实验名称：氧解吸实验

班级：生工xxxx

姓名：xxx

学号：xxxx

同组人：xxx

日期：xxxxx

氧解吸实验

一、摘要及关键词

摘要：本实验在常温、常压下通过测定干填料塔及湿填料塔中填料层压降随空气流量的变化来绘制压降-气速的曲线，观察填料塔流体力学特性，并熟悉填料塔的构造与操作，进而分析填料塔的处理能力及流体力学性能。同时，通过对富氧水进行解吸，在气量一定时测定三种不同液量下塔顶与塔底中水的溶氧量，运用传质速率方程、填料层高度基本计算式等求出液相体积总传质系数K_xa，并求得液相总传质单元高度H_OL和总传质单元数N_OL，以此来分析传质系数的影响因素。

关键词：填料塔，压降，气速，氧解吸，传质性能，K_xa，H_OL，N_OL。

二、目的及任务

1.熟悉填料塔的构造与操作；

2.观察填料塔的流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线；

3.掌握液相体积总传质系数K_xa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。

三、基本理论与原理

本装置先用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作），送入解析塔顶再用空气进行解吸，实验需测定不同液量下解吸液相体积总传质系数K_xa，并进行关联，得到K_xa=AL^aV^b的关联式，同时对四种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

气体通过干燥的填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律一致。填料层压降-空塔气速关系示意图如图1所示，在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一条斜率为1.8-2的直线（图中aa’线）。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）。随着气速的增加，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。

 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法、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2所示。由于富氧水浓度很低，可认为气液两相的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也为直线，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

即                      

式中，

                

相关填料层高度的基本计算式为

         即   

式中，

                     

式中，------------单位时间内氧的解吸量，；

      ------------液相体积总传质系数，；

      ------------填料层体积，；

    ------------液相对数平均浓度差；

    ------------液相进塔时的摩尔分数（塔顶）；

    ------------与出塔气相y₁平衡的液相摩尔分数（塔顶）；

    ------------液相出塔的摩尔分数（塔底）；

    ------------与进塔气相y₂平衡的液相摩尔分数（塔底）；

    ------------填料层高度，；

     ------------塔截面积，；

    ------------解吸液流量，；

   -----------以液相为推动力的总传质单元高度，；

    ------------以液相为推动力的总传质单元数。

由于氧气为难溶气体，在水中的溶解度较小，因此传质阻力几乎全部集中在液膜中，即K_x=k_x，由于属液膜控制过程，所以要提高液相体积总传质系数K_xa，应增大液相的湍动程度即增大喷淋量。

在y-x图中，解吸过程的操作线在平衡线的下方，本实验中是一条平衡与横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小）。

本试验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分数而不用摩尔比，这是因为在y-x图中，平衡线为直线，操作线也为直线，计算比较简单。

四、实验流程及仪表

1.基本数据

1)        吸收塔：塔径32mm，填料高0.5m，类型是Φ6不锈钢θ环；

2)        解吸塔：塔径0.1m，填料高0.75m，类型是Φ10陶瓷拉西环、Φ10不锈钢θ环、Φ10塑料星型环、Φ100不锈钢波纹丝网规整填料4种。（实验中采用的是Φ10不锈钢θ环）。填料参数如下：金属θ环ε=0.97 m³/m³。

3)        溶氧仪：0~50ppm氧浓度。

2.流程

                                                                                                        

1—氧气钢瓶；2—氧减压阀；3—氧压力表；4—氧缓冲罐；5—氧压力表；6—安全阀；7—氧流量调节阀；8—氧转子流量计；9—吸收塔；10—水流量调节阀；11—水转子流量计；12—富氧水取样阀；13—风机；14—空气缓冲罐；15—温度计；16—空气流量调节阀；17—空气转子流量计；18—解吸塔；19—液位平衡罐；20—贫氧水取样阀；21—温度计；22—压差计；23—流量计前表压计；24—防水倒灌阀

氧气吸收与解吸实验流程图如上所示。氧气由氧气钢瓶供给，经氧减压阀进入氧气缓冲罐，稳压在0.04~0.05MPa，为确保安全，缓冲罐上装有安全阀，当缓冲罐内压力达到0.08MPa时，安全阀自动开启。氧气流量调节阀调节氧气流量，并经转子流量计计量，进入吸收塔中。自来水经过水转子流量计调节流量，由转子流量计计量后进入吸收塔。在吸收塔内氧气与水并流接触，形成富氧水，富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。空气由风机供给，经缓冲罐，由空气流量调节阀调节流量经空气转子流量计计量，通入解吸塔底部，在塔内与塔顶喷淋的富氧水进行接触，解吸富氧水，解吸后的尾气由塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐排出。

