6填料塔吸收传质系数的测定
6.1实验目的
1. 了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；
2. 掌握总体积传质系数的测定方法；
3. 了解气体空塔速度和液体喷淋密度对总体积传质系数的影响；
4．了解气相色谱仪和六通阀在线检测CO2浓度和测量方法。
6.2 实验原理
气体吸收是典型的传质过程之一。由于CO2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验选择CO2作为溶质组分是最为适宜的。本实验采用水吸收空气中的CO2组分。一般将配置的原料气中的CO2浓度控制在10%以内，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理。又CO2在水中的溶解度很小，所以此体系CO2气体的吸收过程属于液膜控制过程。因此，本实验主要测定Kxa和HOL。
1）计算公式
填料层高度Z为
（6－1）
式中： L 液体通过塔截面的摩尔流量，kmol / (m2·s)；
Kxa △X为推动力的液相总体积传质系数，kmol / (m3·s)；
HOL 传质单元高度，m；
NOL 传质单元数，无因次。
令：吸收因数A=L/mG （6－2）
（6－3）
2）测定方法
（1）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。
（2）测定塔顶和塔底气相组成y1和y2；
（3）平衡关系。
本实验的平衡关系可写成
y = mx （6－4）
式中： m 相平衡常数，m=E/P；
E 亨利系数，E＝f(t)，Pa，根据液相温度测定值由附录查得；
p 总压，Pa，取压力表指示值。
对清水而言，x2=0,由全塔物料衡算
可得x1 。
6．3实验装置与流程
1〕装置流程
本实验装置流程如图6－1所示：水经转子流量计后送入填料塔塔顶再经喷淋头喷淋在填料顶层。由风机输送来的空气和由钢瓶输送来的二氧化碳气体混合后，一起进入气体混合稳压罐，然后经转子流量计计量后进入塔底，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的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程可看成是等温吸收过程。
图6—1 吸收装置流程图
2〕主要设备
（1）吸收塔：高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金属丝网板波纹规整填料，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。
（2）填料规格和特性：
金属丝网板波纹填料：型号JWB—700Y，填料尺寸为φ100×50mm，比表面积700m2/m3。
（3）转子流量计；
（4）层叠风机：气量0～90m3/h，风压50kPa；
（5）二氧化碳钢瓶；
（6）气相色谱仪（型号：SP6801）；
（7）色谱工作站：浙大NE2000。
6．4实验步骤与注意事项
1）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、原理、使用方法及其注意事项；
（2）打开仪表电源开关及风机电源开关；
（3）开启进水总阀，使水的流量达到400L/h左右。让水进入填料塔润湿填料。
（4）塔底液封控制：仔细调节阀门2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。
（5）打开CO2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），使其压力稳定在0.1Mpa左右；
（6）仔细调节空气流量阀至2m3/h，并调节CO2调节转子流量计的流量，使其稳定在100L/h～160 L/h；
（7）仔细调节尾气放空阀的开度，直至塔中压力稳定在实验值；
（8）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温度数显表、压力表读取各温度、压力，通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气相组成；
（9）改变水流量值，重复步骤（6）（7）（8）。
（10）实验完毕，关闭CO2钢瓶总阀，再关闭风机电源开关、关闭仪表电源开关，清理实验仪器和实验场地。
2）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。
（2）在填料塔操作条件改变后，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。
