1、实验四 吸收实验 实验目的1、熟悉填料塔的构造、吸收装置流程及其操作方法。2、掌握填料塔中用水吸收二氧化碳时液侧传质膜系数、总传质系数和传质单元高度的的测定。3、通过实验确定液侧传质膜系数与各项操作条件（气体空塔速度、喷啉密度）的关系。4、了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。二、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，所以气体吸收实验常选择 CO2作为溶质组分。 本实验采用水吸收空气中的 CO2组分。一般 CO2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的 CO2气体通入空气中混合以提高空气中的 CO2浓度，水中的 CO2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理
2、，并且此体系 CO2气体的解吸过程属于液膜控制。因此，本实验主要测定 Kxa和 HOL。1、计算公式填料层高度 Z为式中： L 液体通过塔截面的摩尔流量， kmol /m2s)；Kxa 以 X为推动力的液相总体积传质系数，kmol / (m3s)；HOL 液相总传质单元高度， m；NOL 液相总传质单元数，无因次。令：吸收因数 A=L/mG 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）测定填料层高度 Z和塔径 D；（ 3）测定塔顶和塔底气相组成 y1和 y2；（ 4）平衡关系。本实验的
3、平衡关系可写成 y = mx 式中： m 相平衡常数， m=E/P；E 亨利系数 ， E f(t)， Pa，根据液相温度由附录查得；P 总压， Pa，取 1atm。对清水而言， x2=0,由全塔物料衡算可得 x1 。三、实验装置装置流程1液体出口阀 2； 2风机； 3液体出口阀 1； 4气体出口阀； 5出塔气体取样口； 6 U型压差计； 7填料层； 8塔顶预分布器； 9进塔气体取样口； 10玻璃转子流量计（0.44m3/h）； 11混合气体进口阀 1； 12混合气体进口阀 2； 13孔板流量计； 14涡轮流量计； 15水箱； 16水泵本实验装置流程：由自来水源来的水送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填
4、料顶层。由风机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体混合罐，然后再进入塔底，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，整个实验过程看成是等温操 作。2主要设备（ 1）吸收塔：高效填料塔，塔径 100mm，塔内装有金属丝网波纹规整填料或 环散装填料，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：金属丝网波纹规整填料：型号JWB700Y ，规格 100100mm，比表面积 700m2/m3。
5、（ 3）转子流量计：（ 4）空气风机：型号：旋涡式气机（ 5）二氧化碳钢瓶；（ 6）气相色谱分析仪。 介质条 件常用流量 最小刻度 标 定介 质 标 定条件CO2 2L/min 0.2 L/min CO2 20 1.0133105Pa四、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）打开混合罐底部排空阀，排放掉空气混合贮罐中的冷凝水；（ 3）打开仪表电源开关及风机电源开关，进行仪表自检； （ 4）开启进水阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节玻璃转子流量计，使其流量稳定在某一实验值。（塔底液封控制：仔细调节液体出口阀的开
6、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）启动风机，打开 CO2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀； （ 6）仔细调节风机旁路阀门的开度（并调节 CO2调节转子流量计的流量，使其稳定在某一值；）建议气体流量 35 m3/h；液体流量 0.6-0.8 m3/h； CO2流量 2-3L/min。 （ 7）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温度、压差计、压力表上读取各温度、塔顶塔底压差读数，通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气体组成；（ 8）实验完毕，关闭 CO2钢瓶和转子流量计、水转子流量计、风机出口阀门，再关闭进水阀门，及风机电源开关，
