填充塔气体吸收.docx
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填充塔气体吸收
實驗五填充塔氣體吸收
GasAbsorptionofPackedColumn
一、實驗目的
1.測定氣體通過填充塔之壓力降，並比較不同形式填充物在乾濕填充塔內壓力降之特性。
2.比較負載點（loadingpoint）及泛溢點（floodingpoint）之實驗值及理論值。
3.測定CO2於逆流填充塔內吸收之質傳單位數（NTUog）與單位質傳高度（HTUog）。
4.證明氣體流率改變對吸收效率之影響。
二、原理
氣體之吸收係藉氣體與液體之接觸，使氣相中之氣體溶質因被吸收而轉移至液相，以達到分離目的，如氨氣（或CO2）與空氣之混合物通過水中時，氣相中之氨氣（或CO2）溶解於水中，而成氨水（或碳酸）溶液。
填充塔係由一圓柱塔構成，塔中裝以填充物，用以增大氣體與液體間之接觸面積。
填充塔之架構如圖4所示；塔之外管通常係由金屬、陶器、玻璃、塑膠或他襯有防蝕材料之金屬製成。
填充物置放在塔內底部由多孔板或篩網製成之支撐物，填充物之種類如圖1所示。
液體由塔頂之液體入口經由一液體分配器均勻潤濕在上層之填充物上，穿流過下層之填充物與多孔板後，由塔底之液體出口流出；氣體則由塔底之氣體入口逆流上升，在塔內和液體充分接觸後，由塔頂之氣體出口逸出。
圖1填充塔內填充物種類（a）貝爾鞍（b）印達洛鞍（c）拉西環（d）波爾環
2.1乾濕填充塔之壓力降
（一）乾燥塔壓降（∆P，pressuredrop）與氣體流速（V，gasvelocity）之關係為∆P∝Vn，公式如下：
∆P=hVn
其中h：
填充塔高
壓降與塔徑無關，但與填充物特性有極大關係。
不同之填料有不同之自由截面積，自由截面積與填充物之孔隙度有關。
（二）當液體進入塔內時，增加摩擦力與黏度拖曳將會影響氣體流量；因此濕塔比乾燥塔具有更大之壓降，壓降與液體流率關係為∆P∝Vm。
loadingpoint（負載點）：
圖2壓降對氣體流速關係圖中，斜率迅速增加，小量之Ｖ改變，即可引起壓降很大之變化。
floodingpoint（泛溢點）：
氣體流量再增加，則氣體無法向上吹，液體無法向下流。
圖2填充塔內壓力對氣體流速關係圖
氣體吸收係利用溶劑對氣體混合物各成份溶解度之不同而分離之操作，如二氧化碳與空氣之混合物如遇NaOH溶液則CO2被溶解成液相，空氣不溶仍以氣相離去。
被溶解之成份CO2稱為溶質或傳送物質（transfermaterial），不溶解或難溶之成份，稱為惰性物質（inertmaterial），依據質量輸送理論溶質由氣相傳送至液相，乃是依雙膜理論（twofilmtheory）。
Z：
由塔頂至任一點之長度
L：
dz處之液相流量
V：
dz處之氣相流量
x：
dz處之液相組成
y：
dz處之氣相組成
xi：
dz處，液、氣相交界面上之液相濃度
yi：
dz處，液、氣相交界面上之氣相濃度
dA：
dz處，液、氣相之交界面積
圖3填充塔交界面示意圖
如圖3示，在Z處之質量傳送速率dNA（lb-mole/hr）可表為
dNA=ky（y-yi）dA
（1）
由交界面傳向液相之質量輸送速率為
dNA=kx（xi–x）dA
（2）
式
（1）
（2）中ky，kx分別表示氣相、液相之質量輸送係數（lb-mole/ft2-hr）。
又由dZ處之質量平衡得
dNA=d（Vy）=d（Lx）（3）
由
（1）
（2）（3）式得
dNA=d（Vy）=d（Lx）=ky（y-yi）dA=kx（xi-x）dA（4）
在吸收操作過程中，溶質不斷地由氣相傳送至液相，故氣相之流量V漸減而液相之流量L則漸增。
今若以V’表示氣相中inert之流量則V’=V（1-y），在全塔中均保持為一常數，代入（4）得：
（5）
再者，因為氣、液相之交界面dA無法測定，通常係以單位體積內之接觸面積a（ft2/ft3）表之。
如塔之截面積為S（ft2）則在dz處之體積為Sdz，則該處之交界面積應為
dA=aSdz（6）
以（5）（6）兩式代入（4）式中得
令
（lb-mole/hr-ft2）表氣相之MoleFlux，則
（7）
同理，若令
lb-mole/hr-ft2表液相之MoleFlux，則
