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大气实验四
实验四 填料塔液相传质系数的测定
环工021 伦裕旻 15号
一、 实验目的：
吸收是传质过程的重要操作，应用非常广泛。为强化吸收过程，必须研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数。
本实验采用水吸收CO2，测定填料塔的液相传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确定液相传质系数和各项操作条件的关系。
通过本实验，学习并掌握研究物质传质过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。
二、 实验原理：

根据双膜模型的基本假设，气相和液相的吸收质A的传质速率方程可分别表达为
气膜DA=KgA(PA—PAi) (1)
液膜GA=K1A（CAi—CA） (2)
公式中GA——A组分的传质速率，kmol．S-1;
A——两相接触面积，m2;
PA————气相A组分的平均分压，pa
PAi——相界面A组分的 分压，pa
CA————液相A组分的平均浓度，kmol.m-3
Kg——以分压表达推动力的气相传质膜系数，kmol.m-3
K1————以物质的浓度表达推动力的液相传质膜系数，m.s-1
以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为：
DA=KGA(PA—PA*) (3)
GA=KLA（CA*—CA） (4)

式中PA*为液相中Ａ组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，pa
CA*为气相中Ａ组分的实际分压所要求的饿液相平衡浓度，kmol.m-3
KG为以气相分压表示推动力的总传质系数或　简称为气相传质总系数，kmol.m-２. S-1. pa-1

KL为以液相浓度表示推动力的总传质系数或　简称为液相传质总系数，m．S-1;
若气液相平衡关遵循亨利定理：，则　：
　　　　　　　　　（５）
　　　　　　　　　　（６）
当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时。
如图2所示，在逆流接触的填料塔层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得：
(a)
式中为液相摩尔流率，kmol．S-1;
为液相摩尔密度，kmol．S-1;
根据传质速率基本方程，可写出该微分段的饿传质速率微分方程：
(b)
联立（a）和(b)两式可得，

式中为气液两相接触的比表面积，；S为填料塔的横截面积，。
本实验采用水吸收，且已知在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔流率和摩尔密度的比值，亦即液相体积流率可视为定值，且设总传质系数和两相接触比表面积，在整个填料层内为一个定植，按下列边值条件积分式可得填料层高度的计算公式：

（7）
令
且程为液相传质单元高度（HTU）；

且程为液相传质单元数（NTU）；因此填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即 （8）
若气液平衡关系遵循亨利定律，则即可采用平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度。
（9）
（10）

式中标为液相平均推动力，即
因为本实验采用纯水吸收二氧化碳，则

二氧化碳的溶解度常数
式中标为水的密度，为水的摩尔质量，E为亨利系数，Pa,因此，（10）式可简化为
又因为本实验采用的物系遵循亨利定理，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，整个传质阻力都集中在液膜，即属于液莫控制过程，则液莫体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，即
对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式，其中，SherwoodHolloway得出如下的关联式：

式中——吸收质在水中的扩散系数，
L——液体的质量流速，
——液体的黏度，或
——液体的密度，
应该注意的是关联式中和两项没有特性长度，因此，该式不是真正的无因次准数关联式，该式中A，m和n的具体数值，需在一定条件下由实验求得。
三、 实验装置：
本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳、高位水槽和各种测量仪器组成，其流程图如图画所示：

填料吸收塔采用直径为50毫米的玻璃柱，柱内装填直径5毫米球形玻璃填料，填充高度为300毫米，吸收质即纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进入塔底。气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。吸收剂——水由高位水槽，经调节阀和流量计，进入塔顶，在喷洒而下。吸收后溶液由塔底H行管排出，U形液柱压差计用以测量塔底压强和填料塔的压强降。
四、实验方法
(1)实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否均已经关严，然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调至此lMPa；同时向高位稳压水槽注水，直至溢流管有适量水溢流而出。
(2)缓慢开启进水调节阀，水流量可在10—50L·h范围内选取。一般在此范围内选取5—6个数据点。调节流量时一定要注意保持高位水槽有适量溢流水流出，以保证水压稳定。
(3)缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量一般控制在0.1m·h左右为宜。
(4)当操作达到稳定状态后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定塔底溶液中二氧化碳的含量。
(5)溶液中二氧化碳含量的测定方法：
用吸管吸取0.1MBa(OH)溶液l0mL，放入三角瓶中，并由塔底附设的计量管滴入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示剂数滴，最后用0.1N的盐酸滴定，直至脱除红色的瞬时为止。由空白实验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：

式中N为标准盐酸溶液的当量浓度，
V为实际滴定用量，即空白实验用量与滴定试样时用量之差值，mL：
V为塔底溶液采样量，mL。
五、实验结果
1.测量并记录实验基本参数
1) 填料柱：
柱体内径： d=55mm
填料型式： 球形玻璃填料
填料规格： 5 mm
填料层高度：h=300mm
2) 大气压力： P=102.83KPa
3) 室 温： T=17℃
4) 试 剂：
Ba(OH)溶液浓度： N=0.1mol/L
用量： V=10ml
盐酸溶液浓度： N=0.1205mol/L
2．测定并记录实验数据
实验序号

气相
塔底气温，T/℃
17
塔顶气温，T/℃
17.8
塔底；压强，p/mm

CO流量，V
0.1
液相
塔底液温，T/℃
16
塔顶水温，T/℃
17.8
水的流量，V

塔底采样量，V/ mL
20
盐酸滴定量，V/ mL

3．整理实验数据:
C=H×P,H=,kg/m水在17℃的密度，M=18g/mol,
E=1.36×10kPa,
15℃ E=1.24×10kPa, 20℃ E=1.44×10kPa, 25℃ E=1.66×10kPa,
H===0.000408kmol/(m·kPa)
C=H×P=0.000408×102.83=0.042kmole/m
X=ln=ln=0.75
KA=, h=3dm s=0.55×3.14/4=0.237dm
KA===0.0029s

液相的流量l/h
10
20
30
40
50
HCL的空白定量(ml)
7.90
7.90
7.90
7.90
7.90
HCL的滴定量(ml)
0.54
0.70
1.70
3.20
3.38
HCL的实际滴定量(ml)
7.36
7.20
6.20
4.70
4.52
塔底的采样量V(ml)
20
20
20
20
20
CO2的浓度CA
0.022
0.022
0.019
0.014
0.014
X=ln
0.75
0.73
0.59
0.41
0.39
KA（）
0.0029
0.0057
0.0069
0.0064
0.0077

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