氧解析实验报告.docx
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氧解析实验报告
氧解析
实验报告
课程名称：
化工原理实验
学校：
北京化工大学
学院：
化学工程学院
专业：
化学工程与工艺
班级：
化工1012班
学号：
2010016068
姓名：
王敬尧
实验日期：
2013年05月29日
同组人员：
一、实验摘要
本实验利用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水，送入解析塔顶再用空气进行解析，测定不同液量和气量下的解析液相体积总传质系数，并进行关联，同时对四种不同填料的传质效果及流体力学性能进行比较。
二、实验目的及任务
1、熟悉填料塔的构造与操作。
2、观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。
3、掌握液相体积总传质系数Kxa的测定方法并分析影响因素。
4、学习气-液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法。
三、基本原理
1、填料塔流体力学特性
气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。
填料层“压降—空塔气速”关系示意如图1所示。
（1）在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得斜率为1.8~2的直线（图中Aa直线）。
（2）当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降正比于气速的1.8~2次方，但大于相同气速下干填料的压降（图中bc段）。
（3）随气速的增加，出现载点（图中c点），持液量开始增大，“压降—气速”线向上弯，斜率变陡（图中cd段）。
（4）到液泛点（图中d点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。
2、传质实验
填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。
在填料塔中，两相传质主要在填料有效湿表面上进行，需要计算完成一定吸收任务所需的填料高度，其计算方法有传质系数、传质单元法和等板高度法。
本实验是对富氧水进行解吸，如图2所示。
由于富氧水浓度很低，可以认为气液两相平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也为直线，因此可以用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。
整理得到相应的传质速率方程为
，
即
相关填料层高度的基本计算式为：
即
GA单位时间内氧的解吸量，kmol/（m2•h）；
Kxa液相体积总传质系数，kmol/（m3•h）；
Vp填料层体积，m3；
Δxm液相对数平均浓度差；
x2液相进塔时的摩尔分数（塔顶）；
xe2与出塔气相y1平衡的摩尔分数（塔顶）；
x1液相出塔的摩尔分数（塔底）；
xe1与进塔气相y1平衡的摩尔分数（塔底）；
Z填料层高度，m；
Ω塔截面积，m2；
L解吸液流量，kmol/（m2•h）；
HOL以液相为推动力的总传质单元高度，m；
NOL以液相为推动力的总传质单元数。
由于氧气为难容气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中在液膜中，即Kx=kx，由于属液膜控制过程，所以要提高液相体积总传质系数Kxa，应增大也想的湍动程度即增大喷淋量。
在y-x图中，解析过程的操作线在平衡线下方，本实验中是一条平行于横坐标的水平线（因氧气在水中浓度很小）。
本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分数而不用摩尔比，这是因为在y-x图中，平衡线为直线，操作线也为直线，计算比较简单。
四、实验装置及流程
氧气吸收解吸装置流程：
（1）氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀进入氧气缓冲罐，稳压在0.03～0.04Mpa，为确保安全，缓冲罐上装有安全阀，当缓冲罐在压力达到0.08MPa时，安全阀自动开启。
（2）氧气流量调节阀调节氧气流量，并经转子流量计计量，进入吸收塔中。
（3）自来水经水转子流量计调节流量，由转子流量计计量后进入吸收塔。
（4）在吸收塔内氧气与水并流接触，形成富氧水，富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。
（5）空气由风机供给，经缓冲罐，由空气流量调节阀调节流量经空气转子流量计计量，通入解吸塔底部，在塔内与塔顶喷淋的富氧水进行接触，解吸富氧水，解吸后的尾气由塔顶排出，“贫氧水”从塔底通过平衡罐排出。
（6）由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。
空气流量计前装有计前表压计。
为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计。
（7）在解吸塔入口设有入口采出阀，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀取样。
两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。
图3氧气吸收解吸装置流程图
1、氧气钢瓶
2、氧减压阀
3、氧压力表
4、氧缓冲罐
5、氧压力表
6、安全阀
19、液位平衡罐
20、贫氧水取样阀
21、温度计
22、压差计
23、流量计前表压计
24、防水倒灌阀
