一、实验目的
1.了解填料塔的一般结构及吸收操作的流程。
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.掌握总传质系数Kxa的测定方法并分析其影响因素。
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。
二、实验原理
本实验先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后(并流操作),送入解吸塔再用空气进行解吸,实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数Kxa,并进行关联,得Kxa=ALaVb的关联式。同时对不同填料的传质效果及流体力学性能进行比较。
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。在双对数坐标系中△P/Z对G'作图得到一条斜率为1.8~2的直线(图1中的aa线)。而有喷淋量时,在低气速时(c点以前)压降也比例于气速的1.8~2次幂,但大于同一气速下干填料的压降(图中bc段)。随气速增加,出现载点(图中c点),持液量开始增大。图中不难看出载点的位置不是十分明确,说明汽液两相流动的相互影响开始出现。压降~气速线向上弯曲,斜率变徒(图中cd段)。当气体增至液泛点(图中d点,实验中可以目测出)后在几乎不变的气速下,压降急剧上升。
图1 填料层压降-空塔气速关系
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,两相传质主要是在填料有效湿表面上进行。需要完成一定吸收任务所需填料高度,其计算方法有:传质系数法、传质单元法和等板高度法。
本实验对富氧水进行解吸。由于富氧水浓度很小,可认为气液两相平衡服从亨利定律,可用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。得速率方程式:
相关的填料层高度的基本计算式为:
其中,
由于氧气为难溶气体,在水中的溶解度很小,因此传质阻力几乎全部集中于液膜中,即Kx=kx。由于属液膜控制过程,所以要提高总传质系数Kxa,应增大液相的湍动程度。
在y-x图中,解吸过程的操作线在平衡系下方,在实验是一条平行于横坐标的水平线(因氧在水中浓度很小)。
三、实验装置流程
1.基本数据
解吸塔径φ=0.1m,吸收塔径φ=0.032m,填料层高度0.8m(陶瓷拉西环、陶瓷波纹板、金属波纹网填料)和0.83m(金属θ环)。
表1 填料参数
2.实验流程
图2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,与水并流吸收。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,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计量进入吸收塔。
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。空气流量前装有计前表压计23。为了测量填料层压降,解析塔装有压差计22。
在解析塔入口采出阀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。两水样液相浓度由9070型测氧仪测得。
四、实验步骤及注意事项
1.填料塔的流体力学性能测定
(1)熟悉实验流程。
(2)装置上电,仪表电源上电,打开风机电源开关。
(3)测定干塔填料塔的压降,即在进水阀1关闭时,打开进气阀2并调节流量,分别读取对应流量下的压降值,注意塔底液位调节阀6要关闭,否气体会走短路,尾气放空阀4全开。
(4)测定湿填料压降
① 测定前要进行预液泛,使填料表面充分润湿。
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8~10组数据。
③ 实验接近液泛时,进塔气体的增加量要减小,否则图中泛点不容易找到。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,务必让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。稍稍增加气量,再取一、二个点即可。注意不要使气速过分超过泛点,避免冲破和冲跑填料。
(5)注意空气转自流量计的调节阀要缓缓开启和关闭,以免撞破玻璃管。
2.填料塔的吸收传质性能测定
(1)打开氧气钢瓶总阀,并缓慢调节钢瓶的减压阀(注意减压阀的开关方向与普通阀门的开关方向相反,顺时针为开,逆时针为关),氧气减压后进入缓冲罐,罐内压力保持0.03~0.04[MPa],不要过高,并注意减压阀使用方法。为防止水倒灌进入氧气转子流量计中,开水钱要关闭防倒灌阀24,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10~15[m3/m2*h],空塔气速0.5~0.8[m/s]氧气入塔流量为0.01~0.02[m3/h],适当调节氧气流量,使吸收后的富氧水浓度控制在≤19.9[ppm]。