6．5 实验报告
1) 将原始数据列表。
2） 列出实验结果与计算示例。
6．6 思考题
1）本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？
2）测定Kxa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？
4）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？
6．7实验数据记录及数据处理结果示例
实验装置：1#； 操作压力115.0kPa
计算结果
塔底液相组成：0.002504mol %；塔顶液相组成：0.0 mol %；
液相总传质单元数：4.3；
液相总传质系数：3322.7 Kmol/(m3/h)
测量条件：
色谱型号：SP6800A
柱类型：填充柱
柱规格：GDX-103
载气类型：氢气
载气流量：50ml/min
进样量：1ml
检测器温度：78℃
进样器温度：80℃
柱温： 40℃
原料气：
峰号 峰名 保留时间 峰高 峰面积 含量
1 空气 0.407 137583.594 349031.469 96.2846
2 二氧化碳 0.665 3877.412 13440.753 3.7078
尾气：
峰号 峰名 保留时间 峰高 峰面积 含量
1 空气 0.323 142736.094 355399.406 97.7348
2 二氧化碳 0.590 2326.473 8236.945 2.2652
第二篇：填料塔吸收
吸收（解吸）系数的测定
姓名：毕啸天 学号：2010011811 班级：分0
同组实验者：肖艺涵 莫唯书
实验日期：20##年12月20日 提交实验报告日期：20##年12月23日
1. 引言
1.1. 实验目的
（1）了解吸收（解吸）操作的基本流程和操作方法。
（2）了解传质系数的测定方法。
1.2. 实验原理
吸收是工业上常用的操作，常用于气体混合物的分离。在吸收操作中，气体混合物和吸收剂分别从塔底和塔顶进入塔内，气、液两相在塔内实现逆流接触，使气体混合物中的溶质较完全地溶解在吸收剂中，于是塔顶获得较纯的惰性组分，从塔底得到溶质和吸收剂组成的溶液（通称富液）。当溶质有回收价值或吸收价格较高时，把富液送入再生装置进行解吸，得到溶质或再生的吸收剂（通称贫液），吸收剂返回吸收塔循环使用。
（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、液相内或两相间的传质速率来表示。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无力吸收过程，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、液两相相际传质的吸收速率：
式中：
、
——气相主体和气相界面处的溶质摩尔分数；
、
——液相主体和液相界面处的溶质摩尔分数；
、
——与y和x呈平衡的液相和气相摩尔分数；
、
——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；
、
——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；
——传质面积，
。
对于难溶溶质的吸收过程，称为液膜控制，常用液相摩尔分数差和液相传质系数表达的吸收速率式。
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的吸收速率式。
本实验为一解吸过程，将空气与富氧水接触，因富氧水中养的浓度高于同空气处于平衡的水中的氧浓度。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相类似。只是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的
改为解吸时的
。液相推动力要从吸收时的
改为解吸时的
。
（2）吸收系数和传质单元高度
吸收系数或传质单元高度是反映吸收过程传质动力学特征的参数，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型式及参数等三方面的影响。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
的公式如下：
式中：N——传质速率，kmol/h；
，
——进、出设备的水中氧的摩尔分数；
V——传质体积，
；
——塔截面积，
；
Z——填料层高度，m；
L——水的流量，kmol/h。
，
