吸收解析上交概要

1、 氧气吸收与解吸综合实验 班级：应化产 11301 序号： 07 姓名：李伟 一 实验目的 i熟悉填料塔的构造与操作，认识不同填料塔的特性； ii 观察填料塔流体力学状况，测定填料层压强降与操作气速的关系（ p/zu），确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速； iii 掌握总传质系数 Kxa 的测定方法并分析影响因素； iv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； v研究流体的流动对传质阻力的影响、吸收剂用量对传质系数的影响和传 质系数的影响和传质阻力较小侧流体的流量变化对吸收过程的影响， 学会吸收过 程的调节； vi学会氧气钢瓶减压阀的操作，测氧仪的标定及使用。 形成富氧

2、水 二 基本原理 本装置采用水作吸收剂， 纯氧作吸收质， 在吸收塔内并流吸收， 后，送入解吸塔顶，再用空气进行逆流 解吸，每个解吸塔均采用不同的填料。 实验需测定不同液量和气量下的解吸 总传质系数 K xa ，并进行关联，得到 K xa = ALaV b 的关联式，同时对各种不 同填料的传质效果及流体力学性能进 行比较。本实验引入了计算机在线数据 采集技术，加快了数据记录与处理的速 度。 （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，见图 5-2。在双对数坐标系中 p/ z对 u 作图得到一条斜率为 1.82的直线（图 5-2 中的 aa 线

3、）。而有喷 淋量时，在低气速时（ ci 点以前）压降也正比于气速的 1.82次 幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中 bici 段）。随气速增 加，出现载点（图中 ci 点），持液量开始增大。图中不难看出载 点的位置不是十分明确， 说明气液两相流动的相互影响开始出现。 压降气速 线向上弯曲，斜率变陡（图中 cidi 段）。当气体增至液泛点（图中 di 点，实验中 可以目测出）后，气速稍有增加，压降便急剧上升，此时液相完全转为连续相， 气相完全转为分散相， 塔内液体返混和气体的液沫夹带现象严重， 传质效果极差。 测定填料塔的压降和液泛气速是为了计算填料塔所需动力消耗和确定填料 塔的适宜操作范围

4、， 选择合适的气液负荷。 实验在各种喷淋量下， 逐步增大气速， 记录数据，直至出现液泛时为止。注意，不要使气速过分超过泛点，避免冲泡和 冲破填料。 （2）传质实验 在填料塔中， 两相传质在填料有效润湿表面上进行， 需要计算完成一定吸收 任务所需填料高度，其计算方法有：传质系数法、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 5-3。由于富氧水浓度很小，可认为气液 两相的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： GAK x aVp x m (5-1) Kxa GA / Vp x m

5、（5-2） GA L( x1 x2) （5-3） Vp Z （5-4） ( x1 xe1) (x 2 xe2) （5-5） xm x 1xe1 ln e x 2xe2 其中 xe1 y1 m ， xy2 ， x e2 m 式中 GA 单位时间内氧的解吸量， kmol/m 2 h； Kxa 液相体积总传质系数， kmol/m 3h x； 3 Vp 填料层体积， m3； xm 液相对数平均浓度差； x1液相进塔时的摩尔分率（塔顶） ； xe1 与出塔气相 y1 平衡的液相摩尔分率（塔顶） ； x2 液相出塔的摩尔分率（塔底） ； xe2 与进塔气相 y2平衡的液相摩尔分率（塔底） Z 填料层高度，

6、 m ； 塔截面积， m2； 2 L 解吸液流量， kmol/m 2h； 依据相平衡关系： m E（5-6） p 式中 m 相平衡常数； p 系统总压强， p =大气压 +1/2（填料层压差）， kPa； E亨利系数，氧气在不同温度下的 E可用式（ 5-7）求取： E （ 8.5694 10 5 t2 0.7714t 2.56） 106 kPa； （5-7） 式中 t溶液温度，。 空气的进、出塔气相浓度为 y1， y2 ；其中 y1 y2 0.21。相关的填料层高 度的基本计算式为： L x1 dx Z xH OL N OL 即 H OL Z / N OL（5-8） K x a x2 xe x

