填料塔流體力學(xué)特性與吸收系數(shù)的測定
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?span>:
1.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)測定數(shù)據(jù)的處理分析,加深對填料塔流體力學(xué)性能基本理論的理解,加深對填料塔傳質(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,在液泛速度以下,分別測量塔的傳質(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)行純水吸收混合氣體中的二氧化碳、用空氣解吸水中二氧化碳的操作練習(xí),同時(shí)測定填料塔液側(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:
ΔP , kPa |
圖1 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)測定可獲取吸收系數(shù)。對于相同的物系及一定的設(shè)備(填料類型與尺寸),吸收系數(shù)隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。
若氣液平衡關(guān)系遵循享利定律,即平衡曲線為直線,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力,即
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)(見表1),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
表1 二氧化碳在水中的亨利系數(shù) E×10-5,kPa
氣體 |
溫度,℃ |
|||||||||||
0 |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
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 |
四、實(shí)驗(yàn)裝置:
填料塔:玻璃管內(nèi)徑 D=0.05m 塔高1.20m 填料層高度Z=0.94m
內(nèi)裝φ10×10mm瓷拉西環(huán); 風(fēng)機(jī)型號:XGB-12 ;
圖1 填料吸收實(shí)驗(yàn)裝置流程圖
1- CO2鋼瓶;2- CO2瓶減壓閥;3- 吸收氣泵;4-吸收液水泵;5- 解吸液水泵;6-解吸風(fēng)機(jī);
7- 空氣旁通閥;8- V1-V19閥門;9- F1-F5轉(zhuǎn)子流量計(jì);10- T1-T2溫度計(jì)
五、實(shí)驗(yàn)方法及步驟:
1.實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備工作:
首先將水箱1和水箱2灌滿蒸餾水或去離子水,接通實(shí)驗(yàn)裝置電源并按下總電源開關(guān)。
準(zhǔn)備好10ml移液管、100ml的三角瓶、酸式滴定管、洗耳球、0.1M左右的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液、0.1M左右的Ba(OH)2標(biāo)準(zhǔn)溶液和甲基紅等化學(xué)分析儀器和試劑備用。
2.測量解吸塔干填料層()~u關(guān)系曲線:
打開空氣旁路調(diào)節(jié)閥V7至全開,啟動解吸風(fēng)機(jī)6。打開空氣流量計(jì)F4下的閥門V4,逐漸關(guān)小閥門V7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)的數(shù)值,然后改變空氣流量,空氣流量從小到大共測定6-10組數(shù)據(jù)。在對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后,在對數(shù)坐標(biāo)紙上以空塔氣速 u為橫坐標(biāo),單位高度的壓降為縱坐標(biāo),標(biāo)繪干填料層()~u關(guān)系曲線。
3.測量解吸塔在不同噴淋量下填料層()~u關(guān)系曲線:
將水流量固定在100 l/h左右(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)在對數(shù)坐標(biāo)紙上標(biāo)出液體噴淋量為100 l/h時(shí)的()~u關(guān)系曲線(見圖2),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。
4.二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)測定:
(1)關(guān)閉吸收液泵4的出口閥,啟動吸收液泵4,關(guān)閉空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1,二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)F2與鋼瓶連接。
(2)打開吸收液轉(zhuǎn)子流量計(jì)F3,調(diào)節(jié)到60 l/h,待有水從吸收塔頂噴淋而下,從吸收塔底的π型管尾部流出后,啟動吸收氣泵3,調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計(jì)F1到指定流量,同時(shí)打開二氧化碳鋼瓶調(diào)節(jié)減壓閥,調(diào)節(jié)二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)F2,按二氧化碳與空氣的比例在10—20%左右計(jì)算出二氧化碳的空氣流量。
(3)吸收進(jìn)行15分鐘并操作達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之后,測量塔底吸收液的溫度,同時(shí)在塔頂和塔底取液相樣品并測定吸收塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。
(4)溶液二氧化碳含量測定
用移液管吸取0.1M左右的Ba(OH)2標(biāo)準(zhǔn)溶液10ml,放入三角瓶中,并從取樣口處接收塔底溶液10 ml,用膠塞塞好振蕩。溶液中加入2~3滴甲基紅(或酚酞)指示劑搖勻,用0.1M左右的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液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)閉減壓閥,閥門開度不宜過大。
2.分析CO2濃度操作時(shí)動作要迅速,以免CO2從液體中溢出導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。
七、數(shù)據(jù)記錄
1、填料塔流體力學(xué)特性
二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)矯正系數(shù)為0.78
表2 填料塔流體力學(xué)性能測定(干填料)
L=0 填料層高度Z=0.94m 塔徑D=0.05m |
|||||
序 |
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 |
|
1 |
1 |
|
0.5 |
|
|
2 |
3 |
|
0.8 |
|
|
3 |
5 |
|
1.1 |
|
|
4 |
7 |
|
1.4 |
|
|
5 |
10 |
|
1.7 |
|
|
6 |
13 |
|
2 |
|
|
7 |
16 |
|
2.3 |
|
|
8 |
20 |
|
2.5 |
|
表3 填料塔流體力學(xué)性能測定(濕填料)
L=100L/h 填料層高度Z=0.94m 塔徑D=0.05m |
||||||
序 |
填料層壓強(qiáng)降 mmH2O |
單位高度填料層壓強(qiáng)降 |
空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)m3/h |
空塔氣速 |
操作現(xiàn)象 |
|
1 |
3 |
|
0.25 |
|
|
|
2 |
7 |
|
0.50 |
|
|
|
3 |
16 |
|
0.70 |
|
|
|
4 |
21 |
|
0.90 |
|
|
|
5 |
31 |
|
1.10 |
|
|
|
6 |
48 |
|
1.30 |
|
|
|
7 |
80 |
|
1.50 |
|
|
|
8 |
125.0 |
|
1.60 |
|
|
|
9 |
150.0 |
|
1.70 |
|
|
|
10 |
180.0 |
|
1.80 |
|
|
2、吸收系數(shù)的測定
二氧化碳轉(zhuǎn)子流量計(jì)矯正系數(shù)為0.78
空氣的流量qv1= 二氧化碳的流量qv2=
吸收劑流量L=
表4 二氧化碳含量的測定
序號 |
|
滴定前酸式滴定管讀數(shù)/ml |
滴定后酸式滴定管讀數(shù)/ml |
1 |
吸收塔塔頂水溶液 |
|
|
2 |
吸收塔塔底水溶液 |
|
|