1、 1 / 9化工基础实验报告实验名称 圆盘塔 吸收液膜传质系数测定 2班级 姓名 学号 成绩 实验时间 同组成员 1 实验预习1.1 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；4、关联圆盘塔液膜传质系数与液流速率之间的关系。1.2 实验原理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置，液体从一个圆盘流至另一个圆盘，类似于填充塔中液体从一个填料流至下一个填料，流体在下降吸收过程中交替地进行了一系列混合和不稳定传质过程，整个流程装置如图 1 所示。装置中的有关尺寸：圆盘塔中的圆盘为素瓷材质，圆盘塔内系一根不锈钢丝串连
2、四十个相互垂直交叉的圆盘而成。每一圆盘的尺寸为直径 ，厚度 ，平均液流周边数=14.3 =4.3 ，吸收面积 。=(22/4+)/ =40(22/4+)在圆盘塔中进行液膜传质系数的测定，液相处于流动状态，气相处于静止状态。简化了实验手段及数据处理，减少了操作过程产生的误差。实验证明，本方法的实验结果与 Stephens-Morris 总结的圆图 1 圆盘塔 吸收实验流程21、贮液罐 2、水泵 3、高位槽 4、流量计 5、皂膜流量计 6、加热器 7、U 型测压管 8、圆盘塔 9、加热器 10、水饱和器 11、 钢瓶 12、三通阀 13、琵琶型液封器22 / 9盘塔中 的准数关联式相吻合。Sher
3、wood 和 Hollowag 将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式： (22)13=(4)()0.5式中： 修正后的舍伍德准数(22)13 雷诺准数4 施密特准数 模型参数，在 0.780.54 之间变化而 Stephens-Morris 总结圆盘塔中的 准数关系为：(22)13=3.22103(4)0.7()0.5 实验证明，Stephens-Morris 与 Sherwood-Hollowag 的数据极为吻合。这说明 Stephens-Morris 所创造的小型标准圆盘塔与填充塔的液膜传质系数与液流速度的关系式极相似。因此，依靠圆盘塔所测定的液膜传质系数可直接用于填充塔设计。本实验
4、气相采用纯 气体，液相采用蒸馏水，测定纯 系统的液膜传质系数，并通过关2 2 2联液膜传质系数与液流速率之间的关系，求得模型参数 值。基于双膜理论： =1=+1= ()当采用纯 气体时，因为 ，所以 ，即 。2 ()0 =式中： 液膜传质分系数，23 吸收速率， ； 2 /吸收表面积， ； 2液相浓度的平均推动力， 。 /31.3 实验步骤及注意事项在圆盘塔 吸收液膜传质系数测定实验中，按如下步骤进行操作：2（1）开启水泵，让水充满高位槽。（2）开启加热设备以及二氧化碳钢瓶，将水流量调节到合适的范围内，进行吸收操作。（3）打开二氧化碳阀门，向皂泡流量计中鼓入皂泡，用秒表测量皂泡流量计中皂膜下降
5、固定长3 / 9度（实为体积）的时间，计算出二氧化碳吸收液膜传质系数。（4）在 的水流量范围中选取 5 种水流量进行实验，每组实验测量 3 次。416 /（5）利用公式 ，拟合出参数 的值。(22)13=(4)()0.5（6）使用 钢瓶务必遵守相关安全操作规定，不得急速开关阀门，以防损坏设备。22 数据记录原始数据记录如表 1 所示。表 1 圆盘塔 吸收实验原始数据记录表2水流量（ /）体积2（ ）下降时间（ ）塔顶水温（ ）塔顶气温（ ）塔底水温（ ）塔底气温（ ）隔套温度（ ）54.2163.224 24.0065.7821.7 23.9 22.4 24.2 23.95861.156 24
6、.0062.421.6 23.9 22.4 24.4 23.956.0657.988 24.0057.3121.7 24 22.3 24.5 23.956.354.3410 24.0055.8621.7 24 22.1 24.8 2452.5852.4112 24.0054.8121.7 24.1 22.2 24.9 24.13 实验结果及讨论3.1 数据处理求算每一水流量下，所测得三组皂膜下降时间的平均值，结果如表 2 所示。表 2 皂膜平均下降时间水流量（ ）/ 4 6 8 10 12皂膜平均下降时间（ ） 61.07 60.52 57.12 55.50 53.274 / 9下以水流量为
