1、實驗九 填料塔液側傳質膜系數的測定一、實驗目的填料塔在傳質過程的有關單元操作中，應用十分廣泛。實驗研究傳質過程的控制步驟， 測定傳質膜系數和總傳質系數，尤為重要。本實驗采用水吸收二氧化碳，測定填料塔的液側傳質膜系數、總傳質系數和傳質單元 高度，并通過實驗確立液側傳質膜系數與各項操作條件的關系。并通過實驗，學習掌握研究物質傳遞過程的一種實驗方法，并加深對傳質過程原理的理解。二、實驗原理圖1雙膜模型濃度分布圖圖2填料塔的物料衡算圖根據雙膜模型的基本假設，氣側和液測的吸收質A的傳質速率方程可分別表達為：氣膜：Ga = kgA(pA pAi)(1)液膜：Ga = kiA(CAi-CA)(2)式中，Ga

2、A組分的傳質速率，kmol s-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組分的分壓，Pa；Ca液側A組分的平均濃度，kmol m-3；CAi相界面上A組分的濃度，kmol m-3；kg以分壓表達推動力的氣側傳質膜系數，kmol m-2 s-1 Pa-1；ki 以物質的量濃度表達推動力的液側傳質膜系數，m-s-1。以氣相分壓或以液相濃度表示傳質過程推動力的相際傳質速率方程又可分別表達為：一 .- -， *、 /一、Ga= K gA(pa pA )(3)Ga= KlA(Ca* Ca)(4)式中，Pa*液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；Ca*氣相中

3、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總傳質系數或簡稱為氣相傳質總系數，kmol m-2 s-1 Pa-1 ；Kl 以液相濃度表示推動力的總傳質系數，或簡稱為液相傳質總系數，m s-1。若氣液相平衡關系遵循亨利定律：Ca= HpA,則(5)(6)111kgkgHki1H1K? k? k?當氣膜阻力遠大于液膜阻力時，則相際傳質過程受氣膜傳質速率控制，此時，Kg= kg;反之，當液膜阻力遠大于氣膜阻力時，則相際傳質過程受液膜傳質速率控制，此時，Kl= kio如圖2所示，在逆流接觸的填料層內，任意截取一微分段，并以此為衡算系統，則由吸收質A的物料衡算可得

4、：dGA 邑 dCA（a）L式中，Fl為液相摩爾流率，kmol s-1； d為液相摩爾密度，kmol m-3；根據傳質速率基本方程，可寫出該微分段的傳質速率微分方程：dGA = Kl（Ca* CA）aSdh（b）聯立（a）和（b）兩式可得：dhFlKLaS LdCACa Ca(C)式中，a為氣液兩相接觸的比表面積，m2m-3; S為填料塔的橫截面積，m2。本實驗采用水吸收純二氧化碳，且已知二氧化碳在常溫下溶解度較小，因此，液相摩爾流率Fl和摩爾密度p.的比值，即液相體積流率（Vs）l可視為定值，且設總傳質系數Kl和兩相接觸比表面積 a,在整個填料層內為一定值，則按下列邊值條件積分（c）式，可得

5、填料層高度的計算公式：h=0Ca=Ca2h=hCa=Ca1Vsl。人1 dCA 一 。出 dCA(7)h H.K OQ CA2CA2 |KLasCA CACACA人Vsi 、CA1 dCA 一，令Hl ,且稱Hl為液本傳質單元高度（HTU ） ; N.-,且稱KLaSca2Ca CaNl為液相傳質單元數（NTU ）。因此，填料層高度為傳質單元高度與傳質單元數之乘積，即：h = Hl>Nl若氣液平衡關系遵循亨利定律，即平衡曲線為直線，則（7）式可用解析法解得填料層高度的計算式，亦即可用下列平均推動力法計算填料層高度和液相傳質單元高度：(8)VSLCa1Ca2K.aSCAmHlh hN L

6、Ca1Ca2 / CAm(9)式中，ACAm為液相平均推動力，即:CAmCa1 Ca2 (Ca2 Ca2) (Cai Cai)ln -C絲ln Ca2 Ca2CaiCA1 CA1(10)因本實驗采用純水吸收純二氧化碳，則Cai = C A2 = C A = H*P A = HP二氧化碳的溶解度常數：H Mekmol m3 Pa-1(11)式中，施為水的密度，kg m-3; Mc為水的摩爾質量，kg kmol-1； E為亨利系數，Pa。25c時，CO2在水中亨利系數 E=1.23X10-3 Pa因此，(10)式可簡化為：CAmCAIlnCaCa Cai(12)又因本實驗采用的物系有僅遵循亨利定律

