二氧化碳吸收实验Word格式.docx
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ΔCAM---塔顶、塔底的平均传质推动力,Kmol.m-3
传质系数是决定吸收过程速率高低的重要参数,是吸收塔设计和操作参数确定的基础,而实验测定是获取传质系数的根本途径。
对于相同的物系,传质系数的大小取决于塔设备结构(包括塔类型、填料的类型与尺寸等)、操作条件及气液接触状况等。
若单位体积内气液两相所具有的有效传质面积为a(m2.m-3),则
(2)
h---填料层的高度(填料塔)或液层高度(板式塔);
S---塔的横截面积。
代入
(1)式,得
(3)
由于单位体积的有效传质面积a随塔内的持液量而变化,即随吸收剂流量大小而变化,液相总传质系数KL也随吸收剂流量而变化,因此,工程上将两者合并成一个物理量KLa,称为液相体积总传质系数,此即本实验所要测定的传质系数。
因此
(4)
在一定的操作条件下,对全塔进行物料衡算,可得吸收操作的传质速率
(5)
VL---液相的体积流量;
CA1---从塔底离开的溶液中吸收质A的浓度,Kmol.m-3;
CA2---塔顶进入的吸收剂中吸收质A的浓度,Kmol.m-3;
因此液相体积传质总系数
(6)
本实验采用水吸收二氧化碳体系,由于二氧化碳在常温下溶解度较小,因此液相体积流量VL可视为定值。
液相平均传质推动力
(7)
水-二氧化碳体系的溶解相平衡关系可采用亨利定律表示,故
二氧化碳的溶解度常数:
Kmol.m-3.Pa-1(8)
式中:
---水的密度,Kg.m-3;
ML---水的摩尔质量,Kg.Kmol-1;
E---亨利系数,Pa。
因此,(7)式可以简化为
(9)
代入
(10)
液相传质单元高度
(11)
由于本实验采用的水吸收CO2体系,整个传质过程的阻力都集中于液膜,气膜阻力可忽略不计,则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数,即
(12)
(三)实验装置
1.设备主要参数:
填料塔:
玻璃管内径D=0.050m;
内装φ10×
10mm瓷拉西环;
吸收塔填料层高度Z=0.83m;
解析塔填料层高度Z=0.80m;
风机:
XGB-12型,550W;
二氧化碳钢瓶1;
减压阀1个(用户自备)。
2.流量测量仪表:
CO2转子流量计:
型号LZB-6;
流量范围0.06~0.6m3/h;
精度2.5%;
空气转子流量计:
型号LZB-10;
流量范围0.25~2.5m3/h;
精度2.5%;
水转子流量计:
型号LZB-10;
流量范围16~160L/h;
解吸收塔水转子流量计:
型号LZB-6流量范围6~60L/h精度2.5%。
3.浓度测量:
吸收塔塔底液体浓度分析准备定量化学分析仪器一套;
4.温度测量:
PT100铂电阻,用于测定测气相、液相温度。
(四)实验流程简介
吸收质(纯二氧化碳气体或与空气混合气)由钢瓶经二次减压阀和转子流量计15计量后,由塔底进入吸收塔内,气体自下而上经过填料层,与吸收剂纯水逆流接触进行吸收操作,尾气从塔顶放空;
吸收剂经转子流量计14计量后由塔顶进入喷洒而下;
吸收二氧化碳后的溶液流入塔底液料储槽22中储存,再由吸收液泵3经流量计7计量后进入解吸塔进行解吸操作,空气由6流量计控制流量进入解吸塔塔底,自下而上经过填料层与液相逆流接触对吸收液进行解吸,解吸后气体自塔顶放空。
U形液柱压差计用来测量填料层两端的压强降。
二氧化碳吸收解吸实验装置流程示意图见图-1
二氧化碳吸收解吸实验装置仪器面板示意图见图-2
图-1二氧化碳吸收解吸实验装置流程示意图
1-解吸液储槽;
2-解吸液液泵;
3-吸收液液泵;
4-风机;
5-空气旁通阀;
6-空气流量计;
7-吸收液流量计;
8-吸收塔;
9-吸收塔塔底取样阀;
10、11-U型管液柱压强计;
12-解吸塔;
13-解吸塔塔底取样阀;
14-解吸液流量计;
15-CO2流量计;
16-吸收用空气流量计;
17-吸收用气泵;
18-CO2钢瓶;
19、21-水箱放水阀;
20-减压阀;
22-吸收液储槽;
23-放水阀;
24-回水阀
图-2仪器面板示意图
(五)实验方法及步骤:
1.测量解吸塔干填料层(△P/Z)~u关系曲线(只做解吸塔):
先检查关闭解析塔空气流量计开关,打开空气旁路调节阀5至全开,启动风机。
打开空气流量计,逐渐关小阀门5的开度,调节进塔的空气流量。
稳定后读取填料层压降△P即U形管液柱压差计11的数值,然后改变空气流量,空气流量从小到大共测定8-10组数据。
在对实验数据进行分析处理后,在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标,单位高度的压降△P/Z为纵坐标,标绘干填料层(△P/Z)~u关系曲线。
2.测量解吸塔在喷淋量下填料层(△P/Z)~u关系曲线:
先检查关闭解析塔水流量计开关,然后打开解析塔水泵开关,调整解析塔水流量计开关将水流量固定在100L/h(水流量大小可因设备调整),采用上面相同步骤调节空气流量,稳定后分别读取并记录填料层压降△P、转子流量计读数和流量计处所显示的空气温度,操作中随时注意观察塔内现象,一旦出现液泛,立即记下对应空气转子流量计读数。
根据实验数据在对数坐标纸上标出液体喷淋量为100L/h时的(△P/z)~u关系曲线,并在图上确定液泛气速,与观察到的液泛气速相比较是否吻合。
3.二氧化碳吸收传质系数测定:
吸收塔与解吸塔(水流量控制在40L/h)
(1)打开阀门5,关闭阀门9、13。
