氧解吸实验报告 - 副本

北京化工大学 化工原理实验告实验名称：氧解吸实验班级：化工1208姓名：唐福学号：2012011243同组人：韩先尧·黄永强·谢白明氧解吸实验一、实验目的熟悉填料塔的构造与操作。观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。掌握液相体积总传质系数Kxa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。二、实验原理本装置先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作），送入解吸塔顶再用空气进行解吸，实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数Kxa，并进行关联，得到Kx1、填料塔流体力学特性x1yx1y1y2x22、传质实验填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。在填料塔中，两相传质主要是在填料有效湿表面上进行，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。图2富氧水解析实验本实验是对富氧水进行解吸，如右图所示。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，操作线也是直线，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式为：图2富氧水解析实验G即K式中

∆xmGV相关填料层高度的基本计算式为：Z=H式中，NH式中：GA—单位时间内氧的解吸量，[kmol/h]；Kxa—总体积传质系数，[kmol/m3hΔx]；VP—填料层体积，[m3]Δxm—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，[m]；Ω—塔截面积，[m2]；L—解吸液流量，[kmol/h]；HOL—以液相为推动力的传质单元高度，[m]；NOL—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Kxa，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，本实验中还是一条平行于横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小）。本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分数而不是摩尔比，这是因为在y-x图中，平衡线为直线，操作线也为直线，计算比较简单。四、装置和流程设备参数：基本数据：解吸塔径Φ=0.10m，吸收塔径Φ=0.032m，填料层高0.8m；填料参数：金属波纹丝网，CY型，at=700m-1，ε=0.85m3/m3;实验流程图：下图是氧气吸收解吸装置流程图。氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀2进入氧气缓冲罐4，稳压在0.04～0.05[Mpa],为确保安全，缓冲罐上装有安全阀6，由阀7调节氧气流量，并经转子流量计8计量，进入吸收塔9中，自来水经调节阀10，由转子流量计17计量后进入吸收柱，气体与水并流吸收。含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。空气由风机13供给，经缓冲罐14，由阀16调节流量经转子流量计17计量，通入解吸塔底部，在塔内与塔顶喷淋的富氧水进行接触，解吸富氧水，解吸后的尾气由塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐19排出。由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均装有表压计和温度计。空气流量计前装有计前表压计23。为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计22。在解吸塔入口设有入口富氧水取样阀12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上贫氧水取样阀20取样。两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。图3：氧解吸装置流程图1、氧气钢瓶9、吸收塔17、空气转子流量计2、氧减压阀10、水流量调节阀18、解吸塔3、氧压力表11、水转子流量计19、液位平衡罐4、氧缓冲罐12、富氧水取样阀20、贫氧水取样阀5、氧压力表13、风机21、温度计6、安全阀14、空气缓冲罐22、压差计7、氧气流量调节阀15、温度计23、流量计前表压计8、氧转子流量计16、空气流量调节阀24、防水倒灌阀五、实验操作1．流体力学性能测定(1)测定干填料压降a.塔内填料务必事先吹干。b.改变空气流量，测定填料塔压降，测取6~8组数据。(2)测定湿填料压降a.测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。b.固定水在某一喷淋量下，改变空气流量，测定填料塔压降，测取8~10组数据。c.实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减小，否则图中泛点不容易找到。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，气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍稍增加气量，再取一两个点即可。注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。(3)注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。2．传质实验(1)氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.04～0.05[Mpa]，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，开水前要关闭防倒灌阀24，或先通入氧气后通水。(2)传质实验操作条件选取水喷淋密度取10～15[m3/m2h]，空塔气速0.5～0.8[m/s]，氧气入塔流量为0.01~0.02[m3/h]，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在不大于19.9[mg/l]。(3)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，用测氧仪分析各自氧的含量。(4)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2及调节阀8。检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。六、实验数据处理eq\o\ac(○,1)计算并确定干填料及一定喷淋量下的湿填料在不同空塔气速u下，与其相应的单位填料高度压降Δp/Z的关系曲线，并在双对数坐标系中作图，找出泛点与载点。表1：干塔数据：转子流量计：空气，20，101325pa序号空气流量V1（m3/h）温度T2（K）空气表压P(Pa)全塔压降△P(Pa)△P/Z(Pa/m)实际空气流量V2(m3/h)空气流速u(m/s)lguLg（Δp/Z）137.2306.154630710946.737.181.3150.12.976197234.5306.753940610813.334.621.2250.12.910269332.0306.853390530706.732.201.1400.12.849215429.5306.952880450600.029.771.0530.02.778151525.8307.052240360480.026.120.9240.02.681241622.5307.051760280373.322.830.808-0.12.572097719.0307.11290210280.019.320.684-0.22.447158815.5306.95920150200.015.790.559-0.32.30103911.5306.7560090120.011.730.415-0.42.079181107.5306.453605066.77.650.271-0.61.823909表2：湿塔数据：转子流量计：空气，20，101325pa；水流量150L/h。序号空气流量V1(m3/h)温度T2(K)空气表压P1(Pa)全塔压降△P(Pa)△P/Z（Pa/m）实际空气流量V2(m3/h)空气流速u(m/s)lguLg（Δp/Z）119.9308.051480320426.6720.2520.717-0.12.630089222.0308.551800390520.0022.3730.792-0.12.716003324.0309.052100450600.0024.3910.863-0.12.778151426.0309.451430560746.6726.5260.9390.02.873127528.0309.751790710946.6728.5311.0100.02.976197630.0310.153200740986.6730.3811.0750.02.99417732.0310.7536407701026.6732.3701.1450.13.011429834.0311.1541609001200.0034.3301.2150.13.079181936.0311.85471011201493.3336.2961.2840.13.1741571036.5312.05495011601546.6736.7711.3010.13.1893971137.8312.65537015302040.0038.0421.3460.13.309631237.2312.75565018602480.0037.3951.3230.13.394452以干塔数据中第一组为例，说明计算过程：实际空气流量V空气流速u=单位高度压降Δ湿塔的计算过程与干塔一致，不再赘述。2.计算实验条件下（一定喷淋量、一定空塔气速）的液相体积总传质系数Kxa及液相总传质单元数HOL。表3：氧解吸操作数据：气相氧含量（摩尔分数）y1=y2=0.21序号空气流量(L/h)空气流量(m3/h)空气温度T1(℃)空气表压P(Pa)全塔压降△P(Pa)贫氧水氧含量x1（mg/L）富氧水氧含量x2（mg/L）含氧水温度T2(℃)贫氧水温度T2(℃)11508.318333308.0514804509.981924.523.921508.318333308.05148045010.218.624.823.9序号平均温度T(℃)EKPaP总KPamxe1(xe2)X1X2ΔxmGA(kmol/h)Kxa(kmol/m3h)HOL(m)124.24376602.17101.5543098.004.87E-065.624E-061.071E-052.483E-064.228E-052.892E+033.664E-01224.354387549.10101.5543205.804.86E-065.748E-061.048E-052.552E-063.938E-052.457E+034.313E-01以第一组数据为例，计算过程如下：对于解析塔：温度为24.2℃时，E=系统总压差P=101325+0.5相平衡常数m=贫氧水中含氧的摩尔分数x1富氧水中含氧的摩尔分数x2液相平衡摩尔分数x对数平均浓度差∆水流量L=单位时间氧解析量G液相体积总传质系数K塔的截面积Ω液相总传质单元高度H

