二氧化碳吸收實(shí)驗(yàn)

填料吸收塔實(shí)驗(yàn)裝置說明書天津大學(xué)化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心2014．10一、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。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，在液泛速度以下，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)）。進(jìn)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(xí)，同時(shí)測(cè)定填料塔液側(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的關(guān)系如圖1所示：圖1填料層的AP?u關(guān)系當(dāng)液體噴淋量L0二0時(shí)，干填料的AP?u的關(guān)系是直線，如圖中的直線0。當(dāng)有一定的噴淋量時(shí)，AP?u的關(guān)系變成折線，并存在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，下轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“載點(diǎn)”，上轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“泛點(diǎn)”。這兩個(gè)Pkp轉(zhuǎn)折點(diǎn)將AP?u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(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-p)(1)A g A Ai液膜G二kA(C-C)(2)A l Ai A式中：G一A組分的傳質(zhì)速率，kmoI-s-i；AA一兩相接觸面積，m2；P—?dú)鈧?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以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過程推動(dòng)力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達(dá)為：G二KA(p-p*)(3)A GAAG二KA(C*-C)(4)A LAA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*—?dú)庀嘀蠥組分的實(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)稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù)，Gkmol?m-2?s-1?Pa-1；Kl-以氣相分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡(jiǎn)稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，m?s-1。L若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律：CA=Hp則：CAPAClll(5)若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律：CA=Hp則：CAPAClll(5)=+ (5)KkHKGgll H l(6)=+(6)K k kLgl相界面APAi；P2=Pa2CA：，F(xiàn)lPA+dPACA+d|dhP1=PA1CA1，F(xiàn)]AlAlL圖2雙膜模型的濃度分怖圖圖霸填料塔的物料衡算 一一當(dāng)氣膜阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力時(shí)，則相際傳質(zhì)過程式受氣膜傳質(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)過程受液膜傳Gg質(zhì)速率控制，此時(shí)，K=k。Ll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：FdG=-LdC(7a)ApAL式中：F 液相摩爾流率，kmol-s-1；Lp 液相摩爾密度，kmol-m-3。L根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程式，可寫出該微分段的傳質(zhì)速率微分方程dG=K(C一C)aSdh(7b)A LAAFdC聯(lián)立上兩式可得：dh二 -l-竺―(8)KaSpC一CLLAA

S――填料塔的橫載面積，m2。本實(shí)驗(yàn)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F和摩爾密度p的比值，亦即液相體積流率（V）LLsL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(gè)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(jì)算公式：9）VCdCh二sL-JCA1 A—9）KaScC一CL A2A A令H二——sL■LKaSL，且稱Hl為液相傳質(zhì)單元高度（HTU）；JCA1CA2dC 令H二——sL■LKaSL，且稱Hl為液相傳質(zhì)單元高度（HTU）；JCA1CA2dC A—C*-CAA，且稱Nl為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）。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=HxN（10）LL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(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：V sL—KaSLC-C-^1 A2ACAm11)h~v—sLKaSL12)式中AC為液相平均推動(dòng)力，即A.mAC-ACAC = A2Am ACInACA2(C*-C)-(C*-C)A1 A2 A2—\o"CurrentDocument"、C*-Cln—a ai-C*-CA2 A213)其中：C*=Hp=Hyp,C*=Hp=Hyp，P為大氣壓。A1 A1 10A2 A2 20 0二氧化碳的溶解度常數(shù)：H=M-1koml-m-3-Pa-1(14)E式中：p 水的密度，kg-m-3；wM 水的摩爾質(zhì)量，kg-kmol-i；wE——二氧化碳在水中的享利系數(shù)，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ka=Ka--^lilhSC-C―A1 A2ACAm15)四、實(shí)驗(yàn)裝置：實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)：填料塔：玻璃管內(nèi)徑D=0.05m塔高1.20m填料層高度Z=0.94m內(nèi)裝?lOXlOmm瓷拉西環(huán)；風(fēng)機(jī)型號(hào)：XGB-12；二氧化碳鋼瓶1個(gè)（用戶自備）；減壓閥1個(gè)（用戶自備）。流量測(cè)量?jī)x表：轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)LZB-6流量范圍0.06?0.60m3/h；空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10流量范圍0.25?2.5m3/h；水轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10流量范圍16?160L/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（用戶自備）溫度測(cè)量：PT100鉑電阻，用于測(cè)定測(cè)氣相、液相溫度。二氧化碳吸收實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖（見圖4）

