实验四 吸收实验.ppt

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1、实验四 吸收实验 实验目的实验目的 1、熟悉填料塔的构造、吸收装置流程及其操作方法。、熟悉填料塔的构造、吸收装置流程及其操作方法。2、掌握填料塔中用水吸收二氧化碳时液侧传质膜系数、掌握填料塔中用水吸收二氧化碳时液侧传质膜系数、总传质系数和传质单元高度的的测定。总传质系数和传质单元高度的的测定。3、通过实验确定液侧传质膜系数与各项操作条件（气、通过实验确定液侧传质膜系数与各项操作条件（气体空塔速度、喷啉密度）的关系。体空塔速度、喷啉密度）的关系。4、了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。、了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。二、实验原理二、实验原理 气体吸收是典型的传质过程之一。由于气体吸收是典型的传

2、质过程之一。由于CO2气体无味、气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO2作为溶质组分。作为溶质组分。本实验采用水吸收空气中的本实验采用水吸收空气中的CO2组分。一般组分。一般CO2在水中在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的的溶解度很小，即使预先将一定量的CO2气体通入空气中混气体通入空气中混合以提高空气中的合以提高空气中的CO2浓度，水中的浓度，水中的CO2含量仍然很低，所含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO2气体气体的解吸过程属于液膜控制。因此，本实验主要测定的解吸过程属于液

3、膜控制。因此，本实验主要测定Kxa和和HOL。1、计算公式、计算公式 填料层高度填料层高度Z为为式中：式中：L 液体通过塔截面的摩尔流量，液体通过塔截面的摩尔流量，kmol/m2s)；Kxa 以以X为推动力的液相总体积传质系数，为推动力的液相总体积传质系数，kmol/(m3s)；HOL 液相总传质单元高度，液相总传质单元高度，m；NOL 液相总传质单元数，无因次。液相总传质单元数，无因次。令：吸收因数令：吸收因数A=L/mG 2、测定方法、测定方法 （1）空气流量和水流量的测定）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，并根据本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据

4、实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。摩尔流量。（2）测定填料层高度）测定填料层高度Z和塔径和塔径D；（3）测定塔顶和塔底气相组成）测定塔顶和塔底气相组成y1和和y2；（4）平衡关系。）平衡关系。本实验的平衡关系可写成本实验的平衡关系可写成 y=mx 式中：式中：m 相平衡常数，相平衡常数，m=E/P；E 亨利系数亨利系数，Ef(t)，Pa，根据液相温度，根据液相温度由附录查得；由附录查得；P 总压，总压，Pa，取，取1atm。对清水而言，对清水而言，x2=0,由全塔物料衡算由全塔物料衡算可得可得x1。三、实验装置三、实验装置

5、 装置流程装置流程1液体出口阀液体出口阀2；2风机；风机；3液体出口阀液体出口阀1；4气体气体出口阀；出口阀；5出塔气体取样出塔气体取样口；口；6U型压差计；型压差计；7填填料层；料层；8塔顶预分布器；塔顶预分布器；9进塔气体取样口；进塔气体取样口；10玻玻璃转子流量计璃转子流量计（0.44m3/h）；）；11混合气混合气体进口阀体进口阀1；12混合气体混合气体进口阀进口阀2；13孔板流量计；孔板流量计；14涡轮流量计；涡轮流量计；15水箱；水箱；16水泵水泵 本实验装置流程：由自来水源来的水送入填料塔塔顶本实验装置流程：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

6、二氧化碳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的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程看成是等温操 作。作。2主要设备主要设备 （1）吸收塔：高效填料塔，塔径）吸收塔：高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金，塔内装有金属丝网波纹规整填料或属

7、丝网波纹规整填料或环散装填料，填料层总高度环散装填料，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。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。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）填料规格和特性：金属丝网波纹规整填料：型号JWB700Y，规格，规格100100mm，比表面积，比表面积700m2/m3。（3）转子流量计：）转子流量计：（4）空气风机：型号：旋涡式气机）空气风机：型号：旋涡式气机 （5）二氧化碳钢瓶；）二氧化碳

