填料塔流體力學特性與吸收系數的測定

 

一、實驗目的:

1.了解填料吸收塔的結構、性能和特點，練習并掌握填料塔操作方法；通過實驗測定數據的處理分析，加深對填料塔流體力學性能基本理論的理解，加深對填料塔傳質性能理論的理解。

2.掌握填料吸收塔傳質能力和傳質效率的測定方法，練習實驗數據的處理分析。

二、實驗內容：

1.測定填料層壓強降與操作氣速的關系，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，分別測量塔的傳質能力（傳質單元數和回收率）和傳質效率（傳質單元高度和體積吸收總系數）。

3.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傳質膜系數和總傳質系數。

三、實驗原理：

氣體通過填料層的壓強降：

ΔP , kPa

壓強降是塔設計中的重要參數，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，不同液體噴淋量下填料層的壓強降與氣速的關系如圖1所示：

                    

                  圖1 填料層的～關系

當液體噴淋量時，干填料的～的關系是直線，如圖中的直線0。當有一定的噴淋量時，～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～關系分為三個區段：既恒持液量區、載液區及液泛區。

傳質性能：吸收系數是決定吸收過程速率高低的重要參數，實驗測定可獲取吸收系數。對于相同的物系及一定的設備（填料類型與尺寸），吸收系數隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。

若氣液平衡關系遵循享利定律，即平衡曲線為直線，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單元高度：

                        （11）

                            （12）

式中為液相平均推動力，即

其中：,，為大氣壓。

二氧化碳的溶解度常數：

                      （14）

式中：——水的密度，    

——水的摩爾質量，  ；

——二氧化碳在水中的享利系數（見表1），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，整個傳質過程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側體積傳質膜系數等于液相體積傳質總系數，亦即

 

表1  二氧化碳在水中的亨利系數    E×10^-5，kPa

氣體	溫度，℃
	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	60
CO2	0.738	0.888	1.05	1.24	1.44	1.66	1.88	2.12	2.36	2.60	2.87	3.46

 

四、實驗裝置：

填料塔：玻璃管內徑 D＝0.05m   塔高1.20m   填料層高度Z＝0.94m

內裝φ10×10mm瓷拉西環； 風機型號：XGB-12 ；

五、實驗方法及步驟：

1.實驗前準備工作：

   首先將水箱1和水箱2灌滿蒸餾水或去離子水，接通實驗裝置電源并按下總電源開關。

準備好10ml移液管、100ml的三角瓶、酸式滴定管、洗耳球、0.1M左右的鹽酸標準溶液、0.1M左右的Ba（OH）₂標準溶液和甲基紅等化學分析儀器和試劑備用。

2.測量解吸塔干填料層（）～u關系曲線：

打開空氣旁路調節閥V7至全開，啟動解吸風機6。打開空氣流量計F4下的閥門V4,逐漸關小閥門V7的開度，調節進塔的空氣流量。穩定后讀取填料層壓降△P即U形管液柱壓差計的數值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測定6-10組數據。在對實驗數據進行分析處理后，在對數坐標紙上以空塔氣速 u為橫坐標，單位高度的壓降為縱坐標，標繪干填料層()～u關系曲線。

3.測量解吸塔在不同噴淋量下填料層()～u關系曲線：

將水流量固定在100 l/h左右（水流量大小可因設備調整），采用上面相同步驟調節空氣流量，穩定后分別讀取并記錄填料層壓降△P、轉子流量計讀數和流量計處所顯示的空氣溫度，操作中隨時注意觀察塔內現象，一旦出現液泛，立即記下對應空氣轉子流量計讀數。根據實驗數據在對數坐標紙上標出液體噴淋量為100 l/h時的（）～u關系曲線（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。

4.二氧化碳吸收傳質系數測定：

（1）關閉吸收液泵4的出口閥，啟動吸收液泵4，關閉空氣轉子流量計F1，二氧化碳轉子流量計F2與鋼瓶連接。

（2）打開吸收液轉子流量計F3，調節到60 l/h，待有水從吸收塔頂噴淋而下，從吸收塔底的π型管尾部流出后，啟動吸收氣泵3，調節轉子流量計F1到指定流量，同時打開二氧化碳鋼瓶調節減壓閥，調節二氧化碳轉子流量計F2，按二氧化碳與空氣的比例在10—20%左右計算出二氧化碳的空氣流量。

（3）吸收進行15分鐘并操作達到穩定狀態之后，測量塔底吸收液的溫度，同時在塔頂和塔底取液相樣品并測定吸收塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。

（4）溶液二氧化碳含量測定

用移液管吸取0.1M左右的Ba（OH）₂標準溶液10ml，放入三角瓶中，并從取樣口處接收塔底溶液10 ml，用膠塞塞好振蕩。溶液中加入2～3滴甲基紅（或酚酞）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：

1.開啟CO₂總閥門前，要先關閉減壓閥，閥門開度不宜過大。

2.分析CO₂濃度操作時動作要迅速，以免CO₂從液體中溢出導致結果不準確。

七、數據記錄

1、填料塔流體力學特性

二氧化碳轉子流量計矯正系數為0.78

表2  填料塔流體力學性能測定（干填料）

表3  填料塔流體力學性能測定（濕填料）

2、吸收系數的測定

二氧化碳轉子流量計矯正系數為0.78

空氣的流量q_v1=              二氧化碳的流量q_v2=       

吸收劑流量L=

表4 二氧化碳含量的測定