填料塔吸收.docx

化工实验氧解吸传质系数化工系 毕啸天 2010011811
吸收（解吸）系数的测定
姓名：毕啸天 学号：2010011811 班级：分0
同组实验者：肖艺涵 莫唯书
实验日期：2012年12月20日 提交实验报告日期：2012年12月23日
1. 引言
1.1. 实验目的
（1）了解吸收（解吸）操作的基本流程和操作方法。
（2）了解传质系数的测定方法。

1.2. 实验原理
吸收是工业上常用的操作，常用于气体混合物的分离。在吸收操作中，气体混合物和吸收剂分别从塔底和塔顶进入塔内，气、液两相在塔内实现逆流接触，使气体混合物中的溶质较完全地溶解在吸收剂中，于是塔顶获得较纯的惰性组分，从塔底得到溶质和吸收剂组成的溶液（通称富液）。当溶质有回收价值或吸收价格较高时，把富液送入再生装置进行解吸，得到溶质或再生的吸收剂（通称贫液），吸收剂返回吸收塔循环使用。
（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、液相内或两相间的传质速率来表示。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无力吸收过程，计算公式如下。
气相内传质的吸收速率：

液相内传质的吸收速率：

气、液两相相际传质的吸收速率：

式中：、——气相主体和气相界面处的溶质摩尔分数；
、——液相主体和液相界面处的溶质摩尔分数；
、——与y和x呈平衡的液相和气相摩尔分数；
、——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；
、——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；
——传质面积，。
对于难溶溶质的吸收过程，称为液膜控制，常用液相摩尔分数差和液相传质系数表达的吸收速率式。
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的吸收速率式。
本实验为一解吸过程，将空气与富氧水接触，因富氧水中养的浓度高于同空气处于平衡的水中的氧浓度。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相类似。只是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的改为解吸时的。液相推动力要从吸收时的改为解吸时的。
（2）吸收系数和传质单元高度
吸收系数或传质单元高度是反映吸收过程传质动力学特征的参数，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型式及参数等三方面的影响。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的公式如下：

式中：N——传质速率，kmol/h；
，——进、出设备的水中氧的摩尔分数；
V——传质体积，；
——塔截面积，；
Z——填料层高度，m；
L——水的流量，kmol/h。

，——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候变化极小，可以认为处、入口气体中氧浓度近似相等，即=。
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，吸收剂中所吸收了的溶质解吸不干净，将会直接影响吸收效果，所以说解吸操作是吸收操作的重要环节。

2. 实验装置与流程
本实验主要装置为一内径的填料解吸塔（内装压延孔板波纹填料）和一内径为80mm溶氧塔（内装不锈钢扁环填料）。实验装置及流程见下图1。
流程说明：自来水由高位槽1经流量计进入氧吸收塔3的塔底，由氧气瓶4来的纯氧经氧气流量计也从该塔塔底进入，氧气和水在塔内并流而上，吸收了氧后的富氧水进入塔顶富氧水槽，再经转子流量计进入氧解吸塔2的塔顶。空气由罗茨鼓风机5经流量计至氧解吸塔底部自下而上与富氧水逆流接触。氧解吸塔2的顶部和底部均有液相水的取样口，可用溶氧仪分析水的氧含量。
图1.实验装置图
3. 实验步骤
（1） 开空气阀，观察转子流量计使示数大致稳定。开水阀，使示数稳定。开氧气阀，观察到气泡稳定地鼓出。
（2） 约数分钟后，吸收、解吸过程达到平衡，从解吸塔入口、出口处取样测定氧的浓度。
（3） 改变水流量后，使之重新达到平衡，重复步骤2。连续测定三组数据。

4. 数据处理
4.1. 原始数据
表1.原始数据记录
组别
水流量L
(L/h)
塔顶组成
c1(mg/L)
塔顶液温度
t1/℃
塔底组成
c1(mg/L)
塔底液温度
t2/℃
1
160
20.20
25.8
9.60
24.8
19.38
25.9
9.60
25.2
2
260
17.87
25.9
10.80
25.4
17.10
26.0
10.02
25.5
3
360
14.64
26.0
9.65
25.8
14.93
26.4
9.66
26.0