13、风机
14、空气缓冲罐
15、温度计
16、空气流量调节阀
17、空气转子流量计
18、解吸塔
7、氧气流量调节阀
8、氧转子流量计
9、吸收塔
10、水流量调节阀
11、水转子流量计
12、富氧水取样阀
五、实验内容及步骤
1、流体力学性能测定
（1）测定干填料压降
①塔内填料事先已吹干。
②改变空气流量，测定填料塔压降，测取10组数据。
（2）测定湿填料压降
①固定前先进行预液泛，是填料表面充分润湿。
②固定水在某一喷淋量下，改变空气流量，测定填料塔压降，测取6~8组数据。
③实验接近液泛时，气体的增加量不要过大，否则图1中的泛点不容易找到。
密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，务必等到各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变的气速下明显上升。
④稍增加气量，再取一两个点，注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。
（3）注意空气流量的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。
2、传质实验
①将氧气阀打开，氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.04~0.05Mpa，氧气转子流量计保持0.3L/Min左右。
为防止水倒灌进入氧气转子流量计重，开水前要关闭防倒灌阀，或先通入氧气后通水。
②传质实验操作条件选取：
水喷淋密度取10~15m3/（m2·h），空塔的气速0.5~0.8m/s，氧气入塔流量为0.01~0.02m3/h，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在不大于19.9mg/L。
③塔顶和塔底液相氧浓度测定：
分别从塔顶与塔底取出富氧水和“贫氧水”，用测氧仪分析其氧的含量。
④实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭氧减压阀及氧气流量调节阀。
检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。
六、实验数据处理
计算并确定干填料及一定喷淋量下的湿填料在不同空塔气速u下，与其相应的单位填料高度压降Δp/Z的关系曲线，并在双对数坐标系中作图，找出泛点与载点。
表1：
干塔数据：
水流量L=0L/h填料高度h=0.75m塔径d=0.1m
转子流量计：
空气，T=20℃，P=101.325KPa
序号
空气流量V1（m3/h）
空气温度T2（K）
空气表压P（kPa）
全塔压降△P（kPa）
△P/Z
（Pa/m）
实际空气流量
V2（m3/h）
空气流速
u（m/s）
1
5
301.15
2.33
0.27
360.00
5.02
0.18
2
9
301.15
2.44
0.29
386.67
9.03
0.32
3
12
301.05
2.56
0.32
426.67
12.02
0.43
4
15.9
300.85
2.72
0.37
493.33
15.89
0.56
5
17.9
300.55
2.94
0.4
533.33
17.83
0.63
6
21
299.85
3.15
0.53
706.67
20.83
0.74
7
23.9
299.25
3.45
0.63
840.00
23.59
0.83
8
27
298.95
3.76
0.75
1000.00
26.55
0.94
9
30
298.15
4.15
0.86
1146.67
29.31
1.04
10
33.4
277.15
4.65
0.96
1280.00
30.19
1.07
表2：
湿塔数据：
L=60～250L/h，h=0.75m，d=0.1m
转子流量计：
空气，T=20℃，P=101,325KPa；水流量80L/h。
序号
空气流量V1（m3/h）
气温度T2（K）
空气表压P（kPa）
全塔压降△P（kPa）
△P/Z
（Pa/m）
实际空气流量
V2（m3/h）
空气流速
u（m/s）
1
5
301.85
2.39
0.13
173.33
5.03
0.18
2
7
301.85
2.55
0.15
200.00
7.03
0.25
3
9
301.85
2.73
0.19
253.33
9.02
0.32
4
11
301.85
2.93
0.27
360.00
11.01
0.39
5
13
302.95
3.2
0.4
533.33
13.02
0.46
6
15
303.35
3.56
0.56
746.67
14.99
0.53
7
17
303.95
4.06
0.78
1040.00
16.95
0.60
8
18
305.35
4.55
1.02
1360.00
17.94
0.63
9
19
305.85
5.25
1.32
1760.00
18.85
0.67
10
20
306.25
5.73
1.57
2093.33
19.78
0.70
11
21
306.85
5.95
1.71
2280.00
20.76
0.73
（1）下以干塔数据中第一组为例，说明计算过程：
单位塔高压降确定：
流量校正：
流速确定：
湿塔的计算过程与干塔一致，不再赘述。
（2）计算实验条件下（一定喷淋量、一定空塔气速）的液相体积总传质系数Kxa及液相总传质单元数HOL。
表3：
氧解吸操作数据：
h=0.75m，d=0.1mw平衡=11.03mg/L（y1=y2=0.21，P=101.3KPa）
序号
氧流量
（L/min）
L
（L/h）
G
（m3/h）
贫氧水氧含量
c1（mg/L）
富氧水氧含量
c2（mg/L）
含氧水温度
