二氧化碳吸收與試驗

1、二氧化碳吸收與實驗作者:日期:氧化碳吸收實驗裝置說明書天津大學化工基礎實驗中心2015.04、實驗目的.了解填料吸收塔的結構、性能和特點，練習并掌握填料塔操作方法 測定數(shù)據(jù)的處理分析，加深對填料塔流體力學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。.掌握填料吸收塔傳質(zhì)能力和傳質(zhì)效率的測定方法，練習對實驗數(shù)據(jù)的處理 分析。二、實驗內(nèi)容.測定填料層壓強降與操作氣速的關系，確定在一定液體噴淋量下的液泛 氣速。.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)）。.進行純水吸收

2、二氧化碳、空氣，解吸水中二氧化碳的操作練習。三、實驗原理：氣體通過填料層的壓強降：壓強降是塔設計中的重要參數(shù)，氣體通過填料層壓強降的大小決定了塔的動力消耗。壓強降與氣、液流量均有關，不同液體噴淋量下填料層的壓強降P與氣速u的關系如圖一所示：圖-1填料層的Pu關系當液體噴淋量Lo 0時，干填料的Pu的關系是直線，如圖中的直線00當有一定的噴淋量時，Pu的關系變成折線，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關系分為三個區(qū)段：既包持液量區(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)。對于相同的物系及一定的

3、設備(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，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為氣膜Ga kg A( pA pAi)(1 )液膜Ga kiA(CAi Ca)(2 )式中：GaA組分的傳質(zhì)速率，kmoI s 1 ; ) A一兩相接觸面積，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 以分壓表達推動力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，kmol m 2 s 1 Pa 1 ;K一以物質(zhì)的量濃度表達推動力的

4、液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，ms1。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為：Ga KGA(pA pA)Ga KlA(Ca Ca)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;Kg 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)， TOC o 1-5 h z 211kmol m s Pa ;K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 s1。若氣液相平衡關系遵循享利定律： Ca HPa,則:111底 k7證1 H 1K? k； k；B=Pa2C A2 ,FlifC A

5、+d。Pa +d Pa圖-2雙膜模型的濃度分布圖Pi=PmC Al , Fl圖-3 填料塔的物料衡算當氣膜阻力遠大于液膜阻力時，則相際傳質(zhì)過程式受氣膜傳質(zhì)速率控制，此時，Kgkg；反之，當液膜阻力遠大于氣膜阻力時，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) 統(tǒng)，則由吸收質(zhì)A的物料衡算可得：,任意載取一微分段，并以此為衡算系-Fl八dGA dCAL(7a)式中：Fl液相摩爾流率，kmol s 1l液相摩爾密度，kmol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:dGAKl(Ca CA)aSdh(7 b)dhFldCAK LaS L C a C

6、 a(8)式中：a 氣液兩相接觸的比表面積, S 填料塔白橫載面積，m2.2-1m - 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氣體，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 CA CA1dCAC A C AVsLCa1h KLaS Ca2令也彘，且稱比為液相傳質(zhì)單元高度(HTU；Nl Ca1 dCA ,且稱N_為液相傳質(zhì)單元數(shù)(NTU)oCA2 / C

7、a 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 Hl Nl若氣液平衡關系遵循享利定律，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：VsLCa1Ca2KLaSCAm(11)式中CA.m為液相平均推動力，即CAmCaiCA2(CaiCai) (Ca2 Ca2),CaiInA1C A2lnCIc A2CA1CA2Hy2 P0, P0為大氣壓。其中：CaiHpaiHyiP0, Ca2 HPa2氧化碳的溶解度常數(shù),3-1Mwkoml m Pa式中：w 水的密度，kg/m3;M w水的摩爾質(zhì)量，kg k

8、mol氧化碳在水中的享利系數(shù)，P a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klaKLaVsL C A1 C A2hS CAm（1 5）四、實驗裝置：.實驗裝置主要技術參數(shù)：填料塔：玻璃管內(nèi)徑D = 0.0 5 0m 塔高1.00m 內(nèi)裝小1 0 X 1 0 m m瓷拉 西環(huán)；填料層高度Z=0.95m;風機：XG B-1 2型 5 5 0VV二氧化碳鋼瓶和二氧化碳氣瓶減壓閥1個（用戶自備）。流量測量儀表：CO轉(zhuǎn)子流量計型號LZB-6流量范圍0.060. 6 m3/

