吸收二氧化碳水實驗講義

1、填料吸收塔(CO2-H2O)實驗講義一、 實驗目的1 了解填料吸收塔的結構和流體力學性能。2 學習填料吸收塔傳質(zhì)能力和傳質(zhì)效率的測定方法。二、 實驗內(nèi)容1 測定填料層壓強降與操作氣速的關系，確定填料塔在某液體噴淋量下的液泛氣速。2 采用水吸收二氧化碳，空氣解吸水中二氧化碳，測定填料塔的液側傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)。三、 實驗原理1 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。壓強降與氣液流量有關，不同噴淋量下的填料層的壓強降P 與氣速 u 的關系如圖 6-1-1 所示：L3 L2 L10320u , m/s圖 6-1-1 填料層的Pu 關系當無

2、液體噴淋即噴淋量 L0=0 時，干填料的Pu 的關系是直線，如圖中的直線 0。當有一定的噴淋量時，Pu 的關系變成折線，并存在兩個轉折點，下轉折點稱為“載點”，上轉折點稱為“泛點”。這兩個轉折點將Pu 關系分為三個區(qū)段：恒持液量區(qū)、載液區(qū)與液泛區(qū)。2 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)，而實驗測定是獲取吸收系數(shù)的根本途徑。對于相同的物系及一定的設備（填料類型與尺寸），吸收系數(shù)將隨著操作條件及氣液接觸狀況33P , kPaL0 =1的不同而變化。（1） 膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)根據(jù)雙膜模型的基本假設，氣相側和液相側的吸收質(zhì) A 的傳質(zhì)速率方程可分別表達為氣膜 GA = k g A( p

3、A - p Ai ) （6-1-7）液膜 GA = kl A(C Ai - C A ) （6-1-8）-1A 兩相接觸面積，m2；PA 氣側 A 組分的平均分壓，Pa；PAi 相界面上 A 組分的平均分壓，Pa；C A 液側 A 組分的平均濃度， kmol × m -3C Ai 相界面上 A 組分的濃度 kmol × m -3kg 以分壓表達推動力的氣側傳質(zhì)膜系數(shù)， kmol × m -2 × s -1 × Pa -1 ;kl 以物質(zhì)的量濃度表達推動力的液側傳質(zhì)膜系數(shù)， m × s -1 。相 界 面 P2 = PA2 CA2 ，F(xiàn)L

4、濃度PAiCAidh氣 液 距離膜 膜PA+dPA CA+dCAP1=PA 1 CA1，F(xiàn)L圖 6-1-2 雙膜模型的濃度分布圖 圖 6-1-3 填料塔的物料衡算圖34式中： G A A 組分的傳質(zhì)速率， kmoI × s ；PACA PA CA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G A = K G A( p A - p *A )（6-1-9）GA = K L A(C A - C A ) （6-1-10）*C A* 氣相中 A 組分的實際分壓所要求的液相平衡濃度， kmol × m -3 ；KG 以 氣 相 分 壓 表 示 推 動 力 的

5、 總 傳 質(zhì) 系 數(shù) 或 簡 稱 為 氣 相 傳 質(zhì) 總 系 數(shù) ，-2 -1 -1KL 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 × s -1 。若氣液相平衡關系遵循享利定律： C A = HpA ，則1 1 1K G k g HKl1 H 1K L k g k l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，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 6-1-3 所示，在逆流接觸的填料層內(nèi)，任意截取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸收質(zhì) A 的物料衡算可得：dC A （

6、6-1-13a）-1-3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 = K L (C A - C A )aSdh （6-1-13b）聯(lián)立上兩式可得：（6-1-13c）35式中： p A 液相中 A 組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；kmol × m × s × Pa ；=+（6-1-11）=+（6-1-12）dG A =FL式中：FL液相摩爾流率， kmol × s ；L液相摩爾密度， kmol × m 。dh =× *FL dC AK L aSr L C A - C A*式中：a 氣液兩相接觸的比表面積

7、， m2·m-1；S 填料塔的橫載面積，m2。本實驗采用水吸收二氧化碳，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（6-1-13c），可得填料層高度的計算公式：h=0 ， C A = C A.2h=h ， C A = C A1C A1*令 ，且稱 HL 為液相傳質(zhì)單元高度（HTU）；K L aSC A1C A 2A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 （6-1-15）若氣

8、液平衡關系遵循享利定律，即平衡曲線為直線，則式（6-1-14）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：h = × A1 （6-1-16）K L aS DC Amh h（6-1-17）H L式中 DC A.m 為液相平均推動力，即DC Am = = （6-1-18）InC A1 - C A1因為本實驗采用純水吸收二氧化碳，則C A1 = C A2 = C A = HpA （6-1-19）二氧化碳的溶解度常數(shù)，36VsL dC A× òh =（6-1-14）A - C AK L aSC A 2 CH L =Vs

9、LdC AN L = ò，且稱 NL 為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）。C - C A*VsL C - C A2N L =(C A1 - C A2 ) / DC AmDC A1 - DC A2 (C A2 - C A2 ) - (C A1 - C A1 )DC A.2C * - C A2ln A*2DC A1* * *H =r wM w×1Ekoml × m -3 × Pa -1（6-1-20）-3-1E 二氧化碳在水中的享利系數(shù)，Pa。因此，式（6-1-18）可簡化為C A1ln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

