填料塔流體力學(xué)特性與吸收系數(shù)的測(cè)定

 

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span>:

1.了解填料吸收塔的結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)，練習(xí)并掌握填料塔操作方法；通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)的處理分析，加深對(duì)填料塔流體力學(xué)性能基本理論的理解，加深對(duì)填料塔傳質(zhì)性能理論的理解。

2.掌握填料吸收塔傳質(zhì)能力和傳質(zhì)效率的測(cè)定方法，練習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析。

二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：

1.測(cè)定填料層壓強(qiáng)降與操作氣速的關(guān)系，確定在一定液體噴淋量下的液泛氣速。

2.固定液相流量和入塔混合氣二氧化碳的濃度，在液泛速度以下，分別測(cè)量塔的傳質(zhì)能力（傳質(zhì)單元數(shù)和回收率）和傳質(zhì)效率（傳質(zhì)單元高度和體積吸收總系數(shù)）。

3.進(jìn)行純水吸收混合氣體中的二氧化碳、用空氣解吸水中二氧化碳的操作練習(xí)，同時(shí)測(cè)定填料塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)。

三、實(shí)驗(yàn)原理：

氣體通過(guò)填料層的壓強(qiáng)降：

ΔP , kPa

壓強(qiáng)降是塔設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，氣體通過(guò)填料層壓強(qiáng)降的大小決定了塔的動(dòng)力消耗。壓強(qiáng)降與氣、液流量均有關(guān)，不同液體噴淋量下填料層的壓強(qiáng)降與氣速的關(guān)系如圖1所示：

                    

                  圖1 填料層的～關(guān)系

當(dāng)液體噴淋量時(shí)，干填料的～的關(guān)系是直線(xiàn)，如圖中的直線(xiàn)0。當(dāng)有一定的噴淋量時(shí)，～的關(guān)系變成折線(xiàn)，并存在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，下轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為“載點(diǎn)”，上轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱(chēng)為“泛點(diǎn)”。這兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將～關(guān)系分為三個(gè)區(qū)段：既恒持液量區(qū)、載液區(qū)及液泛區(qū)。

傳質(zhì)性能：吸收系數(shù)是決定吸收過(guò)程速率高低的重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定可獲取吸收系數(shù)。對(duì)于相同的物系及一定的設(shè)備（填料類(lèi)型與尺寸），吸收系數(shù)隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。

若氣液平衡關(guān)系遵循享利定律，即平衡曲線(xiàn)為直線(xiàn)，可用解析法解得填料層高度的計(jì)算式，亦即可采用下列平均推動(dòng)力法計(jì)算填料層的高度或液相傳質(zhì)單元高度：

                        （11）

                            （12）

式中為液相平均推動(dòng)力，即

其中：,，為大氣壓。

二氧化碳的溶解度常數(shù)：

                      （14）

式中：——水的密度，    

——水的摩爾質(zhì)量，  ；

——二氧化碳在水中的享利系數(shù)（見(jiàn)表1），Pa。

因本實(shí)驗(yàn)采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計(jì)，在此情況下，整個(gè)傳質(zhì)過(guò)程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過(guò)程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，亦即

 

表1  二氧化碳在水中的亨利系數(shù)    E×10^-5，kPa

氣體	溫度，℃
	0	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50	60
CO2	0.738	0.888	1.05	1.24	1.44	1.66	1.88	2.12	2.36	2.60	2.87	3.46

 

四、實(shí)驗(yàn)裝置：

填料塔：玻璃管內(nèi)徑 D＝0.05m   塔高1.20m   填料層高度Z＝0.94m

內(nèi)裝φ10×10mm瓷拉西環(huán)； 風(fēng)機(jī)型號(hào)：XGB-12 ；

五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟：

1.實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作：

   首先將水箱1和水箱2灌滿(mǎn)蒸餾水或去離子水，接通實(shí)驗(yàn)裝置電源并按下總電源開(kāi)關(guān)。

準(zhǔn)備好10ml移液管、100ml的三角瓶、酸式滴定管、洗耳球、0.1M左右的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.1M左右的Ba（OH）₂標(biāo)準(zhǔn)溶液和甲基紅等化學(xué)分析儀器和試劑備用。

2.測(cè)量解吸塔干填料層（）～u關(guān)系曲線(xiàn)：

打開(kāi)空氣旁路調(diào)節(jié)閥V7至全開(kāi)，啟動(dòng)解吸風(fēng)機(jī)6。打開(kāi)空氣流量計(jì)F4下的閥門(mén)V4,逐漸關(guān)小閥門(mén)V7的開(kāi)度，調(diào)節(jié)進(jìn)塔的空氣流量。穩(wěn)定后讀取填料層壓降△P即U形管液柱壓差計(jì)的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測(cè)定6-10組數(shù)據(jù)。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速 u為橫坐標(biāo)，單位高度的壓降為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填料層()～u關(guān)系曲線(xiàn)。

3.測(cè)量解吸塔在不同噴淋量下填料層()～u關(guān)系曲線(xiàn)：

將水流量固定在100 l/h左右（水流量大小可因設(shè)備調(diào)整），采用上面相同步驟調(diào)節(jié)空氣流量，穩(wěn)定后分別讀取并記錄填料層壓降△P、轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)和流量計(jì)處所顯示的空氣溫度，操作中隨時(shí)注意觀察塔內(nèi)現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)液泛，立即記下對(duì)應(yīng)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)出液體噴淋量為100 l/h時(shí)的（）～u關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2），并在圖上確定液泛氣速，與觀察到的液泛氣速相比較是否吻合。

4.二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定：

（1）關(guān)閉吸收液泵4的出口閥，啟動(dòng)吸收液泵4，關(guān)閉空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1，二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)F2與鋼瓶連接。

（2）打開(kāi)吸收液轉(zhuǎn)子流量計(jì)F3，調(diào)節(jié)到60 l/h，待有水從吸收塔頂噴淋而下，從吸收塔底的π型管尾部流出后，啟動(dòng)吸收氣泵3，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1到指定流量，同時(shí)打開(kāi)二氧化碳鋼瓶調(diào)節(jié)減壓閥，調(diào)節(jié)二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)F2，按二氧化碳與空氣的比例在10—20%左右計(jì)算出二氧化碳的空氣流量。

（3）吸收進(jìn)行15分鐘并操作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測(cè)量塔底吸收液的溫度，同時(shí)在塔頂和塔底取液相樣品并測(cè)定吸收塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。

（4）溶液二氧化碳含量測(cè)定

用移液管吸取0.1M左右的Ba（OH）₂標(biāo)準(zhǔn)溶液10ml，放入三角瓶中，并從取樣口處接收塔底溶液10 ml，用膠塞塞好振蕩。溶液中加入2～3滴甲基紅（或酚酞）指示劑搖勻，用0.1M左右的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定到粉紅色消失即為終點(diǎn)。

按下式計(jì)算得出溶液中二氧化碳濃度：

六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：

1.開(kāi)啟CO₂總閥門(mén)前，要先關(guān)閉減壓閥，閥門(mén)開(kāi)度不宜過(guò)大。

2.分析CO₂濃度操作時(shí)動(dòng)作要迅速，以免CO₂從液體中溢出導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。

七、數(shù)據(jù)記錄

1、填料塔流體力學(xué)特性

二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)矯正系數(shù)為0.78

表2  填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（干填料）

表3  填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（濕填料）

2、吸收系數(shù)的測(cè)定

二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)矯正系數(shù)為0.78

空氣的流量q_v1=              二氧化碳的流量q_v2=       

吸收劑流量L=

表4 二氧化碳含量的測(cè)定