎn)不容易找到。密切觀察填料表面氣液接觸狀況，并注意填料層壓降變化幅度，務(wù)必讓各參數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)據(jù)，液泛后填料層壓降在幾乎不變氣速下明顯上升，務(wù)必要掌握這個(gè)特點(diǎn)。稍稍增加氣量，再取 一、兩個(gè)點(diǎn)即可。注意不要使氣速過分超過泛點(diǎn)，避免沖破和沖跑填料。 (3)注意空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)的調(diào)節(jié)閥要緩慢開啟和關(guān)閉，以免撞破玻璃管。2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)(1) 氧氣減壓后進(jìn)入緩沖罐，罐內(nèi)壓力保持0.040.05Mpa,不要過高，并注意減壓閥使用方法。為防止水倒灌進(jìn)入氧氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)中，開水前要關(guān)閉防倒灌閥24，或先通入氧氣后通水。(2) 傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)操作條件選取 水噴淋密度取1015m3/m2h，空塔氣速0.50.8m/s氧氣入塔流量為0.010.02m3/h，適當(dāng)調(diào)節(jié)氧氣流量，使吸收后的富氧水濃度控制在19.9mg/l。(3) 塔頂和塔底液相氧濃度測定：分別從塔頂與塔底取出富氧水和貧氧水，用測氧儀分析各自氧的含量。（測氧儀的使用見附錄）(4) 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉氧氣時(shí)，務(wù)必先關(guān)氧氣鋼瓶總閥，然后才能關(guān)閉減壓閥2及調(diào)節(jié)閥8。檢查總電源、總水閥及各管路閥門，確實(shí)安全后方可離開。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 流體力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)(1) 原始數(shù)據(jù)干床數(shù)據(jù) 表1干床數(shù)據(jù) T=36.7 oC，d= 0.1 m，h=0.8 m序號空氣流量（m3/h）空氣壓力降（Pa）填料塔壓降（Pa）1405330142023539701060330282075042519305205201250340671510730350200100干床處理數(shù)據(jù)： 表2干床數(shù)據(jù)處理序號校正空氣流量（m3/h）流速（m/h）單位高度壓差（Pa/m）logulog(P/z)140.08315106.1317753.70813.2492235.29864496.6413253.65293.1222330.42263875.49937.53.58822.972425.46123243.466503.5112.8129520.43642603.364253.41552.6284615.36631957.492503.29672.3979710.26331307.431253.11642.0969干塔壓降與液速關(guān)系圖：濕床數(shù)據(jù)表3濕床數(shù)據(jù)T= 34.1 oC，d=0.1 m，h=0.8 m序號空氣流量（m3/h）空氣壓力左（Pa）填料塔壓降左（Pa）1726019029400220311550240413750330515980440617126059071916007608212090116092327401630102536802210112643702830處理數(shù)據(jù)： 表4濕床數(shù)據(jù)處理序號校正空氣流量（m3/h）流速（m/h）單位高度壓差（Pa/m）logulog(P/z)17.3181932.239237.52.96952.472629.3961196.9432753.07812.5362311.46711460.7763003.16462.574413.52551722.988412.53.23632.7123515.57121983.5935503.29752.8373617.59922241.934737.53.35062.9647719.60472497.4129503.39753.0746821.56562747.21614503.43893.2583923.47192990.0572037.53.47573.4061025.28453220.9612762.53.5083.53821126.12423327.9263537.53.52213.6456A:載點(diǎn) B:泛點(diǎn)合并圖如下：數(shù)據(jù)處理舉例取干填料第一組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：指示流量，則校正流量氣速2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)傳質(zhì)數(shù)據(jù)表5傳質(zhì)數(shù)據(jù) d= 0.1 m，h=0.8 m，氧氣流量Q=0.25ml/min 水流量Q=65L/h組別空氣流量（m3/h）空氣壓力降（Pa）填料塔壓降（Pa）氧氣濃度頂（mg/L）氧氣濃度底（mg/L）富氧水溫度（oC）貧氧水溫度（oC）11587045018.688.5828.426.311587045018.638.5828.626.121478041019.298.3929.126.321478041019.318.428.826.2處理數(shù)據(jù)： 表6傳質(zhì)數(shù)據(jù)處理表 d= 0.1 m，h=0.8 m，氧氣流量Q=0.25ml/min 