七、实验结果作图及分析：1.流体力学性能测定做填料层压降-空塔气速关系的示意图，如下图所示。(图中压强单位为KPa).图4：干塔与湿塔填料层压降对比图载点与泛点的位置：如图6所示：水流量为150L/h时，载点为(1.010,0.9)，泛点为图中的点(1.284,1.5)。2.传质实验：液相体积总传质系数Kxa和液相总传质单元高度HOL计算结果如下表4：不同气、液量下的Kxa、HOL序号L(L/h)G(m3/h)Kxa(kmol/(m3h))HOL(m)1150202.892E+033.664E-012150202.457E+034.313E-01八、结果讨论及误差分析：结果讨论：1.流体力学性能测定（1）无液体喷淋时如图4所示，在双对数坐标下，干塔压降与气速呈线性关系。（2）当有喷淋量时（喷淋量为150L/h），在低气速下也与气速呈线性关系。随气速的增加，出现载点，持液量开始增大，压降-气速线向上弯，斜率变陡。到液泛点后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。（3）将干塔、湿塔填料塔压降与气速关系进行对比，见图4，可以看出，有液体喷淋时，填料层压降均大于同一气速下的干塔压降。2.传质实验由表4中数据可以看出，在氧气~水系统中，液相体积总传质系数Kxa与液量正相关，而与气量基本无关。这是由于氧气极难溶于水，因而本系统是液膜控制系统，Kxa近似等于kxa，而kxa∝L0.7~0.8，故液相体积总传质系数Kxa仅与液量有关，与气量无关。误差分析：系统误差，转子流量计在计量空气流速时不够稳定，装置整体气密性不够理想，造成流体流动时对整体系统带来的波动影响。主观误差，人为读取压差计及转子流量计时存在主观误差。其他误差，由于氧气浓度测量仪与实验装置数量不匹配，导致在实验后期不能够在得到待测液后一分钟内得以测量，实验室环境含氧量及温度在此期间对烧杯内待测液有所影响，导致最终温度及含氧量的测定存在误差。九、思考题1.阐述干填料压降线和湿填料压降线的特征.答：气体通过干填料时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致，因此在对数坐标纸上作关系曲线，表现为一直线，斜率为1.8~2次幂。当有喷淋量时，也即奇特通过湿填料塔时，在低流速下（c点以前）压降也正在于气速的1.8～2次幂，但大于同一气速下干填料的压降。随气速增加，出现载点，出现载点（c点），持液量增大，线向上弯曲，斜率变陡，到达泡点（d点）后，在几乎不变的气速下，压降持续增大，出现液泛。5.为什么易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制过程？答：根据双膜模型导出的结果可知总传质