放鼾匚■>']*M吸收塔T1=it1?放空吸收液水 1 放鼾匚■>']*M吸收塔T1=it1?放空吸收液水 1 ■□解吸液水箱圖4填料吸收實(shí)驗(yàn)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(fēng)機(jī);7-空氣旁通閥；8-V1-V19閥門；9-F1—F5轉(zhuǎn)子流量計(jì)；10-T1-T2溫度計(jì)實(shí)驗(yàn)儀表面板圖（見圖5）圖5實(shí)驗(yàn)裝置面板圖五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟：AP1?測(cè)量吸收塔干填料層（手）?u關(guān)系曲線：打開空氣旁路調(diào)節(jié)閥V7至全開，啟動(dòng)解吸風(fēng)機(jī)6。打開空氣流量計(jì)F4下的閥門V4,逐漸關(guān)小閥門V7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A(chǔ)P即U形管液柱壓差計(jì)的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測(cè)定5-8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為橫坐標(biāo)，單位高度的壓降竽為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填料層（學(xué)）?u關(guān)系曲線。Z_j測(cè)量吸收塔在噴淋量下填料層（非）?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（琴）?u關(guān)系曲線（見圖2）,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(cè)定：（1） 關(guān)閉吸收液泵4的出口閥，啟動(dòng)吸收液泵4,關(guān)閉空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1,二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)F2與鋼瓶連接。（2） 打開吸收液轉(zhuǎn)子流量計(jì)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n型管尾部流出后，啟動(dòng)吸收氣泵3,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1到指定流量，同時(shí)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(jì)F2，按二氧化碳與空氣的比例在10—20%左右計(jì)算出二氧化碳的空氣流量。（3） 吸收進(jìn)行15分鐘并操作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測(cè)量塔底吸收液的溫度，同時(shí)在塔頂和塔底取樣，測(cè)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(cè)定用移液管吸取0.1M左右的Ba（OH）標(biāo)準(zhǔn)溶液10mL，放入三角瓶中，并從取2樣口處接收塔底溶液10mL，用膠塞塞好振蕩。溶液中加入2?3滴酚酞指示劑搖勻，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(diǎn)。按下式計(jì)算得出溶液中二氧化碳濃度：六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：開啟CO總閥門前，要先關(guān)閉減壓閥，閥門開度不宜過大。2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)記錄及處理（僅供參考以實(shí)際數(shù)據(jù)為準(zhǔn)）：1．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)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(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管讀數(shù)ImmHO2空塔氣速：u=V0.5兀 2 兀3600xxD2 3600xx0.0524 4=0.07m/s)Ap 1單位填料層壓降——== =1.1(mmHO/m)Z 0.94 2在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速u為橫坐標(biāo)，寧為縱坐標(biāo)作圖,Li標(biāo)繪~u關(guān)系曲線Li(2)傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)(以吸收塔的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)為例)液體流量L=60(L/h)y、Y的計(jì)算：11CO轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)V=0.1(m3/h)2 CO2CO實(shí)際流量V 二」1204X0.1=0.078(m3/h)2 CO2實(shí)A11.976空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)V=0.8(m3/h)Airy1V CO2 V+VCO2Air0.0780.078+0.8=0.09Yy1V CO2 V+VCO2Air0.0780.078+0.8=0.09Y=CO2

1VAir0.0780.8=0.098CA1的計(jì)算：塔頂吸收液空白分析。直。(oh)2=0.°972、卜直。(°H)2習(xí)01^、CHCL=0.1056、VHCL=16.8ml-CVHClHCl2x0.0972x10-0.1056x16.8= =0.00415(kmol/m3)2x20塔底吸收液分析匕=15mlC空白2C VBa(OH)2Ba(OH)22VHCL=0.00890(kmol/m3)2x0.0972x10=0.00890(kmol/m3)2x20CA1=C1-C空白=0.00890-0.00415=0.00475(kmol/m3)y、Y的計(jì)算：22LX(C—C)=VXCY-Y)A1 A2Air 11-6^x(0.00475-0)=0.09-1000 =0.080.822.41-y0.081-0.081-y0.081-0.08=0.088CA2的計(jì)算:吸收液中CO在水中的含量極低，忽略不計(jì)CA2~0。2 A2*A*A1、C*A2的計(jì)算：塔底液溫度t=10.2°C查得CO2亨利系數(shù):E=1.05X108Pa則CO則CO2的溶解度常數(shù)為:P 1 1000 1H=x=x—M E 18 1.05x107w=5.29X10-7kmol-m-3-Pa-1塔頂和塔底的平衡濃度為:=5.29X10-7X0.09X101325=0.005(mol/l)C*=Hp=Hyp==5.29X10-7X0.08X101325==0.004(mol/1)TOC\o"1-5"\h\zA2 A2 20AC二C*—C=0.005-0.00475=0.0000025(kmol/m3)A1 A1 A1AC二C*—C=0.004-0=0.004(kmol/m3)A2 A2 A2液相平均推動(dòng)力為:AC的計(jì)算:AmACAmAC-ACA1 A2ACInAC=0.0000025-0.004=,0.0000025In0.004=0.0008(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60x10-3二 3600 x— =0.0669m/s1.05x3.14x嗎 0.00084實(shí)驗(yàn)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(shí)厶P/z?u關(guān)系測(cè)定濕填料時(shí)△P/z?u關(guān)系測(cè)定填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)據(jù)巴Z?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(xué)性能測(cè)定（干填料）L=0填料層高度Z=0.94m塔徑D=0.05m序號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmH2O單位高度填料層壓強(qiáng)降mmH2O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h空塔氣速m/s111.10.50.07222.10.80.11333.21.10.16455.31.40.20588.51.70.2461111.720.2871516.02.30.3381819.12.50.35表3填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（濕填料）L=100L/h填料層高度Z=0.94m塔徑D=0.05m序號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmH2O單位高度填料層壓強(qiáng)降mmH2O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)