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二氧化碳吸收与解吸实验
一、实验目的
1.了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实验测定数据的处理分析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解，加深对填料塔传质性能理论的理解。
2.掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习实验数据的处理分析。
二、实验内容
1. 测定填料层压强降与操作气速的关系，确定在一定液体喷淋量下的液泛气速。
2. 固定液相流量和入塔混合气二氧化碳的浓度，在液泛速度下，取两个相差较大的气相流量，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传质单元高度和体积吸收总系数）。
3. 进行纯水吸收二氧化碳、空气解吸水中二氧化碳的操作练习，同时测定填料塔液侧传质膜系数和总传质系数。
三、实验原理：
气体通过填料层的压强降：ΔP , kPa
压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气、液流量均有关，不同液体喷淋量下填料层的压强降与气速的关系如图一所示：

图一 填料层的～关系

当液体喷淋量时，干填料的～的关系是直线，如图中的直线0。当有一定的喷淋量时，～的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将～关系分为三个区段：既恒持液量区、载液区及液泛区。
传质性能：吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定可获取吸收系数。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。
1.二氧化碳吸收-解吸实验
根据双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A的传质速率方程可分别表达为
气膜 （1）
液膜 （2）
式中：—A组分的传质速率，；
—两相接触面积，m2；
—气侧A组分的平均分压，Pa；
—相界面上A组分的平均分压，Pa；
—液侧A 组分的平均浓度，
—相界面上A组分的浓度
—以分压表达推动力的气侧传质膜系数，;
—以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，。
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： （3）
（4）
式中：—液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；
—气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，；
—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，；
-以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，。
若气液相平衡关系遵循享利定律：，则：
（5）
（6）

浓度
相 界 面
P2=PA2 CA2 ，FL
PA
PAi
CAi
CA
dh

气膜
液
膜
距离
CA PA CA

PA+d PA CA+dCA
P1=PA1 CA1，FL
图二 双膜模型的浓度分布图 图三 填料塔的物料衡算图

当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式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，。
如图三所示，在逆流接触的填料层内，任意载取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得：
（7a）
式中：——液相摩尔流率，；
——液相摩尔密度，。
根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程：
（7b）
联立上两式可得： （8）
式中：——气液两相接触的比表面积， m2·m-1；
——填料塔的横载面积，m2。
本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小，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KL和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分式（8），可得填料层高度的计算公式：

（9）
令 ，且称HL为液相传质单元高度（HTU）；
，且称NL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
（10）
若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（9）为可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：
（11）
（12）
式中为液相平均推动力，即
（13）
其中：, ，为大气压。
二氧化碳的溶解度常数：
（14）
式中：——水的密度，
——水的摩尔质量， ；
——二氧化碳在水中的享利系数（见化工原理下册第78页），Pa。
因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计，在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即
（15）
四、实验装置：
1.实验装置

2.二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图(见图四)

图四 二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图
2- 瓶
实验仪表面板图(见图五)

图五 实验装置面板图
七、实验数据记录

八、实验数据处理实验数据计算过程 (以一组数据为例)。实验数据计算（2)传质实验

△吸收液浓度计算
吸收液消耗盐酸体积V1=30.10 ml，则吸收液浓度为：

= =则塔顶水中CO2浓度为：

==0.00056
△塔底的平衡浓度计算
塔底液温度t =7.9℃，由附录可查得CO2亨利系数 E=0.9735×105 KPa
则CO2的溶解度常数为：
==5.706×10-7 （ ）
塔底混和气中二氧化碳含量： y1==0.238
H×PA1=H×y1×P0=5.7×10-7×0.238×101325=
△塔顶的平衡浓度计算
由物料平衡得塔顶二氧化碳含量 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

实验装置填料吸收塔传质实验技术数据表
填料吸收塔传质实验数据表
被吸收的气体: 纯CO2 吸收剂:水 塔内径:50ｍｍ
塔类型
吸收塔
填料种类

填料层高度 (m)

CO2转子流量计读数 m3／h

CO2转子流量计处温度 ℃

流量计处CO2的体积流量 m3／h

空气转子流量计读数 m3／h

水转子流量计读数

中和CO2用Ba(OH)2的浓度 Ｍ mol／l

中和CO2用Ba(OH)2的体积 ml

滴定用盐酸的浓度 Ｍ mol／l

滴定塔底吸收液用盐酸的体积 ｍl

滴定空白液用盐酸的体积 ｍl

样品的体积 ｍl

塔底液相的温度 ℃

亨利常数E 108Pa
0.973502
塔底液相浓度 CA1 kmoI ／m3
0.01277
空白液相浓度 CA2 kmoI ／m3
0.00056
传质单元高度 HLE-7 kmol/(m3*Pa)
5.70677
y1
0.23794
平衡浓度 CA1* kmoI ／m3
0.013759
y2
0.2161
平衡浓度 CA2* kmol /m3
0.012493
平均推动力 △CAm kmoICO2／m3
0.0044
液相体积传质系数 ＫYa m／s
0.0049
吸收率
0.092
实验装置 九、附录
二氧化碳在水中的亨利系数