（8）
2.2塔高計算
h=Nt×H
Nt：
傳送單位（No.ofTransferUnit）
H：
傳送單位高度（HeightofTransferUnit）
（一）總質傳係數（OverallMassTransferCoefficient）
若令y表氣相濃度，y*是與液相濃度x互相平衡之氣相濃度，則兩相間之總濃度差可以（y-y*）表之，由此定義總括質傳輸送係數Ky為：
dNA=Ky（y–y*）dA（9）
同理，若令x表液相濃度，x*表與氣相濃度y互相平衡之液相濃度，則可定義另一總括質傳輸送係數Kx為：
dNA=Kx（x*–x）dA（10）
由平衡關係，yi=mxi，得
y*=mx，y=mx*（11）
由（4）（9）（10）（11）式可得
，
（12）
或
，
（13）
由（4）（7）（9）（10）式可得
（14）
（15）
（二）總質傳係數之測定
kx、ky、Kx、Ky、a均不易單獨測定，但對於kxa、kya之測定，則已有數種實驗公式可以利用
（16）
kya=b（Gy）p（Gx）r（17）
Dx：
溶質在液相中之擴散係數（ft2/hr）
Gx：
液相之Massflux（lb/ft2-hr）
μx：
液相之黏度（lb/ft-hr）
a、n、b、p、r：
隨packing之狀況而異之常數
（三）填充塔高度之計算：
重新整理方程式（7）（8）（14）（15），並分別積分之可得
（18）
（19）
（20）
（21）
（18）~（21）式中，GMy，GMx，kxa，kya，Kxa，Kya均不為常數，一般皆取塔頂及塔底之值而平均之。
例如：
（18）式右端之積分可利用圖解法積分
（a）Operatingline
（22）
：
液相中扣除溶質之MoleFlux
：
氣相中扣除溶質之MoleFlux
（b）Equilibriumline
yi=mxi（m未必為常數）
（c）輔助線之斜率
由方程式（4）
得
（23）
由（23）式可知，在y-xdiagram上之OP.line任一點作一斜率為-kxa/kya之直線必交eq.line（xi，yi）點上，故任一y之值即可由作圖求出相當的yi
y
yi
1-y
y-yi
1/（1-y）（y-yi）
∆y
1/（1-y）（y-yi）×∆y
ya
．
．
yb
．
．
．
．
．
．
．
．
．
．
．
．
．
．
．
．
HeightofTransferUnit（H.T.U）
在（18）到（21）式中，令
（24）
（25）
（26）
（27）
（28）
（29）
（30）
（31）
故得z=NtH
三、設備裝置
本實驗裝置儀器包括填充吸收塔與pHmeter。
請以3種色筆，在圖4中分別標出水、空氣、CO2三種流體的流動方向。
圖4填充塔裝置圖
表1填充管柱資料表
Packed
ColumnNo.1
ColumnNo.2
ColumnNo3
Packing
7mmCeramicIntaloxSaddles
10mmGlassRaschigRingREFFC10
7mmGlassRaschigRingREFFC7
Kya
（kgmol/m3-hr-atm）
0.000727
0.000749
0.000749
Diameter
80mm
Packedheight
approx1.3m
四、實驗步驟
4.1洗塔
1.關閉洩料閥，開啟其他閥件（含差壓計上方閥）。
2.開進水閥注水，使貯水槽達固定水位（低於左後側溢流通路）。
3.開Pump打水，使水由上方流下，清洗Column，並同時進水與洩料。
4.連續洗塔約5分鐘後關閉馬達，下方洩出系統內的水，完成洗塔。
4.2測乾塔壓降
1.進水到低於溢流通路之高度。
2.關洩料閥及進水閥，開啟其他閥（含差壓計上方閥），平衡壓力，待水位一樣高時，關閉Column2、3所有閥件，啟動Column1相關閥件，V1,V4,V8與壓力紅栓1,儲水槽壓力栓,上方氣體壓力栓。
3.開啟空氣控制閥，調整空氣流量60L/min，等待30sec使狀態穩定，記錄差壓。
4.每增加20L/min，待30sec使狀態穩定，記錄差壓，直至空氣流量達240L/min止。
5.重覆步驟2-4，啟動Column2與Column3。
4.3測濕塔壓降並觀察L.P.及F.P.
