二氧化碳吸收實(shí)驗(yàn)

二氧化碳吸收實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)四吸收實(shí)驗(yàn)（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解吸收裝置的基本流程和操作特性，加深對(duì)傳質(zhì)過(guò)程的了解。2.了解填料塔的結(jié)構(gòu)，測(cè)定其流體力學(xué)性能。3.通過(guò)用水吸收二氧化碳，研究物質(zhì)傳遞過(guò)程，確立吸收傳質(zhì)系數(shù)與操作條件及填料性質(zhì)的關(guān)系。（二）實(shí)驗(yàn)原理吸收是利用氣體在液體中溶解度的差異來(lái)分離氣體混合物的傳質(zhì)過(guò)程。吸收過(guò)程一般在塔設(shè)備中進(jìn)行，常用的吸收塔為填料塔和板式塔。在操作填料塔時(shí)，氣體自下而上從填料間隙穿過(guò)，與從塔頂噴淋而下的液體（吸收劑）在填料表面進(jìn)行接觸，實(shí)現(xiàn)相間傳質(zhì)。而在板式塔中，塔板是氣、液兩相接觸傳質(zhì)的場(chǎng)所。液體沿降液管流入塔板，上升的氣相通過(guò)塔板的開(kāi)孔鼓泡通過(guò)液相層，在塔板上氣液兩相以錯(cuò)流方式接觸。吸收塔內(nèi)氣液兩相的流體力學(xué)狀態(tài)直接影響到吸收過(guò)程的操作性能。1、吸收塔的流體力學(xué)特性吸收塔的流體力學(xué)特性包括壓強(qiáng)降和液泛規(guī)律，計(jì)算吸收塔需用動(dòng)力時(shí)，必須知道壓強(qiáng)降的大?。欢_定吸收塔的氣、液負(fù)載量時(shí)，則必須了解液泛的規(guī)律，所以測(cè)量流體力學(xué)性能是吸收實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)內(nèi)容。在填料塔中，被吸收氣體通過(guò)填料時(shí)，由于填料造成的局部阻力及摩擦力而產(chǎn)生壓強(qiáng)降。氣體通過(guò)床層的壓強(qiáng)降與空塔氣速、填料的特性（材質(zhì)、形狀和尺寸）以及液體的噴淋密度等因素有關(guān)。當(dāng)氣體通過(guò)干填料時(shí)，氣體的壓強(qiáng)降僅與氣體的流速有關(guān)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上進(jìn)行標(biāo)繪，可得到壓強(qiáng)降ΔP與空塔速度u為一直線；當(dāng)塔內(nèi)有液體噴淋時(shí)，氣體通過(guò)填料的壓強(qiáng)降不但與氣體流速有關(guān)，且與液體的噴淋密度有關(guān)，在一定的噴淋密度下，由于液膜有一定厚度，占有一定空間，液膜的存在使氣體在填料空隙間的實(shí)際流速有所增加，所以壓強(qiáng)隨氣體流速增加的趨勢(shì)要比干填料層大。低氣速操作時(shí)，膜厚隨氣速變化不大，液膜增厚所造成的附加壓降增高并不顯著，此時(shí)壓降曲線基本上與干填料層的壓降曲線平行。隨氣速增加，上升氣流與下降液體間的摩擦力增大，開(kāi)始阻礙液體的下流，使得填料層內(nèi)的持液量隨氣速的增加而增加，此種現(xiàn)象稱(chēng)為攔液。開(kāi)始攔液時(shí)的空塔氣速稱(chēng)為載點(diǎn)氣速。載點(diǎn)以后，填料層內(nèi)液體分布和填料表面濕潤(rùn)程度大為改善，有利于提高吸收傳質(zhì)速率。進(jìn)入攔液區(qū)后，當(dāng)空塔氣速再進(jìn)一步增大，則填料層內(nèi)持液量不斷增加，到達(dá)某一氣速時(shí)，氣、液間的摩擦力完全阻止液體向下流動(dòng)，填料層的壓力降急劇升高，將出現(xiàn)液泛現(xiàn)象。在壓降曲線上，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象的標(biāo)志是壓降曲線近乎垂直，壓降曲線明顯變?yōu)榇怪钡霓D(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為泛點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)可用空氣與水進(jìn)行，在各種噴淋量下，逐步增大氣速，記錄必要的數(shù)據(jù)直至剛出現(xiàn)液泛為止，但必須注意，不要使氣速過(guò)分超過(guò)泛點(diǎn)，避免沖跑或沖破填料。2、傳質(zhì)系數(shù)吸收是氣液相間傳質(zhì)過(guò)程，吸收速率可用氣相內(nèi)、液相內(nèi)或兩相間的傳質(zhì)速率來(lái)表示。以液相濃度表示的相間傳質(zhì)速率方程為(1)GA吸收傳質(zhì)速率，Kmol.s-1；KL液相傳質(zhì)總系數(shù)，m.s-1；A傳質(zhì)面積，m2；ΔCAM塔頂、塔底的平均傳質(zhì)推動(dòng)力，Kmol.m-3傳質(zhì)系數(shù)是決定吸收過(guò)程速率高低的重要參數(shù)，是吸收塔設(shè)計(jì)和操作參數(shù)確定的基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)測(cè)定是獲取傳質(zhì)系數(shù)的根本途徑。對(duì)于相同的物系，傳質(zhì)系數(shù)的大小取決于塔設(shè)備結(jié)構(gòu)（包括塔類(lèi)型、填料的類(lèi)型與尺寸等）、操作條件及氣液接觸狀況等。