10、程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，亦即× （6-1-21）hS DC Am四、 實驗條件1 仿真工藝圖圖 1. CO2 吸收解吸現(xiàn)場圖東 方2 主體設備 東式中：w 水的密度， kg × m ;Mw 水的摩爾質(zhì)量， kg × kmol；DC Am =C A*C A* - C A1kl a = K L a =VsL C A1 - C A237根據(jù)對裝置的認識，在下面的表格中填寫相關內(nèi)容。表 1干燥設備的結構認識真3 測量儀表根據(jù)對流程的認識，在下面的表格中填寫相關內(nèi)容。表 2 測量儀表認識東4 實驗流程說明吸收質(zhì)（純二

11、氧化碳氣體）由鋼瓶經(jīng)二次減壓閥和轉子流量計 FI01，進入吸收塔塔底，38位號名稱用途類型V2CO2 鋼瓶存儲液態(tài) CO2 之用壓力容器V101水槽存儲吸收劑（純水）之用敞口容易T101解吸塔解吸吸收過 CO2 的吸收劑填料塔T102吸收塔吸收 CO2 設備填料塔V1緩沖罐吸收液儲罐密封罐P101風機提供空氣流量非變頻動力裝置P102水泵提供吸收液流量非變頻動力裝置P103水泵解吸泵非變頻動力裝置儀表位號單位流量CO2 流量計FI01m3/h吸收劑流量計FI02L/h解吸液流量計FI03L/h空氣流量計FI04m3/h壓降吸收塔壓降PI02mmH2O解析塔壓降PI01mmH2O溫度空氣溫度TI

12、01吸收液溫度TI02氣體由下向上經(jīng)過填料層與液相水逆流接觸，到塔頂經(jīng)放空；吸收劑（純水）由泵 P102 提供，經(jīng)轉子流量計 FI02 進入塔頂，再噴灑而下；吸收后溶液由塔底流入塔底液料罐中由解吸泵P103 經(jīng)流量計 FI03 進入解吸塔，空氣由 FI04 流量計進入解吸塔塔底由下向上經(jīng)過填料層與液相逆流接觸，流量由旁路閥 VA101 調(diào)節(jié)，對吸收液進行解吸，然后自塔頂放空，U 形液柱壓差計用以測量填料層的壓強降。五、 實驗步驟1 測量吸收塔干填料層（PZ）u 關系曲線（只做吸收塔）：先全開閥門 VA101 與進入吸收塔的空氣進氣閥 VA102，打開空氣流量計 FI04 上的閥門，將 VA10

13、5 的閥門打開少許，關閉解吸塔的空氣進氣閥 VA103，啟動風機，（先全開閥 VA101和空氣流量計閥,再利用閥 VA101 調(diào)節(jié)進塔的空氣流量?？諝饬髁堪磸男〉酱蟮捻樞颍┳x取填料層壓降方P（U 形液柱壓差計），然后在對數(shù)坐標上以空塔氣速 u 為橫坐標，以單位高度的壓降PZ 為縱坐標，標繪干填料層(仿PZ)u 關系曲線。2 測量吸收塔在某噴淋量下填料層 (PZ)u 關系曲線：先打開流量計 FI02 上的閥門，然后打開泵 P102 的開關，將水流量固定在 40Lh（水的流量因設備而定），然后用上面相同方法調(diào)節(jié)空氣流量，并讀取填料層壓降仿P、轉子流量計讀數(shù)和流量計處空氣溫度，并注意觀察塔內(nèi)的操作現(xiàn)

14、象，一旦看到液泛現(xiàn)象時，記下對應的空氣轉子流量計讀數(shù)。在對數(shù)坐標紙上標出液體噴淋量為 40Lh 時的（Pz）u·關系曲線，從圖上確定液泛氣速，并與觀察的液泛氣速相比較。3 二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定：吸收塔（水流量為 60L/h） 打開閥門 VA101、VA102、VA103、VA104，關閉閥門 VA105。打開四個流量計上的閥門。 調(diào)節(jié)水流量計 FI02 到給定值，然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥，二氧化碳流量一般控制在 0.1m3/h 左右為宜，操作達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測量塔底的水溫，同時點擊取樣閥 VA3（VA1或 VA2）取樣，測定兩塔塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。取樣時只能

15、同時開一個取樣閥。（實驗時要注意吸收塔水流量計和解吸塔水流量計要一致，并注意吸收塔下的儲料罐中的液位，對各流量計及時調(diào)節(jié)以達到實驗時的操作條件不變） 二氧化碳含量的測定設定中和用氫氧化鋇濃度，氫氧化鋇體積，滴定鹽酸濃度，取樣體積，然后點擊取樣閥39就能得出消耗的鹽酸體積。六、 注意事項1 開啟 CO2 總閥前，要先關閉自動減壓閥，開啟開度不宜過大。2 實驗時要注意吸收塔水流量計和解吸塔水流量計要一致，并注意吸收塔下的儲料罐中的液位。七、 實驗報告1 實驗數(shù)據(jù)的計算及結果 填料塔流體力學性能測定（以設備填料塔干填料時第 4 組數(shù)據(jù)為例）轉子流量計讀數(shù)：3/h；轉子流量計處空氣溫度：16.1；填料

