氧解吸实验报告.docx
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氧解吸实验报告
实验题目：
——氧解吸实验
姓名：
沈延顺
同组人：
覃成鹏
臧婉婷
王俊烨
实验时间：
2011.10。
24
化工原理实验
一、实验名称：
氧解吸实验
二、姓名：
沈延顺200962092
三、同组人：
覃成鹏、藏婉婷、王俊烨
四、实验目的：
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。
五、实验原理：
实验依次测量空塔，湿塔的流体力学性能，再使用本装置，先用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水后，送入解吸塔顶再用空气进行解吸。
测定塔顶塔底的溶液溶氧度，温度，塔内压降，液气流速等物理性质，计算出传质系数并与其它实验小组不同填料进行比较。
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—空塔气速关系示意图如下，在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为1.8~2的直线（图中aa’）。
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次幂，但大于相同气速下干填料的压降（图中bc段）。
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）。
到液泛点（图中d点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。
其中
u=G/Ω
2、传质实验
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，如图下所示。
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，及平衡线位置线，操作线也是直线，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
GA=KxaVp△xm即Kxa=GA/（Vp△xm）
其中
GA=L（x2-x1）Vp=ZΩ
xe1=ye1/mxe2=ye2/m
m=E/p
p=Pa+0.5△p
E=（-8.5694×10-5t2+0.07714t+2.56）×106
式中：
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
△xm——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）
m——摩尔亨利系数，1
p——塔内平均压力，kpa
E——每气体分压的亨利系数，kpa
t——塔内平均温度，℃
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，应增大液相的湍动程度即增大喷淋量。
六、实验流程图：
下图是氧气吸收解吸装置流程图。
氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀2进入氧气缓冲罐4，稳压在0.03～0.04[Mpa],为确保安全，缓冲罐上装有安全阀6，由阀7调节氧气流量，并经转子流量计8计量，进入吸收塔9中，与水并流吸收。
含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。
空气由风机13供给，经缓冲罐14，由阀16调节流量经转子流量计17计量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解吸后的尾气从塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐19排出。
自来水经调节阀10，由转子流量计17计量后进入吸收柱。
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23。
为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计22。
在解吸塔入口设有入口采出阀12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀20取样。
两水样液相氧浓度由测氧仪测得。
氧气吸收与解吸实验流程图
1、氧气钢瓶9、吸收塔17、空气转子流量计
2、氧减压阀10、水流量调节阀18、解吸塔
3、氧压力表11、水转子流量计19、液位平衡罐
4、氧缓冲罐12、富氧水取样阀20、贫氧水取样阀
5、氧压力表13、风机21、温度计
6、安全阀14、空气缓冲罐22、压差计
7、氧气流量调节阀15、温度计23、流量计前表压计
8、氧转子流量计16、空气流量调节阀24、防水倒灌阀
七、实验步骤：
1、流体力学性能测定
（1）、测定干填料压降
改变空气流量，测定填料塔压降，测取6~8组数据。
（2）、测定湿填料压降
a、测定前进行预液泛，使填料表面充分润湿。
b、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8~10组数据。
c、实验接近液泛时，进塔气体的增加量不要过大。
小心增加气体流量，使液泛现象平稳变化。
调好流量后，等各参数稳定后再取数据。
着重注意液泛后填料层压降在几乎不变的气速下明显上升的这一特点。
注意气量不要过大，以免冲破和冲泡填料。
（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
a、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。
b、液相流量调至107.5L/h，气体流量20.0m3/h，氧气入塔流量为0.45L3/min。
c、分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水。
d、用测氧仪分析其氧的含量。
同时记录对应的水温。
e、分别改变液相流量至145.5L/h，改变气体流量24.0m3/h，重复C、D测出相同数据。
f、实验完毕，关闭氧气减压阀，再关闭氧气流量调节阀，关闭其他阀门。
检查无误以后离开。
八、实验数据及处理：
1、填料塔压降与空塔气速关系图
Ω=3.14/4×0.12=0.00785m2
u=G/Ω
（1）干塔计算过程：
