二氧化碳吸收實驗

填料吸收塔實驗裝置說明書天津大學化工基礎(chǔ)實驗中心2014.10一、實驗目的：.了解填料吸收塔的結(jié)構(gòu)、性能和特點，練習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(guān)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，在液泛速度以下，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)）。.進行純水吸收混合氣體中的二氧化碳、用空氣解吸水中二氧化碳的操作練習，同時測定填料塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)。三、實驗原理：氣體通過填料層的壓強降：壓強降是塔設(shè)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(guān)，不同液體噴淋量下填料層的壓強降A(chǔ)P與氣速u的關(guān)系如圖1所示：圖1填料層的AP?u關(guān)系當液體噴淋量L0=0時，干填料的PP?u的關(guān)系是直線，如圖中的直線0。當有一定的噴淋量時，&P?u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”。P這兩個P轉(zhuǎn)折點將AP?u關(guān)系分為三個區(qū)段：既包持液量區(qū)、載液A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為氣膜Ga=kgA(Pa-pAi)(1)液膜Ga=k|A(CAi—Ca)(2)式中：Ga—A組分的傳質(zhì)速率，kmoI$,；A一兩相接觸面積，m2;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kmolmkg一以分壓表達推動力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，kmolm^，s，，Pa」；ki一以物質(zhì)的量濃度表達推動力的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，m由,o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)(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，kmolm^;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)，4kmolmsPa;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§口。若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律：Ca=HPa,則:111—(5)KgkgHKidh時，dh時，Kg=kg；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=*dCA(7a)：,L式中：Fl液相摩爾流率，kmol-s」;PL液相摩爾密度，kmolm”。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(7b)聯(lián)立上兩式可得：dh=Fl」？Ca(8)LaS：LCa-Ca式中：a氣液兩相接觸的比表面積，m2-m-1；

S——填料塔的橫載面積，m2。本實驗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Pl的比值，亦即液相體積流率（V$）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:VsLCA1dCA,7h=—.[-(9)□aSCa2Ca-Ca令Hl=令Hl=VslKLaS,且稱Hl為液相傳質(zhì)單元高度（HTU）;CA1dCA,且稱Nl為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）。CA2（CA-CA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=HlmNl(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:NlVslKLaSCA1一CA2NlVslKLaSCA1一CA2(11)△CAmh

hLKl：S式中ACA.m為液相平均推動力，即-"-=CAm：Cai—Ca2(Cai-Cai)-(Ca2-Ca2)lnCA1-Ca1CA2-CA2其中：Cai=Hpai=Hy1p0,Ca2=HPa2=Hy2P0,P0為大氣壓。氧化碳的溶解度常數(shù):■Pa"(14)■Pa"(14)H-Mw式中：：w水的密度，kgm";Mw水的摩爾質(zhì)量，kg.kmol」；E——二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kia=KLa必Ca1-Ca2（15）

hS「CAm四、實驗裝置：.實驗裝置主要技術(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=0.94m內(nèi)裝小10X10m硫拉西環(huán)；風機型號：XGB-12二氧化碳鋼瓶1個（用戶自備）；減壓閥1個（用戶自備）。流量測量儀表：轉(zhuǎn)子流量計型號LZB-6流量范圍0.06?0.60m3/h;空氣轉(zhuǎn)子流量計：型號LZB-10流量范圍0.25?2.5m3/h;水轉(zhuǎn)子流量計：型號LZB-10流量范圍16?160L/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。.二氧化碳吸收實驗裝置流程示意圖（見圖4）圖4填料吸收實驗裝置流程圖1-CO2鋼瓶；2-CO2瓶減壓閥；3-吸收氣泵；4-吸收液水泵；5-解吸液水泵；6-解吸風機;7-空氣旁通閥；8-V1-V19閥門；9-F1-F5轉(zhuǎn)子流量計；10-T1-T2溫度計3.實驗儀表面板圖（見圖5）圖5實驗裝置面板圖五、實驗方法及步驟：P.測量吸收塔干填料層（-ZP）?u關(guān)系曲線：打開空氣旁路調(diào)節(jié)閥V7至全開，啟動解吸風機6。打開空氣流量計F4下的閥門V4,逐漸關(guān)小閥門V7的開度，調(diào)節(jié)進塔的空氣流量。穩(wěn)定后讀取填料層壓降4P即U形管液柱壓差計的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測定5-8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…-P*P，―一為橫坐標，單位高度的壓降三為縱坐標，標繪干填料層（三）?u關(guān)系曲線。.測量吸收塔在噴淋量下填料層（會）?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…P100L/h時的（—）?u?關(guān)系曲線（見圖2）,并在圖上確定披［之氣速，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）關(guān)閉吸收液泵4的出口閥，啟動吸收液泵4,關(guān)閉空氣轉(zhuǎn)子流量計F1,二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計F2與鋼瓶連接。（2）打開吸收液轉(zhuǎn)子流量計F3,調(diào)節(jié)到60L/h,待有水從吸收塔頂噴淋而下，從吸收塔底的冗型管尾部流出后，啟動吸收氣泵3,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計F1到指定流量，同時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F2,按二氧化碳與空氣的比例在10-20流右計算出二氧化碳的空氣流量。（3）吸收進行15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，同時在塔頂和塔底取樣，測定吸收塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。（4）二氧化碳含量測定用移液管吸取0.1M左右的Ba（OH2標準溶液10mL放入三角瓶中，并從取樣口處接收塔底溶液10mL用膠塞塞好振蕩。溶液中加入2?3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：六、實驗注意事項：.開啟CO總閥門前，要先關(guān)閉減壓閥，閥門開度不宜過大。.分析CO濃度操作時動作要迅速，以免CO從液體中溢出導致結(jié)果不準確。七、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理（僅供參考以實際數(shù)據(jù)為準）：1.實驗數(shù)據(jù)計算及結(jié)果（以表2所取得數(shù)據(jù)的第一組數(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)ImmHO空塔氣速：u=V空塔氣速：u=V二23600-D240.5冗3600—0.054_=0.07(m/s)2單位填料層壓降竺===1.1(mmHD/m)

