二氧化碳吸收與實驗

1、氧化碳吸收實驗裝置說明書天津大學(xué)化工基礎(chǔ)實驗中心2015. 04、實驗?zāi)康? .了解填料吸收塔的結(jié)構(gòu)、性能和特點，練習(xí)并掌握填料塔操作方法；通過實 驗測定數(shù)據(jù)的處理分析，加深對填料塔流體力學(xué)性能基本理論的理解， 加深對填料 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)效率的測定方法，練習(xí)對實驗數(shù)據(jù)的處理 分析。二、實驗內(nèi)容1 .測定填料層壓強(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，在液泛速度下，取兩個相 差較大的氣相流量，分別測量塔的傳質(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

2、水吸收二氧化碳、空氣，解吸水中二氧化碳的操作練習(xí)。三、實驗原理：氣體通過填料層的壓強(qiáng)降：壓強(qiáng)降是塔設(shè)計中的重要參數(shù)，氣體通過填料層壓強(qiáng)降的大小決定了塔的動 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P與氣速u的關(guān)系如圖一所示：圖-1填料層的Pu關(guān)系當(dāng)液體噴淋量Lo 0時，干填料的 Pu的關(guān)系是直線，如圖中的直線00當(dāng)有定的噴淋量時， Pu的關(guān)系變成折線，并存在兩個轉(zhuǎn)折點，下轉(zhuǎn)折點稱為“載點”，上轉(zhuǎn)折點稱為“泛點”。這兩個轉(zhuǎn)折點將 Pu關(guān)系分為三個區(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)是決定吸收過程速率高低的重要參數(shù)，實驗測定可獲取吸收系數(shù)。對于相同的物系及

3、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。1. 二氧化碳吸收-解吸實驗根據(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 klA（CAi CA）（ 2）式中：GA A組分的傳質(zhì)速率，kmoI s1；2A 兩相接觸面積，m；Pa 一氣側(cè)A組分的平均分壓,Pa；PAi一相界面上A組分的平均分壓，Pa；CA液側(cè)A組分的平均濃度，kmol m 3CAi 一相界面上A組分的濃度kmol m 3kg 一以分壓表達(dá)推動力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，kmol m2 s 1 Pa 1 ；ki一以物質(zhì)的量濃度表達(dá)推動力

4、的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，m s 1o以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過程推動力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達(dá)為：GA KGA（pA pA）（ 3）GA KLA（CA CA）（ 4）式中：Pa一液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；Ca一氣相中A組分的實際分壓所要求的液相平衡濃度，kmol m3;K G 以氣相分壓表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù)，, I211kmol m s Pa ;Kl-以氣相分壓表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，m s若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律： Ca HPa,則:111KGkg試1H1(5)(6)cdhPA+d PaA+dCA圖-2雙膜模型

5、的濃度分布圖Pi=PaiC A1, Fl圖-3填料塔的物料衡算圖K?k?k?當(dāng)氣膜阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力時，則相際傳質(zhì)過程式受氣膜傳質(zhì)速率控制， 此 時，Kg kg；反之，當(dāng)液膜阻力遠(yuǎn)大于氣膜阻力時，則相際傳質(zhì)過程受液膜傳 質(zhì)速率控制，此時，KL kl。如圖三所示，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：dGAFLdCA(7a)式中：FL液相摩爾流率，kmol s1;L液相摩爾密度，kmol m 3。(7b)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 KL(CA CA)aSdh聯(lián)立上兩式可得：dh dC-（8）K LaS L C

6、a Ca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。本實驗采用水吸收二氧化碳與空氣的混合物中的二氧化碳?xì)怏w，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L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)KL和兩相接觸比表面積a, 在整個填料層內(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 算公式：h 0 cA CA.2h h CAC A1(9)令HLVsLKLaS,且稱HL為液相傳質(zhì)單元高度（HTU;h 匕 CA1/KLaS CA2 Ca CaKLaSCAm(11)NLCA1 dCA 且稱n,為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NT