7、，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. Vs Ca1 Ca2kia kLa - (13)hs CAm對于填料塔，液側體積傳質膜系數與主要影響因素之間的關系，曾有不少研究者由實驗得出各種關聯式。其中，Sherwood - Holloway得出如下關聯式：£ A()m()(14)DLL LD L式中，Dl為吸收質在水中的擴散系數，m2s-1； L為液體質量流速，kgm-2s-1； 3為液體粘度，Pas或kg m-1 s-1 ；化為液體密度，kg m-3。應該注意Sherwood-Hollwo

8、ay關聯式中，(k®/DL)和(L/©兩相沒有特性長度。因此，該式也不是真正無因次準數關聯式。式中A、m和n的具體數值需在一定條件下由實驗求取。三、實驗裝置本實驗裝置由填料吸收塔、二氧化碳鋼瓶、高位穩壓水槽和各種測量儀表組成，其流 程如圖3所示。填料吸收塔采用直徑為 50 mm的玻璃柱。柱內裝填 5 mm球形玻璃填料，填充高度 300 mm。吸收質為純二氧化碳氣體由鋼瓶經二次減壓閥、調節閥和轉子流量計，進入塔底。 氣體由上向下經過填料層與液相逆流接觸，最后由柱頂放空。吸收劑為水由高位穩壓水槽， 經調節閥和流量計，進入塔頂，再噴灑而下。吸收后溶液由塔底經口形管排出。U形液柱壓

9、差計用以測量塔底壓強和填料層的壓強降。圖3填料吸收塔液側傳質膜系數測定實驗裝置流程1、二氧化碳鋼瓶； 2、減壓閥；3、二氧化碳流量計；4、填料塔；5、滴定計量球；6、壓差計；7、水流量計；8、高位水槽。四、實驗方法實驗前準備工作：(1)首先檢查填料塔的進氣閥和進水閥，以及二氧化碳二次減壓閥是否均已關嚴；(2)然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥，將壓力調至1MPa；(3)同時，向高位穩壓水槽注水，直至溢流管有適量水溢流而出。實驗操作步驟：(1)緩慢開啟進水調節閥，水流量可在1050 L h-1內選取。一般在此范圍內選取 56個數據點。調節流量時一定要注意保持高位穩壓水槽有適量溢流水流出，以保證水壓穩

10、定。(2)緩慢開啟進氣調節閥。二氧化碳流量一般控制在0.1m3 h-1左右為宜。(3)當操作達到定常狀態之后，測量塔頂和塔底的水溫和氣溫，同時，測定塔底溶液 中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的測定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH) 2溶液10mL,放入三角瓶中，并由塔底附設的計量管滴入塔 底溶液20mL,再加入酚酬:指示劑數滴，最后用 0.1M鹽酸滴定，直至其脫除紅色的瞬時為 止。由空白試驗與溶液滴定用量之差值，按下式計算得出溶液中二氧化碳的濃度：N HClVHCl-3CA kmol m (17)2V式中，Nhci為標準鹽酸溶液的當量濃度；VHCl為實際滴定用量，即空白試驗用量與滴定試

11、樣使用量之差值，mL; V為塔底溶液采樣量，mLo五、實驗結果1、測量并記錄實驗基本參數(1)填料柱：柱體內徑d=50mm 填料型式球形玻璃填料填料規格5mm填料層高度h=300mm比表面積=227m2/m3 堆積密度=802kg/m 3空隙率=0.66(2)大氣壓力：Pa= MPa(3)室溫:Ta=C(4)試齊【J: Ba(OH)2溶液濃度=mol/L用量= mL鹽酸濃度Nhci= mol/L2、測定并記錄實驗數據表1實驗數據記錄表實驗序號氣 相塔底氣溫，Tg,l/C塔頂氣溫，Tg,2/C塔底壓強，P/mmH 2OCO2 四，Vs,g/m3h-1液 相塔底液溫，Tl,i/C塔頂水溫，Tl,2

12、/C水的流M,Vs,l/ m3 h 1塔底采樣量，V/mL鹽酸,泥量，VHCl/mL3、整理實驗數據，并可參考下表做好記錄：表2實驗數據整理表實驗序號氣 相平均溫度，Tg/ CCO 2 密度，pg/kg m-3空塔速度，U0/m s-1液 相平均溫度，Tl/ C液體密度，pl/ kg m-3液體粘度，ml/ Pa sCO2擴散系數，D/ m2 s-1體積流率，Vs,l/ m3s-1噴淋密度，W/m3 m-2 s-1質量流速，L/kg m-2 s-1塔頂濃度，CA,2/kmol m-3塔底濃度，Ca,1 /kmol m-3傳質速率，GA/kmol s-1平均推動力，AGA,m/kmol m-3傳質單兀tWj度，H L/m液相體積傳質總系數，KLa/s-1液相體積傳質膜系數，Ka/s-1