二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)解讀

1、二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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)行純水吸收二氧化碳、空氣解吸水中二氧化碳的操作練習(xí)，同時(shí)測(cè)定填料

2、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A(chǔ)P與氣速u(mài)的關(guān)系如圖一所示：圖一填料層的APu關(guān)系當(dāng)液體噴淋量L0二0時(shí)，干填料的APu的關(guān)系是直線(xiàn)，如圖中的直線(xiàn)0。當(dāng)有一定的噴淋量時(shí)，APu的關(guān)系變成折線(xiàn)，并存在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，下轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為“載點(diǎn)”上轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為“泛點(diǎn)”。這兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將APu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)。對(duì)于相同的物系及一定的設(shè)備(填料類(lèi)型

3、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(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G=kA(p一p)AgAAi(1)液膜G二kA(C-C)AlAiA(2)式中：GA組分的傳質(zhì)速率，kmol-s-1；AA兩相接觸面積，m2；P氣側(cè)A組分的平均分壓，Pa；AP相界面上A組分的平均分壓，Pa；AiC液側(cè)A組分的平均濃度，kmol-m-3AC相界面上A組分的濃度kmol-m-3Aik以分壓表達(dá)推動(dòng)力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，kmol-m-2-s-1-Pa-1；gk以物質(zhì)的量濃度表達(dá)推動(dòng)力的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，m-s-1。l以氣相分壓或以

4、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：G二KA(pp*)(3)AGAAG二KA(C“-C)(4)ALAA式中：p*液相中A組分的實(shí)際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；AC*氣相中A組分的實(shí)際分壓所要求的液相平衡濃度，kmol-m-3；AK以氣相分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡(jiǎn)稱(chēng)為氣相傳質(zhì)總系數(shù)Gkmol-m-2-s-1-Pa-1；K-以氣相分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡(jiǎn)稱(chēng)為液相傳質(zhì)總系數(shù)，m-s-i。L若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律：Ca=HPa，則:P=P2A2APACA2，F(xiàn)LP+dPAAC+dCAA圖二雙膜模型的濃度分布圖P=PC，F(xiàn)1A1A1L圖三填料塔的物料衡算圖1

5、11+(5)KkHKGgl1H1+-(6)KkkLgl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)，K二k；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Gg質(zhì)速率控制，此時(shí)，K二k。Ll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：FdG=LdC(7a)ApAL式中：F液相摩爾流率，kmol-s-i；L2P液相摩爾密度，kmol-m-3。L根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程式，可寫(xiě)出該微分段的傳質(zhì)速率微分方程dG二K(C一C)aSdh(7b)ALAAFdC聯(lián)立上兩式可得：dh二F-dCA(8)KaSpC一CLLAA式中：

6、a氣液兩相接觸的比表面積，m2m-1；S填料塔的橫載面積，m2。本實(shí)驗(yàn)采用水吸收純二氧化碳，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F和摩爾密度p的比值，亦即液相體積流率(V)可視為定LLsL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L下列邊值條件積分式(8)，可得填料層高度的計(jì)算公式：C二CAA.29)VCdCh=sL.JCA1AKaScC一CLA2AAV=sL-LKaSL且稱(chēng)Hl為液相傳質(zhì)單元高度(HTU)；wfcdCN=J°ai-LcC*CA2AA，且稱(chēng)N為液相傳質(zhì)單元數(shù)(NTU)。L1410)因此，填料層高度為傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)

7、之乘積，即h二HxNLL若氣液平衡關(guān)系遵循享利定律，即平衡曲線(xiàn)為直線(xiàn)，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)VCCh=sL-A2KaSACLAmh_h丁_VlsLKaSL式中AC為液相平均推動(dòng)力，即A.m“AC-ACAC=A1A2AmACInACA2(C*-C)-(C*-C)AA1A2AS,C*-ClnaiAiC*-CA2A213)其中：C*=Hp=Hyp,A1A110C*=Hp=Hyp，P為大氣壓。A2A2200氧化碳的溶解度常數(shù)：koml-m-3-Pa-114)式中：p水的密度，kg-m-3;wM水的摩爾質(zhì)量，kg

8、-kmol-i；wE二氧化碳在水中的享利系數(shù)（見(jiàn)化工原理下冊(cè)第78頁(yè)），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kaKailhSC-CA1ASACAm15)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=0.050m塔高1.00m內(nèi)裝（p10X10mm瓷拉西環(huán);填料層高度Z=0.78m；風(fēng)機(jī)：XGB-12型550W;二氧化碳鋼瓶1個(gè)；減壓閥1個(gè)（用戶(hù)自備）。流量測(cè)量?jī)x表：CO轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)LZB-6流量范圍0.060.6m3/h；2空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型