（2）湿塔计算过程：
（3）实验处理结果：
（a）干塔压降与液速关系：
（b）湿塔压降与液速关系：
2、Kxa测定
以第一组数据为例，计算过程如下：
对于解析塔：
温度为11.125℃时，
系统总压差
=101660（Pa）
相平衡常数
贫氧水中含氧的摩尔分数
=6.031E-06
富氧水中含氧的摩尔分数
=1.594E-05
液相平衡摩尔分数
=5.84E-06
对数平均浓差
2.52E-06
水流量
=5.272（kmol/h）
单位时间氧解析量
GA=L’（x2-x1）=5.272
（15.94-6.031）
10-6=5.22E-05（kmol/h）
填料层体积Vp=
=5.888e-03m3
液相体积总传质系数
=3514.98（kmol/（m3h））
塔的截面积Ω=
d2=
0.12=7.85
10-3（m2）
液相总传质单元高度
=0.191（m）
所有数据处理如下：
九、实验结论及误差分析：
1.流体力学性能测定
（1）无液体喷淋时如图4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u1.96呈正比。
（2）当有喷淋量时（喷淋量为150L/h），在低气速下（c点以前）也与气速呈线性关系，拟合关系式为：
，即与u1.62呈正比。
随气速的增加，出现载点（图5中c点），持液量开始增大，压降-气速线向上弯，斜率变陡（图5中cd段）。
到液泛点（图5中d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6，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
由表4中数据可以看出，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。
误差分析：
a.观察图4，可以看出测得干塔压降与气速数据的线性关系并不十分明显。
观察图6，可以发现，在测量干塔压降时，气速值均取的比较大，变化范围较小，而大气速下试验系统不稳定，数据不易准确读取。
因而在以后的实验中要将变量范围取得大一些，间隔要均匀。
b.系统误差，人为操作所造成的误差，读取数据时的随意性也可导致误差，在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。
十、思考题：
（1）、阐述干填料压降线和湿料塔压降线的特征
干料塔压降与气速关系成一条直线，是线性相关的两个变量；湿料塔压降线与干料塔有所不同，其在气速达到一定值时，会出现液泛点而呈折线。
且压降在气速达到一定值后急剧上升。
（2）、工业上，吸收在低温、加压，在进行而解吸在高温、常压下进行，为什么？
根据气体溶解度条件而定，一般情况下，气体在液体中的溶解度随温度的升高而降低，随压强的升高而升高。
（亨利系数m随压强升高减小，随温度升高上升，m小意味着溶解度增大）。
所以吸收时要在低温、加压的情况下进行比较好，而解吸在高温、低压下进行。
（3）、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？
一般气体的吸收和解吸都要经过三个步骤：
气相→气液界面→液相（吸收过程）或者液相→气液界面→气相（解吸过程），对于易溶气体而言，其主要的阻力来自溶质从气相到气液界面扩散的阻力，从气液界面到溶液的过程所受到的阻力相对来说很小，所以在吸收过程显示为气膜控制过程；而对于难溶气体，吸收时受到的主要阻力是在气液界面到液相的过程中产生，而在气相到气液界面的阻力相对来说很小，所以其吸收的过程显示为液膜控制过程。
也可以理解为，传质阻力主要集中在传质系数小的一侧，传质系数大的一侧对传质的阻碍程度很小。
调整作用小的效果不如调整作用大的。
易溶气体气相传质系数小，属于气膜控制；难溶气体液相传质系数小，属于液膜控制。
（4）、填料塔结构有什么特点？
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。
（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”
易溶气体溶解度大，平衡线斜率m小，因此往往使得才使得吸收过程往往是气膜阻力控制，难溶气体溶解度小，平衡线斜率m大，其吸收过程多为液膜控制。
（6）填料塔结构有什么特点？
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。
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。
当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。
壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。
因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。
液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。
十一、四组数据的比较
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：
1.星型填料：
序号
L/（L/h）
G/（m3/h）
Kxa/（kmol/（m3h））
HOL/m
1
95
22
3514.98
0.191
2
95
15
2890.31
0.232
3
80
15
2895.59
0.195
2.金属波纹丝袜填料：
序号
L/（L/h）
G/（m3/h）
Kxa/（kmol/（m3h））
HOL/m
1
100
15
3807.79
0.186
2
150
15
5714.39
0.124
3
150
20
5655.38
0.125
3.金属θ环填料：
序号
L/（L/h）
G/（m3/h）
Kxa/（kmol/（m3h））
HOL/m
1
105
25
3773.23
0.197
2
105
20
4011.36
0.185
3
85
20
2630.28
0.228
4.瓷拉西环：
序号
L/（L/h）
G/（m3/h）
Kxa/（kmol/（m3h））
HOL/m
1
100
5
4331.83
0.192
2
100
10
4392.01
0.189
3
150
10
4942.01
0.168
从以上不同填料的传质单元高度可以分析出，
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