7、 其中 NOL x1 dx x1 x 2 H OL 2 xe x xm L Kxa 5-9) 5-10) m； 式中 H OL 以液相为推动力的传质单元高度， N OL 以液相为推动力的传质单元数。 由于氧气为难溶气体， 在水中的溶解度很小， 因此传质阻力几乎全部集中于 液膜中，即 Kx kx ，由于属液膜控制过程，所以要提高总传质系数 K xa，应增 大液相的湍动程度即增大喷淋量 在 y x 图中，解吸过程的操作线在平衡线下方，在实验中还是一条几乎平 行于横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小） 。 备注：本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分率而不用摩尔比，这是 因为在 y x 图中，平衡线

8、为直线，操作线也是直线，计算比较简单。 三 实验装置与流程 (1) 实验装置 氧吸收 -解吸 工艺实验装置流程，见图 5-4 (2) 实验流程 本实验装置流程：氧气由氧气钢瓶 V01 经减压阀进入氧气缓冲罐 V02，控 制缓冲罐压力 0.040.05MPa。为安全起见， 当缓冲罐压力达到 0.08MPa时，安全阀会自动 开启(需扣实验安全 10分)。调节氧气流量，经转子流量计计量，进入 T01 中。 自来水经阀门调节流量， 由水转子流量计计量后进入吸收塔 T01。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。 空气由风机 C01 供给，经空气缓冲罐 V03，由阀

9、门调节流量经转子流量计计量，通入解吸塔 底部，在塔内与塔顶喷淋的富氧水接触， 解吸富氧水， 解吸后的尾气从塔顶排出， 贫氧水从塔底经平衡罐排出。 由于本实验为低浓度气体的吸收， 所以热量交换可 忽略，整个实验过程看成是等温操作。 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 P11。为了测量填料层压降，解吸塔装有压 差计 P12。 在解吸塔入口设有入口采样阀， 用于采集入口水样， 出口水样在塔底排液平 衡罐上取样。 两水样液相氧浓度由 YSI-550A 型溶氧仪测得(YSI-550A 型溶氧仪的使用见 3.6 节)。 (3) 装置参数 吸收

10、-解吸实验主要设备及控制参数见表 5-1。 四 实验步骤与注意事项 (1) 流体力学性能测定 测定干填料压降 打开仪表电源开关及空气压缩机电源开关， 进行仪表 自检；先吹干塔内填料；改变空气流量，测定填料塔压降，测取68 组数据。 测定湿填料压降 测定前要进行预液泛， 使填料表面充分湿润； 固定水 在某一喷淋量下，改变气体流量，测定填料塔压降，测取810 组数据；改变水 喷淋量，再做两组数据，并比较。 注意：实验接近液泛时， 进塔气体的增加量不要过大， 否则泛点不容易找到。 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， 务必让各参数稳 定后再读数据， 液泛后填料层压降在几乎不变气

11、速下明显上升， 务必要掌握这个 特点。稍稍增加气量，再取 12 个点即可。注意不要使气速过分超过泛点，避免 冲破和冲跑填料。 同时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 i熟悉实验流程及弄清溶氧仪的结构、原理、使用方法及其注意事项。 ii 打开氧气钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀；注意氧气减压阀压力表 读数，使氧气缓冲罐内压力保持 0.040.05MPa，不要过高，并注意减压阀使用 方法。为防止水倒灌进入氧气转子流量计中， 开水前要关闭氧缓冲杯进氧阀， 或 先通入氧气后通水。 iii 传质实验操作条件选取：水喷淋密度取1015 m3 /m2 h ，空塔气速

