填料塔吸收传质系数的测定.docx
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填料塔吸收传质系数的测定
化工原理实验报告
学院：
专业：
班级：
姓名
学号
实验组号
实验日期
指导教师
成绩
实验名称
填料塔吸收传质系数的测定
一、实验目的
1．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；
2．掌握总体积传质系数的测定方法；
3．了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。
二、实验原理
气体吸收是典型的传质过程之一。
由于CO2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO2作为溶质组分。
本实验采用水吸收空气中的CO2组分。
一般CO2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO2气体通入空气中混合以提高空气中的CO2浓度，水中的CO2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO2气体的解吸过程属于液膜控制。
因此，本实验主要测定Kxa和HOL。
计算公式
填料层高度Z为
式中：
L液体通过塔截面的摩尔流量，kmol/（m2·s）；
Kxa以△X为推动力的液相总体积传质系数，kmol/（m3·s）；
HOL液相总传质单元高度，m；
NOL液相总传质单元数，无因次。
令：
吸收因数A=L/mG
测定方法
（1）空气流量和水流量的测定
本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。
（2）测定填料层高度Z和塔径D；
（3）测定塔顶和塔底气相组成y1和y2；
（4）平衡关系。
本实验的平衡关系可写成
y=mx
式中：
m相平衡常数，m=E/P；
E亨利系数，E＝f（t），Pa，根据液相温度由附录查得；
P总压，Pa，取1atm。
对清水而言，x2=0,由全塔物料衡算
可得x1。
三、实验装置
1．装置流程
1－液体出口阀2；2－风机；3－液体出口阀1；4－气体出口阀；5－出塔气体取样口；6－U型压差计；7－填料层；8－塔顶预分布器；9－进塔气体取样口；10－玻璃转子流量计（0.4~4m3/h）；11－混合气体进口阀1；12－混合气体进口阀2；13－孔板流量计；14－涡轮流量计；15－水箱；16－水泵
图7-1吸收装置流程图
本实验装置流程：
由自来水源来的水送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。
由风机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体混合罐，然后再进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程看成是等温操作。
2．主要设备
（1）吸收塔：
高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金属丝网波纹规整填料或θ环散装填料，填料层总高度2000mm.。
塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。
填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。
（2）填料规格和特性：
金属丝网波纹规整填料：
型号JWB—700Y，规格φ100×100mm，比表面积700m2/m3。
（3）转子流量计：
介质
条件
常用流量
最小刻度
标定介质
标定条件
CO2
2L/min
0.2L/min
CO2
20℃1.0133×105Pa
（4）空气风机：
型号：
旋涡式气机
（5）二氧化碳钢瓶；
（6）气相色谱分析仪。
四、实验步骤
1．实验步骤
（1）熟悉实验流程及弄清气相色谱仪及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项；
（2）打开混合罐底部排空阀，排放掉空气混合贮罐中的冷凝水；
（3）打开仪表电源开关及风机电源开关，进行仪表自检；
（4）开启进水阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节玻璃转子流量计，使其流量稳定在某一实验值。
（塔底液封控制：
仔细调节液体出口阀的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或过低而泄气）；
（5）启动风机，打开CO2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀；
（6）仔细调节风机旁路阀门的开度（并调节CO2调节转子流量计的流量，使其稳定在某一值；）建议气体流量3－5m3/h；液体流量0.6-0.8m3/h；CO2流量2-3L/min。
（7）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温度、压差计、压力表上读取各温度、塔顶塔底压差读数，通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气体组成；