4.2. 数据处理
4.2.1. 实验常数
取氧气分子量32.00，水分子量18.01，水的密度997.0kg/m3。
当日大气压103kPa，塔周长102mm，填料高度63cm。
即，，
查得25℃时氧气在水中的亨利系数，30℃时氧气在水中的亨利系数，在此区间内的亨利常数值线性插值求出。
可以认为在25~30℃范围内，满足

4.2.2. 数据处理
根据平衡关系有，同时。据此可以求出各水温下的平衡组成。
测量值是浓度单位，将其换算成摩尔分数
首先将各组数据求出平均值
表2.塔顶、塔底及其平衡组成
液流量L
(kmol/h)
塔顶平均组成

塔顶平衡组成

塔底平均组成

塔底平衡组成

8.862
1.117×10-5
4.839×10-6
5.419×10-6
4.916×10-6
14.401
9.870×10-6
4.830×10-6
5.877×10-6
4.875×10-6
19.940
8.346×10-6
4.808×10-6
5.450×10-6
4.835×10-6
平均推动力：
体积传质系数
液相传质单元高度
表3.处理结果汇总
组别
液流量L
(kmol/h)
平均推动力

传质系数
传质单元高度
1
8.862
2.302×10-6
4.246×104
0.252
2
14.401
2.499×10-6
4.412×104
0.394
3
19.940
1.671×10-6
6.625×104
0.364

图2. 传质系数与液相流率关系

图3.液相流率与传质单元高度关系
5. 结论
对于填料塔，随着液体流量增大体积传质系数增大，传质单元高度则没有表现出明显的规律性。
随着液体流量增大，传质速率加快这很好理解。但是与此同时，水量增多，水中溶解的总氧气量也就更多了。所以对于同一座解吸塔，它需要处理的氧气量也更多。即虽然Kxa是随着L增加而单调增加的，但是总吸收效果是由L与x共同决定的。所以当L增大时，有可能出现HOL反而增加的现象，这应当是因为需要处理的气量增大了，而传质速率加快的因素没有占主导，所以理论板高增加。

6. 思考题
6.1. 为什么氧解吸过程属液膜传质阻力控制？
对于氧气解吸的传质过程有关系

氧气在水中的溶解度很小，即H很小，故气膜阻力要小于液膜阻力，故应为液膜传质阻力控制。

6.2. 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？
吸收和解吸是两个逆过程。解吸是溶质先从液相主体扩散到相界面，再由液相界面与气相界面达成平衡，随后由气相界面扩散到气相主体。吸收则完全相反。因此其原理与计算方法均相同。
两者的区别在于推动力的表达式不同。只是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的改为解吸时的。液相推动力要从吸收时的改为解吸时的。因为推动力在数值上应是正数。

6.3. 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。
假设氧气-水体积是理想的亨利定律体系，则Y-X平衡线是直线。操作线为塔顶、塔底的组成坐标相连而得。

6.4. 氧气瓶开启时应注意什么？停止使用时如何操作？
应当先开总阀，再开分阀。开启总阀时要用扳手将总阀拧开，观察气压计上的数值适当且稳定。在开分阀时，应当先开空气、水再开氧气，因为氧气相对二者价格较高。
停止使用时应当先关闭总阀，待剩余的氧气自然逸出关闭分阀。

6.5. 归纳传质过程强化的基本思路和措施。
传质过程强化即要提高传质速率。从本实验的结果看，加大流量可以有效提高传质速率。此外从表达式中还可以看出，提高两相浓度差可提高推动力，从而加快传质。环境因素也会影响到传质，如温度越低、压力越高，越有利于吸收。从流体的流动状况看，增大流体的湍动可以强化对流，从而强化传质。

6.6. 为什么引入体积传质系数Kxa？其物理意义是什么？
体积传质系数表示单位时间、单位体积内，填料层的总液相传质量。
a表示单位体积填料内气液两相有效接触面积，与填料形状、尺寸、填充状况等有关，而且受流体物性及流动状况影响。a的数值很难直接测定，所以将它与传质系数乘起来视为一体，定义为体积传质系数。
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