12、 0.50.8m/s 氧气入塔流量为 0.30.8L/min ，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧 水浓度控制在 19.9uL/L。 iv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， 用溶氧仪分析其氧的含量。 V实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭减压阀 及氧缓冲杯调节阀。检查氧气、空气缓冲罐压力是否为零(放空) ，检查总电源、 总水阀及各管路阀门，确定安全后方可离开。 （3）注意事项 i转子流量计读数以转子最大截面处对应刻度为准； ii 转子流量计刻度校正如下： V2 V1 p1T2 p2T1 式子 V2使用状态下的空气流量； V1空气转自流量计示值，若用

13、孔板流量计，则为 V 2=26.2p0.54， m3/h； T1、p1标定状态下空气的温度和压强（ T1=293K ；p1=101.3kPa；为绝压， kPa）； T2、p2使用状态下空气的温度和压强。 iii 溶氧仪先标定，再测量； iv实验中测出质量浓度，需换算成摩尔分率再计算； 五 实验数据记录与处理 （1）.解吸塔流体力学性能实验数据与处理见下表 表 5-1 干填料状况下解析塔流体力学性能会实验数据记录与处理 干填料状况：解吸塔塔径 d=0.1m,Z=0.8m 数据记录 数据处理 Li/( l/h) 序 号 Vs,1 /(m3/h) 空气 温度 t2/ 空气 压力 p2/k Pa 全塔

14、压 降 p/kPa Vs,2 /(m 3/h) 空塔气 速 u/(m/s) p/z /(kPa/m 填料) lgu lg p/z 1 15 40.1 0.79 0.22 15.913 0.563 0.275 -0.2497 -0.5607 2 18 40.5 1.04 0.24 19.073 0.675 0.300 -0.1710 -0.5229 3 21 40.7 1.29 0.26 22.212 0.786 0.325 -0.1048 -0.4881 0 4 24 40.9 1.62 0.29 25.319 0.895 0.363 -0.0479 -0.4407 5 27 41.3 1.9

15、8 0.32 28.421 1.005 0.400 0.0022 -0.3979 6 30 41.5 2.49 0.36 31.444 1.112 0.450 0.0461 -0.3468 7 33 41.5 2.96 0.4 34.432 1.218 0.500 0.0856 -0.3010 8 36 41 3.57 0.45 37.285 1.319 0.563 0.1201 -0.2499 1 12 41.3 0.61 0.23 12.801 0.453 0.288 -0.3441 -0.5414 2 15 42 0.81 0.34 16.006 0.566 0.425 -0.2471

16、-0.3716 3 18 42.3 1.04 0.35 19.182 0.678 0.438 -0.1685 -0.3590 4 21 42.6 1.32 0.38 22.339 0.790 0.475 -0.1023 -0.3233 100 5 24 42.8 1.64 0.39 25.468 0.901 0.488 -0.0454 -0.3120 6 27 42.6 2 0.39 28.533 1.009 0.488 0.0040 -0.3120 7 30 42.6 2.48 0.38 31.557 1.116 0.475 0.0477 -0.3233 8 33 42.8 2.96 0.4

17、2 34.575 1.223 0.525 0.0874 -0.2798 9 36 42.3 3.57 0.53 37.439 1.324 0.663 0.1219 -0.1788 1 12 42.3 0.64 0.32 12.838 0.454 0.400 -0.3429 -0.3979 2 15 42.7 0.81 0.34 16.042 0.567 0.425 -0.2461 -0.3716 3 18 43.5 1.05 0.37 19.253 0.681 0.463 -0.1669 -0.3349 4 21 43.7 1.33 0.39 22.415 0.793 0.488 -0.100

18、9 -0.3120 150 5 24 44 1.64 0.42 25.564 0.904 0.525 -0.0438 -0.2798 6 27 44.3 2.02 0.42 28.681 1.014 0.525 0.0062 -0.2798 7 30 44.5 2.5 0.62 31.741 1.123 0.775 0.0502 -0.1107 8 33 44.3 2.99 0.66 34.729 1.228 0.825 0.0893 -0.0835 9 36 44 3.61 0.67 37.626 1.331 0.838 0.1241 -0.0770 1 12 42.7 0.62 0.35