7、实验组为例，进行数据处理：4 /（1）计算纯 系统的液膜总传质系数22 根据双膜理论： ，如果已知 吸收速率 、圆盘塔吸收表面积 和液相浓度的= 2 平均推动力 ，就可以计算出液膜总传质系数 的值： = 计算 吸收速率2 由于，由此可以得到：2=所以 吸收速率2=2 =被吸收时，皂膜近似匀速下降，皂膜内 的压力与实验气压相等，取实验前后气压值的平2 2均数，即 ；实验过程中所计量的时长始终是皂膜流量计中=(100.38+100.37)/2 =100375 皂膜从 60.00 mL 刻度下降到 84.00 mL 刻度所经历的时长，故；摩尔气体常数 ；温度 为皂膜流量=(84.0060.00) =
8、2.400105 3 =8.314 /() 计中 的温度，即为圆盘塔气体进口处的温度值。所以对于水流量为 的情况，可以得到：2 4 /=2 = 1003752.4001058.314(273.15+24.2)37.85 /=1.60105 / 计算圆盘塔吸收表面积 40 个圆盘，每一圆盘的尺寸为直径 ，厚度 ，为让最终计算结果能提供更=14.3 =4.3 多的信息，假设这两个尺寸都是精确值。故圆盘塔的吸收表面积为： 997.8=40(22/4+) 计算液相浓度的平均推动力 对数平均推动力的表达式为：=其中 为塔顶以液相浓度表示的传质推动力， 为塔底以液相浓度表示的传= =质推动力； 、 分别为
9、塔顶和塔底的实际液相浓度， 、 分别为与塔顶和塔底气相平衡的液相浓 度。根据圆盘塔吸收的实际情况，可近似取：= 1.601054103/3600 /3=14.4 /3， =0微溶于水，在水中的平衡浓度可以用亨利定律描述：2=2=(2)其中 为溶液的密度，由于溶液浓度低，可以视为纯水处理； 为溶剂水的摩尔质量； 为 水 25 / 9溶液在液相温度下的亨利系数，可以利用文献数据通过曲线拟合的方法得到； 为塔顶或塔底2的分压， ， 为塔顶或塔底水温对应的水饱和蒸汽压，可以通过水的安托因方2 2=22程得到。表 3 水溶液的亨利系数2/ 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 6
10、0/108 0.738 0.888 1.05 1.24 1.44 1.66 1.88 2.12 2.36 2.60 2.87 3.46尝试后发现用二次多项式拟合亨利系数与温度的关系已能达到让人满意的效果，拟合结果为： /=24141.86 (/)2+3096613.39 /+72829870.13水在 时的安托因方程为：060 2/=101325760108.107651750.286/+235所以对于水流量为 的情况，可以得到：4 /=2= 997.81.511080.018(1003752965.4) /3=36.0 /3=2= 997.61.541080.018(1003753091.3
11、) 3=35.3 /3=(36.014.4) 3=21.7 /3=(35.30) 3=35.3 /3所以液相浓度的平均推动力为=27.9 /3 综上，纯 系统的液膜总传质系数为22= =1.601050.020627.9 =2.77105 /当水流量取其他值时，液膜总传质系数 的计算过程是相同的，将最终计算结果汇总于下表：表 4 不同水流量 下圆盘塔中的液膜总传质系数 水流量（ ）L/h 4 6 8 10 12NA（ ）105 / 1.60 1.61 1.70 1.75 1.82（ ）/3 27.9 30.7 31.7 32.5 32.9液膜总传质系数（ ） 105 /2.77 2.55 2.
12、61 2.61 2.69（2）关联液膜传质系数与液流速率之间的关系，计算模型参数 值6 / 9Sherwood 与 Hollowag 将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：(22)13=(4)()0.5=(4)()0.5观察上式中的变量，除去需要关联的液膜总传质系数 和液体流量 ，剩下的都是物性参数（密 度 、粘度 、扩散系数 ）和设备参数（平均液流周边数 ）以及重力加速度 和方程参数（方程系数 、幂指数 ） 。在本实验体系里，设备参数、重力加速度都是常数；Stephens-Morris 总结圆盘塔中的 准数关系，告诉我们此方程的方程参数也是常数。物性参数是温度和压力的函数，此实验中尽管
13、水流量在变化，但塔顶、塔底的气温和水温都没有明显的变化，可以认为上述物性参数均为常数。如此可将原关联式简化为： =为除 和 以外的各常数的函数。在上式两边同取自然对数，可以得到： =+其中 为函数 的截距，是常数；我们所要求的模型参数 为函数的斜率，为求其值， 只需在直角坐标系中作出 散点图，采用最小二乘法拟合出上述直线的表达式，即可得到模型参数 的值。计算 对应关系如表 5 所示。 表 5 对应关系（除去量纲）ln 1.39 1.79 2.08 2.30 2.48ln -10.1 -9.70 -9.61 -9.58 -9.31在直角坐标系中作出液相总传质系数 -液相流量 的双对数无量纲散点图
