内蒙古大学化学原理基础实验讲义15填料塔液侧传质膜系数的测定（B）

1、实验十五 填料塔液侧传质膜系数的测定（B）一、实验目的1通过采用水吸收二氧化碳实验，掌握填料塔的液侧传质膜系数，总传质系数和传质单元高度的测定方法。2学会用实验确立液侧传质膜系数与各相操作条件的关系。3加深对传质原理的理解。二、实验原理根据双膜模型的基本假设，气体和液侧的吸收质A的传质速率方程可表达为气膜GA=KgA(PA-PAi)(1)液膜GA=K1A(CAI-CA)(2)式中GAA组分的传质速率，KmolS-1;A两相接触面积，m2;气侧A组分的平均分压，Pa;PAj相界面上A组分的分压，Pa;CA侧A组分的平均浓度，Kmolm3;CAj相界面上A组分的浓度，Kmolm3;Kg气规分压表环

2、推动力的液侧传质膜系数，Kmolm3S-1Pa-1;K1以物质的量液浓度表示推动力的液侧传质膜系数，ms-1.以气相分压或以液乡相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程有可分别表达为GA=KGA(PA-)(3)GA=KLA(C-CA)(4)式中PA为液相中A组分的实际分压所要求的气相平衡分压，Pa;CA为气相中A组分的实际分压所要求的液相浓度，Kmolm3;Kg为以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为报相传质总系数，Kmolm-2s-1Pa-1;KL以液相浓度表示推动里的总传质系数，或简称为液相专质总系数，ms-1。若气液相平衡关系遵循亨利定律：CA=HPA,则(5)(6)当气膜阻力远大于

3、液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，KL=kg;反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际专质过程受液膜速率控制，此时KL=k1。如图2所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为计算系统，则有吸收A的物料横算可得：dGA=dCA(a)式中FL为液相摩尔流率，KmolS-1；L为液相摩尔密度，Kmolm-3。根据传质速率基本方程，可写出该微分段的专质速率方程：dGA=K1(C-CA)aSdh(b)联立（a）和（b）两式可得：dh=(c)式中a为气液两相接触的比表面积，m2m-3;S为填料塔的横截面积，m2。本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温压下溶解度较小，

4、因此，液相摩尔流率FL和摩尔密度L的比值，亦即液相体积流率（VS）L可视为定值，且设总传质系数kL和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分（c）式，可得填料层高度的计算公式：h=0CA=CA2h=hCA=CA1h=.(7)令HL=,且称HL为液相传质单元高度（HTU）;NL=,且称NL为液相传质单元数（NTU）。因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即h=HL(8)若气液平衡关系遵循亨利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：h=.(9)HL=(10)式中为液相平均推

5、动力，即=（11）因为本实验采用纯水吸收纯二氧化碳，则（12）二氧化碳的溶解度常数，H=Kmol.m-3.pa-1(13)式中为水的密度，kg.m-3.pa-1(14)又因本实验采用的物系有仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即k1a=kLa=(15)对于填料塔，液侧体积传质莫系数与主要影响因素之间的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式。其中，Sherwood-Holloway得出如下关联式：(16)式中DL吸收质在水中的扩散系数，m2.S-1;L液体质量流速，kg.m-2.s-1;

6、液体粘度，pa.s或kg.m-2.s-1；液体密度，kg.m-3。应该注意的是Sherwood-Holloway关联式中，(k)和(L/)两相没有特性长度，因此，该式也不是真正无因次准数关联式。该式中A,m和的具体数值，在需在一定条件下有实验求取。三.实验装置本实验是由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、高位稳压水槽和各种测量仪表组成。其流程如图3所示。二氧化碳钢瓶；2减压阀3二氧化碳流量计；4填料塔；5滴定计量球；6压差计；7水流量计；8高位水槽填料吸收塔采用直径为50mm的玻璃柱。柱内装置直径为5mm球形玻璃填料，填充高度为300mm。吸收质一纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进

7、入塔底。气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。吸收剂由高位稳压水槽，经调节阀和流量计，进入塔顶，再喷洒而下，吸收后溶液由塔底经形管排出。U形液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。四.实验方法及步骤实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否均已关严。然后，打开二氧化碳钢瓶上的针阀，将压力调止1Mpa；同时，向高位稳压水槽注水，直至溢流管有适量水溢流而出。实验操作可按如下步骤进行：1.缓慢开启进水调节阀，水量可在1050L.h-1范围内选取。一般在此范围内进取56个数据点。调节流量时一定要注意保持该位稳压水槽有适量溢流水流出，以保证水压稳定。2.缓慢开

8、启进气调节阀。二氧化碳流量一般控制在0.1m3.h-1左右为宜。当操作达到正常状态后。测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定塔底溶液中二氧化碳的含量。3.溶液中二氧化碳含量的测定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH)2溶液10ml，放入三角瓶中，并由塔底附设的计量管滴入塔底溶液20ml，在加入酚酞指示剂数滴，最后用0.1N盐酸滴定，直至其脱出红色的瞬时为止。由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：CA=kmol.m-3式中NHCL为标准盐酸溶液的当量浓度，VHel为实际滴定用量，即空白试验用量与滴定试样时用量之差，Ml；V为塔底溶液采样量，mL。六实验数据处理：1.测量并记录实验基本参数填料柱：柱体内径d=mm填料层厚度h=mm大气压力：Pa=MPa室温：Ta=试剂：Ba(OH)2溶液浓度NBa(OH)=用量VBa(OH)=ml盐酸浓度NHCL=2.测定并记录实验数据实验序号气相塔底气温，Tg.1/塔顶气温，Tg.2/塔底压强，p/mmH2OCO2含量，VS.g/m3.h-1液相塔底液温，TL.1/塔顶水温，TL.2/水的流量，VS.L/Lh-1塔底采样量