19、12.857 0.455 0.438 -0.3422 -0.3590 2 15 43.4 0.81 0.36 16.077 0.569 0.450 -0.2452 -0.3468 3 18 44 1.04 0.38 19.286 0.682 0.475 -0.1662 -0.3233 4 21 44.4 1.33 0.39 22.465 0.795 0.488 -0.0999 -0.3120 200 5 24 44.7 1.65 0.49 25.618 0.906 0.613 -0.0428 -0.2129 6 27 45.2 2.05 0.59 28.754 1.017 0.738 0.00

20、73 -0.1322 7 30 45.3 2.48 0.66 31.827 1.126 0.825 0.0514 -0.0835 8 33 45.2 3.05 0.7 34.807 1.231 0.875 0.0903 -0.0580 9 36 44.7 3.54 0.71 37.735 1.335 0.888 0.1253 -0.0518 以干填料第五组数据为例： 由：V2 V1 PP1TT2 知： P2T1 3 V2=27(101.3(273.15+41.3)/(101.3+1.98)293)= 28.421m3/h 22 = 0.05 =0.00785 m 空塔气速： V u= =28.

21、421/(3.141590.05 0.053600)=1.005 m/s P/Z=0.32/0.8=0.4 lgu=lg1.005=0.0022 lg p/z=lg0.4=-0.3979 (2)解吸塔流体力学性能实验关系曲线图 a. 不同空塔气速 u 与单位填料高度压降 p/z关系图如下 图 5-5 up/z 关系曲线图 b. 不同空塔气速 u 与单位填料高度压降 p/z 双对数关系图如下 图 5-6 lg p/zlgu 的关系曲线图 由图 5-5和 5-6可看出，对于干物料来说：气速与压降呈线性关系；对于干 物料和湿物料来说：气速越大，压降越大；对于湿物料来说：相同的压降下，喷 淋量大的操作

22、状态下的气速小。 (3) .传质实验数据记录与处理 表 5-5 解析塔传质实验数据记录 O?气速 =0.4m/s 序号 水流量 L/(L/h) 空气流量 /(m 3/h) 全塔压降 kPa 空气压力 /kPa 富氧水 w1 贫氧水 w2 水温 t 水/ 1 100 18 0.34 1.07 12.86 8.16 15.9 2 100 24 0.39 1.67 12.96 8.14 16.2 3 100 27 0.42 2.14 13.32 8.29 16.3 4 100 30 0.45 2.48 13.60 8.24 16.3 5 100 33 0.45 3.02 14.29 8.67 16.

23、3 6 100 36 0.47 3.60 14.37 8.40 16.4 1 200 15 0.33 0.78 12.05 8.67 16.1 2 200 18 0.35 1.09 12.11 8.50 16.0 3 200 21 0.39 1.39 12.03 8.47 16.1 4 200 24 0.41 1.65 12.15 8.46 16.1 5 200 27 0.44 2.09 12.20 8.38 16.0 6 200 30 0.46 2.54 12.27 8.31 16.2 表 5-6 解析塔传质实验数据处理 序 号 P/kPa m x1 x2 xe1和 xe2 xm GA Kx

24、a/ kmol/m 3/h HOL/ m E 1 101.4 145855 4.59E- 7.23E- 1.44E- 4.34E- 1.47E- 539.48 1.31 1480359 95 .42 06 06 06 06 05 5.70 2 101.5 148090 4.58E- 7.29E- 1.42E- 4.38E- 1.51E- 548.38 1.29 1503419 2 .92 06 06 06 06 05 0.47 3 101.5 148826 4.66E- 7.49E- 1.41E- 4.52E- 1.57E- 554.18 1.28 1511105 35 .04 06 06 0

25、6 06 05 1.96 4 101.5 148804 4.63E- 7.65E- 1.41E- 4.57E- 1.68E- 584.54 1.21 1511105 5 .06 06 06 06 06 05 1.96 5 101.5 148804 4.88E- 8.04E- 1.41E- 4.88E- 1.76E- 573.92 1.23 1511105 5 .06 06 06 06 06 05 1.96 6 101.5 149546 4.72E- 8.08E- 1.40E- 4.81E- 1.87E- 618.64 1.14 1518791 6 .2 06 06 06 06 05 1.74