14、及其拟合直线如下： 由上图知，自左至右第 1 个点误差较大，应予以剔除。剔除后得到的散点图及其拟合直线如下：图 2 无量纲散点图及其拟合直线lnln7 / 9拟合直线的表达式为： ，相关系数 。所以通过实验确定的模ln=0.0713ln10.7 =0.951型参数的值为 。=0.713若同时删去 1、 4 两组数据，由三组数据，可以拟合出线性性较好的直线。如如 4 所示图 4 无量纲散点图及其拟合直线（三组数据）lnln此时拟合直线的表达式为： ，相关系数 。通过这组拟合，ln=0.0788ln10.72 =0.99992实验确定的模型参数的值为 。=0.7883.2 结果分析（1）实验结论汇
15、总 圆盘塔中 吸收液膜总传质系数 与水流量 的关系：2 图 3 无量纲散点图及其拟合直线（四组数据）lnln8 / 9表 6 不同水流量 下圆盘塔中的液膜总传质系数 水流量（ ）L/h 4 6 8 10 12液膜总传质系数（ ） 105 /2.77 2.55 2.61 2.61 2.69 上表所示关系可采用 Sherwood-Hollowag 填充塔液膜传质系数与液相流量关联式(22)13=(4)()0.5进行来描述，上表结果确定该关联式中模型参数 的值为 0.0788（舍去误差点） 。（2）误差分析吸收液膜总传质系数 与水流量 的对应数值没有办法直接检验其合理性，但模型参数 可以2 间接反映
16、出液膜总传质系数 与水流量 的关系。Sherwood-Hollowag 填充塔液膜传质系数与液相流 量关联式模型给出模型参数 的合适范围为 0.540.78，Stephens-Morris 总结圆盘塔中的 准数关系 时，给出对应的模型参数 的值为 0.7；但是本次实验给出 ，并不在建议范围之内。造成 =0.0788这一差别的原因有很多： 数据处理造成的误差。为了简化数据处理的过程，在计算过程中做了一些假设和近似，如近似认为塔底液相中 的实际浓度为 0，塔顶液相中 的实际浓度为 ；在求解 Sherwood-2 2 /Hollowag 关联式中的模型参数 时近似认为各物性参数没有变化，都会对计算结
17、果造成一定的影响。有时候还要考虑计算过程中数据有效数字位数的影响。 测量误差。测量 流量所使用的皂膜流量计和秒表都会带来可观的误差。流量计中使用的皂2液会对 产生一定的吸收效果，轻薄易变形的皂膜在下降过程中会受到外界环境的一些影响，造成2下降速度不稳定，流量计玻璃管内径也无法保证上下完全一致。使用秒表计时，人为操作造成的误差很明显，这其中包括开始计时和停止计时的人为判断和反应时间的差异，有时这种影响是比较显著的。转子流量计在调定水流量的时候也有很大的不确定因素，在操作过程中，水流量会出现一定的波动。本次实验中，我和同组同学分别负责计时和开关，所测得皂膜下降时间变化虽然具有正确的趋势（随流量增大
18、而下降速度提高，时间缩短） ，但整体均保持在 60s 左右，与助教测得的时间相比，相差很大。如，在最后一组（12L/h）中，我们测得平均下降时间为 53.27s，助教测得 16s 左右。但在整个实验中，我们每组的 3 个数据之间能保持相对稳定。由于实验结束经助教审查时才发现数据整体异常，求得的 m 参数也不在合理范围内。可能原因之一在于阀门调节程度不合适，有可能出现左右板阀门没有操作到位的情况；另外，在实验中途，当我们观察到流量计示数变化较明显、没能保持在设定值时，我们采取当即调节流量的措施，使得实验中液体流量出现明显波动，这可能是造成实验结果不准的另一原因。4 小结与自评通过本次实验，我和组
19、内同学一起达成了实验目的：通过助教讲解，我们回复了传质系数的测定方法；通过实验，测定了圆盘塔 吸收液膜传质系数，并关联了圆盘塔液膜传质系数与液流速率之29 / 9间的关系；参考 Sherwood-Hollowag 填充塔液膜传质系数与液相流量关联式模型，求出参数。虽然没有得到合理的实验数据，但通过撰写实验报告并对其可能原因进行分析，能更清=0.0788晰地认识每步操作及其所获取的数据的联系与意义，也得到相应的收获。在实验中，我们内组员之间不断进行讨论，共同认识、分析着所面对的新设备，相互答疑解惑，共同进步；通过实验，我们不仅收获了书本知识外的经验，也对采集有效的实验数据有了更加明确的认识；同时，看到实验室里数字化的设备，我也感到现在科研条件相比以前的简化和进步。最后，感谢老师们为建设优秀的化工实验基地所付出的辛勤劳动！5 指导教师批阅意见实验报告评分表实验预习 实验记录 结果及讨论 自评 总分实验原理10预习思考10实验现象10原始数据10计算举例15数据图表15结果讨论2010指导教师批阅意见教师签名 日 期
