清华大学化工实验基础-圆盘塔吸收实验报告

1、化工基础实验报告实验名称 圆盘塔CO2吸收液膜传质系数测定 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 实验原理图1 圆盘塔CO2吸收实验流程1、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、CO2钢瓶 12、三通阀 13、琵琶型液封器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

2、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四十个相互垂直交叉的圆盘而成。每一圆盘的尺寸为直径d=14.3 mm，厚度=4.3 mm，平均液流周边数l=(2d2/4+d)/d，吸收面积F=40(2d2/4+d)。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总结的圆盘塔中KL的准数关联式相吻合。Sherwood和

3、Hollowag将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：KLD2g213=a4mD0.5式中： KLD2g213修正后的舍伍德准数Sh 4雷诺准数Re D施密特准数Sc m 模型参数，在0.780.54之间变化而Stephens-Morris总结圆盘塔中的KL准数关系为：KLD2g213=3.22×10-340.7D0.5 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

4、验气相采用纯CO2气体，液相采用蒸馏水，测定纯CO2H2O系统的液膜传质系数，并通过关联液膜传质系数与液流速率之间的关系，求得模型参数m值。基于双膜理论：NA=KGFpm1KL=HkG+1kLkG=DGpRTZGpBm当采用纯CO2气体时，因为pBm0，所以kG，即KL=kL。式中：kL液膜传质分系数，molhm2m3mol NACO2吸收速率，mol/h； F吸收表面积，m2； cm液相浓度的平均推动力，mol/m3。1.3 实验步骤及注意事项在圆盘塔CO2吸收液膜传质系数测定实验中，按如下步骤进行操作：（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

5、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固定长度（实为体积）的时间，计算出二氧化碳吸收液膜传质系数。（4）在416 L/h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。（5）利用公式KLD2g213=a4mD0.5，拟合出参数m的值。（6）使用CO2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。2 数据记录原始数据记录如表1所示。表1 圆盘塔CO2吸收实验原始数据记录表水流量（L/h）CO2体积（mL）下降时间（s）塔顶水温（）塔顶气温（）塔底水温（）塔底气温（）隔套温度（）424.0054.2121.723

6、.922.424.223.963.2265.78624.005821.623.922.424.423.961.1562.4824.0056.0621.72422.324.523.957.9857.311024.0056.321.72422.124.82454.3455.861224.0052.5821.724.122.224.924.152.4154.813 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（L/h）4681012皂膜平均下降时间（s）61.0760.5257.1255.5053.27下以水流量为4 L

7、/h实验组为例，进行数据处理：（1）计算纯CO2-H2O系统的液膜总传质系数KL根据双膜理论：NA=KLFcm，如果已知CO2吸收速率NA、圆盘塔吸收表面积F和液相浓度的平均推动力cm，就可以计算出液膜总传质系数KL的值：KL=NAFcm 计算CO2吸收速率NA由于，由此可以得到：nCO2=pVRT所以CO2吸收速率NA=nCO2t=pVRTtCO2被吸收时，皂膜近似匀速下降，皂膜内CO2的压力与实验气压相等，取实验前后气压值的平均数，即p=(100.38+100.37)/2 kPa=100375 Pa；实验过程中所计量的时长始终是皂膜流量计中皂膜从60.00 mL刻度下降到84.00 mL刻

8、度所经历的时长，故V=84.00-60.00 mL=2.400×10-5 m3；摩尔气体常数R=8.314 J/(molK)；温度T为皂膜流量计中CO2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4 L/h的情况，可以得到：NA=nCO2t=pVRTt=100375×2.400×10-58.314×(273.15+24.2)×37.85 mol/s=1.60×10-5 mol/s 计算圆盘塔吸收表面积F40个圆盘，每一圆盘的尺寸为直径d=14.3 mm，厚度=4.3 mm，为让最终计算结果能提供更多的信息，假设这两个尺寸都是

9、精确值。故圆盘塔的吸收表面积为：997.8F=40×2×d2/4+d 计算液相浓度的平均推动力cm对数平均推动力的表达式为：cm=ct-cblnctcb其中ct=ct*-ct为塔顶以液相浓度表示的传质推动力，cb=cb*-cb为塔底以液相浓度表示的传质推动力；ct、cb分别为塔顶和塔底的实际液相浓度，ct*、cb*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：ct=NAL=1.60×10-54×10-3/3600 mol/m3=14.4 mol/m3，cb=0CO2微溶于水，在水中的平衡浓度可以用亨利定律描述：c*=HpCO2