26、1 101.4 147377 4.88E- 6.78E- 1.42E- 4.33E- 2.94E- 1079.3 0.66 1495732 9 .35 06 06 06 06 05 3 7.26 2 146605 4.78E- 6.81E- 1.43E- 4.28E- 3.01E- 1119.5 0.63 1488046 101.5 .54 06 06 06 06 05 6 2.34 3 101.5 147333 4.76E- 6.77E- 1.43E- 4.26E- 3.14E- 1174.3 0.60 1495732 2 .8 06 06 06 06 05 9 7.26 4 101.5 1

27、47319 4.76E- 6.83E- 1.43E- 4.29E- 3.35E- 1243.9 0.57 1495732 3 .29 06 06 06 06 05 9 7.26 5 101.5 146540 4.71E- 6.86E- 1.43E- 4.27E- 3.51E- 1311.1 0.54 1488046 45 .57 06 06 06 06 05 9 2.34 6 101.5 148039 4.67E- 6.90E- 1.42E- 4.27E- 3.73E- 1390.2 0.51 1503419 55 .88 06 06 06 06 05 4 0.47 以第一组数据计算为例： 填

28、料层体积： 23 VP 3.14 0.052 0.8 0.052 0.8 6.28 10 3 L=100*10 （-3） *1000/18=5.56 GA L（x2 x1） 1.47E 05 E=（-8.5694*10 （-5）*15.92+0.7714*15.9+2.56 ） *106=14803595.70 kpa P=大气压 +1/2（填料层压差） =101.325+0.34/2=101.50kpa M=E/P=14803596 /101.50=145855.42 y10.21 m 145855.42 1.44 10-6 xe2 y20.21 m 145855.42 1.44 10-6

29、x1(w210 3 32)(w210 3 32 1000 /18)4.59E 06 x2(w110 3 32)(w110 3 32 1000 /18)7.23E 06 (6.61 106 5.63 10 6) ln 6 6 (8.81 10 6 5.63 10 6) ln x1 xe1 x2 xe2 (x1 xe1) (x2 xe2) (6.61 106 5.63 106) (8.81 106 5.63 106) 4.34E 06 4.34E 06 GA L(x2 x1) 1.47E 05 Kxa GA /Vp xm 539.48 5.56 HOL K xa539.48 0.00785 1.3

30、1 (4) 、结果讨论及误差分析 填料塔流体力学特性 a.从图上可以看出，随着气速的增大，单位高度的塔中的压降变化都随着气 速的增大而变大；其中空塔的变化规律近似为一条斜率不变的直线而在湿塔中， 在某一气速范围内， 其变化规律也成线性增大变化， 但随着气速的增大， 变化斜 率越来越大。在同一气速下， 湿塔的压降大于干塔的压降， 而且在气速较低的时 候，两者变化速率相差不大， 当气速进一步增大时， 湿塔的变化明显比干塔快了 很多。湿物料的操作图不是很理想， 可能是因为我们没有找到泛点， 所以控制范 围可能不好。 b.由于有液体的缘故，使得阻力增大，从而造成湿塔压降比干塔压降大，在 气速很小时，湿塔和干塔的变化速率相同， 因为气体很少时， 在一定范围内二者 互不干扰彼此流动， 因而在湿塔中的气速较小段， 会呈现与干塔时候相同的变化 速率，当气速进一步增大的时候， 气液相互干扰加强， 气体对液体的流动有了一 定的阻碍作用从而是的变化速率加快， 当进一步增大气速时， 发生汽泛现象， 使 得液体不能流下，从而使得阻力显著提高， 从而使得单位高度的压降明显的上升。 c. 由 2 可以推测，如果增大流体流量，其单位高度的压降也会上升。 气速很小时，气液接触较少，不利于传质的进行，从经济的方面考虑，在工 业上应该避免此种情况的发生， 当发生液泛时， 压降对气体的波动很敏感