由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均装有压差计和温度计。空气流量计前装有计前压差计。为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计。

在解吸塔入口设有入口富氧水取样阀，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上贫氧水取样阀取样。两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。

五、操作要点

1、填料塔流体力学测定

（1）测定干塔填料压降

①打开风机，调至最大流量，务必先将塔内填料吹干。

②通过调节空气流量调节阀改变空气流量，测定填料塔压降，测取6~8组数据。

（2）测定湿塔填料压降

①测定前先进行预液泛，使填料表面充分润湿。

②固定水流量100 L/h不变，改变空气流量，测定填料塔压降，测取10~12组数据。

③实验接近液泛时，进塔气体的增加量不要过大，否则泛点不容易找到。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，务必等各参数稳定后再读数据。液泛后填料层压降在几乎不变的气速下明显上升，稍增加气量再取一两个点即可。注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。

（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

①打开氧气阀门，氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持在0.04~0.05MPa，为防止水倒灌进入氧气转子流量计中，开水前要关闭防倒灌阀，或先通入氧气后通水。

②将氧气流量调为0.5L/min，空气流量控制在20 m³/h，用溶氧仪测得水流量分别为70 L/h、100 L/h、130 L/h时解析塔的贫氧水和富氧水的溶氧量，并记下所对应的填料塔压降。

③实验完毕，关闭氧气，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭氧减压阀及氧气流量调节阀。检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。

六、数据整理与计算示例

1、流体力学性能测定

（1）测定干填料塔压降：   填料层高度Z=0.75m   p₁=1.013×10⁵Pa   T₁=20℃ 

塔径Φ=0.1m

以第一组数据为例，计算过程如下：

标准状态下空气实际流量=7.2467（m³/h）

其中，0代表标准状态（T₀=0℃，p₀=101.325kp），1代表标定状态（T₁=20℃，p₁=101.325kp）

2代表使用状态

空气流速u=V₀∕﹙0.25π×0.1² ×3600﹚=7.2467/﹙0.25π×0.1² ×3600﹚=0.2563（m/s）

Lg(u) =Lg0.2563=﹣0.5912

Lg(△p/Z) =Lg（20∕0.75）=1.4260

2、测量湿填料塔压降：  水流量L=100L/h   Z=0.75m   p₁=1.013×10⁵Pa  T₁=20℃

 塔径Φ=0.1m

以第一组数据为例，计算过程如下：

标准状态下空气实际流量=6.2903（m³/h）

空气流速u＝V₀ ∕﹙0.25π×0.1² ×3600﹚＝0.2225（m/s）

Lg(u) ＝Lg0.2225＝﹣0.6527

Lg(△p/Z) ＝Lg（410∕0.75）＝2.7377

2、传质实验

解吸塔原始数据：

平衡含氧量：Xe=9.16mg/L  水温：20.3℃

 计算结果如下表：

   

以第一组数据为例，计算过程如下：

水流量L＝70L₀∕h＝70ρ∕M＝70×1∕18＝3.8889Kmol∕h

液相出塔摩尔分数x₁ ＝(X₁∕32) ∕(X₁∕32＋1000000∕18 )

 ＝(9.36∕32) ∕(9.36∕32＋1000000∕18 ) ＝5.2650×10^-6

液相进塔摩尔分数x₂ ＝(X₂∕32) ∕(X₂∕32＋1000000∕18 )

                 ＝(25.95∕32) ∕(25.95∕32＋1000000∕18 ) ＝1.4597×10^-5

△x_m ＝﹙x₂－x₁﹚∕Ln((x₂－x_e ) ∕(x₁－x_e））

＝﹙1.4597×10^-5－5.2650×10^-6﹚∕Ln ((1.4597×10^-5－5.1525×10^-6) ∕(5.2650×10^-6－5.1525×10^-6﹚) ＝2.1064×10^-6

单位时间氧的解吸量G_A ＝L﹙x₂－x₁﹚＝3.8889×﹙1.4597×10^-5－5.2650×10^-6﹚

                      ＝3.6729×10^-5 (kmol/ h)

