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1、氧化碳吸收与解吸实验、实验目的1. 了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实验测 定数据的处 理分析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解， 加深对填料塔传 质性能理论的理解。2. 掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习实验数据的处理分析。 二、实验内容1. 测定填料层压强降与操作气速的关系，确定在一定液体喷淋量下的液泛气速。2. 固定液相流量和入塔混合气二氧化碳的浓度，在液泛速度下，取两个相差较 大的气相流量， 分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传 质单元高度和体积吸收总系 数）。3. 进行纯水吸收二氧化碳、空气解吸水中二氧化碳的操作
2、练习，同时测定填料 塔液侧传质膜系 数和总传质系数。填料层的压强降P与气速u的关系如图一所示：Lo320m/su图一填料层的 Pu 关系实验原理：气体通过填料层的压强降：压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气、液流量均有关，不同液体喷淋量下当液体喷淋量 Lo0 时，干填料的 Pu 的关系是直线，如图中的直线 0当有一定的喷淋量时，P称为“载点”，u上的折点称成折线泛并存在两个转折点，下转折点点”。这两个转折点将P u关系分为三个区段：既恒持液量区、载液区及液泛区。传质性能：吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定可获取吸收系数。对于相同的
3、物系及一定的设备(填料类型与尺寸)，吸收系数随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。1.二氧化碳吸收 -解吸实验根据双膜模型的基本假设， 气侧和液侧的吸收质 A 的传质速率方程可分别表达为气膜GAkgA(PAPAi)(1)液膜GAk|A(CAiCA)(2)式中：G AA组分的传质速率，kmoI s ；1A 两相接触面积，m2；PA 气侧A组分的平均分压，Pa；卩知一相界面上A组分的平均分压，Pa；CA 液侧A组分的平均浓度，kmol m 3CAi 相界面上A组分的浓度kmol m 3kg以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol k|以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，Pa以气相分压或以
4、液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为：GA KGA(PA PA)3GA KL A(CA CA)4)式中：PA 液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，PaCA 气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol m 3 ；KG 以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，kmol m s P2 a11；Kl-以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数,若气液相平衡关系遵循享利定律：CAHPA,则:1 1 1, hkaKG k；11 HkiKT kgi(5)(6)界面A2PAitCCAA膜膜浓R=PA2PA+d PACA+dQP1=PA1CA
5、1，FL图二双膜模型的浓度分布图图三 填料塔的物料衡算图g当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式受气膜传质速率控制， 此 时， KGkg ；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传 质速率控制，此时， KL kl如图三所示，在逆流接触的填料层内，任意载取一微分段，并以此为衡算系统， 则由吸收质 A的物料衡算可得：dG A Fl dCA(7a)式中： FL 液相摩尔流率， kmol s 1 ;L - 液相摩尔密度， kmol m 3。(7b)根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程:dGAKL(CA CA)aSdh联立上两式可得：dhFLK L aS LCA
6、dCCA(8)式中：a 气液两相接触的比表面积,S填料塔的横载面积，m。本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小,因此，液相摩尔流率Fl和摩尔密度L的比值，亦即液相体积流率（Vs）L可视为定 值，且设总传质系数Kl和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按F 列边值条件积分式（ 8），可得填料层高度的计算公式:h 0 CA C A.2h C A C A1VsLCai dCAKLaS C2CA CAL K aS VsL，且称Hl为液相传质单元高度(HTU；H LLCa1 cacca，且称“为液相传质单元数（ntu。CA2(10)因此，填料层高度为传质单元高度与传质
