氧解析
实验报告
课程名称: 化工原理实验
学 校: 北京化工大学
学 院: 化学工程学院
专 业: 化学工程与工艺
班 级: 化 工 1012 班
学 号: 2010016068
姓 名: 王敬尧
实验日期: 20##年05月29日
同组人员:
一、实验摘要
本实验利用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水,送入解析塔顶再用空气进行解析,测定不同液量和气量下的解析液相体积总传质系数,并进行关联,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。
二、实验目的及任务
1、熟悉填料塔的构造与操作。
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、掌握液相体积总传质系数Kxa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、基本原理
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。填料层“压降—空塔气速”关系示意如图1所示。
(1)在双对数坐标系中,此压降对气速作图可得斜率为1.8~2的直线(图中Aa直线)。
(2)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次方,但大于相同气速下干填料的压降(图中bc段)。
(3)随气速的增加,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)。
(4)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、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,可以认为气液两相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
相关填料层高度的基本计算式为:
即
GA单位时间内氧的解吸量,kmol/(m2?h);
Kxa液相体积总传质系数,kmol/(m3?h);
Vp填料层体积,m3;
Δxm液相对数平均浓度差;
x2液相进塔时的摩尔分数(塔顶);
xe2与出塔气相y1平衡的摩尔分数(塔顶);
x1液相出塔的摩尔分数(塔底);
xe1与进塔气相y1平衡的摩尔分数(塔底);
Z填料层高度,m;
?塔截面积,m2;
L解吸液流量,kmol/(m2?h);
HOL以液相为推动力的总传质单元高度,m;
NOL以液相为推动力的总传质单元数。
由于氧气为难容气体,在水中的溶解度很小,因此传质阻力几乎全部集中在液膜中,即Kx=kx,由于属液膜控制过程,所以要提高液相体积总传质系数Kxa,应增大也想的湍动程度即增大喷淋量。
在y-x图中,解析过程的操作线在平衡线下方,本实验中是一条平行于横坐标的水平线(因氧气在水中浓度很小)。
本实验在计算时,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、实验装置及流程
氧气吸收解吸装置流程:
(1)氧气由氧气钢瓶供给,经减压阀进入氧气缓冲罐,稳压在0.03~0.04Mpa,为确保安全,缓冲罐上装有安全阀,当缓冲罐在压力达到0.08MPa时,安全阀自动开启。
(2)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。
(3)自来水经水转子流量计调节流量,由转子流量计计量后进入吸收塔。
(4)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。
(5)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”从塔底通过平衡罐排出。
(6)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。空气流量计前装有计前表压计。为了测量填料层压降,解吸塔装有压差计。
(7)在解吸塔入口设有入口采出阀,用于采集入口水样,出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀取样。两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。
图3氧气吸收解吸装置流程图
五、实验内容及步骤
1、流体力学性能测定
(1)测定干填料压降
① 塔内填料事先已吹干。
② 改变空气流量,测定填料塔压降,测取10组数据。
(2)测定湿填料压降
① 固定前先进行预液泛,是填料表面充分润湿。
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6~8组数据。
③实验接近液泛时,气体的增加量不要过大,否则图1中的泛点不容易找到。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,务必等到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。
④稍增加气量,再取一两个点,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将氧气阀打开,氧气减压后进入缓冲罐,罐内压力保持0.04~0.05Mpa,氧气转子流量计保持0.3L/Min左右。为防止水倒灌进入氧气转子流量计重,开水前要关闭防倒灌阀,或先通入氧气后通水。
②传质实验操作条件选取:水喷淋密度取10~15m3/(m2·h),空塔的气速0.5~0.8m/s,氧气入塔流量为0.01~0.02m3/h,适当调节氧气流量,使吸收后的富氧水浓度控制在不大于19.9mg/L。