8、钢瓶；（6）气相色谱分析仪。）气相色谱分析仪。介介质质条条 件件常用流量常用流量最小刻度最小刻度标标定介定介质质 标标定条件定条件CO22L/min0.2 L/minCO220 1.0133105Pa 四、实验步骤与注意事项四、实验步骤与注意事项 1实验步骤实验步骤（1）熟悉实验流程及弄清气相色谱仪及其配套仪器结构、）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；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）打开混合罐底部排空阀，排放掉空气混合贮罐中的冷凝水；凝水；（3）打开仪表电源开关及风机电源开关，进行仪表自检；）打开仪表电源

9、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）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）。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）启动风机，打开CO2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀；的减压阀；（6）仔细调节风机旁路阀门的开度（并调节）仔细调

10、节风机旁路阀门的开度（并调节CO2调节调节转子流量计的流量，使其稳定在某一值；）建议气体流量转子流量计的流量，使其稳定在某一值；）建议气体流量35 m3/h；液体流量；液体流量0.6-0.8 m3/h；CO2流量流量2-3L/min。（7）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温）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，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；气体组成；（8）实验完毕，关闭）实验完毕，关闭CO2钢瓶和转子流

11、量计、水转子流钢瓶和转子流量计、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，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，（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）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。清理实验仪器和实验场地。2注意事项注意事项 （1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。）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，）在填料塔操作条件改变后

12、，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。一定要等到稳定以后方能读取有关数据。五、实验报告五、实验报告 1将原始数据列表。将原始数据列表。2在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。3列出实验结果与计算示例。列出实验结果与计算示例。六、思考题六、思考题 1本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？计算？2测定测定Kxa有什么工程意义？有什么工程意义？3为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？为什么二氧化碳吸收过程

13、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？算亨利系数？2、传质系数的测定、传质系数的测定 （1）传质系数的计算公式）传质系数的计算公式 填料层高度的表示式填料层高度的表示式 式中：式中：对于低浓度气体的吸收，在x-y坐标上所绘出的操作线近于直线。若在操作浓度范围内，平衡关系符合亨利定律，则平衡线亦为直线。在本实验的条件下，平衡线和操作线均可看作直线。如图十七所示。在此情况下对应于某一x值的这两条直线的纵坐标值之差y-ye与x或y亦成直线关系。令任一位置上的差值为y，浓端 ，稀端 。oEAB图十七 操作线与平衡线为直线操作线平

14、衡线把积分结果代入(4-1)式得：式（4-3）中的a，一般不等于填料的比表面at,而应乘以填料的表面效率，即：可根据最小润湿率分率由图18查出：0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0图十八 最小润湿率分率（2）传质系数的测定方法 从公式（4-3）可见，要测定Ky值，应把公式右边各项分别求出。在本实验中，G、y1由测定进气中的氨量和空气量求出；y2由尾气分析器测出；填料h为已知值；a值用用上面介绍的方法求出；ye可用平衡关系式求出。下面介绍整理数据的步骤：求空气流量 标准状态的空气流量

15、V0由下式计算：求氨气流量 标准状态下氨气流量用下式计算:若氨气中含纯氨为98%,则纯氨在标准状态下的流量可用下式计算:计算混合气体通过塔截面的摩尔流速 求进气浓度:根据理想气体状态方程式:平衡关系式 如果水溶液是小于10%的稀溶液,平衡关系服从亨利定律,液相浓度用x表示,平衡的气相浓度用ye表示，则平衡关系式如下：表4-1 氨的平衡溶解度kg(NH3)100kg(H2O)NH3的平衡分压（mmHg)010202530401025.141.869.61101677.517.729.950.079.7120511.219.931.751.076.5416.124.940.160.8311.318

16、.223.529.6452.515.019.424.4(37.6)212.015.319.3(30.6)1.612.615.3(24.1)1.29.111.5(18.3)17.1(15.4)0.53.7括号内的数值为外值 由式（4-11）可以计算出亨利系数。通常，资料中记载的是较浓的氨溶液的亨利系数，本实验中溶液的浓度较稀，氨的亨利系数有变化，亨利系数可根据稀溶液的平衡数据进行计算。例：求温度为0，液相氨浓度为10kg(NH3)/100kg(H2O)时的亨利系数。解：根据上述条件，在表4-1中查得氨的平衡分压:Pe=25.1mmHg 液相摩尔分率 用上述的计算方法计算出稀溶液在不同温度下和一定

17、浓度范围内的亨利系数列表于4-2kg(NH3)100kg(H2O)亨利系数（atm）01020253040100.3450.5750.9571.5122.297.50.3160.5350.8941.432.1550.2930.5000.8291.332.0040.5220.8071.301.9730.4830.7781.001.271.922.50.7650.9891.241.9220.7630.9731.231.951.60.9451.211.901.20.9501.201.9110.9271.930.50.844表4-2 氨的亨利系数 从表4-2中可以看出，同一温度的亨利系数，在一定的浓度

18、范围内变化不大，但不同的浓度范围有不同的数值。本实验浓度在5%以内，取平均值得表4-3的数据。表4-3 液相浓度5%以下的亨利系数与温度的关系温度 01020253040H（atm）0.2930.5020.7780.9471.2501.938 求出塔液相浓度 根据物料衡算得操作线方程式:本实验中进塔为清水:3、传质单元高度的测定：本实验也可以测定传质单元高度，整理数据方法如下：实验操作步骤实验操作步骤 1、填料塔流体力学测定操作、填料塔流体力学测定操作 1)这项操作可不开动氨气系统，仅用水对空气进行操作可。2）可以先开动供水系统，开动供水系统中的滤水器时，要注意首先打开出水端阀门，再慢慢打开进

19、水阀，如果在出水端阀门情况下开进水阀，滤水器就可能超压。3）开动空气系统。开动时要首先全开叶氏风机的旁通阀，然后再启动叶氏风机。否则，风机一开动，系统内气速突然上升可能破坏空气转子流量计。风机启动后，再用关小旁通阀的办法调节空气流量。同样道理，实验完毕要停机时，也要全开旁通阀，待转子流量计降下来后再停机，气流突然停止，转子就会猛然掉下，打坏流量计。4）一般总是慢慢加大气速到接近液泛然后回复到予定气速再进行正式测定，目的是使填料全面湿润一次。5）正式测定时，固定某一喷啉量，测定每一间隔气速下的填料压降，按实验记录表格记录数据。2、传质系数测定的操作 （1）事先确定好操作条件（如氨气流量、空气流量

20、、喷啉量），准备好尾气分析器，用前项的方法开动水系统和空气系统，一切准备就绪后再开动氨气系统。实验完毕随即关闭氨气系统，以尽可能节约氨气。（2）氨气系统的开启方法：事先要闹清楚氨气自动减压阀的构造。开动时首先将自动减压阀的弹簧放松，使自动减压阀处于关闭状态，然后打开氨气瓶瓶顶阀，此时自动减压阀的高压压力表应有示值，下一步先关好氨气转子流量计前的调节阀，再缓缓压紧减压阀的弹簧，使阀门打开，同时注视低压氨气压力表至压力表示值达到0.5-0.8kgf/cm2 时即可停止。然后用转子流量计前的调节阀调节氨气流量，便可正常使用。关闭氨系统的步骤和开动步骤相反。（3）尾气分析器的操作与有关计算 尾气分析仪

