二氧化碳吸試驗(yàn)

1、填料吸收塔實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 了解填料吸收塔的結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)，練習(xí)并掌握填料塔操作方法；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè) 定數(shù)據(jù)的處理分析，加深對(duì)填料塔流體力學(xué)性能基本理論的理解， 加深對(duì)填料塔傳 質(zhì)性能理論的理解。2. 掌握填料吸收塔傳質(zhì)能力和傳質(zhì)效率的測(cè)定方法，練習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 測(cè)定填料層壓強(qiáng)降與操作氣速的關(guān)系，確定在一定液體噴淋量下的液泛氣速。2. 固定液相流量和入塔混合氣二氧化碳的濃度，在液泛速度以下，取兩個(gè)相差較 大的氣相流量，分別測(cè)量塔的傳質(zhì)能力（傳質(zhì)單元數(shù)和回收率）和傳質(zhì)效率（傳 質(zhì)單元高度和體積吸收總系數(shù)）。3. 進(jìn)行純水吸收混合氣體中的二氧化碳、用空氣解吸水中二氧化

2、碳的操作練習(xí)， 同時(shí)測(cè)定填料塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)原理：氣體通過(guò)填料層的壓強(qiáng)降：壓強(qiáng)降是塔設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，氣體通過(guò)填料層壓強(qiáng)降的大小決定了塔的動(dòng)力消耗。 壓強(qiáng)降與氣、液流量均有關(guān)，不同液體噴淋 量下填料層的壓強(qiáng)降滬與氣速u的關(guān)系如圖1所示：圖1填料層的 Pu關(guān)系當(dāng)液體噴淋量L。=0時(shí)，干填料的 Pu的關(guān)系是直線，如圖中的直線 0。 當(dāng)有一定的噴淋量時(shí)，Pu的關(guān)系變成折線，并存在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，下轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“載點(diǎn)”，上轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“泛點(diǎn)”。這兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將 Pu關(guān)系分為三個(gè)區(qū) 段：既恒持液量區(qū)、載液區(qū)及液泛區(qū)。傳質(zhì)性能：吸收系數(shù)是決定吸收過(guò)程速率高低的重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定可獲取 吸收系數(shù)

3、。對(duì)于相同的物系及一定的設(shè)備(填料類型與尺寸)，吸收系數(shù)隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。二氧化碳吸收實(shí)驗(yàn)根據(jù)雙膜模型的基本假設(shè)，氣側(cè)和液側(cè)的吸收質(zhì)A的傳質(zhì)速率方程可分別表達(dá)為氣膜Ga = kgA(pA - PAi)( 1)液膜Ga *A(CAi -Ca)(2)式中：GaA組分的傳質(zhì)速率，kmoI sJ ;2A 兩相接觸面積，m;Pa 氣側(cè)A組分的平均分壓，Pa；PAi 相界面上A組分的平均分壓，Pa；Ca 液側(cè)A組分的平均濃度，kmol m 3CAi 相界面上A組分的濃度kmol mkg 以分壓表達(dá)推動(dòng)力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，kmol m sJ Pa J ;ki 以物質(zhì)的量濃度表達(dá)推動(dòng)力的

4、液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，m s4。以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過(guò)程推動(dòng)力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達(dá)為：Ga 二 KgA(Pa -Pa)(3)Ga 二 KlA(Ca -Ca)( 4)式中：pA 液相中A組分的實(shí)際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；Ca 氣相中A組分的實(shí)際分壓所要求的液相平衡濃度，kmol m ；Kg 以氣相分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡(jiǎn)稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù),kmol m ° s' PaKl-以氣相分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡(jiǎn)稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，msJ。若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律： Ca二HPa，則:Kg kg HQ1Klhkg1+ ki(5)(6)R=PaAdh

