吸收实验组讲义

吸收实验组

1．氧吸收/解吸系数测定

2．圆盘塔CO2吸收液膜传质系数测定3．VOC吸收

清华大学

化工实验教学中心

2010.12

一、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； 4、掌握VOC 吸收过程传质系数的测定方法。

二、实验原理

1．氧吸收/解吸系数测定

1) 吸收速率

吸收是气、液相际传质过程，所以吸收速率可用气相内、液相内或两相间传质速率表示。在连续吸收操作中，这三种传质速率表达式计算结果相同。对于低浓度气体混合物单组分物理吸收过程，计算公式如下。

气相内传质的吸收速率：

)(i y A y y F k N -=

液相内传质的吸收速率：

)(x x F k N i x A -=

气、液相相际传质的吸收速率：

)()(**x x F K y y F K N x y A -=-=

式中：y ，y i ——气相主体和气相界面处的溶质摩尔分数；

x ，x i ——液相主体和液相界面处的溶质摩尔分数； x *，y *——与x 和y 呈平衡的液相和气相摩尔分数；

k x ，K x ——以液相摩尔分数差为推动力的液相分传质系数和总传质系数； k y ，K y ——以气相摩尔分数差为推动力的气相分传质系数和总传质系数； F ——传质面积，m 2。

对于难溶气体的吸收过程，称为液膜控制，常用液相摩尔分数差和液相传质系数表达吸收速率式。

对于易溶气体的吸收过程，称为气膜控制，常用气相摩尔分数差和气相传质系数表达吸收速率式。

本实验为一解吸过程，将空气和富氧水接触，因富氧水中氧浓度高于同空气处于平衡的水中氧浓度，富氧水中的氧向空气中扩散。解吸是吸收的逆过程，传质方向与吸收相反，其原理和计算方法与吸收类似。但是传质速率方程中的气相推动力

要从吸收时的(y －y *)改为解吸时的(y *－y )，液相推动力要从吸收时的(x *

－x )改为

解吸时的(x －x *

)。

2) 吸收系数和传质单元高度

吸收系数和传质单元高度是反映吸收过程传质动力学特性的参数，是吸收塔设计计算的必需数据。其数值大小主要受物系的性质、操作条件和传质设备结构形式及参数三方面的影响。由于影响因素复杂，至今尚无通用的计算方法，一般都是通过实验测定。

本实验计算填料解吸塔的体积传质系数K x a (kmol/(m 3

·h))的公式如下：

)ln(//)(*

2*

121x

x x x Z F

L x ZF x x L x V N a K m

m x --=?-=?=

式中：N ——传质速率，kmol/h ；

x 1，x 2——进、出设备的水中氧的摩尔分数； V ——传质体积，m 3； F ——塔截面积，m 2； Z ——填料层高度，m ； L ——水的流量，kmol/h 。

)ln()

()(*

2

2*

11*

22*11x x x x x x x x x m -----=?

x 1*，x 2*——在设备进、出口温度下，与空气中氧呈平衡的水中氧的摩尔分数。

因为氧在水中的溶解度极小，其解吸量也极小，故空气中氧的组成经解吸塔后

变化极小，可以认为出、入口气体中氧浓度近似相等，即x 1*＝x 2*

。

解吸和吸收操作常常联合使用，吸收了溶质的富液经过解吸而再生，恢复其吸收能力循环使用。如果解吸效果不好，吸收剂中吸收了的溶质解吸不干净，将会直接影响吸收效果，所以说解吸操作说吸收操作的重要环节。 2．圆盘塔CO 2吸收液膜传质系数测定

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K L 的准数关联式相吻合。

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。

Sherwood 及Hollowag ，将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：

5

.03

122

4???

? ??????? ??Γ?=???

? ?

?D a g D

K m L ρμμρμ

式中 3

122

???

?

??ρ

μg D K L ── 修正后的修伍德准数Sh

μ

Γ

4

── 雷诺准数Re

D

ρμ

── 许密特准数Sc

m

── 模型参数，在0.78~0.54之间变化

而Stephens-Morris 总结圆盘塔中K L 的准数关系式为

5

.07

.033

12241022.3???

? ???

??

?

??Γ?=???

? ??-D g D

K L

ρμμρμ

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。

本实验气相采用纯CO 2气体，液相采用蒸馏水，测定纯CO 2－H 2O 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：

m G m L A p F K c F K N ???=???=

L g L k k H K 11+=

()m

B G G g p RTZ p

D k ?=

当采用纯CO 2气体时，因为()0→m B p ，所以∞→g k ，即L L k K =。

式中 L k ── 液膜传质分系数，???

?

???mol m hm mol 32

A N ── CO 2吸收速度，（mol/h);

F ──吸收表面积，（m2);

c ──液相浓度的平均推动力，（mol/m3)。

m

三、实验装置与流程

1．氧吸收/解吸装置

排

图2、氧吸收/解吸实验流程

1、氧气钢瓶

2、减压阀

3、氧气缓冲罐

4、氧气流量计

5、水缓冲罐

6、水流量调节阀

7、水流量计

8、涡轮流量计

9、氧气吸收柱 10、风机 11、空气缓冲罐

12、空气流量调节阀 13、空气流量计 14、计前压差计 15、全塔压差计 16、孔板流量计17、富氧水取样口 18、氧气解吸塔 19、贫氧水取样口

装置中的有关尺寸：

解吸塔径：0.10m，填料高：0.75m；吸收柱直径：0.032m。

2、圆盘塔CO2吸收装置

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、CO 2钢瓶 12、三通阀 13、琵琶型液封器

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m m 3.14d =，厚度m m 3.4=δ，平均液流周边数

()d d l δππ+=422，吸收面积()

δππd d F +?=42402

四、操作注意事项

1． 使用氧气瓶、CO 2钢瓶务必遵守相关安全操作规定。 2． 富氧水的浓度要控制在合理范围内。

3． 使用溶氧仪时要小心操作，以保证测量精度及防止损坏探头。 4． 通入氧气时要防止水倒灌进入氧气转子流量计中。 5． 不得急速开关阀门，以防损坏设备。

1．思考题

(1) 为什么氧解吸过程属于液膜传质阻力控制？

(2) 用于计算吸收操作与解吸操作求理论板数时的方法有何异同点？

(3) 将本实验的氧解吸过程画在y－x图上，表示出平衡线与操作线的关系。

(4) 氧气瓶开启时应注意什么？停止使用时如何操作？

(5) 归纳传质过程强化的基本思路和措施。

(6) 为什么引入体积传质系数K x a？其物理意义是什么？