10、=EMS(p-pH2O*)其中为溶液的密度，由于溶液浓度低，可以视为纯水处理；MS为溶剂水的摩尔质量；E为CO2水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；pCO2为塔顶或塔底CO2的分压，pCO2=p-pH2O*，pH2O*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程得到。表3 CO2水溶液的亨利系数t/0510152025303540455060E/108Pa0.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46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：E/Pa=2

11、4141.86 (t/)2+3096613.39 t/+72829870.13水在060 时的安托因方程为：pH2O*/Pa=101325760×108.10765-1750.286t/+235所以对于水流量为4 L/h的情况，可以得到：ct*=EMSpCO2=997.81.51×108×0.018×100375-2965.4 mol/m3=36.0 mol/m3cb*=EMSpCO2=997.61.54×108×0.018×100375-3091.3 molm3=35.3 mol/m3ct=ct*-ct=36.0-14.4

12、 molm3=21.7 mol/m3cb=cb*-cb=35.3-0 molm3=35.3 mol/m3所以液相浓度的平均推动力为cm=ct-cblnctcb=27.9 mol/m3 综上，纯CO2-H2O系统的液膜总传质系数为KL=NAFcm=1.60×10-50.0206×27.9 ms=2.77×10-5 m/s当水流量取其他值时，液膜总传质系数KL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L下圆盘塔中的液膜总传质系数KL水流量（L/h）4681012NA（×10-5 mol/s）1.601.611.701.751.82cm（m

13、ol/m3）27.930.731.732.532.9液膜总传质系数KL（×10-5 m/s）2.772.552.612.612.69（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m值Sherwood与Hollowag将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：KLD2g213=a4mD0.5=a4LlmD0.5观察上式中的变量，除去需要关联的液膜总传质系数KL和液体流量L，剩下的都是物性参数（密度、粘度、扩散系数D）和设备参数（平均液流周边数l）以及重力加速度g和方程参数（方程系数a、幂指数m）。在本实验体系里，设备参数、重力加速度都是常数；Stephens-Morris总

14、结圆盘塔中的KL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：KL=ALmA为除KL和Lm以外的各常数的函数。在上式两边同取自然对数，可以得到：lnKL=mlnL+lnA其中lnA为函数lnKL-lnL的截距，是常数；我们所要求的模型参数m为函数的斜率，为求其值，只需在直角坐标系中作出lnKL-lnL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m的值。计算lnKL-lnL对应关系如表5所示。表5 lnKL-lnL对应关系（除去量纲

15、）lnL1.391.792.082.302.48lnKL-10.1-9.70-9.61-9.58-9.31图2 lnKL-lnL无量纲散点图及其拟合直线在直角坐标系中作出液相总传质系数KL-液相流量L的双对数无量纲散点图及其拟合直线如下：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3 lnKL-lnL无量纲散点图及其拟合直线（四组数据）拟合直线的表达式为：lnKL=0.0713lnL-10.7，相关系数r=0.951。所以通过实验确定的模型参数的值为m=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 lnK

16、L-lnL无量纲散点图及其拟合直线（三组数据）此时拟合直线的表达式为：lnKL=0.0788lnL-10.72，相关系数r=0.99992。通过这组拟合，实验确定的模型参数的值为m=0.788。3.2 结果分析（1）实验结论汇总 圆盘塔中CO2吸收液膜总传质系数KL与水流量L的关系：表6 不同水流量L下圆盘塔中的液膜总传质系数KL水流量（L/h）4681012液膜总传质系数KL（×10-5 m/s）2.772.552.612.612.69 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KLD2g213=a4LlmD0.5进行来描述，上表结果确定

17、该关联式中模型参数m的值为0.0788（舍去误差点）。（2）误差分析CO2吸收液膜总传质系数KL与水流量L的对应数值没有办法直接检验其合理性，但模型参数m可以间接反映出液膜总传质系数KL与水流量L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m的合适范围为0.540.78，Stephens-Morris总结圆盘塔中的KL准数关系时，给出对应的模型参数m的值为0.7；但是本次实验给出m=0.0788，并不在建议范围之内。造成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CO2的

18、实际浓度为0，塔顶液相中CO2的实际浓度为NA/L；在求解Sherwood-Hollowag关联式中的模型参数m时近似认为各物性参数没有变化，都会对计算结果造成一定的影响。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CO2流量所使用的皂膜流量计和秒表都会带来可观的误差。流量计中使用的皂液会对CO2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