四川大學(xué)化學(xué)工程氣體吸收實驗.docx

吸收實驗學(xué)號： 2014141492186 姓名： 張錫坤 專業(yè)： 化學(xué)工程與工藝 班號： 143080308 實驗日期： 2016.10.19 實驗成績： 一、 實驗?zāi)康?、 觀察氣、液在填料塔內(nèi)的操作狀態(tài)，掌握吸收操作方法。2、 測定在不同噴淋量下，氣體通過填料層的壓降與氣速的關(guān)系曲線。3、 測定在填料塔內(nèi)用水吸收CO2的液相體積傳質(zhì)系數(shù)KXa。4、 對不同填料的填料塔進行性能測試比較。二、 實驗原理1、氣體吸收是運用混合氣體各組合在同一劑中的溶解度差異，通過氣、液充分接觸，溶解度較大的氣體組分較多地進入液相而與其他組分分離操作。氣體混合物以一定氣速通過填料塔內(nèi)的填料層時，與吸收溶劑液相接觸，進行物質(zhì)傳遞。氣、液兩相在吸收塔內(nèi)除了物質(zhì)傳遞外，其流動相互影響，還具有其自己的流體力學(xué)性質(zhì)。填料塔的流體力學(xué)性質(zhì)是吸收設(shè)備的重要參數(shù)，它包括了壓降和液泛規(guī)律。測定填料塔的流體力學(xué)性質(zhì)是為了計算填料塔所需動力消耗和確定填料塔的適宜操作范圍，選擇適宜的氣液負荷，也是確定最適宜操作氣速的依據(jù)。填料塔的流體力學(xué)性質(zhì)是以氣體通過填料層所產(chǎn)生的壓降來表示。該壓降在填料因子、填料層高度、液體噴淋密度一定的情況下隨氣體速度變化的而變化，其壓降與氣速的關(guān)系如圖3-1所示圖3-1填料塔壓降與空塔氣速的關(guān)系氣體通過干填料層時，其壓降與空氣塔速的函數(shù)關(guān)系在雙對數(shù)坐標上為一條直線，其斜率為1.82.0。當有液體噴淋，且氣體低速流過填料層時，壓降與氣速的關(guān)聯(lián)線幾乎與L=0的關(guān)聯(lián)線平行，隨著氣速的增加出載點B和B，填料層內(nèi)持液量增加，壓降與氣速的關(guān)聯(lián)線向上彎曲，斜率變大。當填料層持液量越積越多時，氣體的壓降幾乎是垂直上升，氣體以泡狀通過液體，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，P-u線出現(xiàn)一轉(zhuǎn)折點C(C)，稱此點為泛點。正常的操作范圍應(yīng)在載點與泛點氣速之間。在一定的噴淋下，通過改變氣體流量而測定填料層壓降，即可確定填料塔的流體力學(xué)特性。（2）反應(yīng)填料塔性能的主要參數(shù)之一是傳質(zhì)參數(shù)。影響傳質(zhì)系數(shù)的因素很多，對不同系統(tǒng)和不同設(shè)備傳質(zhì)系數(shù)各不相同，所以不可能有一個通用計算式計算傳質(zhì)系數(shù)。工程上往往用實驗來測定傳質(zhì)系數(shù)，作為放大設(shè)計吸收設(shè)備的依據(jù)。本實驗采用水吸收混合空氣中的CO2，常壓下CO2在水中溶解度比較小，用水吸收CO2的操作是液膜控制的吸收過程，所以在低濃度吸收時填料層高度的計算式為 （3-23）即 （3-24）當氣液平衡符合亨利定律時，上式可整理為 （3-25） （3-26） 式中：L吸收劑用量，kmol/h； 填料塔截面積，m2； Xm塔底、塔頂液相濃度差的對數(shù)平均值； H填料層高度，m； X1、X2分別為塔底、塔頂液相中的CO2比摩爾分率； X1*與塔底氣相濃度平衡時塔底液相中的CO2比摩爾分率； X2*與塔頂氣相濃度平衡時塔頂液相中的CO2比摩爾分率。對水吸收CO2空氣混合氣中CO2的體系，平衡關(guān)系服從亨利定律，平衡時氣相濃度與液相濃度的相平衡關(guān)系式近似為 （3-27）其中 （3-28） （3-29）式中：Y塔內(nèi)任一截面的氣相中CO2的濃度（比摩爾分率表示）； y塔內(nèi)任一截面的氣相中CO2的濃度（摩爾分率表示）； X*與氣相濃度平衡時的液相CO2濃度（比摩爾分率表示）； m相平衡常數(shù)； E亨利常數(shù)，MPa； P混合氣體總壓，近似為大氣壓，MPa；通過測定物性參數(shù)水溫和大氣壓，查取相關(guān)化工數(shù)據(jù)手冊確定亨利系數(shù)，只要同時測取CO2空氣混合氣進、出填料吸收塔的CO2含量（摩爾分率），即可獲得與氣相濃度平衡時的液相CO2濃度。