填料层体积V_p ＝0.25π×0.1² ×0.75＝0.005888(m³ )

液相体积总传质系数K_xa＝G_A ∕(V_p △x_m )

＝3.6729×10^-5∕(0.005888×2.1064×10^-6﹚＝2961.42kmol∕(m³ ?h)

液相总传质单元高度H_OL ＝L∕(K_xaΩ) ＝3.8889∕(2961.42×0.25×π×0.1² )＝0.1672(m)

总传质单元数N_OL ＝﹙x₂－x₁﹚∕△x_m ＝﹙1.4597×10^-5－5.2650×10^-6﹚∕2.1064×10^-6＝4.43

七、实验结果作图及分析：

图1 填料层压降—空塔气速关系

结果分析：

1、  测湿填料压降的数据中第一组数误差较大，故舍去。

由实验结果所得出的填料层压降—空塔气速曲线得：在干填料塔中，填料层压降—空塔气速曲线为一条直线，斜率为2.19352，近似符合干塔气速与压降的关系（斜率在1.8—2之间），说明填料塔干燥状况良好，并且随着u的增加，单位填料高度的压降增大。在湿填料塔时，关系曲线为一条折线，从上图可以明显看到该填料塔的载点和泛点，在载点处可以看出直线斜率变陡，持液量开始增大；液泛点后在几乎不变的气速下，压降急剧增大。

在工业中多将解吸（吸收）的气速保持在载点和泛点之间，因为在液泛后很难控制塔内状况很可能出现不可控的危险，为了安全考虑，故控制在载点和泛点之间。

    2、在解吸实验中，由实验结果可知，当空气流量固定20 m³/h不变时，改变水流量为70L/h，100 L/h ，130 L/h，K_xa分别为3.6729×10^-5kmol/(m³?h), 4.2686×10^-5 kmol/(m³?h), 4.9598×10^-5 kmol/(m³?h),变化较大。这可以说明本实验的解吸过程为液膜控制系统，与其理论结果相同，其理论推导过程为：氧气难溶于水，故m值很大，可忽略气相的传质分系数即K_x≈k_x，即为液相控制系统。

    3、液相总传质单元高度H_OL=L/(K_xaΩ)，其表示塔的效能的高低，实验中的解吸塔是液膜控制系统，故可以通过增加水的流量来提高液相总传质系数进而使液相总传质单元高度减小，达到增强塔的效能的结果。

八、思考题

1、 阐述干填料压降和湿填料压降线的特征。

  答：干填料压降线是一条斜率为1.8-2的直线，并且随着气速u增大，△P/Z增大。湿填料压降线，在低气速下（载点以前），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。随着气速的增增加，出现载点，持液量开始增加，压降-气速曲线向上弯，斜率变陡。到液泛点以后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。

2、工业上吸收在低温加压下进行,而解吸在高温常压下进行，为什么？

    答：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。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较好。

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？

  答：①对于易溶气来说，其气相总传质系数为，其中m值很小，因此可以近似得到，此时传质阻力主要集中在气相，增加气体湍动程度可降低气相阻力而有效加快吸收和解吸过程，而增加液体流率则不会对过程有明显的影响。因此，易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程。

②对难溶气体，其液相总传质系数为，其中m值很大，因此第二项可以忽略即，此时传质阻力主要集中在液相，增加液体流率可降低液相阻力而有效加快吸收和解吸过程，而增加气体流率则不会对过程有明显的影响。因此，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制过程。

4、填料塔结构有什么特点？

  答：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。它具有结构简单、压降低、填料易用、耐腐蚀等优点。一般，塔体为一直立圆筒，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（有些也不用），以防被上升气流吹动。操作时，液体自塔顶部进入，通过液体分布器均匀喷洒于塔截面上，在填料表面呈膜状流下。填料高度较高的填料塔可将填料分层，各层填料之间设置液体再分布器，收集上层流下的液体，并将液体重新均匀分布于塔截面。气体自塔底送入，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中的空隙，在填料层表面上，气液两相密切接触进行传质，然后由塔顶排出。离开填料层的气体可能携带少量液体，必要时，可在塔顶安装除沫器。

九、参考文献

1、《化工原理》 陈敏恒 主编 

2、《化工原理实验》 杨祖荣 主编

3、《化工原理学习指导》 丁忠伟 主编

第二篇：化工原理

            