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”,用测氧仪分析其氧的含量。
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、实验数据处理
计算并确定干填料及一定喷淋量下的湿填料在不同空塔气速u下,与其相应的单位填料高度压降Δp/Z的关系曲线,并在双对数坐标系中作图,找出泛点与载点。
表1:干塔数据:水流量L=0 L/h 填料高度h=0.75m 塔径d=0.1m
转子流量计:空气,T=20℃,P=101.325KPa
表2:湿塔数据:L=60~250 L/h,h=0.75m,d=0.1m
转子流量计:空气,T=20℃,P=101,325KPa;水流量80L/h。
(1)下以干塔数据中第一组为例,说明计算过程:
单位塔高压降确定:
流量校正:
流速确定:
湿塔的计算过程与干塔一致,不再赘述。
(2)计算实验条件下(一定喷淋量、一定空塔气速)的液相体积总传质系数Kxa及液相总传质单元数HOL。
表3:氧解吸操作数据:
h=0.75m,d=0.1m w平衡=11.03mg/L (y1=y2=0.21,P=101.3KPa)
以第一组数据为实例,10℃时的密度:998.67kg/m3。
塔温:
系统总压确定:
亨利系数确定:
亨利系数:
平衡浓度:
塔顶(底)摩尔分率计算:
平均推动力:
液体流率:
气体流率:
填料塔体积:
传质系数的确定:
传质单元高度:
七、实验结果作图及分析
1、流体力学性能测定
2、传质实验:
液相体积总传质系数Kxa和液相总传质单元高度HOL计算结果如下:
表4:Kxa、HOL
八、结果讨论及误差分析
1、流体力学性能测定
(1)对于干塔压降和气速关系图,压降对气速作图应得斜率为1.8~2的直线。而此次试验所得结果,拟合所得的曲线R=0.8274,直线的斜率也仅为0.7351,与理论相差很大。实验过程中数据记录较为准确,应当不是读数问题,可能是转子流量计所测得的流量偏大所致,而且本人在实验过程中主要负责记录转子流量计示数,在每提高一个流速时,尚未等转子达到平衡即读数,往往转子还会往往下降一段距离才会达到平衡,由此造成了一定的误差,使算的斜率偏小。另一方面,若仔细观察干塔气速曲线,可以看出在气速为0.63时,出现一个拐点,斜率陡增。联想湿塔压降气速关系,推测在做实验前,塔并未被吹干,有一定的液膜,操作一段时间后,液膜消失,使斜率发生了变化。从而导致干塔压降和气速线性相关性很差。
(2)对于湿塔压降和气速关系曲线,可以清楚地看出载点和泛点,但是同时发现本次试验中在载点前干塔居然比湿塔的压降更大,且斜率更陡。查看实验操作记录,在进行湿塔测试前,进行了液泛操作,故排除了操作问题的可能性。由于喷淋液相,故湿塔达平衡较干塔用更长的时间,当实验操作时,可能是因为在记录湿塔数据时,每调整到一新的流速,未等达到平衡状态即开始记录数据,从而使测得的塔压降偏小,甚至小于干塔数据。
2、传质实验
由数据可以看出,同样条件下,不同时间下所测得的Ka不同,主要是由于流体流动使温度升高,使亨利系数发生了变化所致。
九、思考题
1、阐述干填料压降线和湿填料压降线的特征
答: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,压降对气速作图可得斜率为1.8~2的直线。
当有喷淋量时,在低气速下压降正比于气速的1.8~2次方,但大于相同气速下干填料的压降。
随气速的增加,出现载点,持液量开始增大,“压降—气速”线向上弯,斜率变陡。
到液泛点后,在几乎不变的气速下,压降急剧上升。
2、比较液泛时单位填料高度压降和图中液泛压降值是否相符,一般乱堆填料液泛时单位填料高度压降为多少?
答:可以看出,两者都是随着气速的增大而增大,变化趋势是相符的。 另一方面,可以看出当单位填料高度压降为1040.00Pa后,塔压降和气速变化图出现了斜率陡增的情况,故可认为此压降为液泛处。
3、试计算实验条件下填料塔实际气液比V/L是最小气液比(V/L)min的多少倍?
答:,
实际气液比:,
故:
4、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:在低温高压下气体易溶,易被吸收,因而吸收常在低温、加压下进行。而在高温、低压下气体的溶解性小,对解吸有利,因而解吸在高温、常压下进行。
5、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:对于易溶气体,气体很容易被液体溶解,故液膜的阻力较小,传质阻力主要集中在气模上。相反,难溶气体液膜阻力较大,而气膜阻力相对较小,故属于气膜控制。
6、填料塔结构有什么特点?
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身
是一直立式圆筒,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,以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。气体从塔底送入,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的空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。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,在正常操作状态下,气相为连续相,液相为分散相。
7、若要实现计算机在线采集和控制,应如何选用测试传感器及仪表?
答:应当主要考虑实时在线测控的问题。由于化工设备对温度压力十分敏感,若压力陡增而仪表反应较慢,则会导致调节不及时发生事故。另外,在不要求很高灵敏度的情况下,可是适当选取低造价的以减少投资成本。
完成日期:20##/5/30
评语:
成绩: