.PAGE10.二氧化碳吸收與解吸實驗裝置說明書仁愛化工基礎實驗中心王立軒2014．05一、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能力和傳質效率的測定方法。二、實驗內容1.測定填料層壓強降與操作氣速的關系,確定填料塔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氨的濃度,在液泛速度以下取兩個相差較大的氣相流量,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.采用純水吸收二氧化碳、空氣解吸水中二氧化碳,測定填料塔的液側傳質膜系數和總傳質系數。三、實驗原理1.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1ΔP,kPa圖1-1填料層的～關系當無液體噴淋即噴淋量時,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：恒持液量區、載液區與液泛區。2.傳質性能：吸收系數是決定吸收過程速率高低的重要參數,而實驗測定是獲取吸收系數的根本途徑。對于相同的物系及一定的設備〔填料類型與尺寸,吸收系數將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-解吸實驗根據雙膜模型的基本假設,氣側和液側的吸收質A的傳質速率方程可分別表達為氣膜〔1-1液膜〔1-2式中：—A組分的傳質速率,；—兩相接觸面積,m2；—氣側A組分的平均分壓,Pa；—相界面上A組分的平均分壓,Pa；—液側A組分的平均濃度,—相界面上A組分的濃度—以分壓表達推動力的氣側傳質膜系數,;—以物質的量濃度表達推動力的液側傳質膜系數,。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：〔1-3〔1-4式中：—液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓,Pa；—氣相中A組分的實際分壓所要求的液相平衡濃度,；—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,；-以氣相分壓表示推動力的總傳質系數,或簡稱為液相傳質總系數,。dh相界面距離液膜氣膜濃度P2=PA2Cdh相界面距離液膜氣膜濃度PAPAiCAiCAPACAPA+dPACA+dCAP1=PA1CA1,FL圖1-2雙膜模型的濃度分布圖圖1-3填料塔的物料衡算圖若氣液相平衡關系遵循享利定律：,則：〔1-5〔1-6當氣膜阻力遠大于液膜阻力時,則相際傳質過程式受氣膜傳質速率控制,此時,；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,。如圖1-3所示,在逆流接觸的填料層內,任意載取一微分段,并以此為衡算系統,則由吸收質A的物料衡算可得：〔1-7a式中：——液相摩爾流率,；——液相摩爾密度,。根據傳質速率基本方程式,可寫出該微分段的傳質速率微分方程：〔1-7b聯立上兩式可得：〔1-8式中：——氣液兩相接觸的比表面積,m2·m-1；——填料塔的橫載面積,m2。本實驗采用水吸收純二氧化碳,且已知二氧化碳在常溫常壓下溶解度較小,因此,液相摩爾流率和摩爾密度的比值,亦即液相體積流率可視為定值,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式〔1-8c,可得填料層高度的計算公式：,,〔1-9令,且稱HL為液相傳質單元高度〔HTU；,且稱NL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〔1-10若氣液平衡關系遵循享利定律,即平衡曲線為直線,則式〔1-9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單元高度：〔1-11〔1-12式中為液相平均推動力,即〔1-13其中：,,為大氣壓。二氧化碳的溶解度常數：〔1-14式中：——水的密度,——水的摩爾質量,；——二氧化碳在水中的享利系數〔見化工原理下冊第78頁,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,則液膜體積吸收系數等于液相總體積吸收系數,亦即〔1-15四、實驗裝置1、實驗裝置主要參數：吸收塔：第一套玻璃管內徑D＝0.050m；內裝φ10×10mm瓷拉西環；第二套玻璃管內徑D＝0.050m；內裝第三套玻璃管內徑D＝0.050m；內裝第四套玻璃管內徑D＝0.050mφ10×10mm不銹鋼θ環解吸塔：璃管內徑D＝0.050m；內裝φ10×10mm瓷拉西環；填料層高度Z＝0.80m；風機：XGB-12型,550W；二氧化碳鋼瓶1；減壓閥1個〔用戶自備。流量測量儀表：CO2轉子流量計：型號LZB-6流量范圍0.06～0.6m3／h；空氣轉子流量計：型號LZB-10流量范圍0.25～2.5m3／h；水轉子流量計：型號LZB-10流量范圍16～160L／h；解吸收塔水轉子流量計：型號LZB-6流量范圍6～60L／h濃度測量：吸收塔塔底液體濃度分析準備定量化學分析儀器一套；溫度測量：PT100鉑電阻,用于測定測氣相、液相溫度。2、二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖<見圖1-4>：圖1-4二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖1-CO2流量計；2-CO2瓶減壓閥；3-CO2鋼瓶；4-吸收用空氣流量計5-吸收用氣泵；6-放水閥；7、19-水箱放水閥；8-回水閥9-解吸塔；10-解吸塔塔底取樣閥；11-解吸液儲槽；12、15-U型管液柱壓強計；13-吸收液流量計；14-吸收液液泵；16-吸收液儲槽；17-吸收塔；18-吸收塔塔底取樣閥；20-解吸液流量計；21-解吸液液泵；22-空氣流量計；23-空氣旁通閥；24-解析氣風機3、二氧化碳吸收與解吸實驗裝置面板圖<見圖1-5>圖1-5實驗裝置面板圖五、實驗操作：實驗前,往水槽中加入蒸餾水,檢查各流量計調節閥,以及二氧化化碳的減壓閥是否均已關嚴。1.解吸塔中流體力學實驗操作〔1開啟實驗裝置的總電源,開動泵21,調節水流量計20,對填料塔潤濕10～20分鐘。然后把水流量調節到指定流量〔一般為100L/h；〔2開動風機24,從小到大調節空氣流量,觀察填料塔中液體流動狀況,并記下空氣流量、塔壓降和流動狀況,液泛前記錄七個數據點,液泛以后,至少記錄三個數據點；〔3關閉水和空氣流量計,停止水泵和漩渦氣泵。2.二氧化碳吸收-解吸傳質系數的測定〔水流量控制在60L/h〔1打開閥門23,關閉閥門10、18。〔2啟動吸收液泵14,將水經流量計13打入吸收塔中,將流量調到指定流量。啟動解吸液泵21,將解吸液經流量計20打入解吸塔中,同時啟動風機24,利用閥門23調節空氣流量〔液泛流量以下?！?實驗中注意吸收液流量計13和解吸液流量計20數值要一致,并注意吸收液儲槽的液位,如果過高,需開大解吸液流量計20,兩個流量計要及時調節,以保證實驗時操作條件不變?！?打開氣泵5,調節流量為0.7m3/h；然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥2,向吸收塔內通入二氧化碳氣體〔二氧化碳氣體流量計1的閥門要全開,流量大小由流量計讀出,控制在0.3m3/h左右?！?操作達到穩定狀態之后〔約20分鐘,測量吸收塔塔底的水溫,同時取樣測定吸收塔塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。3.二氧化碳含量測定用移液管吸取0.1mol/L的Ba〔OH2溶液10mL,放入三角瓶中,并從塔底附設的取樣口處接收塔底溶液20mL,用膠塞塞好振蕩。溶液中加入2～3滴甲酚紅指示劑搖勻,用0.1mol/的鹽酸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、注意事項：1.開啟二氧化碳總閥前,要先關閉二氧化碳自動減壓閥和二氧化碳氨流量調節閥。開啟時開度不宜過大2.塔下部液封面的高度必須維持在空氣進口管的下面,并接近進口管。3.滴定水中二氧化碳時,要求滴定同時不停振蕩。4.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、報告內容〔1畫出解析塔的流體力學性能圖〔△P/z～u的關系,確定載點、泛點；用其中一組數據寫出計算過程?！?