北京化工大学硕士研究生入学考试

《化工原理》考试大纲

（Unit Operations of Chemical Engineering）

一、课程名称及对象

名称：化工原理（含实验）

对象：化工类专业硕士研究生入学考试用

二、理论部分

第一章   流体流动

1．流体流动概述与流体静力学

    流体流动及输送问题；流体流动的考察方法；定态流动与非定态流动；流体流动的作用力；牛顿粘性定律；流体的物性；压强特性及表示方法；静力学方程及应用；液柱压差计。

    2. 流体流动的守恒原理

    流量与流速的定义；流体流动的质量守恒；流体流动的机械能守恒；柏努利方程及应用；动量守恒原理及应用。

    3．流体流动的内部结构与阻力计算

    雷诺实验；两种流动型态及判据；层流与湍流的特征；管流剪应力分布和速度分布；边界层概念；边界层分离现象；直管阻力；层流阻力；摩擦系数；湍流阻力——量纲分析法；当量的概念(当量直径，当量长度)；局部阻力；流动总阻力计算。

    4. 管路计算与流量测量

    简单管路计算：管路设计型计算特点及方法、管路操作型计算特点及方法；复杂管路的特点及计算方法；流动阻力对管内流动的影响；孔板流量计、文丘里流量计及转子流量计的测量原理和计算方法。

第二章  流体输送机械

1.离心泵

　　流体输送机械分类；管路特性方程；带泵管路的分析方法——过程分解法；离心泵工作原理与主要部件；气缚现象；理论压头及分析；性能参数与特性曲线；工作点和流量调节；泵组合操作及选择原则；安装高度与汽蚀现象；离心泵操作与选型。

2.其它类型泵与气体输送机械

　　正位移泵工作原理与结构、性能参数与流量调节（往复泵、旋转泵等）；旋涡泵的结构、工作原理及流量调节；气体输送机械分类；离心式通风机工作原理、性能参数与计算；罗茨鼓风机、真空泵、离心压缩机与往复压缩机。

第三章 流体通过颗粒层的流动

非均相分离概论；颗粒床层的特性；流体通过颗粒层的压降——数学模型法；过滤原理与设备；过滤速率、推动力和阻力的概念——过滤速率工程处理方法；过滤基本方程及应用；过滤常数；恒压过滤与恒速过滤；板框过滤机性能分析与计算；加压叶滤机性能分析与计算；回转真空过滤机性能分析与计算；加快过滤速率的途径。

第四章  颗粒的沉降与流态化

沉降原理；流体对颗粒运动的阻力；球形颗粒的曳力系数与斯托克斯定律；自由沉降过程；重力沉降速度；重力沉降设备（降尘室性能分析）；离心沉降速度；离心沉降设备（旋风分离器性能分析）；固体流态化概念；散式流态化与聚式流态化；流化曲线与流化床特征；起始流化速度与带出速度；流化床操作及其强化。

第五章  传热

1.热传导

傅立叶定律；导热系数及影响因素；一维定态热传导计算（单层与多层平壁、单层与多层圆筒壁）。

    2.对流传热

对流传热过程分析；牛顿冷却定律；对流传热系数及其影响因素；无相变对流传热系数经验关联式的建立；准数方程与准数的物理意义；管内强制对流传热、管外强制对流传热、自然对流传热、蒸汽冷凝传热、液体沸腾传热。

3. 热辐射

物体的辐射能力；斯蒂芬-波尔兹曼定律；克希霍夫定律；两灰体间的辐射传热。

4. 传热过程的计算

间壁换热过程；热量衡算式及总传热速率方程；总传热系数计算、热阻及传热平均温度差——传热速率的工程处理方法；污垢热阻；壁温的计算；传热设计型问题的参数选择和计算方法；传热操作型问题的分析和计算方法（传热效率及传热单元数）。

5. 换热器

间壁式换热器类型、结构及应用；列管式换热器的设计与选用；换热器的强化及其它类型。

第六章  气体吸收

1.  气体吸收概述与气液相平衡

    吸收依据；吸收目的；吸收过程的工业实施；吸收与解吸的特征；吸收过程的分类；吸收剂的选择；吸收过程的经济性；气体在液体中的溶解度；亨利定律；温度、压力对相平衡的影响；相平衡与吸收过程的关系。