7、U。CA2 I CA C A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h H L NL（10）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算式，亦即可采用下列平均推動力法計算填料層的高度或 液相傳質(zhì)單元高度：VsLC A1 C A2NlHlhVsLKl S(12)式中CA.m為液相平均推動力，即Cai C A2CAmCA.1In C A2(CaiCai)(Ca2Ca2)CaiCailnC A2 Ca2(13)其中：Cai Hpai Hy1 Po , Ca2HPA2Hy2Po , Po為大氣壓。氧化碳的溶解度常數(shù):式中:水的密度,1 komlE

8、Pa 1(14)kg/m3；Mw 水的摩爾質(zhì)量，kgkmol氧化碳在水中的享利系數(shù),Pa。因本實驗采用的物系不僅遵循亨利定律， 而且氣膜阻力可以不計，在此情況 下，整個傳質(zhì)過程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過程，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kl aKLaVsL C A1hS CC A2(15)Am四、實驗裝置：1 .實驗裝置主要技術(shù)參數(shù)：填料塔：玻璃管內(nèi)徑 D = 0.0 50m 塔高1.00m 內(nèi)裝（|）10X 10mms拉西環(huán);填料層高度Z= 0.95m； 風(fēng)機(jī)：XGB-12型550W;二氧化碳鋼瓶和二氧化碳?xì)馄繙p壓閥1個（用戶自備）。流量測量儀表：CO轉(zhuǎn)子流量計型號L

9、ZB-6 流量范圍0.060.6 m3/h;空氣轉(zhuǎn)子流量計：型號 LZB-10 流量范圍0.252.5 m3/h;水轉(zhuǎn)子流量計：型號LZB-10 流量范圍16160 L/h;解吸收塔空氣轉(zhuǎn)子流量計：型號 LZB-10流量范圍0.252.5 m3/h;解吸收塔水轉(zhuǎn)子流量計：型號 LZB-6流量范圍660 L/h濃度測量：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）溫度測量：PT100鋁電阻，用于測定測氣相、液相溫度。2 . 二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖（ 見圖 -4）圖-4二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖1- CO2鋼瓶；2- CO2瓶減壓閥；3-吸收用氣泵；4-吸收液水泵

10、；5-解吸液水泵；6-風(fēng)機(jī)；7-空氣旁通閥；8、9-U型管壓差計;F1-空氣流量計；F2-CO流量計；F3-吸收液流量計；F4-解吸用空氣流量計；F5-解吸液體流量計；V1-V1A閥門；T1-解吸氣體溫度;T2-吸收液體溫度3.實驗儀表面板圖（見圖-5）T1氣體溫度（）T破體溫度（t）總電源O O吸收吸收解吸解吸 風(fēng)機(jī)水泵風(fēng)機(jī)水泵 C C O O圖-5實驗裝置面板圖五、實驗方法及步驟：1 .測量吸收塔干填料層（ P/Z）u關(guān)系曲線（只做解吸塔）：打開空氣旁路調(diào)節(jié)閥7至全開，啟動風(fēng)機(jī)6。打開空氣流量計F4下的閥門， 逐漸關(guān)小閥門7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 P即U 形管液柱

11、壓差計9的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測定 8-10 組數(shù)據(jù)。在對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，在對數(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/Z為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填料層 3/Z）u關(guān)系曲線。2 .測量吸收塔在噴淋量下填料層 gP/Z）u關(guān)系曲線：將水流量固定在100L/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P、轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)和流量計處所顯示的空氣溫度，操作中隨時注意觀察塔內(nèi)現(xiàn)象， 一旦出現(xiàn)液泛，立 即記下對應(yīng)空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)出液體噴淋量 為100L/h時的 QP/z）u?關(guān)系曲線（見圖

