填料塔二氧化碳浓度计算公式.doc

填料塔二氧化碳浓度计算公式在确定和计算中小学新风机组送风量时，对教室内空气质量中二氧化碳最高允许浓度需要确定，并有出处。根据GB50099-2011中小学设计规范8.1 空气质量条款的要求，室内空气质量必须符合室内空气质量标准GB/T 18883。根据最新版的室内空气质量标准GB/T 18883-2011中要求，室内二氧化碳浓度要求0.1%。由于该值没有单位，从常规的气体浓度单位来看，应该是体积百分比，这样0.1%就是1000ppm，这一点同今天网上看到的一份暖通注册工程师题库试题解析过程相吻合。（见下图）二氧化碳体积浓度（PPM）与体积质量浓度（mg/两方面）的换算过程如下：mg/m3=M/22.4·N·273/(273+T)*（P/101325）其中M为气体的分子量，CO2的分子量为44；N为气体体积浓度，单位ppm;T为温度，气体标准状态温度为:0；P为大气压，气体标准大气压为:101325Pa在0，标准大气压条件下，1000ppm的二氧化碳=44/22.4=1.964g/m³=1964mg/m³在25，标准大气压条件下。1000ppm的二氧化碳=44/22.4*（273/298）=1.799g/m³=1799mg/m³液侧传质膜系数的测定一、实验目的 1. 了解吸收过程的流程、设备结构，并掌握吸收操作方法。2. 在不同空塔气速下，观察填料塔中流体力学状态。测定气体通过填料层的压降与气速的关系曲线。3. 本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数。 4.通过实验了解Pu曲线和传质系数对工程设计的重要意义。二、实验原理1. 填料塔的流体力学特性吸收塔中填料的作用主要是增加气液两相的接触面积，而气体在通过填料层时，由于有局部阻力和摩擦阻力而产生压强降。填料塔的流体力学特性是吸收设备的重要参数，它包括压强降和液泛规律。测定填料塔的流体力学特性是为了计算填料塔所需动力消耗和确定填料塔的适宜操作范围，选择适宜的气液负荷，因此填料塔的流体力学特性是确定最适宜操作气速的依据。气体通过干填料（L=0）时，其压强降与空塔气速之间的函数关系在双对数坐标上为一直线，如图中AB线，其斜率为1.82。当有液体喷淋时，在低气速时，压强降和气速间的关联线与气体通过干填料时压强降和气速间的关联线AB线几乎平行，但压降大于同一气速下干填料的压降，如图中CD段。随气速的进一步增加出现载点（图中D点），填料层持液量开始增大，压强降与空塔气速的关联线向上弯曲，斜率变大，如图中DE段。当气速增大到E点，填料层持液量越积越多，气体的压强几乎是垂直上升，气体以泡状通过液体，出现液泛现象，此点E称为泛点。2、传质实验图1 双膜模型浓度分布图 图2 填料塔的物料衡算图双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A的传质速率方程可分别表达为气膜 GA = kg A(pApAi) (1)液膜 GA = kLA(CAiCA) ( 2)式中GAA组分的传质速率，kmol · s1A 两相接触面积，m2；pA 气侧A组分的平均分压，Pa；pA,i 相界面上A组分的分压，Pa；CA 液侧A组分的平均浓度，kmol · m3；CA,i 相界面上A组分的浓度，kmol · m3；kg 以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol · m2 · s1 · Pa1；kL 以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m · s 1。以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为GA = KGA(pApA) (3)GA = KLA(CACA) (4)式中pA为液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；CA为气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol · m3；KG为以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，kmol·m2·s1·Pa1；KL为以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m · s 1。若气液相平衡关系遵循亨利定律：CA = HP*A，则 (5) (6)当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，KG = kg；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，KL = kL。如图2所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得： (a)式中FL为液相摩尔流率，kmol · s 1； L为液相摩尔密度，kmol · dm 3；根据传质速率基本方程，可写出该微分段的传质速率微分方程：dGA = KL(CACA)aSdh (b)联立(a)和(b)两式可得： (c)式中a为气液两相接触的比表面积，m2 · m 3，S为填料塔的横截面积，m2；本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔流率FL和摩尔密度L的比值，亦即液相体积流率(Vs)L可视为定值，且设总传质系数KL和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分(c)式，可得填料层高度的计算公式：h = 0 CA = CA,2h = h， CA = CA,1 (7)令 ，且称HL为液相传质单元高度；，且称NL为液相传质单元数。因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即h = HL×NL (8)若气液平衡关系遵循亨利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可用下列平均推动力法计算填料层高度和液相传质单元高度： (9) (10)式中CA,m为液相平均推动力，即 (11)因为本实验采用纯水吸收纯二氧化，则C*A,1 = C*A,2 =HPA,1 = HPA,2 (12)二氧化碳的溶解度常数，H = kmol · m3 · Pa1 (13)式中c为水的密度，kg · m3；Mc为水的摩尔质量，kg · kmol1；E为亨利系数，Pa。