7、（实验完成后我们一般先停止水的流量再停止气体的流量，这样做的目的是为了防止液体从进气口倒压破坏管路及仪器）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。五、实验报告1将原始数据列表。2在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。3列出实验结果与计算示例。六、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
8、利系数？2、传质系数的测定（ 1）传质系数的计算公式填料层高度的表示式 式中：对于低浓度气体的吸收，在 x-y坐标上所绘出的操作线近于直线。若在操作浓度范围内，平衡关系符合亨利定律，则平衡线亦为直线。在本实验的条件下，平衡线和操作线均可看作直线。如图十七所示。在此情况下对应于某一 x值的这两条直线的纵坐标值之差 y-ye与 x或 y亦成直线关系。令任一位置上的差值为 y， 浓端 ，稀端 。oEAB图十七 操作线与平衡线为直线操作线平衡线把积分结果代入 (4-1)式得：式（ 4-3）中的 a， 一般不等于填料的比表面 at,而应乘以填料的表面效率 ， 即：可根据最小润湿率分率由图 18查出：0
9、0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0图十八 最小润湿率分率（ 2）传质系数的测定方法从公式（ 4-3）可见，要测定 Ky值，应把公式右边各项分别求出。在本实验中， G、 y1由测定进气中的氨量和空气量求出； y2由尾气分析器测出；填料 h为已知值； a值用用上面介绍的方法求出； ye可用平衡关系式求出。下面介绍整理数据的步骤： 求空气流量标准状态的空气流量 V0由下式计算： 求氨气流量标准状态下氨气流量用下式计算 :若氨气中含纯氨为 98%,则纯氨在标准状态下的流量可用下式计算 : 计
10、算混合气体通过塔截面的摩尔流速 求进气浓度 :根据理想气体状态方程式 : 平衡关系式如果水溶液是小于 10%的稀溶液 ,平衡关系服从亨利定律,液相浓度用 x表示 ,平衡的气相浓度用 ye表示，则平衡关系式如下：表 4-1 氨的平衡溶解度kg(NH3)100kg(H2O)NH3的平衡分 压 （ mmHg)0 10 20 25 30 4010 25.1 41.8 69.6 110 1677.5 17.7 29.9 50.0 79.7 1205 11.2 19.9 31.7 51.0 76.54 16.1 24.9 40.1 60.83 11.3 18.2 23.5 29.6 452.5 15.0
11、19.4 24.4 (37.6)2 12.0 15.3 19.3 (30.6)1.6 12.6 15.3 (24.1)1.2 9.1 11.5 (18.3)1 7.1 (15.4)0.5 3.7括号内的数值为外值由式（ 4-11）可以计算出亨利系数。通常，资料中记载的是较浓的氨溶液的亨利系数，本实验中溶液的浓度较稀，氨的亨利系数有变化，亨利系数可根据稀溶液的平衡数据进行计算。例：求温度为 0 ， 液相氨浓度为 10kg(NH3)/100kg(H2O)时的亨利系数。解：根据上述条件，在表 4-1中查得氨的平衡分压 : Pe=25.1mmHg液相摩尔分率用上述的计算方法计算出稀溶液在不同温度下和一
12、定浓度范围内的亨利系数列表于 4-2kg(NH3)100kg(H2O)亨利系数（ atm）0 10 20 25 30 4010 0.345 0.575 0.957 1.512 2.297.5 0.316 0.535 0.894 1.43 2.155 0.293 0.500 0.829 1.33 2.004 0.522 0.807 1.30 1.973 0.483 0.778 1.00 1.27 1.922.5 0.765 0.989 1.24 1.922 0.763 0.973 1.23 1.951.6 0.945 1.21 1.901.2 0.950 1.20 1.911 0.927 1.930.5 0.844表 4-2 氨的亨利系数从表 4-2中可以看出，同一温度的亨利系数，在一定的浓度范围内变化不大，但不同的浓度范围有不同的数值。本实验浓度在 5%以内，取平均值得表 4-3的数据。表 4-3 液相浓度 5%以下的亨利系数与温度的关系温度 0 10 20 25 30 40H（ atm）0.293 0.502 0.778 0.947 1.250 1.938 求出塔液相浓度根据物料衡算得操作线方程式 :本实验中进塔为清水 :