5、cP1=Pa1C A1， FlFA+d PaA+dCA圖2雙膜模型的濃度分布圖圖3填料塔的物料衡算圖當(dāng)氣膜阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力時(shí)，則相際傳質(zhì)過(guò)程式受氣膜傳質(zhì)速率控制，此 時(shí)，Kg二kg ;反之，當(dāng)液膜阻力遠(yuǎn)大于氣膜阻力時(shí)，則相際傳質(zhì)過(guò)程受液膜傳 質(zhì)速率控制，此時(shí)，Kl二kl。如圖3所示，在逆流接觸的填料層內(nèi)，任意載取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸收質(zhì)A的物料衡算可得：dGA 二 Fl dCA（ 7a）式中：Fl 液相摩爾流率，kmol s-;匚液相摩爾密度，kmol m。根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程式，可寫出該微分段的傳質(zhì)速率微分方程：dGA 二 Kl（Ca -CA）aSdh（7b）聯(lián)立上兩式可得：

6、dh 旦.dC（ 8）K L aSL C A - C A式中：a 氣液兩相接觸的比表面積，m2 m1;s填料塔的橫載面積，m。本實(shí)驗(yàn)采用水吸收混合氣體中的二氧化碳，且已知二氧化碳在常溫常壓下溶解度較小，因此，液相摩爾流率Fl和摩爾密度 幾的比值，亦即液相體積流率（Vs）l可視為定值，且設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)K.和兩相接觸比表面積a，在整個(gè)填料層內(nèi)為一定 值，則按下列邊值條件積分式（8），可得填料層高度的計(jì)算公式：h = 0 CA - CA.2h=h Ca=Ca1Cai dCAHlVsLKlQSNlKlQSOCa，且稱HL為液相傳質(zhì)單元高度（HTU；'A1 dCA ，且稱N-為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NT

7、U。Ca2Ca -Ca(9)3因此，填料層高度為傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)之乘積，即(10)h 二 Hl Nl若氣液平衡關(guān)系遵循享利定律，即平衡曲線為直線，則式（9）為可用解析法解得填料層高度的計(jì)算式，亦即可采用下列平均推動(dòng)力法計(jì)算填料層的高度或液相 傳質(zhì)單元高度：(11)XlCa1 _ Ca2K-aS=CAm(12)NlHlKl：SCa1 - - ：CA2：CAmCA.1In 也C A2(CA1一 CA1)一 (CA2 一 CA2)C A1 CA1InC A2 - CA2(13)其中：Cai =HPai Hym,CA2-HpA2二Hy? Po , P0為大氣壓。氧化碳的溶解度常數(shù):Mw(14)

8、式中：九水的密度,kg m"式中 CA.m為液相平均推動(dòng)力,5M w水的摩爾質(zhì)量，kg kmolE 二氧化碳在水中的享利系數(shù)（見表 1），Pa。因本實(shí)驗(yàn)采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計(jì)，在此情況 下，整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過(guò)程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系 數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，亦即(15)VsL CA1 - CA2hSCAm四、實(shí)驗(yàn)裝置：1. 實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)：填料塔：玻璃管內(nèi)徑 D = 0.05m 塔高1.20m 填料層高度Z= 0.93m內(nèi)裝© 10X10mn瓷拉西環(huán)；風(fēng)機(jī)型號(hào)：XGB-12 ;二氧化碳鋼瓶1個(gè)（用戶自備）； 減壓閥1

9、個(gè)（用戶自備）。 流量測(cè)量?jī)x表：3轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)LZB-6流量范圍0.060.60m/h;空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10 流量范圍0.252.5m3/h; 水轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10流量范圍16160 L/h;濃度測(cè)量：吸收塔塔底液體濃度分析準(zhǔn)備定量化學(xué)分析儀器（用戶自備）溫度測(cè)量： Pt100 鉑電阻，用于測(cè)定測(cè)氣相、液相溫度2. 二氧化碳吸收實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖 （見圖 4）617c71>L工:罷巧-塔10 VImlV8I1S圖4填料吸收實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1- C02鋼瓶；2- C02瓶減壓閥；3-吸收氣泵；4-吸收液水泵；5-解吸液水泵；6-解吸風(fēng)機(jī);7-空氣旁通閥；8- V1-V

