用瞬间快速反应测定气膜和液膜传质系数.doc

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地点：西七二区234

实验报告

课程名称：反应器设计原理实验 指导老师： 黄灵仙 成绩：__________________
实验名称： 用瞬间快速反应测定气膜和液膜传质系数 实验类型：工程实验
一 实验目的
1. 测定氢氧化钠溶液吸收CO2的气液相反应的总传质系数KGa及气膜和液膜传质系数kGa,kLa。
2. 了解传质和反应对吸收过程控制步骤的影响，并加深对气液相反应过程的认识。
二 实验原理
气液相反应过程是气相反应物进入到液相中进行的反应过程，整个过程是反应和传质相结合的复杂过程，研究气液相反应首先必须了解两相间的传质问题。
本实验选用NaOH溶液吸收CO2的瞬间快反应体系，就是要通过简单的实验及理论分析获得有关传质问题的必要信息。
在分批式的搅拌鼓泡釜中，该物系进行反应吸收时，化学计量式为：
CO2＋2NaOH--àNa2CO3＋H2O
（A） （B） （C） （D）
yG
yL
yR
0
z
反应面
相界面
液相本体
气相本体
CB
PA
PAi
CAi
B
A
在一定浓度范围内，此反应过程可以近似为瞬间快速反应，气液界面附近的浓度分布如图1所示，由于A与B一旦接触就立即完成上述反应，使得液侧任一处上A与B都不能同时存在。于是在离界面某一深度YR处形成一个反应面R；若CB增加，B的扩散推动力加大，扩散速度也增大，结果使YR减少，当CB增加到某一临界浓度CBC时，反应面将和相界面重合，扩散到界面的A瞬间反应掉了，此时CAi＝PAi＝0，反应吸收过程为气膜传质控制，注意，反应的进行将不影响气相传质系数。为什么？随着吸收过程的进行NaOH（B）最后完全耗尽，此时成为对CO2的纯物理吸收过程。

图1 瞬间反应气液相界面附近的浓度分布
根据双膜理论可以写出传质方程：
气相： (1)
液相： (2)
以气相分压为推动力的总传质方程：
(3)
式中 PAi=HACAi； PA*=HACA
因此有
(4)
当过程为瞬时反应吸收时，反应面上CA=PA*=0，kLa随NaOH的浓度而变化，当CB>=CBC时，为气膜传质控制，即有
(5)
当CB-à0时，成为纯物理吸收过程，则有
(6)
现对CO2作物料衡算，得到：
（7）
式中；VL——釜内液体体积
VG——通入气体的流量，假定为常数
设釜内气液为全混，则CO2分压PA=PA出，CO2的吸收速率可以通过进出口CO2的含量改变来求得，也可以由NaOH的浓度变化求得，本实验采用后一种方法，用电导法测得NaOH溶液的电导随时间的变化，由下式可以求得转化率X～时间t的曲线。
(8)
式中：L0: 起始电导
L∞: 终止时的电导
L：t时刻的电导
由NaOH浓度随时间的变化率求得：

由（3）式可求得某一时刻的KG a，（PA*®0），然后作KG a～CB的关系图，如图2所示意。
CBC
CB
0
(KG a)2
(KG a)1
KG a

图2 KG a随CB的变化

根据上述分析，有图2可求得
kG a=(KG a)1

即得kG a和 kLa值，考虑溶液中电解质的影响，CO2在溶液中的亨利常数取
HA=32.25atm*l/gmol

三 实验流程和实验步骤
1. 实验流程：

1— CO2钢瓶 2—转子流量计 3—压缩机 4—气体混合器 5—搅拌鼓泡釜
6—电导率仪 7—记录仪 8—搅拌马达 9—马达调速器 10—差压计
2. 实验步骤：
（1） 投放2L浓度0.1N的NaOH溶液入搅拌釜内，开动马达，待混合均匀后，即可开启电导率仪和记录仪，记下初始电导值L0。
（2） 调节流量计，开始通气（先调好空气流量，再开CO2钢瓶，缓慢打开CO2流量计）。
（3） 待记录仪上指示浓度（电导率）不下降时，可以停止实验。
（4） 关闭电导仪和记录仪，切断电源，然后放掉液体，用水清洗搅拌釜。
（5） 整理实验数据。

