填料塔流体力学特性与吸收系数的测定

填料塔流体力学特性与吸收系数的测定

 

一、实验目的:

1.了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实验测定数据的处理分析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解，加深对填料塔传质性能理论的理解。

2.掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习实验数据的处理分析。

二、实验内容：

1.测定填料层压强降与操作气速的关系，确定在一定液体喷淋量下的液泛气速。

2.固定液相流量和入塔混合气二氧化碳的浓度，在液泛速度以下，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传质单元高度和体积吸收总系数）。

3.进行纯水吸收混合气体中的二氧化碳、用空气解吸水中二氧化碳的操作练习，同时测定填料塔液侧传质膜系数和总传质系数。

三、实验原理：

气体通过填料层的压强降：

ΔP , kPa

压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气、液流量均有关，不同液体喷淋量下填料层的压强降与气速的关系如图1所示：

                    

                  图1 填料层的～关系

当液体喷淋量时，干填料的～的关系是直线，如图中的直线0。当有一定的喷淋量时，～的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将～关系分为三个区段：既恒持液量区、载液区及液泛区。

传质性能：吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定可获取吸收系数。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。

若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：

                        （11）

                            （12）

式中为液相平均推动力，即

其中：,，为大气压。

二氧化碳的溶解度常数：

                      （14）

式中：——水的密度，    

——水的摩尔质量，  ；

——二氧化碳在水中的享利系数（见表1），Pa。

因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计，在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即

 

表1  二氧化碳在水中的亨利系数    E×10^-5，kPa

气体	温度，℃
	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、实验装置：

填料塔：玻璃管内径 D＝0.05m   塔高1.20m   填料层高度Z＝0.94m

内装φ10×10mm瓷拉西环； 风机型号：XGB-12 ；

五、实验方法及步骤：

1.实验前准备工作：

   首先将水箱1和水箱2灌满蒸馏水或去离子水，接通实验装置电源并按下总电源开关。

准备好10ml移液管、100ml的三角瓶、酸式滴定管、洗耳球、0.1M左右的盐酸标准溶液、0.1M左右的Ba（OH）₂标准溶液和甲基红等化学分析仪器和试剂备用。

2.测量解吸塔干填料层（）～u关系曲线：

打开空气旁路调节阀V7至全开，启动解吸风机6。打开空气流量计F4下的阀门V4,逐渐关小阀门V7的开度，调节进塔的空气流量。稳定后读取填料层压降△P即U形管液柱压差计的数值，然后改变空气流量，空气流量从小到大共测定6-10组数据。在对实验数据进行分析处理后，在对数坐标纸上以空塔气速 u为横坐标，单位高度的压降为纵坐标，标绘干填料层()～u关系曲线。

3.测量解吸塔在不同喷淋量下填料层()～u关系曲线：

将水流量固定在100 l/h左右（水流量大小可因设备调整），采用上面相同步骤调节空气流量，稳定后分别读取并记录填料层压降△P、转子流量计读数和流量计处所显示的空气温度，操作中随时注意观察塔内现象，一旦出现液泛，立即记下对应空气转子流量计读数。根据实验数据在对数坐标纸上标出液体喷淋量为100 l/h时的（）～u关系曲线（见图2），并在图上确定液泛气速，与观察到的液泛气速相比较是否吻合。

4.二氧化碳吸收传质系数测定：

（1）关闭吸收液泵4的出口阀，启动吸收液泵4，关闭空气转子流量计F1，二氧化碳转子流量计F2与钢瓶连接。

（2）打开吸收液转子流量计F3，调节到60 l/h，待有水从吸收塔顶喷淋而下，从吸收塔底的π型管尾部流出后，启动吸收气泵3，调节转子流量计F1到指定流量，同时打开二氧化碳钢瓶调节减压阀，调节二氧化碳转子流量计F2，按二氧化碳与空气的比例在10—20%左右计算出二氧化碳的空气流量。

（3）吸收进行15分钟并操作达到稳定状态之后，测量塔底吸收液的温度，同时在塔顶和塔底取液相样品并测定吸收塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。

（4）溶液二氧化碳含量测定

用移液管吸取0.1M左右的Ba（OH）₂标准溶液10ml，放入三角瓶中，并从取样口处接收塔底溶液10 ml，用胶塞塞好振荡。溶液中加入2～3滴甲基红（或酚酞）指示剂摇匀，用0.1M左右的盐酸标准溶液滴定到粉红色消失即为终点。

按下式计算得出溶液中二氧化碳浓度：

六、实验注意事项：

1.开启CO₂总阀门前，要先关闭减压阀，阀门开度不宜过大。

2.分析CO₂浓度操作时动作要迅速，以免CO₂从液体中溢出导致结果不准确。

七、数据记录

1、填料塔流体力学特性

二氧化碳转子流量计矫正系数为0.78

表2  填料塔流体力学性能测定（干填料）

表3  填料塔流体力学性能测定（湿填料）

2、吸收系数的测定

二氧化碳转子流量计矫正系数为0.78

空气的流量q_v1=              二氧化碳的流量q_v2=       

吸收剂流量L=

表4 二氧化碳含量的测定