10、19閥門；9- F1-F5轉(zhuǎn)子流量計(jì)；10- T1-T2溫度計(jì)3. 實(shí)驗(yàn)儀表面板圖（見圖5）氣體溫度（t）液體溫度CC）吸欣吸收韶吸解服風(fēng)機(jī)水泵 鳳機(jī)水泵o o o 0總電源o 0圖5實(shí)驗(yàn)裝置面板圖五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟：1. 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作：首先將水箱1和水箱2灌滿蒸餾水或去離子水，接通實(shí)驗(yàn)裝置電源并按下總 電源開關(guān)。準(zhǔn)備好10ml移液管、100ml的三角瓶、酸式滴定管、洗耳球、0.1M左右的鹽 酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.1M左右的Ba（OH 2標(biāo)準(zhǔn)溶液和甲基紅等化學(xué)分析儀器和試劑備 用。2. 測(cè)量解吸塔干填料層（-zp ）u關(guān)系曲線：打開空氣旁路調(diào)節(jié)閥V7至全開，啟動(dòng)解吸風(fēng)機(jī)6。打開空氣流量計(jì)F4下的

11、閥門V4,逐漸關(guān)小閥門V7的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)塔的空氣流量。穩(wěn)定后讀取填料層壓 降厶P即U形管液柱壓差計(jì)的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測(cè) 定6-10組數(shù)據(jù)。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速u為橫坐標(biāo)，單位高度的壓降.p. p為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填料層（牙）u關(guān)系曲線3. 測(cè)量解吸塔在不同噴淋量下填料層(z)u關(guān)系曲線:將水流量固定在100 l/h左右(水流量大小可因設(shè)備調(diào)整)，采用上面相同步 驟調(diào)節(jié)空氣流量，穩(wěn)定后分別讀取并記錄填料層壓降厶 P、轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)和流 量計(jì)處所顯示的空氣溫度，操作中隨時(shí)注意觀察塔內(nèi)現(xiàn)象， 一旦出現(xiàn)液泛，立即 記下對(duì)應(yīng)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)。根據(jù)

12、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)出液體噴淋量為100 l/h時(shí)的()u?關(guān)系曲線(見圖2)，并在圖上確定液泛氣速，與觀察到的液泛氣速相比較是否吻合。4. 二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定：(1) 關(guān)閉吸收液泵4的出口閥，啟動(dòng)吸收液泵 4,關(guān)閉空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1,二 氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)F2與鋼瓶連接。(2) 打開吸收液轉(zhuǎn)子流量計(jì)F3,調(diào)節(jié)到60 l/h，待有水從吸收塔頂噴淋而下，從吸收塔底的n型管尾部流出后，啟動(dòng)吸收氣泵 3,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1到指定 流量，同時(shí)打開二氧化碳鋼瓶調(diào)節(jié)減壓閥，調(diào)節(jié)二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)F2，按二氧化碳與空氣的比例在10 20流右計(jì)算出二氧化碳的空氣流量。(3) 吸收進(jìn)行15分鐘并操作達(dá)到

13、穩(wěn)定狀態(tài)之后，測(cè)量塔底吸收液的溫度，同時(shí) 在塔頂和塔底取液相樣品并測(cè)定吸收塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。(4) 溶液二氧化碳含量測(cè)定用移液管吸取0.1M左右的Ba (OH 2標(biāo)準(zhǔn)溶液10ml，放入三角瓶中，并從 取樣口處接收塔底溶液10 ml，用膠塞塞好振蕩。溶液中加入23滴甲基紅(或 酚酞)指示劑搖勻，用0.1M左右的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定到粉紅色消失即為終點(diǎn)。 按下式計(jì)算得出溶液中二氧化碳濃度：2CBa( OH)2VBa( OH) 2_ ChcMhCICco =mol溶液六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1. 開啟CO總閥門前，要先關(guān)閉減壓閥，閥門開度不宜過(guò)大。2. 分析CO濃度操作時(shí)動(dòng)作要迅速，以免CO從液