——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候变化极小，可以认为处、入口气体中氧浓度近似相等，即=。
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，吸收剂中所吸收了的溶质解吸不干净，将会直接影响吸收效果，所以说解吸操作是吸收操作的重要环节。
2. 实验装置与流程
本实验主要装置为一内径
的填料解吸塔（内装压延孔板波纹填料）和一内径为80mm溶氧塔（内装
不锈钢扁环填料）。实验装置及流程见下图1。
流程说明：自来水由高位槽1经流量计进入氧吸收塔3的塔底，由氧气瓶4来的纯氧经氧气流量计也从该塔塔底进入，氧气和水在塔内并流而上，吸收了氧后的富氧水进入塔顶富氧水槽，再经转子流量计进入氧解吸塔2的塔顶。空气由罗茨鼓风机5经流量计至氧解吸塔底部自下而上与富氧水逆流接触。氧解吸塔2的顶部和底部均有液相水的取样口，可用溶氧仪分析水的氧含量。
图1.实验装置图
3. 实验步骤
（1） 开空气阀，观察转子流量计使示数大致稳定。开水阀，使示数稳定。开氧气阀，观察到气泡稳定地鼓出。
（2） 约数分钟后，吸收、解吸过程达到平衡，从解吸塔入口、出口处取样测定氧的浓度。
（3） 改变水流量后，使之重新达到平衡，重复步骤2。连续测定三组数据。
4. 数据处理
4.1. 原始数据
表1.原始数据记录
4.2. 数据处理
4.2.1. 实验常数
取氧气分子量32.00，水分子量18.01，水的密度997.0kg/m3。
当日大气压103kPa，塔周长102mm，填料高度63cm。
即
，
，
查得25℃时氧气在水中的亨利系数
，30℃时氧气在水中的亨利系数
，在此区间内的亨利常数值线性插值求出。
可以认为在25~30℃范围内，满足
4.2.2. 数据处理
根据平衡关系有
，同时
。据此可以求出各水温下的平衡组成
。
测量值是浓度单位，将其换算成摩尔分数
首先将各组数据求出平均值
表2.塔顶、塔底及其平衡组成
平均推动力：
体积传质系数
液相传质单元高度
表3.处理结果汇总
图2. 传质系数与液相流率关系
图3.液相流率与传质单元高度关系
5. 结论
对于填料塔，随着液体流量增大体积传质系数增大，传质单元高度则没有表现出明显的规律性。
随着液体流量增大，传质速率加快这很好理解。但是与此同时，水量增多，水中溶解的总氧气量也就更多了。所以对于同一座解吸塔，它需要处理的氧气量也更多。即虽然Kxa是随着L增加而单调增加的，但是总吸收效果是由L与x共同决定的。所以当L增大时，有可能出现HOL反而增加的现象，这应当是因为需要处理的气量增大了，而传质速率加快的因素没有占主导，所以理论板高增加。
6. 思考题
6.1. 为什么氧解吸过程属液膜传质阻力控制？
对于氧气解吸的传质过程有关系
氧气在水中的溶解度很小，即H很小，故气膜阻力
要小于液膜阻力
，故应为液膜传质阻力控制。
6.2. 用于计算吸收操作与解吸操作求理论板数时的方法有何异同点？
吸收和解吸是两个逆过程。解吸是溶质先从液相主体扩散到相界面，再由液相界面与气相界面达成平衡，随后由气相界面扩散到气相主体。吸收则完全相反。因此其原理与计算方法均相同。
两者的区别在于推动力的表达式不同。只是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的改为解吸时的。液相推动力要从吸收时的改为解吸时的。因为推动力在数值上应是正数。
6.3. 将本实验的氧解吸过程画在y－x图上，表示出平衡线与操作线的关系。
假设氧气-水体积是理想的亨利定律体系，则Y-X平衡线是直线。操作线为塔顶、塔底的组成坐标相连而得。
6.4. 氧气瓶开启时应注意什么？停止使用时如何操作？
应当先开总阀，再开分阀。开启总阀时要用扳手将总阀拧开，观察气压计上的数值适当且稳定。在开分阀时，应当先开空气、水再开氧气，因为氧气相对二者价格较高。
停止使用时应当先关闭总阀，待剩余的氧气自然逸出关闭分阀。
6.5. 归纳传质过程强化的基本思路和措施。
传质过程强化即要提高传质速率。从本实验的结果看，加大流量可以有效提高传质速率。此外从表达式中还可以看出，提高两相浓度差可提高推动力，从而加快传质。环境因素也会影响到传质，如温度越低、压力越高，越有利于吸收。从流体的流动状况看，增大流体的湍动可以强化对流，从而强化传质。
6.6. 为什么引入体积传质系数Kxa？其物理意义是什么？
体积传质系数表示单位时间、单位体积内，填料层的总液相传质量。
a表示单位体积填料内气液两相有效接触面积，与填料形状、尺寸、填充状况等有关，而且受流体物性及流动状况影响。a的数值很难直接测定，所以将它与传质系数乘起来视为一体，定义为体积传质系数。