（8）实验完毕，关闭CO2钢瓶和转子流量计、水转子流量计、风机出口阀门，再关闭进水阀门，及风机电源开关，（实验完成后我们一般先停止水的流量再停止气体的流量，这样做的目的是为了防止液体从进气口倒压破坏管路及仪器）清理实验仪器和实验场地。
2．注意事项
（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。
（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。
五、原始数据记录
原始数据记录表
流量
温度
含量%
水
（m3/h）
气体总流量（m3/h）
CO2
（L/min）
空气
水
进口
出口
0.6
4
2.5
22.3
13.5
0.0199
0.2449
0.7
4
2.5
22.3
13.5
0.0199
0.3552
0.8
4
2.5
22.3
13.5
0.0199
0.2502
六、数据处理
（1）单位换算：
水：
0.6m3/h=600kg/h=（600/3600）*4/（π*18）=0.01179kmol/m2.s
0.7m3/h=700kg/h=（700/3600）*4/（π*18）=0.01375kmol/m2.s
0.8m3/h=800kg/h=（800/3600）*4/（π*18）=0.01572kmol/m2.s
气体流量：
4m3/h=（4/3600）*4/（π*22.4）=6.316*10-5kmol/m2.s
二氧化碳：
2.5L/min=0.06*2.5m3/h=0.15m3/h=（0.15/3600）*4/（π*22.4）=2.368*10-6kmol/m2.s
（2）数据处理：
1.液体流量为0.6m3/h，气体流量为4m3/h求算Kxa，及HOL方法
已知L=0.01179kmol/m2.sG=6.316*10-5kmol/m2.sm=1420
A=L/mG==0.01179/（6.316*10-5*1420）=0.1315
=2.6451m
又∵h0=2m
∴HOL=h0/NOL=2/2.6451=0.756m
Kxa=G/HOL=6.316*10-5/0.756=8.354*10-5kmol/m3.s
2.液体流量为0.7m3/h，气体流量为4m3/h求算Kxa，及HOL方法与第一步相似
已知L=0.01375kmol/m2.sG=6.316*10-5kmol/m2.sm=1420
A=L/mG==0.01375/（6.316*10-5*1420）=0.1533
=3.2191m
又∵h0=2m
∴HOL=h0/NOL=2/3.2191=0.621m
Kxa=G/HOL=6.316*10-5/0.621=1.017*10-4kmol/m3.s
3.液体流量为0.8m3/h，气体流量为4m3/h求算Kxa，及HOL方法与第一步相似
已知L=0.01572kmol/m2.sG=6.316*10-5kmol/m2.sm=1420
A=L/mG==0.01572/（6.316*10-5*1420）=0.1753
=2.8563m
又∵h0=2m
∴HOL=h0/NOL=2/2.8563=0.701m
Kxa=G/HOL=6.316*10-5/0.701=9.001*10-5kmol/m3.s
七、实验结果及讨论
通过对本次实验的数据进行收集分析作图，经过分析得到传质系数受液体流量的影响较大，受气体流量的影响较小，随着气体流量增大，传质系数增加，在后面的数据分析发现，由于传质系数受气体流量变化很小，其中有两个偏差很大的点只是相对偏差较大，而绝对误差偏差很小。
可以近似认为等于理论值，在图表解析的过程中，传质系数几乎不受气体流量的影响。
八、思考题
1．本实验中，为什么塔底要有液封？
液封高度如何计算？
答：
保证塔内液面，防止气体漏出,保持塔内压力.U形管液封所需高度是由系统内压力（P1塔顶气相压力）、冷凝器气相的压力（P2）及管道压力降（h,）等参数计算确定的。
可按式（4.0.1-1）计算:
H=（P1一P2）X10.2/Y一h-式中H.,-—最小液封高度，m;P1,—系统内压力;P2—受液槽内压力;Y—液体相对密度;h-—管道压力降（液体回流道塔内的管线）一般情况下，管道压力降（h-）值较小，可忽略不计，因此可简化为H=（P1一P2）X10.2/Y为保证液封效果，液封高度一般选取比计算所需高度加0.3m-0.5m余量为宜。
2．测定Kxa有什么工程意义？
答：
传质系数Kxa是气液吸收过程重要的研究的内容，是吸收剂和催化剂等性能评定、吸收设备设计、放大的关键参数之一。
3.为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？
答：
易溶气体的吸收过程是气膜控制,如HCl,NH3,吸收时的阻力主要在气相,反之就是液膜控制.对于CO2的溶解度和HCl比起来差远了,应该属于液膜控制。
4.当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？
答：
液体温度,因为亨利定律一般适应于稀溶液,如难容气体的溶解,这种溶解的传质过程属于液膜控制（m值大）,液体的影响比较大,故选择液体温度。
指导教师意见
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