若單位體積內(nèi)氣液兩相所具有的有效傳質(zhì)面積為a(m2.m-3)，則(2)h填料層的高度（填料塔）或液層高度（板式塔）；S塔的橫截面積。代入（1）式，得(3)由于單位體積的有效傳質(zhì)面積a隨塔內(nèi)的持液量而變化，即隨吸收劑流量大小而變化，液相總傳質(zhì)系數(shù)KL也隨吸收劑流量而變化，因此，工程上將兩者合并成一個(gè)物理量KLa，稱(chēng)為液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，此即本實(shí)驗(yàn)所要測(cè)定的傳質(zhì)系數(shù)。因此(4)在一定的操作條件下，對(duì)全塔進(jìn)行物料衡算，可得吸收操作的傳質(zhì)速率(5)VL液相的體積流量；CA1從塔底離開(kāi)的溶液中吸收質(zhì)A的濃度，Kmol.m-3；CA2塔頂進(jìn)入的吸收劑中吸收質(zhì)A的濃度，Kmol.m-3；因此液相體積傳質(zhì)總系數(shù)(6)本實(shí)驗(yàn)采用水吸收二氧化碳體系，由于二氧化碳在常溫下溶解度較小，因此液相體積流量VL可視為定值。液相平均傳質(zhì)推動(dòng)力(7)水-二氧化碳體系的溶解相平衡關(guān)系可采用亨利定律表示，故二氧化碳的溶解度常數(shù)：Kmol.m-3.Pa-1(8)式中：水的密度，Kg.m-3；ML水的摩爾質(zhì)量，Kg.Kmol-1；E亨利系數(shù)，Pa。因此，（7）式可以簡(jiǎn)化為(9)代入(10)液相傳質(zhì)單元高度(11)由于本實(shí)驗(yàn)采用的水吸收CO2體系，整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程的阻力都集中于液膜，氣膜阻力可忽略不計(jì)，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(12)（三）實(shí)驗(yàn)裝置1.設(shè)備主要參數(shù)：填料塔：玻璃管內(nèi)徑D＝0.050m；內(nèi)裝φ10×10mm瓷拉西環(huán)；吸收塔填料層高度Z＝0.83m；解析塔填料層高度Z＝0.80m；風(fēng)機(jī)：XGB-12型，550W；二氧化碳鋼瓶1；減壓閥1個(gè)（用戶(hù)自備）。2.流量測(cè)量?jī)x表：CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-6；流量范圍0.06～0.6m3／h；精度2.5％；空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10；流量范圍0.25～2.5m3／h；精度2.5％；水轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10；流量范圍16～160L／h；精度2.5％；解吸收塔水轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-6流量范圍6～60L／h精度2.5％。3.濃度測(cè)量：吸收塔塔底液體濃度分析準(zhǔn)備定量化學(xué)分析儀器一套；4．溫度測(cè)量：PT100鉑電阻，用于測(cè)定測(cè)氣相、液相溫度。（四）實(shí)驗(yàn)流程簡(jiǎn)介吸收質(zhì)（純二氧化碳?xì)怏w或與空氣混合氣）由鋼瓶經(jīng)二次減壓閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)15計(jì)量后，由塔底進(jìn)入吸收塔內(nèi)，氣體自下而上經(jīng)過(guò)填料層，與吸收劑純水逆流接觸進(jìn)行吸收操作，尾氣從塔頂放空；吸收劑經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)14計(jì)量后由塔頂進(jìn)入噴灑而下；吸收二氧化碳后的溶液流入塔底液料儲(chǔ)槽22中儲(chǔ)存，再由吸收液泵3經(jīng)流量計(jì)7計(jì)量后進(jìn)入解吸塔進(jìn)行解吸操作，空氣由6流量計(jì)控制流量進(jìn)入解吸塔塔底，自下而上經(jīng)過(guò)填料層與液相逆流接觸對(duì)吸收液進(jìn)行解吸，解吸后氣體自塔頂放空。U形液柱壓差計(jì)用來(lái)測(cè)量填料層兩端的壓強(qiáng)降。二氧化碳吸收解吸實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖見(jiàn)圖-1二氧化碳吸收解吸實(shí)驗(yàn)裝置儀器面板示意圖見(jiàn)圖-2圖-1二氧化碳吸收解吸實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖1-解吸液儲(chǔ)槽；2-解吸液液泵；3-吸收液液泵；4-風(fēng)機(jī)；5-空氣旁通閥；6-空氣流量計(jì)；7-吸收液流量計(jì)；8-吸收塔；9-吸收塔塔底取樣閥；10、11-U型管液柱壓強(qiáng)計(jì)；12-解吸塔；13-解吸塔塔底取樣閥；14-解吸液流量計(jì)；15-CO2流量計(jì)；16-吸收用空氣流量計(jì)；17-吸收用氣泵；18-CO2鋼瓶；19、21-水箱放水閥；20-減壓閥；22-吸收液儲(chǔ)槽；23-放水閥；24-回水閥圖-2儀器面板示意圖（五）實(shí)驗(yàn)方法及步驟：1.