12、2A ）,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。3 .二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)測定：(1)打開閥門V7、V11,其余所以閥門全部關(guān)閉。(2)啟動吸收液泵4將水經(jīng)水流量計F3計量后打入吸收塔中，啟動氣泵 3 用閥門V1調(diào)節(jié)空氣流量為指定值，按二氧化碳與空氣的比例在 1020流右計 算出二氧化碳的空氣流量。打開二氧化碳鋼瓶頂上的減壓閥 2,向吸收塔內(nèi)通入 二氧化碳?xì)怏w，流量大小由流量計 F2讀出。(3)啟動解吸泵5,將吸收液經(jīng)解吸流量計F5計量后打入解吸塔中，同時啟 動風(fēng)機(jī)，利用閥門7調(diào)節(jié)空氣流量對解吸塔中的吸收液進(jìn)行解吸。解吸塔水流 量應(yīng)與吸收液流量一致。(4)吸收進(jìn)行15分鐘并

13、操作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測量塔底吸收液的溫度，同 時用V6和V16取樣品，測定吸收塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。(5)二氧化碳含量測定用移液管吸取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滴酚吹指示 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。按下式計算得出溶液中二氧化碳濃度：2c Ba(OH )2 VBa(OH ) 2- C HCl VHCl1CCO2 - mol L2V溶液六、實驗注意事項：1 .開啟CO總閥門前，要先關(guān)閉減壓閥，閥門開度不宜過大。2 .實驗中要注意保持吸收塔水流量計和

14、解吸塔水流量計數(shù)值一致，并隨時關(guān)注水箱中的液位。兩個流量計要及時調(diào)節(jié)，以保證實驗時操作條件不變。3 .分析CO濃度操作時動作要迅速，以免CO從液體中溢出導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。 七、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理：1.實驗數(shù)據(jù)計算及結(jié)果(以實驗中表 1所取得數(shù)據(jù)的第2組數(shù)據(jù)為例)：(1)填料塔流體力學(xué)性能測定(以解吸填料塔干填料數(shù)據(jù)為例)轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)0.5m3/h ; 填料層壓降U管讀數(shù)2mm2O 空塔氣速：0.07 (m/s)u ；3600 ( /4) D20.53600 ( /4) 0.0502單位填料層壓降 PZ =2/0.90 2.2 （mmHO/m）在對數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速u為橫坐標(biāo)， %為縱坐標(biāo)作圖

15、，標(biāo)繪 u 關(guān)系曲線。表1第一套設(shè)備干填料時P/zu關(guān)系測定（L=0 填料層高度Z=0.90m塔徑D=0.05m）序 號填料層壓強(qiáng)降 mmHO單位高度填料 層壓強(qiáng)降mmHO/m空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)m/h空塔氣速m/s111.10.250.04222.20.50.07322.20.80.11444.41.10.16555.61.40.20666.71.70.2471011.120.2881415.62.30.33表2第一套濕填料時 P/zu關(guān)系測定（L=100L/h填料層高度Z=0.94m塔彳全D=0.05m）序 號填料 層壓 強(qiáng)降mmHO單位高度填 料層壓強(qiáng)降 mmHO/m空氣轉(zhuǎn)子 流量計讀 數(shù)

16、m/h空塔氣速 m/s操作現(xiàn)象122.20.250.04正常255.40.500.07正常31010.80.700.10正常41617.20.900.13正常53436.61.100.16正常64245.21.300.18正常76064.51.500.21正常88995.71.700.24持液9121130.11.900.27液泛10168180.62.100.30液泛表3第二套設(shè)備干填料時 P/zu關(guān)系測定（L=0 填料層高度Z=0.94m 塔徑D=0.05m）序 號填料層壓強(qiáng)降mmHO單位高度填 料層壓強(qiáng)降 mmHO/m空氣轉(zhuǎn)子流 量計讀數(shù) m/h空塔氣速 m/s111.10.250.04