7、单元数之乘积，即h H L NL若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（ 法解得填 9）为可用解析 料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或 液 相传质单元高度：式中 CA.m 为液相平均推动力，即sLKLaSc Al c A2C AmNLHLKL S(11)(12)CC A1 CA2C Am,InCA1 A.1In CAA.12CC( A1A1 ) (CA2CCA1 A1InCCA2 A2C A2 )A2(13)其中：CAi Hpai Hy尸，HPa2内2入,Po为大气压。氧化碳的溶解度常数:HwMwkoml m 3 Pa 1(14)式中:水的密度, kg水
8、的摩尔质量, kg kmoI 1 ；E 二氧化碳在水中的享利系数（见化工原理下册第78页），Pa。因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律， 而且气膜阻力可以不计，在此情况 下，整个传 质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系 数等于液相体积传质总系 数，亦即kla KLavsl C ai C A2（15）hsCAm四、实验装置：1. 实验装置主要技术参数：填料塔：玻璃管内径D = 0.050m塔高100m内装 10X 10mm瓷拉西环；填料层高度Z= 0.78m；风机：XGB-12型550W；二氧化碳钢瓶 1 个；减压阀1 个（用户自备）。流量测量仪表：CO转子流量计型号LZB
9、-6流量范围0.0606m3/h ； 空气转子流量计：型号 LZB-10 流量范围 0.252.5m3/h; 吸收水转子流量计：型号LZB-10流量范围16160 L/h;解吸水转子流量计：型号LZB-10流量范围16160 L /h浓度测量：吸收塔塔底液体浓度分析准备定量化学分析仪器（用户自备） ； 温度测量：(13)PT100 铂电阻，用于测定测气相、液相温度。2. 二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图（ 见图四）13Ia74 /10217JOTT图四二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图I- CO2流量计；2- CO2瓶减压阀；3- CO2钢瓶；4-吸收用空气流量计；5-吸收用气泵；6、8
10、-喷头； 7、19-水箱放水阀； 9-解吸塔； 10-解吸塔塔底取样阀；II- 解吸液储槽； 12、15- U 型管液柱压强计； 13-吸收液流量计； 14-解吸液液 泵； 16-吸 收液储槽； 17-吸收塔； 18-吸收塔塔底取样阀； 20-解吸液流量计；21-吸收液液泵； 22-空气流量计； 23-空气旁通阀； 24-风机3实验仪表面板图（见图五）气相温度（口 6液相温度tnOi o水O O瞬吸水凤菖开关开去泵尸关汗栄OO总电源开关图五实验装置面板图五、实验方法及步骤：1. 测量吸收塔干填料层（ P/Z）u关系曲线（只做解吸塔）：打开空气旁路调节阀 5 至全开，启动风机。打开空气流量计，逐
11、渐关小阀门 5 的开度，调节进塔的空气流量。稳定后读取填料层压降P即U形管液柱压差计 11 的数值，然后改变空气流量，空气流量从小到大共测定 8-10 组数据。在对 实验数据进行 分析处理后，在对数坐标纸上以空塔气速u 为横坐标，单位高度的压降 P/Z为纵坐标，标绘干填料层（ P/Z）u关系曲线。2. 测量吸收塔在喷淋量下填料层（ P/Z）u关系曲线：将水流量固定在 104L/ h （水流量大小可因设备调整），米用上面相同步骤 调节空气流 量，稳定后分别读取并记录填料层压降厶P、转子流量计读数和流量计处所显示的空气温度，操作中随时注意观察塔内现象， 一旦出现液泛，立即记 下对应空气转 子流量计
12、读数。根据实验数据在对数坐标纸上标出液体喷淋量为1OOL/h时的（ P/z）u? 关系曲线，并在图上确定液泛气速，与观察到的液 泛气速相比较是否吻合。3. 二氧化碳吸收传质系数测定：吸收塔与解吸塔（水流量控制在 40L/h ）1 ）打开阀门 5,关闭阀门 9、 13（2） 启动吸收液泵 2将水经水流量计 14计量后打入吸收塔中，然后打开二氧化 碳钢瓶顶上的针阀 20，向吸收塔内通入二氧化碳气体（二氧化碳气体流量计15的阀门要全开），流量大小由流量计读出，控制在 0.2m3/h 左右。（3） 吸收进行 15分钟后，启动解吸泵 2,将吸收液经解吸流量计 7计量后打入 解吸塔中，同时启动风机，利用阀
13、门5调节空气流量（约05 m/h）对解吸塔 中的吸收液进行解吸。（ 4） 操作达到稳定状态之后，测量塔底的水温，同时取样，测定两塔塔顶、塔 底溶液中二氧 化碳的含量。（实验时注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计数值 要一致，并注意解吸水箱中的 液位，两个流量计要及时调节，以保证实验时操作 条件不变）（ 5） 二氧化碳含量测定的盐酸滴定到粉用移液管吸取Ba（OH 2溶液10mL放入三角瓶中，并从塔底附设的取样口处接收塔底溶 液10 mL，用胶塞塞好振荡。溶液中加入2 3滴酚酞指示剂摇匀， 红色消失即为终点。按下式计算得出溶液中二氧化碳浓度：mol L1_2C Ba（OH ）2vBa（OH ）2 c
14、 HCl vHClCco22V溶液六、实验注意事项：1. 开启 CO 总阀门前，要先关闭减压阀，阀门开度不宜过大。并随时关注水2. 实验中要注意保持吸收塔水流量计和解吸塔水流量计数值一致，箱中的液位。3. 分析CO浓度操作时动作要迅速，以免CO从液体中溢出导致结果不准确。七、实验数据记录1实验装置填料塔流体力学性能测定（干填料）解吸塔序号空气转子流量计读数/ m3/h102520.531.041.552.062.5填料层压强降/ mmH?。温度2实验装置填料塔流体力学性能测定（湿填料） 湿填料时厶P/z u关系测定L=160 填料层高度Z=0.78m塔径D=005m序号解吸塔水流量：空气转子流量计读数/m3/h填料层压强降/ mmH2O温度操作现象102520.530.740.850.961.071.181.291.3
