二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)

1、 二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解填料吸收塔的結(jié)構(gòu)、性能和特點(diǎn)，練習(xí)并掌握填料塔操作方法；通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)的處理分析，加深對(duì)填料塔流體力學(xué)性能基本理論的理解，加深對(duì)填料塔傳質(zhì)性能理論的理解。2.掌握填料吸收塔傳質(zhì)能力和傳質(zhì)效率的測(cè)定方法，練習(xí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 測(cè)定填料層壓強(qiáng)降與操作氣速的關(guān)系，確定在一定液體噴淋量下的液泛氣速。2. 固定液相流量和入塔混合氣二氧化碳的濃度，在液泛速度下，取兩個(gè)相差較大的氣相流量，分別測(cè)量塔的傳質(zhì)能力（傳質(zhì)單元數(shù)和回收率）和傳質(zhì)效率（傳質(zhì)單元高度和體積吸收總系數(shù)）。3. 進(jìn)行純水吸收二氧化碳、空氣解吸水中二氧化碳的操作練習(xí)，同時(shí)測(cè)定填

2、料塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)。三、實(shí)驗(yàn)原理：氣體通過填料層的壓強(qiáng)降：P , kPa壓強(qiáng)降是塔設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，氣體通過填料層壓強(qiáng)降的大小決定了塔的動(dòng)力消耗。壓強(qiáng)降與氣、液流量均有關(guān)，不同液體噴淋量下填料層的壓強(qiáng)降與氣速的關(guān)系如圖一所示： 圖一 填料層的關(guān)系 當(dāng)液體噴淋量時(shí)，干填料的的關(guān)系是直線，如圖中的直線0。當(dāng)有一定的噴淋量時(shí)，的關(guān)系變成折線，并存在兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，下轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“載點(diǎn)”，上轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱為“泛點(diǎn)”。這兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)將關(guān)系分為三個(gè)區(qū)段：既恒持液量區(qū)、載液區(qū)及液泛區(qū)。傳質(zhì)性能：吸收系數(shù)是決定吸收過程速率高低的重要參數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定可獲取吸收系數(shù)。對(duì)于相同的物系及一定的設(shè)備（填料類型與尺寸），吸收

3、系數(shù)隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。 1.二氧化碳吸收-解吸實(shí)驗(yàn)根據(jù)雙膜模型的基本假設(shè)，氣側(cè)和液側(cè)的吸收質(zhì)A的傳質(zhì)速率方程可分別表達(dá)為氣膜 （1） 液膜 （2）式中：A組分的傳質(zhì)速率，；兩相接觸面積，m2；氣側(cè)A組分的平均分壓，Pa；相界面上A組分的平均分壓，Pa；液側(cè)A 組分的平均濃度， 相界面上A組分的濃度以分壓表達(dá)推動(dòng)力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，;以物質(zhì)的量濃度表達(dá)推動(dòng)力的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，。以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過程推動(dòng)力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達(dá)為： （3） （4）式中：液相中A組分的實(shí)際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa； 氣相中A組分的實(shí)際分壓所要求的液相平衡濃度，；以氣相

4、分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡(jiǎn)稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù)，；-以氣相分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡(jiǎn)稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，。若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定律：，則： （5） （6）濃度相 界 面P2=PA2 CA2 ，F(xiàn)LPAPAiCAi CAdh 氣膜液膜距離 CA PA CA PA+d PA CA+dCA P1=PA1 CA1，F(xiàn)L圖二 雙膜模型的濃度分布圖 圖三 填料塔的物料衡算圖當(dāng)氣膜阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力時(shí)，則相際傳質(zhì)過程式受氣膜傳質(zhì)速率控制，此時(shí)，；反之，當(dāng)液膜阻力遠(yuǎn)大于氣膜阻力時(shí)，則相際傳質(zhì)過程受液膜傳質(zhì)速率控制，此時(shí)，。如圖三所示，在逆流接觸的填料層內(nèi)，任意載取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸

5、收質(zhì)A的物料衡算可得： （7a）式中：液相摩爾流率，；液相摩爾密度，。根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程式，可寫出該微分段的傳質(zhì)速率微分方程： （7b）聯(lián)立上兩式可得： （8）式中：氣液兩相接觸的比表面積， m2·m-1； 填料塔的橫載面積，m2。本實(shí)驗(yàn)采用水吸收純二氧化碳，且已知二氧化碳在常溫常壓下溶解度較小，因此，液相摩爾流率和摩爾密度的比值，亦即液相體積流率可視為定值，且設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)KL和兩相接觸比表面積a，在整個(gè)填料層內(nèi)為一定值，則按下列邊值條件積分式（8），可得填料層高度的計(jì)算公式： （9）令 ，且稱HL為液相傳質(zhì)單元高度（HTU）；，且稱NL為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）。因此，填料層高度

6、為傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)之乘積，即 （10） 若氣液平衡關(guān)系遵循享利定律，即平衡曲線為直線，則式（9）為可用解析法解得填料層高度的計(jì)算式，亦即可采用下列平均推動(dòng)力法計(jì)算填料層的高度或液相傳質(zhì)單元高度： （11） （12）式中為液相平均推動(dòng)力，即 （13）其中：, ，為大氣壓。二氧化碳的溶解度常數(shù)： （14）式中：水的密度， 水的摩爾質(zhì)量， ；二氧化碳在水中的享利系數(shù)（見化工原理下冊(cè)第78頁(yè)），Pa。因本實(shí)驗(yàn)采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計(jì)，在此情況下，整個(gè)傳質(zhì)過程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，亦即 （15） 四、實(shí)驗(yàn)裝置：1.

7、實(shí)驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)：填料塔：玻璃管內(nèi)徑 D0.050m 塔高1.00m 內(nèi)裝10×10mm瓷拉西環(huán)； 填料層高度Z0.78m； 風(fēng)機(jī)：XGB-12型 550W； 二氧化碳鋼瓶 1個(gè)； 減壓閥1個(gè)（用戶自備）。流量測(cè)量?jī)x表：CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)型號(hào)LZB-6 流量范圍0.060.6m3h；空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào)LZB-10 流量范圍0.252.5m3h；吸收水轉(zhuǎn)子流量計(jì)： 型號(hào)LZB-10 流量范圍16160 Lh； 解吸水轉(zhuǎn)子流量計(jì)： 型號(hào)LZB-10 流量范圍16160 Lh 濃度測(cè)量：吸收塔塔底液體濃度分析準(zhǔn)備定量化學(xué)分析儀器（用戶自備）；溫度測(cè)量：PT100鉑電阻，用于測(cè)定測(cè)氣相、

8、液相溫度。2.二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖(見圖四)圖四 二氧化碳吸收與解吸實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖1- CO2流量計(jì)；2- CO2瓶減壓閥；3- CO2鋼瓶；4-吸收用空氣流量計(jì)；5- 吸收用氣泵；6、8-噴頭； 7、19- 水箱放水閥；9- 解吸塔；10- 解吸塔塔底取樣閥；11- 解吸液儲(chǔ)槽；12、15- U型管液柱壓強(qiáng)計(jì)；13- 吸收液流量計(jì)；14-解吸液液泵；16- 吸收液儲(chǔ)槽；17- 吸收塔；18- 吸收塔塔底取樣閥；20- 解吸液流量計(jì)；21- 吸收液液泵；22-空氣流量計(jì)；23- 空氣旁通閥；24- 風(fēng)機(jī) 3實(shí)驗(yàn)儀表面板圖(見圖五)圖五 實(shí)驗(yàn)裝置面板圖五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟：1.