17、211.10.50.07322.10.80.11433.21.10.16555.31.40.20688.51.70.2471111.720.2881414.92.30.33表4第二套設(shè)備濕填料時P/zu關(guān)系測定(L=120L/h填料層高度 Z=0.94m塔徑 D=0.05m)序 號填料 層壓 強(qiáng)降mmH2O單位高度填 料層壓強(qiáng)降 mmHO/m空氣轉(zhuǎn)子 流量計讀 數(shù)m/h空塔氣速m/s操作現(xiàn)象122.20.250.04正常244.30.500.07正常366.50.700.10正常41212.90.900.13正常51920.41.100.16正常62830.11.300.18正常74346.2

18、1.500.21正常86873.11.700.24持液9130139.81.900.27持液10200215.12.100.30液泛(E6HEF- z&<空塔氣速u Cm/s)圖1第一套實驗裝置PZU關(guān)系曲線圖CEO±EE)dd<l空塔氣速u (m/s)圖2第二套實驗裝置%u關(guān)系曲線圖(2)傳質(zhì)實驗參考數(shù)據(jù)(以吸收塔的傳質(zhì)實驗為例)液體流量L=80 (l/h ) y1、Yi的計算：CO轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù) VCo2=0.2 (m3/h)CO實際流量 VCO2實=J1204 0.2=0.162 (m3/h ) ,1.85空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)V Air =0.8 (m3/h)

19、yiVcO2V CO2V Air0.162=0.1680.162 0.8Y1VC氾=0162 =0.202VAir0.8. CA1的計算:塔頂吸收液空白分析 CBa(OH )2 =0.0906、V Ba(OH )2 =10 ml、Chcl =0.1379、VHCL =11.90 mlC空白2CBa(OH )2VBa(OH )2CHClVHCl2V2 0.0906 10 0.1379 11.90=0.004272 20(kmol/m3)塔底吸收液分析Vhcl =10.80 mlc 2 0.0906 10 0.1379 10.80 2八C1=0.0080672 20Ca1 =C1C 空白=0.00

20、8067-0.004273.=0.003797(kmol/m)(kmol/m3)- y2、Y2的計算:LXCA1 - CA2 )=V Air x ( Y1 -Y 1)L (Ca1 Ca2)y2 y1-VV Air801000 (0.003797 0)= 0.1681000=0.16080.822.4丫2y2001=0.19161-y2 1-0.1608 Ca2的計算:吸收液中CO在水中的含量極低，忽略不計 Ca2 = 0 C A1、C A2的計算:塔底液溫度t =7 C查得CO亨利系數(shù)：E=0.946 X 108 Pa則CO的溶解度常數(shù)為：H mw 1 _1000w E 18179.46 10

21、=5.89 X10-7 kmoi31Pa塔頂和塔底的平衡濃度為:CA1 Hp A1 Hy1 p0=5.89X10-7X0.168 X 101325 =0.01002(mol/l )一一一一一一一_-7CA2 HpA2 Hy 2 po =5.89 X 10 X 0.160 X 101325 = = 0.00954 (mol/l)3、CA1 CA1 CA1 =0.01002-0.003797=0.00622 (kmol/m)*3、CA2 CA2 CA2 =0.00954-0=0.00954 (kmol/m)Ca1Ca2(Ca1 Ca1)(Ca2 Ca2)CAmr.c cIn-CX1n Ca1 Ca

22、1Ca2Ca2 Ca2液相平均推動力為：CAm的計算:CAmCa1InCA2 0.00622 0.00954人與=C cc=0.0078(kmol/m )CA1, 0.00622_ailn CA20.00954因本實驗采用的物系不僅遵循亨利定律， 而且氣膜阻力可以不計，在此情況 下，整個傳質(zhì)過程阻力都集中于液膜，屬液膜控制過程，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)，即VsL C A1kia KLa 吐一C A2Am80 10 3/360020.95 3.14 (0.05)2/4(0.003797 0)0.00078hS C=0.0058 m/s二氧化碳在水中的亨利系數(shù)（見表4）表9二氧化碳在水中的亨利系數(shù)E X10-5, kPa氣體溫度，C0510152025303540455060CO