因此，（10）式可简化为 (14)又因本实验采用的物系仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计.在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜,即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，即 (15)三、 实验装置1、二氧化碳阀 2、6二氧化碳压表 3、减压阀 4、二氧化碳瓶 5、11温度计 7、空气缓冲罐 8、二氧化碳压表 9、15、28转子流量计 10、二氧化碳压计 12、空气缓冲罐 13、放净阀 14、空气调节阀 16、塔顶尾气压力计 17、填料支撑板 18、排液管 19、塔压降 20、填料塔 21、喷淋器 22、尾气稳压阀 23、尾气采样管 24、稳压瓶 25、采样考克 26、吸收分析盒 27、湿式体积流量计 29、放净阀 30、进水调节阀空气由风机供给进入空气缓冲罐12再由阀14调节空气流量，经空气转子流量计15计量，并在管路中与二氧化碳（经转子流量计9计量）混合后进入塔底，混合气在塔中经水吸收后，尾气从塔顶排出。出口处有尾气稳压阀22，以维持一定的尾气压力（约100-200mmH2O）作为尾气通过分析器26的推动力。吸收剂水，经转子流量计计量后，进入塔顶喷淋气喷出，塔底吸收液经排液管流入地沟。排液管18可上下移动，使液面控制在管子内部而不上升到塔截面内，保证液封。吸收质纯二氧化碳由钢瓶4供给，缓慢开启二氧化碳瓶阀1，二氧化碳气即进入自动减压阀3，稳压1Mpa范围以内。压力表2指示钢瓶内部压力，压力表6指示减压后的压力。二氧化碳气体通过转子流量计，进入塔底。气体由上向下经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。因气体流量与状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。为了测量塔内压力和塔压降，装有表压计16和压差计19。另外还需要大气压力计测量大气压强。尾气分析器由吸收盒26和湿式气体流量计27。四、实验方法1、流体力学性能测定（1）测定于填料压强降时，塔内填料务必事先吹干，为开空气调解阀，开启气泵，缓慢调解改变空气流量6次左右，测定塔压降，得到PU关系。（2）测定式填料压强降。a、测定前要进行预液泛时，使填料表面充分润湿。b、实验接近液泛时，进塔气体的增长速度要放慢，不然图中泛点不易找到。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，待各参数稳定后再读数据。液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍稍增大气量，再取一、二个点就可以了，并注意不要时气速过分超过泛点。避免冲破和冲破填料。（3）要注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免冲碎玻璃管，切开停车之前要微开调解阀。2、传质实验实验前，首先将填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否均已关严；然后打开二氧化碳钢瓶顶上的阀门，将压力调至1MPa；同时，打开水管 实验操作可按如下步骤进行：(1)缓慢开启进水调节阀，水流量可在1050 L · h 1范围内选取。一般在此范围内选取5-6个数据点。调节流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水流出。以保证水压稳定。(2)缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量一般控制在0.1m3 · h 1左右为宜。(3)当操作达到定常状态之后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定塔底它的水溶液中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的测定方法：用吸量管吸取0.1M Ba(OH)2或Ca(OH)2溶液10mL，放入三角瓶中，并由他的附设的计量管吸入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示剂数滴，最后用0.1M盐酸滴定，直至其脱除红色的瞬时为止。由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度： kmol · m 3式中NHCl为标准盐酸溶液的当量浓度，VHCl为实际滴定用量，即空白试验用量与滴定试样使用量之差值；mL；V为塔底溶液采样量，mL。五、 实验结果1测量并记录实验基本参数(1)填料柱：柱体内径 d = 0.1m填料型式 陶瓷拉西环填料规格 12121.3 mm填料层高度 h = 300 mm(2)大气压力： Pn = MPa(3)室 温： Ta = (4)试 剂：Ba(OH)2溶液浓度 =用 量 = mL盐酸浓度 CHCl=序 号空气流量计读数m3/h空气压力Pa温度0C水流量L/h塔压降Pa塔内现象备 注2测定并记录实验数据实 验 序 号气相塔底气温， Tg,1 / 塔顶气温， Tg,12 / 塔底压强， P/mmH2OCO2流量， Vs,g / m3· h 1液相塔底液温， TL,1 / 塔顶水温， TL,12 / 水的流量， Vs,L / Lh 1塔底采样量，V / mL盐酸滴定量，VHCl / mL3整理实验数据，并可参考下表做好记录：实 验 序 号气相平均温度，Tg, / 1CO2密度，g/ kg · m 32空塔速度，u0 / m· s 13液相平均温度，TL / 4液体密度，L/ kg · m 35液体粘度，L/ Pa · s6CO2扩散系数，D/ m2· s 17体积流率，Vs,L/ m3· s 18喷淋密度，W/ m3·m2· s 19质量流速，L / kg ·m2· s 110塔顶浓度，CA,2 / kmol ·m311塔底浓度，CA,1 / kmol ·m312传质速率，GA / kmol ·s113平均推动力，GA,m / kmol ·m314传质单元高度，HL / m15液相体积传质总系数，KLa / s116液相体积传质膜系数，K a / s117列出上表中各项计算式。六、报告要求1.计算干填料以及一定喷淋量下湿填料在不同空塔气速下氮每填料层高度的压强降，即P/ZPa/m。并在双对数坐标系作图。找出载点和泛点。2.计算实验条件下（一定喷淋量，一定空塔气速的传质系数值及气相总传质单元高度H）。