14、體中溢出導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理(僅供參考以實(shí)際數(shù)據(jù)為準(zhǔn))：1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算及結(jié)果（以表2所取得數(shù)據(jù)的第1組數(shù)據(jù)為例）：（1）填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（以解吸填料塔干填料數(shù)據(jù)為例）4轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)0.5m3/h ;填料層壓降U管讀數(shù)1 mmHO空塔氣速：U二3600VJIX 4D2 =(m/s)單位填料層壓降1.1 (mm20/m)0.93AP在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速U為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)作圖, 標(biāo)繪Zu關(guān)系曲線（見圖6）（2）傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)（以吸收塔的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例）液體流量L=60 (l/h )y1、Y的計(jì)算：CO轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)VCo2=0.1（nVh ）co實(shí)際流量心實(shí)=；97：X

15、0.1=0.078 (nVh )空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)V Air（m/h）Vco2y1 :V H VCO2Air丫1 =Vc。2VAirCa1的計(jì)算:塔頂吸收液空白分析CBa(OH )2 =°.°972、VBa(OH)2=10 ml、C hcl =0.1056、V HCL =mlC空白2CBa(OH )2VBa(OH )2 一 CHClVHCl2V塔底吸收液分析Vhcl = mlG =(kmol/m3)y、Y2的計(jì)算:Cai =c - C空白一LX( Ca1- CA2 ) = V Air X( Yi -Y 1)y2yiL (Cai 'Ca2)V Air丫2” =1- y

16、2Ca2的計(jì)算:吸收液中CO在水中的含量極低，忽略不計(jì) CA20C*A1、C*A2 的計(jì)算：塔底液溫度t =10.2 C查得CO亨利系數(shù)：E=1.05 X 108 Pa 則CO的溶解度常數(shù)為：h =心1二100017M w E 181.05X10=5.29 X 10-7 kmol m" Pa-1塔頂和塔底的平衡濃度為：Ca1 二 HPA1 二 Hy1 P0=5.29 X 10-7 X 0.09 X 101325 =0.005(mol/l )CA2 二 HpA2 二 Hy2p0 =5.29 X 10-7 X 0.08 X 101325 = = 0.004 (mol/l)3、CA1 =C

17、A1 -CA1 =0.005-0.00475=0.0000025 ( kmol/m )*3、CA2 二 CA2 -CA2 =0.004-0=0.004 ( kmol/m )'：CAmCA1 CA2(Ca1 Ca1)一(Ca2 一 Ca2)InlnCa1 ©Ca2 26液相平均推動(dòng)力為：厶CAm的計(jì)算:=-CAm=-CA1-CA2InlCa.1C A2= 0.0000025 -0.004=0.0000025In0.004=0.0008(kmol/m)11因本實(shí)驗(yàn)采用的物系不僅遵循亨利定律， 而且氣膜阻力可以不計(jì)，在此情況 下，整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程阻力都集中于液膜，屬液膜控制過(guò)程，則液側(cè)

18、體積傳質(zhì)膜系數(shù) 等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，即3 乂hSCai-CA2-C Am60 10(O.。0475 。) =0.0669 m/s0.0008360021.05 3.14(0.05)4實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表如下：二氧化碳在水中的亨利系數(shù)（見表1）干填料時(shí)厶P/zu關(guān)系測(cè)定濕填料時(shí)厶P/zu關(guān)系測(cè)定填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)據(jù)P zU關(guān)系曲線表1二氧化碳在水中的亨利系數(shù)EX10-5, kPa氣體溫度,0510152025303540455060CO2表2填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（干填料）(L=0填料層高度Z=0.93m塔徑D=0.05m)序 號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmHO單位高度填 料層壓強(qiáng)降mmHO/m空氣轉(zhuǎn)子流 量計(jì)讀數(shù)nVh空塔氣速m/s12345678910表3填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（濕填料）(L=100L/h填料層高度 Z=0.93m塔徑