21、由取样管3、吸收管8、湿式气体流量计等组成。如下页图十八所示：213456789图十八 尾气分析仪流程图1、尾气管；2、尾气调节阀；3、取样管（管口正对气流方向）；4、定压器；5、玻璃旋塞；6、快装接头；7、吸收盒；8、吸收管理；9、湿式气体流量计。注：定压器就是一个锥形瓶 在吸收管中装入一定浓度一定体积的稀硫酸作为吸收液并加入指示剂（甲基红），当被分析的尾气样品通过吸收管后，尾气中的氨被硫酸吸收，其余部分（空气）由湿式气体流量计计量。由于所加入的硫酸数量和浓度是已知量，所以被吸收的氨量便可以计算出来。湿式气体流量计所计量的空气量可以反映出尾气浓度，空气量越大表示浓度越低。a、操作方法 分析操

22、作开始时，先记录湿式气体流量计的初始值，然后开启阀5让尾气通过取样管并观察吸收液的颜色，当吸收液刚改变颜色（红变黄）表示吸收到达终点，应立即关闭阀门5读取湿式流量计终示值。操作时要注意控制阀5的开度，使尾气成单个气泡连续不断进入吸收管，如果开度过大，气泡成大气团通过则吸收不完全，开度过小，则拖延分析时间。b、尾气浓度的计算 尾气通过吸收器，当其中的硫酸被尾气中的氨气刚好完全中和时，若所通过的空气的体积为V0（ml）（标准态），被吸收的氨的体积为V0（ml)（标准状态），则尾气浓度：例题：某次尾气分析数据为：气体温度为30，当地大气压为760.4mmHg,问尾气浓度为多少？解：附：式4-18的推

23、导过程：式4-18中，22.1是1毫摩尔氨在标准状态下的体积（毫升/毫摩尔）。在标准状态下氨的密度=0.7708(毫克/毫升）。1毫摩尔的氨的质量是17.03毫克，所以，1毫摩尔氨在标准状态下的体积为：硫酸吸收氨的反应方程式如下：从式4-20看，当吸收管中的硫酸完全中和时，参与反应的氨的毫克摩尔数与所加入的硫酸的毫克当量数在数值上相等。加入吸收管中的硫酸的毫克当量数为：参加反应的氨的毫克摩尔数为：两式相等：现在的常用表示方法：根据反应方程式，1摩尔的硫酸需要2摩尔的氨才能完全反应，如果硫酸的体积为VS升，浓度为NS摩尔/升，则硫酸的摩尔数为VSNS。如果被吸收的氨的体积为 则标准状态下氨的摩尔

24、数为 因为吸收1摩尔氨只需要0.5摩尔的硫酸，所以，二者有如下关系：记录表格形式：填料塔流体阻力实验记录表实验设备编号XS-1 实验日期 1、基本数据：实验介质：空气、水；填料层高 （m)填料种类；拉西环；塔内径 （m)2、操作记录：序号空气流量 流量计标定状态 T=K P=mmHg水流量填料层压降（mmHg)塔内现象流量计前表压(mmHg)温度(K)流量（标定）(m3/h)流量计示值流量（升/分）水温（）塔内现象栏用以记录“塔内积液”，“雾沫夹带严重”等现象。传质系数测定记录表实验设备编号XS-1 实验日期1、基本数据：气体种类：氨、空气混合气；吸收剂：水 填料种类：瓷环（拉西环）填料装填高度：（m);自由体积 （m3)填料规格：；（外径高壁厚）比表面积：（m2/m3);塔内径 （m)2、操作记录：序号 项目12345空气流量流量计前表压强（mmmHg)流量计温度流量计指示值按标定状态计的流量（m/h)按标准状态计的流量（m/h)氨气流量流量计前表压强（mmmHg)流量计温度流量计指示值按标定状态计的流量（m/h)按标准状态计的流量（m/h)氨气含纯氨百分数水流量温度流量计示值实际流量（升/分）尾气浓度吸收液硫酸浓度：N吸收液量（ml）空气体积（升）尾气浓度（%）塔内压强塔顶表压强（cmH2O)塔顶、塔底压差（cmH2O）塔内平均压强（绝对压）备注