(2)启动吸收液泵2将水经水流量计14计量后打入吸收塔中,然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀20,向吸收塔内通入二氧化碳气体(二氧化碳气体流量计15的阀门要全开),流量大小由流量计读出,控制在0.1m3/h左右。
(3)吸收进行15分钟后,启动解吸泵2,将吸收液经解吸流量计7计量后打入解吸塔中,同时启动风机,利用阀门5调节空气流量(约1.5m3/h)对解吸塔中的吸收液进行解吸。
(4)操作达到稳定状态之后,测量塔底的水温,同时取样,测定两塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。
(实验时注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计数值要一致,并注意解吸水箱中的液位,两个流量计要及时调节,以保证实验时操作条件不变)
(5)二氧化碳含量测定
用移液管吸取0.1M的Ba(OH)2溶液10mL,放入三角瓶中,并从塔底附设的取样口处接收塔底溶液10mL,用胶塞塞好振荡。
溶液中加入2~3滴酚酞指示剂摇匀,用0.1M的盐酸滴定到粉红色消失即为终点。
按下式计算得出溶液中二氧化碳浓度:
表一二氧化碳在水中的亨利系数E×
10-5,kPa
气体
温度,℃
5
1
45
50
60
CO2
0.738
0.888
1.05
1.24
1.44
1.66
1.88
2.12
2.36
2.60
2.87
3.46
(五)实验注意事项
1.开启CO2总阀门前,要先关闭减压阀,阀门开度不宜过大。
2.实验中要注意保持吸收塔水流量计和解吸塔水流量计数值一致,并随时关注水箱中的液位。
3.分析CO2浓度操作时动作要迅速,以免CO2从液体中溢出导致结果不准确。
(六)实验数据与处理
1、测量并记录实验基本参数
(1)设备参数
塔型:
吸收塔,解析塔
塔内径d=0.025m;
填料层高度:
吸收塔h=0.80m;
解析塔h=0.83m
填料型式:
Φ10*10mm瓷拉西环
(2)操作参数
大气压强P0=0.10052MPa;
室温T=24oC
(3)分析检验用的化学试剂
盐酸溶液浓度CHCl=0.1kmol.m-3;
盐酸溶液用量:
吸收塔塔顶VHCl=17.60、17.48、17.40ml;
塔底VHCl=14.21、13.90、13.75ml;
解析塔塔顶VHCl=14.35、14.10、13.95ml;
塔底VHCl=17.0、17.50、17.31ml
Ba(OH)2溶液浓度CBa(OH)2=0.1kmol.m-3;
计算过程
实验数据及分析
(1)解析塔流体力学性能测量
表一干填料时△P/z~u关系测定
(L=0填料层高度Z=0.80m塔径D=0.050m)
序号
填料层
压强降mmC2H5OH
单位高度填料层压强降
mmC2H5OH/m
空气转子流量计读数m3/h
空塔气速
m/s
3
3.750
0.8
0.1132
2
6
7.500
1.1
0.1557
7
8.750
1.4
0.1982
4
10
12.500
1.7
0.2406
12
15.000
2.0
0.2831
15
18.750
2.3
0.3255
17
21.250
2.5
0.3539
表二湿填料时△P/z~u关系测定
L=100填料层高度Z=0.80m塔径D=0.050m)
压强降mmC2H5OH
操作现象
0.25
0.0354
正常
0.5
0.0708
25
31.250
0.70
0.0991
40
50.000
0.90
0.1274
70
87.500
1.10
86
107.500
1.30
0.1840
105
131.250
1.40
8
120
150.000
1.50
0.2123
9
153
191.250
1.60
0.2265
积液
156
195.000
1.70
11
235
293.750
1.80
0.2548
液泛
333
416.250
1.90
0.2689
(2)传质系数测定
表三:
填料吸收塔传质实验技术数据表(吸收塔)
被吸收的气体:
纯CO2吸收剂:
水塔内径:
50mm
塔类型
吸收塔
填料种类
瓷拉西环
填料尺寸mm
Φ10*10
填料层高度m
0.83
CO2转子流量计读数m3/h
0.1
CO2转子流量计处温度0C
44.0
流量计处CO2的体积流量m3/h
0.088
水转子流量计读数
水流量L/h
中和CO2用Ba(OH)2的浓度mol/l
中和CO2用Ba(OH)2的体积ml
滴定用盐酸的浓度mol/l
滴定塔底吸收液用盐酸的体积ml
14.21
13.90
13.75
滴定空白液用盐酸的体积ml
17.60
17.48
17.40
样品的体积ml
塔底液相的温度0C
20.3
亨利常数E*108Pa
塔底液相浓度CA1kmoI/m3
0.0302
空白液相浓度CA2kmoI/m3
0.0125
传质单元高度HLE-7kmol/(m3*Pa)
0.736
平衡浓度CA*10-2kmol/m3
3.87
平均推动力CO2△CAmkmol/m3
0.01569
液相体积传质系数KYam/s
0.007697
图1△P/z~u关系曲线图
由上图可知,A点以下,湿填料塔与干填料塔曲线大致平行,上升气体不影响液体的下流;
A点以上,空塔气速达到一定值,曲线斜率增大,上升气体阻碍液体顺利下流,且曲线趋向于垂直,表明上升气体足以阻止液体下流,液体充满填料层空隙,气体鼓包上升,随之液体被气流带出塔顶,发生液泛。
本次实验所得数据有一定误差,没有明显观察到载点。
Bydenden
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