四 实验数据记录及结果
1. 原始数据
P大气压= 761.88 mmHg
T室= 25.0 ℃
Lo
(mm)
L∞
(mm)
P
(mmHg)
气体流量
NaOH溶液
备注
Vair
(l/min)
VCO2
(l/min)
V
(l)
CBO
(mol×l-1)
0.6142
0.2996
1249.56
7.0
1.67
2
0.04

2. 数据处理
计算思路：
①用公式求出X，
用ORIGIN作X-Θ图：

②利用ORIGIN的数学工具微分得ΔX/Δθ：

③用公式求出NAa；
④用公式求出PA；
⑤用公式CB=(1-X)CB0求出CB；
⑥用公式求出KGa。
现将结果列表如下：
Θ(s)
X
ΔX/Δθ
NAa(mol/l×min)
PA(Pa)
CB(mol/l)
KGa(mol/l×min×atm)
183
1
0
0
32010
0
0
180
1
0.00113
0.001356
32005.97452
0
0.004292845
177
0.993197279
0.00113
0.001356
32005.97452
0.000272109
0.004292845
174
0.993197279
0.00113
0.001356
32005.97452
0.000272109
0.004292845
171
0.986394558
0.00113
0.001356
32005.97452
0.000544218
0.004292845
168
0.986394558
0
0
32010
0.000544218
0
165
0.986394558
0.00113
0.001356
32005.97452
0.000544218
0.004292845
162
0.979591837
0.00113
0.001356
32005.97452
0.000816327
0.004292845
159
0.979591837
0.00113
0.001356
32005.97452
0.000816327
0.004292845
156
0.972789116
0.00113
0.001356
32005.97452
0.001088435
0.004292845
153
0.972789116
0.00113
0.001356
32005.97452
0.001088435
0.004292845
150
0.965986395
0.00227
0.002724
32001.91341
0.001360544
0.008624775
147
0.959183673
0.00113
0.001356
32005.97452
0.001632653
0.004292845
144
0.959183673
0.00113
0.001356
32005.97452
0.001632653
0.004292845
141
0.952380952
0.00227
0.002724
32001.91341
0.001904762
0.008624775
138
0.945578231
0.00113
0.001356
32005.97452
0.002176871
0.004292845
135
0.945578231
0.00113
0.001356
32005.97452
0.002176871
0.004292845
132
0.93877551
0.00227
0.002724
32001.91341
0.00244898
0.008624775
129
0.931972789
0.00227
0.002724
32001.91341
0.002721088
0.008624775
126
0.925170068
0.00113
0.001356
32005.97452
0.002993197
0.004292845
123
0.925170068
0.00113
0.001356
32005.97452
0.002993197
0.004292845
120
0.918367347
0.00227
0.002724
32001.91341
0.003265306
0.008624775
117
0.911564626
0.00227
0.002724
32001.91341
0.003537415
0.008624775
114
0.904761905
0.00113
0.001356
32005.97452
0.003809524
0.004292845
111
0.904761905
0
0
32010
0.003809524
0
108
0.904761905
0.00113
0.001356
32005.97452
0.003809524
0.004292845
105
0.897959184
0.00227
0.002724
32001.91341
0.004081633
0.008624775
102
0.891156463
0.00227
0.002724
32001.91341
0.004353741
0.008624775
99
0.884353741
0.00113
0.001356
32005.97452
0.00462585
0.004292845
96
0.884353741
0.00113
0.001356
32005.97452
0.00462585
0.004292845
93
0.87755102
0.00227
0.002724
32001.91341
0.004897959
0.008624775
90
0.870748299
0.00227
0.002724
32001.91341
0.005170068
0.008624775
87
0.863945578
0.0034
0.00408
31997.88793
0.005442177
0.01291979
84
0.850340136
0.0034
0.00408
31997.88793
0.005986395
0.01291979
81
0.843537415
0.00567
0.006804
31989.80134
0.006258503
0.021551097
78
0.816326531
0.00794
0.009528
31981.71474
0.007346939
0.030186768
75
0.795918367
0.00794
0.009528
31981.71474
0.008163265
0.030186768
72
0.768707483
0.00907
0.010884
31977.68926
0.009251701
0.03448721
69
0.741496599
0.0102
0.01224
31973.66378
0.010340136
0.038788736
66
0.707482993
0.0102
0.01224
31973.66378
0.01170068
0.038788736
63
0.680272109
0.00794
0.009528
31981.71474
0.012789116
0.030186768
60
0.659863946
0.0102
0.01224
31973.66378
0.013605442
0.038788736
57
0.619047619
0.01247
0.014964
31965.57719
0.015238095
0.047433128
54
0.585034014
0.0102
0.01224
31973.66378
0.016598639
0.038788736
51
0.557823129
0.01134
0.013608
31969.60267
0.017687075
0.043129426
48
0.517006803
0.0102
0.01224
31973.66378
0.019319728
0.038788736
45
0.496598639
0.0102
0.01224
31973.66378
0.020136054
0.038788736
42
0.455782313
0.01134
0.013608
31969.60267
0.021768707
0.043129426
39
0.428571429
0.01134
0.013608
31969.60267
0.022857143
0.043129426
36
0.387755102
0.0102
0.01224
31973.66378
0.024489796
0.038788736
33
0.367346939
0.0102
0.01224
31973.66378
0.025306122
0.038788736
30
0.326530612
0.01247
0.014964
31965.57719
0.026938776
0.047433128
27
0.292517007
0.01134
0.013608
31969.60267
0.02829932
0.043129426
24
0.258503401
0.0102
0.01224
31973.66378
0.029659864
0.038788736
21
0.231292517
0.01134
0.013608
31969.60267
0.030748299
0.043129426
18
0.19047619
0.01134
0.013608
31969.60267
0.032380952
0.043129426
15
0.163265306
0.01134
0.013608
31969.60267
0.033469388
0.043129426
12
0.12244898
0.01134
0.013608
31969.60267
0.035102041
0.043129426
9
0.095238095
0.0102
0.01224
31973.66378
0.036190476
0.038788736
6
0.06122449
0.01134
0.013608
31969.60267
0.03755102
0.043129426
3
0.027210884
0.0102
0.01224
31973.66378
0.038911565
0.038788736
0
0
0.00907
0.010884
31977.68926
0.04
0.03448721