9、h;空氣轉(zhuǎn)子流量計：型號LZB-1 0 流量范圍0.2 52 . 5 m，/h ;水轉(zhuǎn)子流量計：型號LZB - 1 0 流量范圍1 6160 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66 0 L/h濃度測量：吸收塔塔底液體濃度分析準備定量化學分析儀器（用戶自備） ；溫度測量：PT100鋁電阻，用于測定測氣相、液相溫度。.二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖（見圖-4 ）欠收塔解吸液 水箱吸收液 水箱圖-4二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖viq7-空氣旁通閥；8、9-U型管壓差計;1- CO 2鋼瓶；2

10、 - CO瓶減壓閥;3-吸收用氣泵；4-吸收液水泵;5 解吸液水泵;6 風機;F1-空氣流量計；F2 -CO2流量計；F 3-吸收液流量計；F4-解吸用空氣流量計；F5- 解吸液體流量計；V1-V 1 9一閥門;T1-解吸氣體溫度;T 2 -吸收液體溫度。3 .實驗儀表面板圖（見圖-5）T1氣體溫度（）T酸體溫度（）總電源O O吸收吸收解吸解吸風機水泵風機水泵C C O O圖-5實驗裝置面板圖五、實驗方法及步驟：.測量吸收塔干填料層（ P/Z） 1!關系曲線（只做解吸塔）：打開空氣旁路調(diào)節(jié)閥7至全開，啟動風機6。打開空氣流量計F4下的閥門， 逐漸關小閥門7的開度，調(diào)節(jié)進塔的空氣流量。穩(wěn)定后讀取

11、填料層壓降 P即U 形管液柱壓差計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)進行分析處理后，在對數(shù)坐標紙上以空塔氣速 u為橫坐 標，單位高度的壓降 P/ Z為縱坐標，標繪干填料層 3/ Z）u關系曲線。.測量吸收塔在噴淋量下填料層（/Z）u關系曲線：將水流量固定在1 0 0L/h左右（水流量大小可因設備調(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)坐標紙上標出液體噴淋量為 10 0 L/h

12、時的（ P/z）u?關系曲線（見圖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。.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10-2 0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 氧化碳氣體，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 動風機，利用閥門7調(diào)節(jié)空氣流量對解吸塔中的吸收液進行解吸。解吸塔水流 量應與吸收液流量

13、一致。(4 )吸收進行1 5分鐘并操作達到穩(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0.1 M左右的Ba (OH)2標準溶液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左右的鹽酸標準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：CCO22CBa(OH)2VBa(OH )2- C HCl VHCl2V溶液mol L六、實驗注意事項：.開啟CO總閥門前，要先關閉減壓閥，閥門開度不宜過大。.實驗中要注意保持

14、吸收塔水流量計和解吸塔水流量計數(shù)值一致，并隨時關注水箱中的液位。兩個流量計要及時調(diào)節(jié)，以保證實驗時操作條件不變。.分析CO濃度操作時動作要迅速，以免 82從液體中溢出導致結果不準確c 七、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理：1.實驗數(shù)據(jù)計算及結果(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)2mmHO 空塔氣速:0.5u 3600/4) D23600 ( /4) 0.05020.07( m/s)單位填料層壓降% =2/0.90 2.2(mm0 m)在對數(shù)坐標紙上以空塔氣速u為橫坐標，pZ為縱坐標作圖，標

15、繪 外u關系曲線表1第一套設備干填料時P/ZU關系測定(L=0填料層高度 Z= 0 .9 0 m塔徑D= 0 . 0 5m)序”填料層壓強降 mm H 2 O單位高度填料 層壓強降mm H2 O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)m3 / h空塔氣速如/s111. 10. 2 50.04222.20 . 50.0 7322.20 .80.11444.41.10.16555 . 61. 40.2 0666.71.70.2471 011.120.2881 415. 62.30. 3 3表2第一套濕填料時/ zu關系測定(L=100L/h填料層高度Z =0. 94m塔徑D=0.05m)序 號填料 層壓 強降 mm

16、H2 O單位高度填 料層壓強降 和mi 2 O/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122.20.2 50.04正常255 .40.5 00 .07正常31 010. 80.7 00.10正常41617.20.900 .1 3正常5343 6.61. 1 00. 1 6正常64245.21 . 300.18正常76 064.51 .500. 2 1正常88995.71.700. 24持液91 21130.11. 900.27液泛101 6 81 80.62.100.30液泛101 6 81 80.62.100.30液泛表3第二套設備干填料時 P/zu關系測定（L=0填料層高