1.確認水位低於溢流通路，關洩料閥及進水閥，開啟其他閥（含差壓計上方閥），平衡壓力，等水位一樣高時，關閉Column2、3所有閥件，啟動Column1相關閥件，V1,V4,V8與壓力紅栓1,儲水槽壓力栓,上方氣體壓力栓。
2.啟動Pump（轉速40rpm），水流量調整1.5L/min。
3.空氣流量調整60L/min，等待30sec使狀態穩定，記錄差壓。
4.每上升20L/min，待30sec穩定狀態，並觀察負載點（loadingpoint）與泛溢點（floodingpoint）現象（壓降急遽上升與塔頂有沸騰氣泡之狀態）。
5.找出精確F.P.，先將空氣流量關閉，當Column1狀態穩定後，調整空氣流量至發生F.P.現象的前一觀察點的空氣流量大小，每上升5L/min等待30sec記錄差壓，至觀察到F.P.現象。
6.分別啟動Column2與Column3，重覆步驟1-5，觀察L.P.及F.P.。
4.4CO2吸收
1.重新清塔後，進水到低於溢流通路之高度。
2.依據表2各組CO2流量控制表，5小組分別做2種不同Column或流量之操作條件，以下舉熱身實驗1與第一組操作條件為例。
3.開所有閥件，平衡壓力，等水位一樣高時，關閉Column2、3所有閥件，開Column1相關閥件。
4.啟動Pump（40rpm），控制水循環流量1.5L/min。
5.待水由Column1上方流下，通入空氣流量60L/min，記錄初始壓差。
6.由取樣閥先洩出管線前段水後，以錐形瓶取空白樣品約25ml，測其初始pH值>6，始可開始做實驗（time=0min）。
7.打開CO2鋼瓶，確認CO2浮子高度後，再開啟CO2流量10L/min。
8.計時每2min由取樣閥洩出前段水後，取sample25c.c，測其pH值。
9.待pH值連續3點相同或滿30分鐘，關閉系統及洩料，重新洗塔。
10.將Column1、3的所有閥件關閉，啟動Column2，空氣流量為60L/min，CO2為10L/min，重覆步驟1~9。
表2各組CO2流量控制表
CO2（L/min）
熱身實驗1
第一組
第二組
第三組
第四組
第五組
ColumnNo.1
10
-
20
-
20
-
ColumnNo.2
-
10
-
-
10
10,20
ColumnNo3
-
10
10
10,20
-
-
4.5pHmeter之校正及操作
校正
1.接上pHmeter電極，開電源，以純水清洗偵測頭後，用面紙擦乾。
2.按Cal鈕切至校正，電極插入pH=4.01標準液中，高度淹過偵測頭。
3.按Cal鈕校正，螢幕出現HOLD閃爍，將偵測頭在溶液中左右搖晃，待數分鐘HOLD消失，螢幕左下角出現4及水滴符號，校正完成。
4.電極清洗擦乾後，放入pH=7.0標準液中，將偵測頭在溶液中搖晃。
5.按Cal鈕，螢幕左下角出現7及水滴符號，校正完成。
操作測量
1.以純水清洗pHmeter偵測頭，用面紙吸乾後使用。
2.按MEAS鈕切換至測量狀態，將偵測頭端插入待測液中。
3.按MEAS鈕測量，螢幕出現HOLD閃爍，將偵測頭左右搖晃，待數分鐘HOLD消失，穩定數字即為樣品pH值。
五、注意事項
1.水流量固定1.5L/min，需隨時調整浮子流量計。
2.開關CO2氣壓力瓶時，需有助教協助，方可操作。
3.CO2吸收實驗，初始pH值>6，確認column清洗乾淨，始可做實驗。
4.pHmeter偵測頭不使用時，需浸泡在去離子水中，以免電極損壞。
六、實驗結果
（1）乾塔與濕塔壓降
表3乾濕塔壓降紀錄表
空氣流量
（L/min）
乾塔壓降（cmH2O）
濕塔壓降（cmH2O）
Column1
Column2
Column3
Column1
Column2
Column3
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
L.P.
F.P.
（2）CO2吸收
表4CO2吸收紀錄表
Column1
Column
Column
CO2（L/min）
10
∆P（cmH2O）
Time（min）
pH
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
七、結果整理
以下3-8題須連同熱身實驗數據，計算、作圖、討論
1.根據乾塔壓降紀錄表，三塔合併作logP對logV關係圖，由斜率找出各塔n值，說明、比較、討論三者之異同，及與塔內填充物之相關性。
2.根據濕塔壓降紀錄表，三塔合併作logP對logV關係圖，由斜率找出各塔m值，並在圖上標出loadingpoint及floodingpoint，說明、比較、討論三者之異同，及與塔內填充物之相關性。
3.計算各個操作條件下，NTUog與HTUog之值。
4.比較計算所得塔高及與實際塔高之誤差，說明比較並討論誤差來源。
5.合併繪出pHvstime圖形，說明比較各種情形下pH變化之差異性。
6.合併繪出吸收速率vstime圖，說明比較各種情形下吸收速率之差異。
7.合併繪出吸收速率vs分子流通量Gm之圖形，說明比較討論之。
8.討論氣體流量變化或填充物之差異對吸收率的影響。
八、討論
1.試述氣體吸收與氣提有何差異。
2.吸收操作時，化學反應將對其造成何種影響。
3.試述吸收與吸附之差別。
4.試述pHMeter之原理。
5.何謂雙膜理論。
6.補充資料。
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