9、 測(cè)量吸收塔干填料層（PZ）u關(guān)系曲線（只做解吸塔）：打開空氣旁路調(diào)節(jié)閥5至全開，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)。打開空氣流量計(jì),逐漸關(guān)小閥門5的開度，調(diào)節(jié)進(jìn)塔的空氣流量。穩(wěn)定后讀取填料層壓降P即U形管液柱壓差計(jì)11的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測(cè)定8-10組數(shù)據(jù)。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速 u為橫坐標(biāo)，單位高度的壓降PZ為縱坐標(biāo)，標(biāo)繪干填料層(PZ)u關(guān)系曲線。2. 測(cè)量吸收塔在噴淋量下填料層(PZ)u關(guān)系曲線：將水流量固定在104Lh（水流量大小可因設(shè)備調(diào)整），采用上面相同步驟調(diào)節(jié)空氣流量，穩(wěn)定后分別讀取并記錄填料層壓降P、轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)和流量計(jì)處所顯示的空氣溫度，操作中

10、隨時(shí)注意觀察塔內(nèi)現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)液泛，立即記下對(duì)應(yīng)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)出液體噴淋量為100Lh時(shí)的（Pz）u關(guān)系曲線，并在圖上確定液泛氣速，與觀察到的液泛氣速相比較是否吻合。3. 二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)測(cè)定：吸收塔與解吸塔（水流量控制在40L/h）（1）打開閥門5，關(guān)閉閥門9、13。（2）啟動(dòng)吸收液泵2將水經(jīng)水流量計(jì)14計(jì)量后打入吸收塔中，然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥20，向吸收塔內(nèi)通入二氧化碳?xì)怏w（二氧化碳?xì)怏w流量計(jì)15的閥門要全開），流量大小由流量計(jì)讀出，控制在0.2m3/h左右。（3）吸收進(jìn)行15分鐘后，啟動(dòng)解吸泵2，將吸收液經(jīng)解吸流量計(jì)7計(jì)量后打入解吸塔中，同

11、時(shí)啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，利用閥門5 調(diào)節(jié)空氣流量（約0.5 m3h）對(duì)解吸塔中的吸收液進(jìn)行解吸。（4）操作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測(cè)量塔底的水溫，同時(shí)取樣，測(cè)定兩塔塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。（實(shí)驗(yàn)時(shí)注意吸收塔水流量計(jì)和解吸塔水流量計(jì)數(shù)值要一致，并注意解吸水箱中的液位，兩個(gè)流量計(jì)要及時(shí)調(diào)節(jié)，以保證實(shí)驗(yàn)時(shí)操作條件不變）（5）二氧化碳含量測(cè)定用移液管吸取Ba（OH）2溶液10mL，放入三角瓶中，并從塔底附設(shè)的取樣口處接收塔底溶液10 mL，用膠塞塞好振蕩。溶液中加入23滴酚酞指示劑搖勻，用0.1M的鹽酸滴定到粉紅色消失即為終點(diǎn)。按下式計(jì)算得出溶液中二氧化碳濃度： 六、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1.開啟CO2總閥門前，要先關(guān)

12、閉減壓閥，閥門開度不宜過大。2.實(shí)驗(yàn)中要注意保持吸收塔水流量計(jì)和解吸塔水流量計(jì)數(shù)值一致，并隨時(shí)關(guān)注水箱中的液位。 3.分析CO2濃度操作時(shí)動(dòng)作要迅速，以免CO2從液體中溢出導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。七、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄1.實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（干填料）解吸塔序號(hào)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h填料層壓強(qiáng)降mmH2O溫 度10.2520.531.041.552.062.52.實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（濕填料）濕填料時(shí)P/zu關(guān)系測(cè)定L=160 填料層高度Z=0.78m 塔徑D=0.05m序號(hào)解吸塔 水流量：空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)/m3/h填料層壓強(qiáng)降/ mmH2O溫 度操作現(xiàn)象10.2520.530.7

13、40.850.961.071.181.291.3101.4111.5121.6131.73.實(shí)驗(yàn)裝置填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表被吸收的氣體: 純CO2 吸收劑:水 塔內(nèi)徑:50mm塔類型吸收塔填料種類瓷拉西環(huán)填料層高 (m)0.80CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)（ m3h）0.200CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)處溫度 （ ）空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù) （ m3h）0.500水轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)（l/h）40.0中和CO2用Ba(OH)2的體積 （ ml）樣品的體積（ml）滴定塔底吸收液用鹽酸的體積(ml)滴定空白液用鹽酸的體積(ml)4.氫氧化鋇及鹽酸濃度標(biāo)定鹽酸濃度標(biāo)定序號(hào)123Na2CO3質(zhì)量/gHCl