因吸收劑是水，從塔頂噴淋到填料層上，所以塔頂液相中CO2濃度X2=0，塔底液相中的CO2濃度可由吸收填料衡算式求取，即 （3-30）因為X2=0，所以 （3-31）式中：V惰性空氣流量，Kmol/h； Y1、Y2分別為塔底、塔頂?shù)臍庀嘀蠧O2比摩爾分率。本實驗通過CO2分析儀測定塔底、塔頂?shù)臍庀嘀蠧O2摩爾分率，用轉(zhuǎn)子流量計測量CO2空氣混合體積用量，用渦輪流量計測取吸收劑水用量，由此即可測定液相體積傳質(zhì)系數(shù)。三、 實驗流程及設(shè)備（1） 實驗流程如圖3-2所示。圖3-2 吸收實驗流程空氣由風(fēng)機送出，經(jīng)緩沖罐28與鋼瓶提供的CO2氣體混合后，通過轉(zhuǎn)子流量計27計量后進入吸收塔底部。吸收劑水位由高位槽經(jīng)渦輪流量計計量后進入塔的頂部，通過噴追噴淋在填料層上，與上升的氣體逆流接觸，進行吸收傳質(zhì)，尾氣從塔頂排出，而吸收后的液體經(jīng)塔底液封裝置后排出。（2） 設(shè)備及儀表。填料塔：內(nèi)徑100mm、填料層高度1m；填料類型有環(huán)、不銹鋼規(guī)整填料。流量計：氣體轉(zhuǎn)子流量計：LZB-4、LZB-10，液體渦輪流量計LWGY25，孔板流量計。其他儀表儀器：巡檢儀F&B、CO2氣體分析儀CYES-II型、氣象色譜儀SC-200；壓差變送器CS208-51C-A2SC、CO2，鋼瓶。四、 實驗操作步驟（1）理清流程，熟悉測試儀表的使用。（2）確定要測定的填料塔7，全開氣體切換球1閥35和液體切換閥6；關(guān)閉其余填料塔的氣體、液體切換閥；全開空氣進口閥31及氣體切換閥29；啟動風(fēng)機，讓空氣進入填料塔底部。用空氣進口閥31調(diào)節(jié)空氣流量，流量從小到大，每調(diào)一次風(fēng)量，測定一次填料層壓降P，共采集7組到10組數(shù)據(jù)，由此可作出在干填料操作時，風(fēng)量與壓降的關(guān)系曲線。（3）通過調(diào)節(jié)閥4調(diào)節(jié)水量，維持噴淋量不變，用空氣進口閥31調(diào)節(jié)空氣流量，流量從小到大，每調(diào)一次風(fēng)量，測定一次填料層壓降P，共采集710組數(shù)據(jù)，由此可作出在濕填料操作時，風(fēng)量與壓降P的關(guān)系。在操作過程中，注意觀察液封裝置，以避免空氣從液封裝置流出。（4）通過調(diào)節(jié)閥4，改變?nèi)胨?，重?fù)操作3，可測定不同水量下風(fēng)量與壓降P變化曲線，完成氣、液在填料塔內(nèi)的流體力學(xué)性能測定。（5）開啟CO2鋼瓶閥23，調(diào)節(jié)減壓閥32，使CO2出口壓力維持在0.2MPa左右，通過CO2轉(zhuǎn)子流量計30計量后進入緩沖罐與空氣混合。關(guān)閉氣體切換閥29，讓空氣和CO2混合氣進入混合氣體轉(zhuǎn)子流量計27計量后，進入填料塔底部。（6）通過進口取樣點23取樣，用CO2分析儀分析其CO2含量，調(diào)節(jié)混合氣或者CO2轉(zhuǎn)子流量計上的旋鈕，改變CO2與空氣的混合比，實驗要求配置的混合氣中CO2體積百分比約為811%，并始終保持不變。（7）調(diào)節(jié)清水閥4，流量從小到大，需采集4到6組數(shù)據(jù)。每調(diào)節(jié)一次，穩(wěn)定35分鐘，記錄清水量、混合氣流量，用取樣筒在進塔取樣點23出塔取樣點26抽取混合氣體進行CO2分析，確定Y1和Y2，完成在填料塔內(nèi)液相體積傳質(zhì)系數(shù)的測定。注意水不能進入塔底的進氣管內(nèi)。（8）重復(fù)以上步驟（2）（7）可完成其余填料塔的實驗操作。（9）測定水溫和大氣壓。（10）所有的實驗數(shù)據(jù)記錄完成后，經(jīng)指導(dǎo)教師同意，關(guān)閉CO2液化剛氣瓶，停水，關(guān)閉風(fēng)機。