單位填料層壓降竺===1.1(mmHD/m)

Z0.94………:P

在對數(shù)坐標紙上以空塔氣速u為橫坐標，丁為縱坐標作圖,，*P，標繪學P~u關(guān)系曲線(2)傳質(zhì)實驗(以吸收塔的傳質(zhì)實驗為例)液體流量L=60(L/h)y1、Y的計算:CO轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)VCo=0.1(吊/h)CO實際流量VCoz^J1204X0.1=0.078(m/h),1.976空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)Vak=0.8(nVh)Vco20.078y1=2-==0.09VCO2VAir0.0780.8YiVco20.078=0.098YiVco20.078=0.098Air0.8Cai的計算:塔頂吸收液空白分析CBa(OHCai的計算:塔頂吸收液空白分析CBa(OH)2=0.0972、VBa(OH)2=10ml、chcl=0.1056、Vhcl=16.8mlc空白2CBa(OH)2VBa(OH)2-CHClVHCl2V20.097210-0.105616.8220=0.00415(kmol/m20.097210-0.105616.8220=0.00415(kmol/m3)塔底吸收液分析塔底吸收液分析Vhcl=15mlCi20.097210-0.1056152203、=0.00890(kmol/m3)Cai=Ci-C空白=0.00890-0.00415Ci20.097210-0.1056152203、=0.00890(kmol/m3)Cai=Ci-C空白=0.00890-0.00415=0.00475(kmol/m3)y2、Y2的計算:LX(CA1-CA2)=XirX(Y-Yi)60(0.00475-0)0.8=0.08丫2y222.41-y21-0.080.08=0.088In—'：CA2ln0^0000250.0043、=0.0008(kmol/m)Ca2的計算:吸收液中CO在水中的含量極低，忽略不計Ca2=0。**CA1、CA2的計算：塔底液溫度t=10.2C查得CO2亨利系數(shù)：E=1.05X108Pa則CO2的溶解度常數(shù)為：H=區(qū)乂)="22父—1—-MwE181.0510-7,.J3」=5.29X10kmolmPa塔頂和塔底的平衡濃度為：=5.29X10-7X0.09X101325=0.005(mol/l)Ca2=Hpa2=Hy2P0==5.29X10-7X0.08X101325==0.004(mol/l)△CA1=CA1-CA1=0.005-0.00475=0.0000025(kmol/m3)3、Ca2=CA2iCA2=0.004-0=0.004(kmol/m)液相平均推動力為：ACAm的計算：Ca1-Ca20.0000025-0.004

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601033600(0.00475-0)3600=0.0669m/s(005)20.00081.053.14()4實驗結(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△P/z?u關(guān)系測定濕填料時△P/z?u關(guān)系測定填料吸收塔傳質(zhì)實驗技術(shù)數(shù)據(jù)/?u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，c0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46表2填料塔流體力學性能測定（干填料）L=0填料層高度Z=0.94m塔徑D=0.05m序號填料層壓強降mmH2O單位高度填料層壓強降mmH2O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)m3/h空塔氣速m/s11P1.10.510.07n222.10.80.11333.21.10.16455.31.40.20—588.51.70.2461111.720.2871516.02.30.3381819.12.50.35表3填料塔流體力學性能測定（濕填料）L=100L/h填料層高度Z=0.94m塔徑D=0.05m序號填料層壓強降mmH2。單位高度填料層壓強降mmH2O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)m3/h空塔氣速m/s操作現(xiàn)象133.20.250.04正常「21111.70.500.07正常

32021.30.700.10正常429130.90.9010.13正常「54648.91.100.16正常66063.81.30]0.18正常］790―95.71.500.21積液8115.0122.31.700.24積液9154.0163.81.9010.27液泛「10215.0228.72.100.30液泛圖6實驗裝置△%