(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,用测氧仪分析各自氧的含量。(测氧仪的使用见附录)
(4)实验完毕,关闭氧气时,务必先关氧气钢瓶总阀,然后才能关闭减压阀2及调节阀8。检查总电源几各管路阀门,确实安全后方可离开。
五、实验数据(附页)
标准状态:T1=20℃ P1=101.3KPa
湿物料流体力学性能测定数据(水流量恒为150L/h)
六、实验数据处理
1. 填料塔的流体力学性能测定
以第一组数据为例:
使用状态下的空气流量V2
V2=V1*P1*T2/(P2*T1)
V1—空气转子流量计示值〔m3/h〕
T1、P1—标定状态下空气的温度和压强〔K〕〔KPa〕
T2、P2—使用状态下空气的温度和压强〔K〕〔KPa〕
V2=V1*P1*T2/(P2*T1)=4*101.3*287.15/(1.065*293.15)=372.68m3/h
V2=1/4×π×d2×u d=0.1m 可得: u=13.19 m/s
lgu=1.131m/s lg △P=lg18=1.255 填料塔层降和空塔气速关系图
2.传质实验:
水温为20℃时,可查得:水的密度为998.2kg/m3
可求得:x1=12mg/L=6.76×10-6 x2=6.5mg/L=3.66×10-6
1.单位时间氧解吸量GA
L=370 L/h=150×998.2÷18=8.32kmol/h
GA=L(x1-x2)=8.32×(6.76×10-6-3.66×10-6)=2.5792×10-5 kmol/h
2.对数平均浓度差△Xm
氧气在不同温度下的亨利系数E可用下式求取:
E=〔-8.5694×10-5t2+0.07714t+2.56〕×106 (KPa)
=〔-8.5694×10-5×293.152+0.07714×293.15+2.56〕×106
= 1.781×107KPa
P=大气压+1/2(填料层压差)=101.325+1/2×0.23=101.44KPa
m=E/P=1.781×107/101.44=1.756×105
进塔气相浓度y2,出塔气相浓度y1 y1=y2=0.21
x1*=x2*= y2/m=0.21/ 1.756×105 =1.196×10-6
代入数据
得:△Xm=3.81×10-6
3. 液相总体积传质系数 Kxa (Kmol/(m3·h))
Kxa= GA/(Vp×△Xm)= GA/(1/4×π×d2×H×△Xm)
=2.5792×10-5 /(1/4×3.14×0.12×0.8×3.81×10-6)
=1077.95Kmol/(m3·h)
4. 液相总传质单元高度HoL(m)
HoL==8.32/(1077.95×1/4×3.14×0.12)=0.983m
七、结果分析与讨论
由上图看出本次实验前几组比较正确,后几组就不那么准确了。误差存在的可能原因是:
1、与氧气的接触时间不够,吸氧不充分。
2、实验仪器本身就存在一定的系统误差。
3、在读数时,数据变化较快,无法精确读取。
4、计算过程中小数点的取舍,也可能导致结果有一定的偏差。
5、后几组流量的变化太小,导致作图时点都聚在了一个地方。
八、思考题解答
1. 填料塔在一定喷淋量时,气相负荷应控制在那个范围内进行操作?
答:水喷淋的密度取10 ~15[m3/m2·h],空塔气速则维持在0.5~0.8[m/s]左右,氧气流量为0.01~0.02[m3/s]左右。
2. 通过实验观察,填料塔的液泛首先从哪一部位开始?
答:液泛由塔底开始。直径一定的塔,可供气、液两相自由流动的截面是有限的。二者之一的流量若增大到某个限度,降液管内的液体便不能顺畅地流下;当管内的液体满到上层板的溢流堰顶时,便要漫到上层板,产生不正常积液,最后可导致两层板之间被泡沫液充满。这种现象,称为液泛,亦称淹塔。由定义可知,液泛即从塔底开始,由下至上。
3. 欲提高传质系数,你认为应采取哪些措施?
答:可以通过提高液体的流速,以加强液相德湍流程度来提高传质系数。
第二篇:吸收实验报告
化工基础实验报告
实验名称 氧吸收/解吸系数测定
班级 姓名 学号 成绩
实验时间 同组成员
一、实验预习
1 实验目的
1、了解传质系数的测定方法;
2、测定氧解吸塔内空塔气速与液体流量对传质系数的影响;
3、掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验测定方法;
2 实验原理
2-1 氧吸收/解吸系数测定
1) 吸收速率
吸收是气、液相际传质过程,所以吸收速率可用气相内、液相内或两相间传质速率表示。在连续吸收操作中,这三种传质速率表达式计算结果相同。对于低浓度气体混合物单组分物理吸收过程,计算公式如下。
气相内传质的吸收速率:
液相内传质的吸收速率:
气、液相相际传质的吸收速率:
式中:y,yi——气相主体和气相界面处的溶质摩尔分数;
x,xi——液相主体和液相界面处的溶质摩尔分数;
x*,y*——与x和y呈平衡的液相和气相摩尔分数;
kx,Kx——以液相摩尔分数差为推动力的液相分传质系数和总传质系数;
ky,Ky——以气相摩尔分数差为推动力的气相分传质系数和总传质系数;
F——传质面积,m2。
对于难溶气体的吸收过程,称为液膜控制,常用液相摩尔分数差和液相传质系数表达吸收速率式。
对于易溶气体的吸收过程,称为气膜控制,常用气相摩尔分数差和气相传质系数表达吸收速率式。