17、度Z = 0. 94m 塔徑D=0. 0 5 m）序 號填料層壓 強降mnHO單位高度填 料層壓強降m mHD /m空氣轉(zhuǎn)子流 量計讀數(shù)m 3/h空塔氣速 m/ s111. 10 . 250.04211. 10.50. 07322 . 10. 80.11433. 21. 10 .1 6555. 31 . 40 .20688.51.70.2471111.720 . 288141 4. 92.30.33表4第二套設備濕填料時/zu關系測定（L=120L/h填料層高度Z=0.9 4m塔徑D = 0.05 m）序？ 號填料 層壓 強降m mH2O單位高度填料層壓強降mmHOX m空氣轉(zhuǎn)子 流量計讀 數(shù)

18、 m3 /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 .7 00.10正 常41212.90.900.13正常51 920. 41. 1 00.16正常62830.11.300.18正常7434 6 .21.500.21正常86873. 11.700. 2 4持液91301 3 9 .81.9 00.2 7持液102002 15. 12. 1 00. 3 0液泛(E6HEF- z-d空塔氣速u Cm/s)圖1第一套實驗裝置PZu關系曲線圖cEdiEs ddl空塔氣速u (m/s)圖2第二套實驗裝置%u關系曲線圖(2)傳質(zhì)實驗參考數(shù)

19、據(jù)(以吸收塔的傳質(zhì)實驗為例) 液體流量L =80(1 /h)yi、Yi的計算：CO轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù) Neo =0.2(m/h)CO實際流量 VCd 實=I1204 0 .2=0 . 1 62(m3/ h ) ,1.85空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù) V Air=0.8 (m 3/h )yi&= 0.162=0.16 8VcO2 VAir 0.162 0.8YiVCO = 0162 =0. 2 0 2VAir 0.8. Ca1的計算:塔頂吸收液空白分析CBa(OH )2 =0.0906、VBa(OH )2 =1 0ml、Chcl =0.1379、VHCL =11. 9 0 mlC空白2CBa(OH )2VBa

20、(OH )2CHClVHCl2V2 0.0906 10 0.1379 11.902 20= 0.0 0 427 (kmo 1 /吊)塔底吸收液分析Vhcl =1 o .80 m 1C12 00906 10 01379 10.802 20=0 .00 8 0 6 7(kmol / mi)CA1 =C1C 空白=0.0 0 80 6 7 -0.00427一 一一 一，一 一一 3.=0 . 00 3 7 9 7 ( kmol/m )- y2、Y2的計算:L X ( Ca1 Ca2 ) = V Ai r X (Y1-Yi)= 0.168丫2L (CA1CA2)y2 y1-VV Air801000(0

21、.003797 0) 1000:=0.1 6 080.822.4y21-y2 1-0.1608Ca2的計算:吸收液中CO在水中的含量極低，忽略不計 Ca2 = 0C A1、C A2的計算:塔底液溫度t =7 C查得CO亨利系數(shù)：E=0. 9 46X 1 0 8 Pa則CO的溶解度常數(shù)為:w 1 =10001Mw E 189.46 107=5.89 X 1 0 -7 kmol m 3 Pa塔頂和塔底的平衡濃度為:CA1 HpA1 Hy1 p0=5. 8 9X 10-7X0. 168X 1 0 1 3 25 =0. 0 1 002 (mo l/ 1 ) 一一一-7CA2 HpA2 Hy2 Po=5

22、.89X 1 0 X 0. 160X 101 3 25 = = 0.00954 (mol/1 )3、CA1 CA1 CA1 =0. 01002- 0 . 003797=0.0 0 62 2 ( k m ol/m )3CA2 CA2 CA2= 0. 0 0954 -0=0. 0 0954 (kmol/m)CAmC A1Ca2(Ca1Ca1)(Ca2 Ca2)InCa.1C A2lnC1CA2CA1CA2液相平均推動力為：CAm的計算:CA1 CA2CAmCA.1In 一C A20.00622 0.00954,0.00622 ln0.009540.0078 （kmol/m 3）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k1aK LaVsL C A1 C A2 hS c；?=80 10 3/3600(0.003797 0)0.95 3.14 (0.05)2/40.00078=0.005 8 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)EX 10-5, kPa氣體溫度，C0510455 060CO0.7380 .8881.051.241.441.661 .8 82. 122.362 .602. 873.