T2（℃）
1
0.3
80
18
9.04
22.37
22.45
9.07
22.83
22.50
序号
系统总压
P（Pa）
相平衡常数
m
平衡mol
xe1（xe2）
对数平均
Δxm
水流量L
（mol/h）
气体流率GA
（mol/h）
传质系数Kxa
（kmol/m3h）
HOL
（m）
1
101.3
41936
5．01*10-6
1.65*10-6
4438.5
0.033
3396
0.168
101.3
41972
5.00*10-6
1.78*10-5
4438.5
0.0346
3558
0.159
以第一组数据为实例，10℃时的密度：
998.67kg/m3。
塔温：
系统总压确定：
亨利系数确定：
亨利系数:
平衡浓度：
塔顶（底）摩尔分率计算：
平均推动力：
液体流率：
气体流率：
填料塔体积：
传质系数的确定：
传质单元高度：
七、实验结果作图及分析
1、流体力学性能测定
图5
图4
图6
载点与泛点的位置：
如图6所示
水流量为80L/h时
载点为（0.32,253.33）
泛点为（0.60,1040）
2、传质实验：
液相体积总传质系数Kxa和液相总传质单元高度HOL计算结果如下：
L（L/h）
G（m3/h）
Kxa（kmol/m3h）
HOL（m）
80
18
80
18
3558
0.159
表4：
Kxa、HOL
八、结果讨论及误差分析
1、流体力学性能测定
（1）对于干塔压降和气速关系图，压降对气速作图应得斜率为1.8~2的直线。
而此次试验所得结果，拟合所得的曲线R=0.8274,直线的斜率也仅为0.7351，与理论相差很大。
实验过程中数据记录较为准确，应当不是读数问题，可能是转子流量计所测得的流量偏大所致，而且本人在实验过程中主要负责记录转子流量计示数，在每提高一个流速时，尚未等转子达到平衡即读数，往往转子还会往往下降一段距离才会达到平衡，由此造成了一定的误差，使算的斜率偏小。
另一方面，若仔细观察干塔气速曲线，可以看出在气速为0.63时，出现一个拐点，斜率陡增。
联想湿塔压降气速关系，推测在做实验前，塔并未被吹干，有一定的液膜，操作一段时间后，液膜消失，使斜率发生了变化。
从而导致干塔压降和气速线性相关性很差。
（2）对于湿塔压降和气速关系曲线，可以清楚地看出载点和泛点，但是同时发现本次试验中在载点前干塔居然比湿塔的压降更大，且斜率更陡。
查看实验操作记录，在进行湿塔测试前，进行了液泛操作，故排除了操作问题的可能性。
由于喷淋液相，故湿塔达平衡较干塔用更长的时间，当实验操作时，可能是因为在记录湿塔数据时，每调整到一新的流速，未等达到平衡状态即开始记录数据，从而使测得的塔压降偏小，甚至小于干塔数据。
2、传质实验
由数据可以看出，同样条件下，不同时间下所测得的Ka不同，主要是由于流体流动使温度升高，使亨利系数发生了变化所致。
九、思考题
1、阐述干填料压降线和湿填料压降线的特征
答：
气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。
在双对数坐标系中，压降对气速作图可得斜率为1.8~2的直线。
当有喷淋量时，在低气速下压降正比于气速的1.8~2次方，但大于相同气速下干填料的压降。
随气速的增加，出现载点，持液量开始增大，“压降—气速”线向上弯，斜率变陡。
到液泛点后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。
2、比较液泛时单位填料高度压降和图中液泛压降值是否相符，一般乱堆填料液泛时单位填料高度压降为多少？
答：
可以看出，两者都是随着气速的增大而增大，变化趋势是相符的。
另一方面，可以看出当单位填料高度压降为1040.00Pa后，塔压降和气速变化图出现了斜率陡增的情况，故可认为此压降为液泛处。
3、试计算实验条件下填料塔实际气液比V/L是最小气液比（V/L）min的多少倍？
答：
，
实际气液比：
，
故:
4、工业上，吸收在低温、加压下进行，而解吸在高温、常压下进行，为什么？
答：
在低温高压下气体易溶，易被吸收，因而吸收常在低温、加压下进行。
而在高温、低压下气体的溶解性小，对解吸有利，因而解吸在高温、常压下进行。
5、为什么易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制过程？
答：
对于易溶气体，气体很容易被液体溶解，故液膜的阻力较小，传质阻力主要集中在气模上。
相反，难溶气体液膜阻力较大，而气膜阻力相对较小，故属于气膜控制。
6、填料塔结构有什么特点？
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。
填料塔的塔身
是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。
填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。
液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。
气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。
填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。
7、若要实现计算机在线采集和控制，应如何选用测试传感器及仪表？
答：
应当主要考虑实时在线测控的问题。
由于化工设备对温度压力十分敏感，若压力陡增而仪表反应较慢，则会导致调节不及时发生事故。
另外，在不要求很高灵敏度的情况下，可是适当选取低造价的以减少投资成本。
完成日期：
2013/5/30
评语：
成绩：
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