9、號(hào)LZB-10流量范圍0.252.5m3/h；吸收水轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10流量范圍16160L/h；解吸水轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10流量范圍16160L/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(hù)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. 二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖（見(jiàn)圖四）圖四二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖1-CO2流量計(jì)；2-CO2瓶減壓閥；3-CO2鋼瓶；4-吸收用空氣流量計(jì)；5-吸收用氣泵；6、8-噴頭；7、19-水箱放水閥；9-解吸塔；10-解吸塔塔底取樣閥；11-解吸液儲(chǔ)槽；12、15-U型管液柱壓強(qiáng)計(jì)；13-吸收液流

10、量計(jì)；14-解吸液液泵；16-吸收液儲(chǔ)槽；17-吸收塔；18-吸收塔塔底取樣閥；20-解吸液流量計(jì)；21-吸收液液泵；22-空氣流量計(jì)；23-空氣旁通閥；24-風(fēng)機(jī)3實(shí)驗(yàn)儀表面板圖（見(jiàn)圖五）圖五實(shí)驗(yàn)裝置面板圖五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟：1. 測(cè)量吸收塔干填料層（AP/Z）u關(guān)系曲線(xiàn)（只做解吸塔）：打開(kāi)空氣旁路調(diào)節(jié)閥5至全開(kāi)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。打開(kāi)空氣流量計(jì),逐漸關(guān)小閥門(mén)5的開(kāi)度，調(diào)節(jié)進(jìn)塔的空氣流量。穩(wěn)定后讀取填料層壓降A(chǔ)P即U形管液柱壓差計(jì)11的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測(cè)定8-10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(mài)為橫坐標(biāo)，單位高度的壓降A(chǔ)P/Z為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填

11、料層（AP/Z）u關(guān)系曲線(xiàn)。2. 測(cè)量吸收塔在噴淋量下填料層（AP/Z）u關(guān)系曲線(xiàn)：將水流量固定在104L/h（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A(chǔ)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(guān)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)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100L/h時(shí)的（AP/z）u關(guān)系曲線(xiàn)，并在圖上確定液泛氣速，與觀(guān)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(cè)定：吸收塔與解吸塔（水流量控制在40L/h）（1）打開(kāi)閥門(mén)5，關(guān)閉閥門(mén)9、13。（2）啟動(dòng)吸收液泵2將水經(jīng)水流量計(jì)

12、14計(jì)量后打入吸收塔中，然后打開(kāi)二氧化碳鋼瓶頂上的針閥20，向吸收塔內(nèi)通入二氧化碳?xì)怏w（二氧化碳?xì)怏w流量計(jì)15的閥門(mén)要全開(kāi)），流量大小由流量計(jì)讀出，控制在0.2m3/h左右。（3）吸收進(jìn)行15分鐘后，啟動(dòng)解吸泵2，將吸收液經(jīng)解吸流量計(jì)7計(jì)量后打入解吸塔中，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，利用閥門(mén)5調(diào)節(jié)空氣流量（約0.5m3/h）對(duì)解吸塔中的吸收液進(jìn)行解吸。（4）操作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測(cè)量塔底的水溫，同時(shí)取樣，測(cè)定兩塔塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。（實(shí)驗(yàn)時(shí)注意吸收塔水流量計(jì)和解吸塔水流量計(jì)數(shù)值要一致，并注意解吸水箱中的液位，兩個(gè)流量計(jì)要及時(shí)調(diào)節(jié)，以保證實(shí)驗(yàn)時(shí)操作條件不變）（5）二氧化碳含量測(cè)定用移液管吸取Ba（

13、OH）溶液10mL，放入三角瓶中，并從塔底附設(shè)的取樣口2處接收塔底溶液10mL,用膠塞塞好振蕩。溶液中加入23滴酚酞指示劑搖勻,用0.1M的鹽酸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：2CVCVC_Ba(OH)2Ba(OH)2HClHClmol-Lco?2V2溶液六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1.開(kāi)啟CO總閥門(mén)前，2要先關(guān)閉減壓閥，閥門(mén)開(kāi)度不宜過(guò)大。2. 實(shí)驗(yàn)中要注意保持吸收塔水流量計(jì)和解吸塔水流量計(jì)數(shù)值一致，并隨時(shí)關(guān)注水箱中的液位。3. 分析CO濃度操作時(shí)動(dòng)作要迅速，以免CO從液體中溢出導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。22七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄1.實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（干填料）解吸塔序號(hào)空氣轉(zhuǎn)子