（11）在實驗過程中，注意液化剛氣瓶的使用安全，未經(jīng)教師同意，學(xué)生不能亂動。五、 實驗數(shù)據(jù)記錄及整理填料塔：塔內(nèi)徑： 100mm ； 填料層高度： 1m ；水溫： 14.5 ； 大氣壓： 71.7 x 10mmHg=95.592KPa 氣體孔板流量計校正公式：渦輪流量計校正公式：（1）渦輪流量計L0=0m3/h，填料類型：拉西環(huán)圖 3-3（2）渦輪流量計L0=0.15m3/h，填料類型：拉西環(huán) 泛點：壓差=1070pa 壓降P=970Pa 圖 3-4由表3-4發(fā)現(xiàn)當氣體流量為0時壓降不為零，明顯不符合規(guī)律，后 面的壓降應(yīng)減去這一誤差作為修正。（3） 渦輪流量計L0=0.25m3/h，填料類型：拉西環(huán) 泛點：壓差=790，壓降P=850Pa圖 3-5 （4） CO2吸收數(shù)據(jù)記錄 圖 3-6六、 典型計算由圖3-3,3-4,3-5做風(fēng)量-壓降圖得圖3-7 圖 3-7實驗所得圖3-7基本符合圖3-1，說明實驗符合理論依據(jù)。對表3-6進行數(shù)據(jù)處理，以第一組數(shù)據(jù)為例：由求 CO2的相對摩爾分數(shù)。y1=9.21%，得Y1=10.14%，y2=6.423%，Y2=6.834%。由理想氣體狀態(tài)方程 ，在實驗條件下Vm=25.5L/mol惰氣體積流量為880-76=804L/h，換算為摩爾流量為V=804/25.5=0.035893mol/h。水摩爾流量，qv為水的體積流量。=998.2kg/m3由，計算X1*=Y1*P/E，查表得，20時CO2的E=1.24*105KPa, X1*=7.82*10-5，X2*=5.291*10-5，X1=5.2*10-5，X2=0。同理，依次求得: 圖 3-8由式 ， 得圖 3-9圖 3-10傳質(zhì)系數(shù)與水流量的關(guān)系為：七、 結(jié)果分析與討論1、 由圖3-7風(fēng)量壓降曲線可以看出，壓降隨著氣體和液體流速增大而增大。當液體流量L=0時，壓降與氣體流速程線性關(guān)系。由伯努利方程 可得：壓降P的關(guān)系式為：氣體重力引起的壓降可以忽略，阻力，本實驗氣體流速很小，可以視為層流處理，有，帶入上式可得：，可見壓降P與氣體流速程線性關(guān)系，與實驗結(jié)果相符。當液體流量L不為0時，壓降-流速關(guān)系在剛開始符合上述關(guān)系，在氣體流速增大到一定數(shù)值是，其壓降回驟然上升，這是因為氣體流速過大沖破了液膜，增大了流體阻力。泛點的物理含義即是空氣沖破液膜的臨界速度。在L=0.49時，由圖可得泛點約為0.3m/s，而實驗測得泛點為0.33m/s，說明該圖正確的反映了壓降與流速的關(guān)系。2、 在空氣-CO2吸收實驗中，CO2的溶解度很小，因此可以看做是液膜控制傳質(zhì)。實驗中，在保持氣速不變的情況下，增大流速，CO2的傳質(zhì)系數(shù)Ka也明顯增大。這是因為，液體流速增大時，湍流度增加，虛擬傳質(zhì)膜厚度h減小，由，DAB物質(zhì)種類有關(guān)，a不變，當h減小時，傳質(zhì)系數(shù)Ka增大。由圖3-10可以看出，實驗測定的傳質(zhì)系數(shù)隨液相流速增大而增大，符合理論。3、 在表3-4的測定時，氣體流量為0時，壓降顯示不為0，明顯不符合常理，應(yīng)視其為誤差，將曲線向下平移，以消除誤差影響。八、 實驗問答1、 分析影響傳質(zhì)系數(shù)的因素。答：溫度，溫度越高，二氧化碳溶解度越低，傳質(zhì)阻力增大，傳質(zhì)系數(shù)減小。壓強，壓強越大，二氧化碳溶解度增大，傳質(zhì)系數(shù)增大。氣液流速，流速越大，虛擬傳質(zhì)膜厚度越小，越有利于傳質(zhì)，傳質(zhì)系數(shù)增大。填料類型，比表面積a越大，傳質(zhì)系數(shù)越大。2、填料吸收塔底為什么有液封裝置？液封采用了什么原理？ 答：液封裝置是為了防止氣體外泄。 液封采用U形管，用液體封存，當一側(cè)氣壓增高時，另一側(cè)液柱升高，產(chǎn)生液壓差，從而抵消受到的壓強3、在填料塔的流體力學(xué)特性中，確定最佳操作空塔