16、層壓降 U 管讀數(shù)：26.0 mmH2O因為空氣流量計處溫度不是 20，需要對讀數(shù)進行校正，所以空氣實際體積流量為V實 = V讀 ´ m3hV空塔氣速 u = （m/s）3600 ´（p / 4）× D2單位填料層壓降 DP （mmH2O/m）Z在對數(shù)坐標紙上以空塔氣速 u 為橫坐標， DP Z 為縱坐標作圖，標繪 DP Z u 關系曲線，見圖 2。 傳質(zhì)實驗（以設備吸收塔的傳質(zhì)實驗為例）(a).吸收液消耗鹽酸體積 V1=8.3 ml，則吸收液濃度為：C A1 = kmol/m32V溶液因純水中含有少量的二氧化碳，所以純水滴定消耗鹽酸體積，則塔頂水中 CO2 濃度

17、為：C A2 =2V溶液由化工原理下冊吸收這一章可查得 CO2 亨利系數(shù)40(273 + t實 ) ´ p標(273 + 20) ´ p實實2C Ba (OH ) 2VBa (OH ) 2 - C HClVHCl2C Ba (OH )2 V Ba (OH ) 2 - C HClV HCl則 CO2 的溶解度常數(shù)為H = ´M w E塔頂和塔底的平衡濃度為C A1*C A2* = H × P0液相平均推動力為 =*lnC A1* - C A1 C A1* - C A1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

18、中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，即×hS DC Am同樣可以求得拉西環(huán)的傳質(zhì)實驗結果。2 實驗結果列表方表 1(1)干填料時東 P/zu 關系測定第 1 套L=100填料層高度 Z=0.78m塔徑 D=0.037m41表 1(1)干填料時 P/zu 關系測定第 1 套 填料層高度 Z 塔徑 D序號填料層壓強降 mmH2O單位高度填料層壓強降mmH2O/m空氣轉子流量計讀數(shù)3m /h空氣流量計處空氣溫度空塔氣速m/s123456kmol × m -3 × Pa -1DC AmDC A1DCA2 （C A2 * - C A2 )

19、 - (C A1* - C A1 ) C A1 - C A2DCA2C A2 - C A2 C A2 * - C A2lnlnDCA1kl a = K L a =VsL C A1 - C A2填料層壓 單位高度填料 空氣轉子流 空氣流量計空塔氣速序強降層壓強降量計讀數(shù)處空氣溫操作現(xiàn)象m/s號 mmH2O mmH2O/m m3/h 度1234567891011121314東表 3(1)填料吸收塔傳質(zhì)實驗數(shù)據(jù)表(一)被吸收的氣體: 純 CO2; 吸收劑:水; 塔內(nèi)徑:塔類型吸收塔解吸塔填料種類填料尺寸 (m)填料層高度 (m)CO2 轉子流量計讀數(shù) m3hCO2 轉子流量計處氨溫度 流量計處 CO

20、2 的體積流量 m3h水轉子流量計讀數(shù)42水流量中和 CO2 用 Ba(OH)2 的濃度 moll中和 CO2 用 Ba(OH)3 的體積 ml滴定用鹽酸的濃度 moll滴定塔底吸收液用鹽酸的體積 l滴定空白液用鹽酸的體積 l樣品的體積 l塔底液相的溫度 亨利常數(shù) E塔底液相濃度 CA1 kmoI m3空白液相濃度 CA2 kmoI m3傳質(zhì)單元高度 HL E-7 kmol/(m3*Pa)平衡濃度 CA* 10-2 kmol /m3平均推動力 方CAm kmoICO2m2液相體積傳質(zhì)系數(shù) Ya ms附錄表五 二氧化碳在水中的亨利系數(shù) E×10-5，kPa八、 思考題1 下列關于體積傳

21、質(zhì)系數(shù)與液泛程度的關系正確的是：a、液泛越厲害，Kya 越小b、液泛越厲害，Kya 越大c、Kya 隨液泛程度先增加后減少43氣體溫度，0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46d、Kya 隨液泛程度無變化答案：C2 關于亨利定律與拉烏爾定律計算應用正確的是：a、吸收計算應用亨利定律b、吸收計算應用拉烏爾定律c、精餾計算應用亨利定律d、精餾計算應用拉烏爾定律答案：A、D3 關于填料塔壓降p 與氣速 u 和噴淋量 l 的關系正確的是：a、u 越大，p 越大b、u 越大，p 越小c、l 越大，p 越大d、l 越大，p 越小答案：A、C4 判斷下列諸命題是否正確？a、噴淋密度是指通過填料層的液體量c、噴淋密度是指單位時間通過填料層的液體量d、噴淋密度是指單位時間通過單位面積填料層的液體體積答案：B5 干填料及濕填料壓降-氣速曲線的特征：a、對干填料 u 增大東P/Z 增