本实验为一解吸过程,将空气和富氧水接触,因富氧水中氧浓度高于同空气处于平衡的水中氧浓度,富氧水中的氧向空气中扩散。解吸是吸收的逆过程,传质方向与吸收相反,其原理和计算方法与吸收类似。但是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的(y-y*)改为解吸时的(y*-y),液相推动力要从吸收时的(x*-x)改为解吸时的(x-x*)。
2) 吸收系数和传质单元高度
吸收系数和传质单元高度是反映吸收过程传质动力学特性的参数,是吸收塔设计计算的必需数据。其数值大小主要受物系的性质、操作条件和传质设备结构形式及参数三方面的影响。由于影响因素复杂,至今尚无通用的计算方法,一般都是通过实验测定。
本实验计算填料解吸塔的体积传质系数Kxa(kmol/(m3·h))的公式如下:
式中:N——传质速率,kmol/h;
x1,x2——进、出设备的水中氧的摩尔分数;
V——传质体积,m3;
F——塔截面积,m2;
Z——填料层高度,m;
L——水的流量,kmol/h。
x1*,x2*——在设备进、出口温度下,与空气中氧呈平衡的水中氧的摩尔分数。
因为氧在水中的溶解度极小,其解吸量也极小,故空气中氧的组成经解吸塔后变化极小,可以认为出、入口气体中氧浓度近似相等,即x1*=x2*。
解吸和吸收操作常常联合使用,吸收了溶质的富液经过解吸而再生,恢复其吸收能力循环使用。如果解吸效果不好,吸收剂中吸收了的溶质解吸不干净,将会直接影响吸收效果,所以说解吸操作说吸收操作的重要环节。
3 实验装置与流程
3-1 氧吸收/解吸装置
图2、氧吸收/解吸实验流程
1、氧气钢瓶 2、减压阀 3、氧气缓冲罐 4、氧气流量计 5、水缓冲罐 6、水流量调节阀
7、水流量计 8、涡轮流量计 9、氧气吸收柱 10、风机 11、空气缓冲罐
12、空气流量调节阀 13、空气流量计 14、计前压差计 15、全塔压差计 16、孔板流量计
17、富氧水取样口 18、氧气解吸塔 19、贫氧水取样口
装置中的有关尺寸:
解吸塔径:0.10m,填料高:0.75m;吸收柱直径:0.032m。
二、数据记录
1.操作条件
2.数据记录
填料塔参数:
塔径 D=102mm
填料层高度 Z=630mm
(1)气体流量对吸收的影响
(2)液体流量对吸收的影响
三、数据处理与分析
1.数据处理
查询各温度下氧在水中的溶解度,并且对实验数据每组所测的两次去平均值,得到下表:
(1)气体流量对实验氧含量与平衡氧含量的影响
(2)液体流量对实验氧含量与平衡氧含量的影响
注:由于课本后的数据,最高温度只达到25℃,所以在网上找了数据,但是发现它和书上的数据不是特别一样的……于是本着“不在意这些细节”的原则,我就这么用了……
根据公式:
其中在将代入,计算结果如下表
(1)气体流量对体积传质系数与传质单元高度的影响
(2)液体流量对体积传质系数与传质单元高度的影响
2.数据分析
由于气体在解吸塔中占主要部分,水从中喷淋而下,所以以气体流量代替空塔气速绘图,对趋势曲线并无影响,只是横坐标值不同。
(1)气体流量对体积传质系数与传质单元高度的影响
由于气体流量为20m3/h、30m3/h的点,数据与其他点偏差较大,故舍弃该点。
Ln(Kxa)与ln(G)的直线拟合结果为:y=0.0801x+8.5067,其中R=0.9585
因此Kxa~G0.08
(2)液体流量对体积传质系数与传质单元高度的影响
Ln(Kxa)与ln(W)的直线拟合结果为:y=0.7982x+6.7107,其中R=0.9981,可见这组数据拟合结果还是很好的。
因此Kxa~W0.80.
根据以上两个结果可以得出,在此实验中,Kxa~W0.80 G0.08
四、总结
1.通过Kxa~W0.80 G0.08可以看出,传质系数受液体流量的影响较大,受气体流量的影响较小,这与预测相符(预测:由于氧难溶于水,吸收时其主要阻力是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,因此受液膜控制)。
2.从图像可以看出,随着气体流量增大,传质系数增加,但其指数只有0.08,而且此时是在舍弃了两个点的情况下。因此,我在后来分析时发现,由于传质系数受气体流量变化很小,那两个偏差很大的点只是相对偏差较大,而绝对误差偏差很小。可以近似认为,在让解析的过程中,传质系数几乎不受气体流量的影响。
3.由图像可以看出,随着液体流量增大,传质系数增大,指数为0.8。因此,增大喷淋密度,有助于提高设备性能。
在做过的5次化工实验中,这次实验是我理解最深刻的一次。首先从实验的讲解开始,靖宇老师带我们先从整理理解了化工原理,又在向我们讲解了有关吸收的知识,受益很大。由于当天做实验的人很多,整个讲解过程真是相当欢乐啊。在实验过程中,靖宇老师也很主张让我们自己探索。由于实验的预习不是很充分,加上之前做实验的经验,再加上强迫症,再测定气体流速对传质系数和传质单元高度时,共测了6组数据。当我们意识到线性拟合只需要3组即可时,也已经测完了第一个实验的数据了。(虽然意识到只需要测三组了,但是我们组的四个人都强迫症地在第二个实验中继续测了5组……)由于这个实验在讲解时已经了解清楚了,所以处理数据也比较得心应手。
感谢靖宇老师,实验收获很大,以后希望能和您多多接触交流!