14、體積/ml氫氧化鋇濃度標(biāo)定序號(hào)123鄰苯二甲酸氫鉀質(zhì)量/gBa(OH)2體積/ml八、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算及結(jié)果:實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算過程 (以一組數(shù)據(jù)為例)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算示例（1）填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（以解吸填料塔干填料數(shù)據(jù)為例）轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)0.5m3/h； 填料層壓降U管讀數(shù)2.0 mmH2O 空塔氣速：（m/s）單位填料層壓降：（mmH2O/m）（2)傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)0.200（m3h）、CO2轉(zhuǎn)子流量計(jì)處溫度 16.1（）16.1下二氧化碳?xì)怏w密度=1.976 Kg/m3CO2實(shí)際流量VCO2=0.200=0.156（m3h）空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)VAir=0.500 （m3

15、h）吸收液濃度計(jì)算吸收液消耗鹽酸體積V1=30.10 ml，則吸收液濃度為： = =0.01277 (kmol/m3)吸收劑二氧化碳濃度計(jì)算因純水中含有少量的二氧化碳，所以純水滴定消耗鹽酸體積V=32.3ml，則塔頂水中CO2濃度為：=0.00056 (kmol/m3)塔底的平衡濃度計(jì)算塔底液溫度t =7.9，由附錄可查得CO2亨利系數(shù) E=0.9735×105 KPa則CO2的溶解度常數(shù)為：=5.706×10-7 （ ）塔底混和氣中二氧化碳含量： y1=0.238H×PA1=H×y1×P0=5.7×10-7×0.238&#

16、215;101325=0.013759 （kmol/m3）塔頂?shù)钠胶鉂舛扔?jì)算由物料平衡得塔頂二氧化碳含量 L(CA2- CA1)=V(y1-y2)y2=y1- =0.238-=0.216= H×PA2=H×y2×P0=5.706×10-7×0.2161×101325=0.012493 （kmol/m3）液相平均推動(dòng)力計(jì)算= 0.0044(kmol/m3)因本實(shí)驗(yàn)采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計(jì)，在此情況下，整個(gè)傳質(zhì)過程阻力都集中于液膜，屬液膜控制過程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，即=0.0049 (m/

17、s)實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表如下： 表一 實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（干填料）干填料時(shí)P/zu關(guān)系測(cè)定 L=0 填料層高度Z=0.78m 塔徑D=0.05m序號(hào)填料層壓強(qiáng)降mmH2O單位高度填料層壓強(qiáng)降mmH2O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h空塔氣速m/s122.60.50.07245.110.14379.01.50.2141316.720.2851620.52.50.35表二 實(shí)驗(yàn)裝置填料塔流體力學(xué)性能測(cè)定（濕填料）濕填料時(shí)P/zu關(guān)系測(cè)定L=160 填料層高度Z=0.78m 塔徑D=0.05m)序號(hào)填料層壓強(qiáng)降 mmH2O單位高度填料層壓強(qiáng)降mmH2O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h空塔氣速m/s操

18、作現(xiàn)象12.02.60.250.04正 常210.012.80.500.07正 常323.029.50.700.10正 常435.044.90.900.13正 常555.070.51.100.16正 常669.088.51.200.17正 常7110.0141.01.300.18正 常8145.0185.91.400.20正 常9195.0250.01.500.21液 泛10260.0333.31.600.23液 泛11300.0384.61.700.24液 泛表三：實(shí)驗(yàn)裝置填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)技術(shù)數(shù)據(jù)表填料吸收塔傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表被吸收的氣體: 純CO2 吸收劑:水 塔內(nèi)徑:50塔類型吸收塔填料種類瓷拉西環(huán)填料層高度 (m)