14、流量計(jì)讀數(shù)/m3/h填料層壓強(qiáng)降/mmH2O溫度10.2520.531.041.552.062.52.實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（濕填料）濕填料時(shí)厶P/zu關(guān)系測(cè)定L=160填料層高度Z=0.78m塔徑D=0.05m序號(hào)解吸塔水流量：空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)/m3/h填料層壓強(qiáng)降/mmH2O溫度操作現(xiàn)象10.2520.530.740.850.961.071.181.291.3101.4111.5121.6131.73. 實(shí)驗(yàn)裝置填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表被吸收的氣體：純CO2吸收劑:水塔內(nèi)徑:50mm塔類(lèi)型吸收塔填料種類(lèi)瓷拉西環(huán)填料層高（m）0.80CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)（m3

15、/h）0.200co2轉(zhuǎn)子流量計(jì)處溫度（°C）空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)（m3/h）0.500水轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)（1/h）40.0中和CO2用Ba（OH）2的體積（ml）樣品的體積（ml）滴定塔底吸收液用鹽酸的體積（ml）滴定空白液用鹽酸的體積（ml）4.氫氧化鋇及鹽酸濃度標(biāo)定鹽酸濃度標(biāo)定序號(hào)123Na2CO3質(zhì)量/gHCl體積/ml氫氧化鋇濃度標(biāo)定序號(hào)123鄰苯二甲酸氫鉀質(zhì)量/gBa(OH)2體積/ml八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算及結(jié)果:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程（以一組數(shù)據(jù)為例）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算示例（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）轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)0.5m3/h；填料層壓降U管

16、讀數(shù)2.0mmHO2空塔氣速：V3600x(兀/4)D20.53600x(k/4)x0.05020.07(m/s)單位填料層壓降：ApZ=2/0.78=2.6(mmO/m)(2)傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)C02轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)0.200(m3/h)、CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)處溫度16.1(°C)16.1°C下二氧化碳?xì)怏w密度P=1.976Kg/m3co2rp|1?204CO2實(shí)際流量V=0.200皿=0.156(m3/h)2co2p1.976co2空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)V=0.500(m3/h)Air吸收液濃度計(jì)算吸收液消耗鹽酸體積V=30.10ml,則吸收液濃度為：12CV-CVC=Ba(OH)2Ba(

17、OH)2HCHCai2V溶液=2X0.17982x10-0.111x30.1=0.01277(kmol/m3)2x10吸收劑二氧化碳濃度計(jì)算因純水中含有少量的二氧化碳，所以純水滴定消耗鹽酸體積V=32.3ml,則塔頂水中cO濃度為：22CBa(OH/a(OHgflA22V溶液220.17982X10-0.111X32.3=0.00056(kmol/m3)2x10塔底的平衡濃度計(jì)算塔底液溫度t=7.9C，由附錄可查得CO亨利系數(shù)E=0.9735X105KPa2則CO的溶解度常數(shù)為：2=5.706X10-7(kmol-m-3-Pa-1)p110001H=x=XME180.9735x108w塔底混和

18、氣中二氧化碳含量：yr諾耗=。238C*=HXP=HXyXP=5.7X10-7X0.238X101325=0.013759(kmol/m3)A1A110塔頂?shù)钠胶鉂舛扔?jì)算由物料平衡得塔頂二氧化碳含量LX(C-C)y=y-A2亠21VL(C-C)=V(y-y)A2A11240()X(0.01277-0.00056)=0.238-=0.216（2254）C*=HXP=HXyXP=5.706X10-7X0.2161X101325=0.012493(kmol/m3)A2A220液相平均推動(dòng)力計(jì)算C*-C)-(C*-C)A2A2A1AAC*-CAcailnA2A2-C*-CA1A1(0.0137-0.0

19、0056)-(0.016521-0.01277),0.0137-0.00056ln0.01249-0.012770.0044(kmol/m3)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)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，即ka=Ka=lilhSC-CA1A2ACAm=0.0049(m/s)40X10-3/3600(0.01277-0.00056)X0.8x3.14x(0.050)2/40.0049實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表如下：表一實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（干填料）干填料時(shí)AP/zu關(guān)系測(cè)定L=0填料層高度Z=0.78m

20、塔徑D=0.05m序號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmHO2單位高度填料層壓強(qiáng)降mmHO/m2空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h空塔氣速m/s122.60.50.07245.110.14379.01.50.2141316.720.2851620.52.50.35表二實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定(濕填料)濕填料時(shí)AP/zu關(guān)系測(cè)定L=160填料層高度Z=0.78m塔徑D=0.05m)序號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmHO2單位高度填料層壓強(qiáng)降mmHO/m2空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h空塔氣速m/s操作現(xiàn)象12.02.60.250.04正常210.012.80.500.07正常323.029.50.700.10正常435.044.90.900.13正常555.070.51.100.16正常669.088.51.200.17正常7110.0141.01.300.18正常8145.0185.91.400.20正常9195.0250.01.500.21液泛10260.0333.31.600.23液泛11300.0384.61.700.24液泛表三：實(shí)驗(yàn)裝置填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)據(jù)表填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表被吸收的氣體：純CO