CO2吸收填料塔实验

实验八 二氧化碳吸收填料塔实验

一、实验目的

⒈ 了解填料吸收塔的结构和流体力学性能。

⒉ 学习填料塔的液膜传质膜系数、总传质系数的测定方法，加深对传质过程原理的理解。

二、实验内容

1．测定填料层压强降与操作气速的关系，确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速。 2．采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液膜传质膜系数和总传质系数。 三、实验原理

1．气体通过填料层的压强降

压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气液流量有关，不同喷淋量下的填料层的压强降ΔP 与气速u 的关系如图8-1所示：

图8-1 填料层的ΔP ～u 关系

当无液体喷淋即喷淋量L 0=0时，干填料的ΔP ～u 的关系是直线，如图中的直线0。当有一定的喷淋量时，ΔP ～u 的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将ΔP ～u 关系分为三个区段：恒持液量区、载液区与液泛区。

2．传质系数

填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛，实验研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数，尤为重要。

根据双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A 的传质速率方程可分别表达为

气膜 )(Ai A g A p p A k G -= （8－1） 液膜 )(A Ai l A C C A k G -= （8－2）

式中：

A G ——A 组分的传质速率，1

-⋅s kmoI ；

A ——两相接触面积，m 2；

A P ——气侧A 组分的平均分压，Pa ；

Ai P ——相界面上A 组分的平均分压，Pa ；

A C ——液侧A 组分的平均浓度，3-⋅m kmol Ai C ——相界面上A 组分的浓度3-⋅m kmol

k g ——以分压表达推动力的气侧传质膜系数，112---⋅⋅⋅Pa s m kmol ; k l ——以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，1-⋅s m 。 P 2

，F L

P A

P A +d P

P 1A 。1，F L

图8-2双膜模型的浓度分布图 图8-3 填料塔的物料衡算图

以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为

)(*-=A A G A p p A K G （8－3） )(A A L A C C A K G -=*

（8－4） 式中：*

A p ——液相中A 组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa ； *

A C ——气相中A 组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，3

-⋅m kmol ；

K G ——以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，

112---⋅⋅⋅Pa s m kmol ；

K L ——以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，1

-⋅s m 。

若气液相平衡关系遵循享利定律：A A Hp C =，则

l

g G HK k K 1

11+

= （8－5） l

g L k k H K 11+= （8－6） 当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式受气膜传质速率控制，此时，K G =k g ； 反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，K L =k l 。

如图8-3所示，在逆流接触的填料层内，任意载取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A 的物料衡算可得：

A L

L

A dC F dG ρ=

（a ）

式中：F L ——液相摩尔流率，1

-⋅s kmol ；

ρL ——液相摩尔密度，3

-⋅m kmol 。

根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程：

aSdh C C K dG A A L A )(-=*

（b ）

联立上两式可得：

A

A A L L L C C dC

aS K F dh -⋅=

*ρ （c ）

式中：a ——气液两相接触的比表面积， m 2·m -1；

S ——填料塔的横载面积，m 2。

本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小，因此，液相摩尔流率F L 和摩尔密度ρL 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K L 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=0 ， 2.A A C C = h=h ， 1A A C C =

⎰-⋅=*

12A A C C A

A A

L sL C C dC aS K V h （8－7） 令 aS

K V H L sL

L =

，且称H L 为液相传质单元高度（HTU ）； ⎰

-=*1

2A A C C A

A A

L C

C dC N ，且称N L 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=H L ×N L （8－8）

若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式为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：

Am

A A L sL C C C aS K V h ∆-⋅

=

2

1 （8－9） Am

A A L L C C C h

H h N ∆-=

=

/)(21 （8－10） 式中m A C .∆为液相平均推动力，即

1

122112212.21ln )()(A A A A

A A A A A A A A Am

C C C C C C C C C C In C C C -----==∆∆∆-∆=∆*

*

*

* （8－11） 因为本实验采用纯水吸收纯二氧化碳，则

Hp Hp C C C A A A A ====*

**21 （8－12）

二氧化碳的溶解度常数，

E

M H w

w

1⋅

=

ρ 1

3--⋅⋅Pa m koml （8－13） 式中：ρw ——水的密度， ;3

-⋅m kg

M w ——水的摩尔质量， 1

-⋅kmol kg ； E ——二氧化碳在水中的享利系数，Pa 。 因此，（11）式可简化为

1

1

ln A A A

A Am C C C C C -=

∆**

（8－14） 因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，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

Am

A A sL L l C C C hS V a K a k ∆-⋅

=

=2

1 （8－15）

四、实验流程及主要设备参数

本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、水槽、水泵、空气压缩机和各种测量仪表组成，其流程如图所示：