水流量Q=65L/h組別校正空氣流量（m3/h）平均溫度（oC）亨利常數(shù)E液體流量（mol/h）氣體流量（kmol/h）(10-5)亨利常數(shù)m115.66627.3546056773.6112.051645353115.66627.3546056773.6112.041445353214.63727.746310253.6112.214145612214.63227.546165433.6112.216145469表7傳質(zhì)數(shù)據(jù)處理表 d= 0.1 m，h= 0.8 m，氧氣流量Q=0.25ml/min 水流量Q=65L/h組別平衡組成xe1（2）(10-6)塔頂組成x1(10-5)塔底組成x2(10-6)平均推動(dòng)力Dxm(10-6)系統(tǒng)總壓P總（Kpa）傳質(zhì)系數(shù)Kxa(mol/h)傳質(zhì)單元高度HoL（m）14.63031.050754.82631.6706101.551955.520.235214.63031.047944.82631.6646101.551952.760.235524.6041.085064.71941.536101.532295.310.200424.61851.086194.7251.5076101.532340.730.1965數(shù)據(jù)處理過程舉例：七、結(jié)果討論及誤差分析（1）填料塔流體力學(xué)特性a.從圖上可以看出，隨著氣速的增大，單位高度的塔中的壓降變化都隨著氣速的增大而變大；其中空塔的變化規(guī)律近似為一條斜率不變的直線而在濕塔中，在某一氣速范圍內(nèi)，其變化規(guī)律也成線性增大變化，但隨著氣速的增大，變化斜率越來越大。在同一氣速下，濕塔的壓降大于干塔的壓降，而且在氣速較低的時(shí)候，兩者變化速率相差不大，當(dāng)氣速進(jìn)一步增大時(shí)，濕塔的變化明顯比干塔快了很多。b.由于有液體的緣故，使得阻力增大，從而造成濕塔壓降比干塔壓降大，在氣速很小時(shí)，濕塔和干塔的變化速率相同，因?yàn)闅怏w很少時(shí)，在一定范圍內(nèi)二者互不干擾彼此流動(dòng)，因而在濕塔中的氣速較小段，會(huì)呈現(xiàn)與干塔時(shí)候相同的變化速率，當(dāng)氣速進(jìn)一步增大的時(shí)候，氣液相互干擾加強(qiáng)，氣體對液體的流動(dòng)有了一定的阻礙作用從而是的變化速率加快，當(dāng)進(jìn)一步增大氣速時(shí)，發(fā)生汽泛現(xiàn)象，使得液體不能流下，從而使得阻力顯著提高，從而使得單位高度的壓降明顯的上升。c.由2可以推測，如果增大流體流量，其單位高度的壓降也會(huì)上升。 氣速很小時(shí)，氣液接觸較少，不利于傳質(zhì)的進(jìn)行，從經(jīng)濟(jì)的方面考慮，在工業(yè)上應(yīng)該避免此種情況的發(fā)生，當(dāng)發(fā)生液泛時(shí)，壓降對氣體的波動(dòng)很敏感，不易控制，很容易發(fā)生安全事故，因而在實(shí)際生產(chǎn)中，在第二段（載點(diǎn)與泛點(diǎn)之間）的范圍內(nèi)是比較合理的。（2）傳質(zhì)實(shí)驗(yàn):a. 液相總傳質(zhì)單元高度其值的大小反應(yīng)了設(shè)備效能的好壞，增大液相總傳質(zhì)系數(shù)下降，有利于提高填料塔的傳質(zhì)性能。由于氧氣是難溶氣體，在水中的溶解度很小，因此傳質(zhì)阻力幾乎全部集中在液膜中，即，由于屬于液膜控制過程，所以要提高液相總傳質(zhì)系數(shù)，應(yīng)增大液相的湍動(dòng)程度，即增大噴淋量。b.實(shí)驗(yàn)在測取氧氣含量時(shí)，數(shù)據(jù)浮動(dòng)很大，難以確定，而且溫度的控制也不是很好，而亨利系數(shù)主要的影響因素是溫度，因而，溫度的不穩(wěn)定對實(shí)驗(yàn)有很大的影響。（3）誤差分析：本實(shí)驗(yàn)的誤差的因素分為所用一起的系統(tǒng)誤差和操作人員的人為誤差，系統(tǒng)誤差主要存在于轉(zhuǎn)子流量計(jì)的測量準(zhǔn)確度，壓差計(jì)和氣壓計(jì)的準(zhǔn)確度，而能產(chǎn)生人為誤差的步驟有很多，主要的是在轉(zhuǎn)子流量計(jì)和U型壓差計(jì)的讀數(shù)步驟，二者都需要等到讀數(shù)穩(wěn)定后在讀數(shù)，而實(shí)際操作中由于其中的液體都處于流動(dòng)狀態(tài)，所以示數(shù)難以穩(wěn)定，再加上操作者的觀察問題，讀數(shù)很難精確，造成較大的誤差。另外氣體流量校正是否準(zhǔn)確合理，水中氧含量測量的是否準(zhǔn)確也影響最后結(jié)果的準(zhǔn)確性。八、思考題1.闡述干填料壓降線和濕填料壓降線的特征。答：氣體通過干填料時(shí)，流體流動(dòng)引起的壓降和湍流流動(dòng)引起的壓降規(guī)律一致，單位壓降與空塔氣速的關(guān)系為一條直線。當(dāng)有噴淋量時(shí)，在雙對數(shù)坐標(biāo)中，濕塔的曲線適中在干塔曲線的上方，即，濕塔的壓降始終比相同氣速下的干塔壓降大，低氣速下，Pu為一條直線，此直線的斜率約等于氣體通過干填料的斜率，且稍大于相同氣速下的干填料的壓降；隨氣速的增加，出現(xiàn)載點(diǎn)，持液量開始增大，曲線變陡，但是隨著氣速增大斜率近似穩(wěn)定，到液泛點(diǎn)后，壓降隨著氣速增大急劇上升，壓降與氣速仍為線性關(guān)系。2.工業(yè)上，吸收在低溫、加壓，在進(jìn)行而解吸在高溫、常壓下進(jìn)行，為什么？ 答：低溫高壓下，氣體的溶解度增大，有利于氣體的吸收，而高溫常壓下，相比于其體吸收是的情況，溫度升高，壓力降低，氣體的溶解度減小，有利于氣體的解吸。3. 為什么易溶氣體的吸收和解吸屬于氣膜控制過程，難溶氣體的吸收和解吸屬于液膜控制過程？答：氣相阻力控制與液相阻力控制式： ，即總傳質(zhì)阻力為氣相傳質(zhì)阻力 與液相傳質(zhì)阻力之和。易溶氣體的相平衡常數(shù)m很小，故，得，即，此時(shí)傳質(zhì)阻力主要集中在氣相，屬于氣膜控制過程。而難溶氣體的相平衡常數(shù)m 很大，故， 得，即