2.  扩散与单相传质

    分子扩散与费克定律；气相和液相中的分子扩散（等摩尔反向扩散、单向扩散）；扩散系数及其影响因素；涡流扩散与对流传质；相内传质速率方程与传质分系数。

3.  相际传质

双膜理论；相际传质速率方程与总传质系数；传质推动力与传质系数的关系——传质速率的工程处理方法；吸收过程传质阻力分析及控制质阻。

4.  低浓度气体吸收（解吸）的计算

低浓度气体吸收的假定；物料衡算与操作线方程；传质速率与填料层高度的计算；传质单元数与传质单元高度——过程分解法；传质单元数的计算；吸收塔的设计型计算（吸收过程设计中参数的选择；最小液气比；塔内返混的影响）；吸收塔的操作型计算（计算方法及吸收过程的强化）；吸收与解吸过程的对比分析；板式吸收塔计算。

第七章   液体精馏

1.  液体蒸馏概述与二元物系的气液相平衡

蒸馏依据；蒸馏目的；蒸馏过程的工业实施；蒸馏操作的经济性；理想溶液的气液相平衡；拉乌尔定律、相图及相平衡曲线；泡点及露点的计算；相对挥发度；非理想溶液的气液平衡。

2.  平衡蒸馏与简单蒸馏

平衡蒸馏；简单蒸馏；平衡蒸馏与简单蒸馏的比较。

3.  精馏

    精馏原理；全塔物料衡算；恒摩尔流假定；理论板及板效率；加料板过程分析；精馏段与提馏段操作方程。

4.  双组分精馏的设计型计算和操作型计算

理论塔板的逐板计算法及图解法；回流比影响及选择；全回流及最少理论板数；最小回流比；进料热状况影响及选择；双组分精馏过程的其它类型；实际塔板与全塔效率；填料精馏塔计算；操作参数对精馏过程的影响；精馏塔的温度分布与灵敏板。

5.  间歇精馏与特殊精馏

间歇精馏的特点；恒回流比操作与恒馏出液组成操作；恒沸精馏的原理及应用；萃取精馏的原理及应用；恒沸精馏与萃取精馏的比较。

第八章 气液传质设备

气液传质过程对塔设备的一般要求；塔设备类型及特点；板式塔的设计意图；板式塔的结构；板上气液接触状态；塔板水力学性能和不正常操作现象；塔板负荷性能图；板式塔的效率；评价板式塔的性能指标；常见塔板型式及特点；筛板塔工艺计算内容；填料塔结构；填料种类及特性；气液两相在填料塔内的流动；填料塔压降与空塔气速的关系；最小喷淋密度；填料塔工艺计算方法；填料塔内的传质。

第九章  液液萃取

液液萃取过程；三角形相图及性质；物料衡算与杠杆定律；部分互溶物系的相平衡；分配系数与选择性系数；单级萃取；多级错流萃取；多级逆流萃取；萃取设备。

第十章 固体干燥

1. 物料的去湿方法；干燥过程的分类；干燥操作的经济性；湿空气的性质及计算；空气的湿度图及应用；湿空气状态的变化过程；水分在气固两相间的平衡（结合水分与非结合水分，平衡水分与自由水分）

2.干燥速率与干燥过程的计算

    恒定干燥条件下的干燥速率；干燥曲线与干燥速率曲线；干燥机理；间歇干燥过程的计算；连续干燥过程的特点；连续干燥过程的物料衡算、热量衡算及干燥器的热效率。

3.干燥设备

工业常用的干燥器；干燥器的性能要求与选型原则。

三、实验部分

1.       流体流动阻力的测定

2.       离心泵性能实验

3.       传热膜系数测定实验

4.       氧解吸实验

5.       精馏实验

6.       干燥实验

四、参考书

1.《化工原理》(上、下册)（第三版），陈敏恒等编. 北京：化学工业出版社，2006

2.《化工原理学习指导》，丁忠伟等编．北京：化学工业出版社，2006

3.《化工原理实验》，杨祖荣等编．北京：化学工业出版社，2004

4.《化工原理》（第二版），杨祖荣等编．北京：化学工业出版社，2009

5.《化工原理》(上、下册) ，谭天恩等编．北京：化学工业出版社，1990

6.《化工原理详解与应用》，丛德滋等编．北京：化学工业出版社，2002

7.《化工原理课程学习指导》，柴诚敬等编．天津：天津大学出版社，2002

8. 《Unit Operations of Chemical Engineering》（第六版，英文影印版），McCabe W．L．北京：化学工业出版社，2002