氧解析化工原理吸收实验报告.docx
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氧解析化工原理吸收实验报告
化工原理
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：
专业：
班级：
学号：
姓名：
实验日期：
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
10
286.65
1.166
0.088
117
9.667
0.342
2
15
288.85
1.333
0.196
261
14.588
0.516
3
20
291.05
1.548
0.333
444
19.558
0.690
4
25
294.15
1.852
0.490
653
24.635
0.871
5
30
297.75
2.244
0.696
928
29.811
1.054
6
35
300.05
2.685
0.941
1254
34.899
1.234
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
300.25
1.068
0.078
104
5.068
0.179
2
10
301.35
1.225
0.157
209
10.157
0.359
3
15
302.55
1.411
0.274
365
15.268
0.540
4
20
303.45
1.725
0.529
705
20.356
0.720
5
25
304.45
2.165
0.862
1149
25.421
0.899
6
30
305.65
2.744
1.274
1699
30.454
1.077
7
35
306.55
3.557
1.921
2561
35.359
1.251
8
40
307.75
4.665
2.861
3815
40.144
1.420
（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）
空气表压
P（Pa）
全塔压降
△P（Pa）
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
20
1.744
0.549
11.69
24.80
10.95
11.60
24.60
10.95
2
0.3
100
20
1.813
0.558
12.10
22.95
10.95
12.07
22.80
10.85
3
0.3
80
30
2.842
1.313
11.60
24.86
11.05
11.64
24.18
11.05
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
101.574
33417
6.28*10-6
2.28*10-6
4438.5
0.0328
2443
0.231
101.574
33417
6.28*10-6
2.15*10-6
4438.5
0.0325
2572
0.219
2
101.579
33415
6.28*10-6
2.42*10-6
5548.1
0.0339
2380
0.297
101.579
33341
6.30*10-6
2.35*10-6
5548.1
0.0335
2422
0.292
3
101.957
33365
6.29*10-6
2.15*10-6
4438.5
0.0331
2615
0.216
101.957
33365
6.29*10-6
2.12*10-6
4438.5
0.0313
2509
0.225
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：
同理：
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A点（0.5571,380.68）
泛点为B点（1.105,1603.04）
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：
氧流量（L/min）
L（L/h）
G（m3/h）
Kxa（kmol/m3h）
HOL（m）
0.3
80
20
2507
0.225
0.3
100
20
2401
0.294
0.3
80
30
2562
0.221
表4：
不同气、液量下的Kxa、HOL
八、结果讨论及误差分析
1、流体力学性能测定
（1）无液体喷淋时如图所示，在双对数坐标下，干塔压降与气速呈线性关系，拟合关系式为：
，即与u1.8302呈正比。
（2）当有喷淋量时（80L/h），在低气速下也与气速呈线性关系，与u1.22呈正比。
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。
（3）将干塔、湿塔填料塔压降与气速关系进行对比，见图，可以看出，有液体喷淋时，填料层压降均大于同一气速下的干塔压降。
2、传质实验
由数据可以看出，在氧气-水系统中，液相体积总传质系数Kxa与液量正相关，而与气量基本无关。
这是由于氧气极难溶于水，因而本系统是液膜控制系统，Kxa近似等于kxa，而kxa∝L0.7~0.8，故液相体积总传质系数Kxa仅与液量有关，与气量无关。
3、误差分析
（1）系统误差：
装置整体气密性不够理想，造成流体流动时对整体系统带来的波动影响，转子流量计在计量空气流速时不够稳定
（2）主观误差：
人为读取压差计及转子流量计时存在主观误差。
（3）其他误差：
由于氧气浓度测量仪与实验装置数量不匹配，导致在实验后期不能够在得到待测液后一分钟内得以测量，实验室环境含氧量及温度在此期间对烧杯内待测液有所影响，导致最终温度及含氧量的测定存在误差。
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，因此在对数坐标纸上作关系曲线，表现为一直线。
当有喷淋量时，在低流速下压降也正在于气速的1.8～2次方，但大于同一气速下干填料的压降。
随气速增加，出现载点，出现载点，持液量增大，曲线向上弯曲，斜率变陡，到达泡点后，压降持续增大，出现液泛。
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：
实验中发现，乱堆填料液泛时单位填料层高度的气体压降基本上为一恒值。
由此推测，当操作气速低于泛速时，其它等压降曲线会有与泛点关联图线相像的曲线形状。
实验结果证实了这一推测。
乱堆填料液泛时单位填料高度压降一般不低于2kPa/m。
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：
相平衡常数m=f（p,T）,且温度下降，压力上升时，m降低，气体越易溶，越易被吸收，因而吸收常在低温、加压下进行。
反之，高温、减压对解吸有利，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：
根据双膜模型导出的结果可知总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和，即
对于气膜阻力控制，即时，
，,此时的传质阻力主要集中于气膜，称这种情况为“气膜阻力控制”。
对于液膜控制，即时，,,此时的传质阻力只要集中于液膜，称这种情况为“液膜阻力控制”
（易溶气体多为气膜阻力控制，难溶气体多为液膜控制）。
答：
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。
塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板。
上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。
气体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。
填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。
填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
6、填料塔结构有什么特点？
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：
根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：
量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式；信号的输出方法；传感器的来源。
在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等），以免产生过大的误差。
压力检测仪表的正确选用主要包括确定仪表的型式、量程、范围、准确度和灵敏度、外形尺寸以及是否需要远传和具有其他功能。
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