測(cè)量解吸塔干填料層（△P／Z）～u關(guān)系曲線（只做解吸塔）：先檢查關(guān)閉解析塔空氣流量計(jì)開(kāi)關(guān)，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△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△P／Z為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填料層(△P／Z)～u關(guān)系曲線。2.測(cè)量解吸塔在噴淋量下填料層(△P／Z)～u關(guān)系曲線：先檢查關(guān)閉解析塔水流量計(jì)開(kāi)關(guān)，然后打開(kāi)解析塔水泵開(kāi)關(guān)，調(diào)整解析塔水流量計(jì)開(kāi)關(guān)將水流量固定在100L／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△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（△P／z）～u關(guān)系曲線，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。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)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0.1m3/h（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1.5m3／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0.1M的Ba（OH）2溶液10mL，放入三角瓶中，并從塔底附設(shè)的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：表一二氧化碳在水中的亨利系數(shù)E×10-5，kPa氣體溫度，℃0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46（五）實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.開(kāi)啟CO2總閥門(mén)前，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CO2濃度操作時(shí)動(dòng)作要迅速，以免CO2從液體中溢出導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。（六）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與處理1、測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)（1）設(shè)備參數(shù)塔型：吸收塔，解析塔塔內(nèi)徑d=0.025m；填料層高度：吸收塔h=0.80m；解析塔h=0.83m填料型式：10*10mm瓷拉西環(huán)（2）操作參數(shù)大氣壓強(qiáng)P0=0.10052MPa；室溫T=24oC（3）分析檢驗(yàn)用的化學(xué)試劑鹽酸溶液濃度CHCl=0.1kmol.m-3；鹽酸溶液用量：吸收塔塔頂VHCl=17.60、17.48、17.40ml；塔底VHCl=14.21、13.90、13.75ml；解析塔塔頂VHCl=14.35、14.10、13.95ml；塔底VHCl=17.0、17.50、17.31mlBa(OH)2溶液濃度CBa(OH)2=0.1kmol.m-3；

計(jì)算過(guò)程

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析（1）解析塔流體力學(xué)性能測(cè)量表一干填料時(shí)△P/z～u關(guān)系測(cè)定(L=0填料層高度Z=0.80m塔徑D=0.050m)序號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmC2H5OH單位高度填料層壓強(qiáng)降

mmC2H5OH/m空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h空塔氣速

m/s133.7500.80.1132267.5001.10.1557378.7501.40.198241012.5001.70.240651215.0002.00.283161518.7502.30.325571721.2502.50.3539表二濕填料時(shí)△P/z～u關(guān)系測(cè)定L=100填料層高度Z=0.80m塔徑D=0.050m)序號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmC2H5OH單位高度填料層壓強(qiáng)降

mmC2H5OH/m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133.7500.250.0354正常21215.0000.50.0708正常32531.2500.700.0991正常44050.0000.900.1274正常57087.5001.100.1557正常686107.5001.300.1840正常7105131.2501.400.1982正常8120150.0001.500.2123正常9153191.2501.600.2265積液10156195.0001.700.2406積液11235293.7501.800.2548液泛12