五 计算与讨论
基于上表数据作图如下：

可以得到

再根据：，HA=32.25atm*l/gmol， 得：

六 思考题
1. 什么是瞬间气液反应的临界浓度CBC？为什么在CB>=CBC时KG a=kG a？
答：当CB增加到某一临界浓度CBC时，反应面将和相界面重合，即扩散到界面的A瞬间会被反应掉。
当CB>=CBC时，相界面即成为反应面，反应吸收过程为气膜传质控制，即此时有KG a=kG a。
2. 当CB<CBC，CB=0时，其吸收速率式分别为什么形式？
答：当CB<CBC ，，
其中；
当CB=0，。
3. 为什么可以假设kG a在整个实验中保持不变？
答：kG a是气膜传质系数，其数值大小与参与传质过程的气体和液体的有关参数相关。而在本实验过程中，气相和液相的接触方式以及气体流速都没有发生变化，故认为kG a在整个实验中保持不变是合理的。
4. 双膜理论应用于本实验中有何缺陷？
答：双膜理论的主要论点之一是：不论何时，在两层薄膜间的相界面处的浓度关系都已经达到平衡。而在实际实验中，很难保持体系的这种稳定状态。
5. 实验误差分析。
答：主要误差分析如下：
①二氧化碳的流量输出并不稳定；
②数据处理过程中我们假设气液是达到全混的，但实际很难做到充分混合；
③为了尽量接近全混而不得不施加一定的搅拌，这也使得电导笔受其影响而产生震动与位移，导致电导率的波动；
④二氧化碳的分压只是估计计算值，而非测量值；
⑤测定电导率时仪器的读数间隔较大。