氧解析實(shí)驗(yàn)____北京化工大學(xué)

1、氧解析實(shí)驗(yàn)（金屬波紋絲網(wǎng)CY型）北京化工大學(xué)化工原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)名稱： 氧解吸實(shí)驗(yàn) 班 級(jí)： 化工 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 同 組 人：實(shí)驗(yàn)日期： 2014.04.18 一、實(shí)驗(yàn)摘要本實(shí)驗(yàn)利用吸收柱使水吸收純氧形成富氧水，送入解析塔頂再用空氣進(jìn)行解析，測(cè)定不同液量和氣量下的解析液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，并進(jìn)行關(guān)聯(lián)，同時(shí)對(duì)四種不同填料的傳質(zhì)效果及流體力學(xué)性能進(jìn)行比較。由于富氧水濃度很低，氣液兩相平衡關(guān)系服從亨利定律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉填料塔的構(gòu)造與操作，掌握液相體積總傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定方法并分析影響因素，學(xué)習(xí)氣液連續(xù)接觸式填料塔，利用傳質(zhì)速率方程處理傳質(zhì)問(wèn)題的方法。關(guān)鍵詞：傳質(zhì)系數(shù)、氧吸收、氧解吸、填料層二、實(shí)驗(yàn)

2、目的及任務(wù)1、熟悉填料塔的構(gòu)造與操作。2、觀察填料塔流體力學(xué)狀況，測(cè)定壓降與氣速的關(guān)系曲線。3、掌握液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa的測(cè)定方法并分析影響因素。4、學(xué)習(xí)氣液連續(xù)接觸式填料塔，利用傳質(zhì)速率方程處理傳質(zhì)問(wèn)題的方法。三、基本原理1、填料塔流體力學(xué)特性 氣體通過(guò)干填料層時(shí)，流體流動(dòng)引起的壓降和湍流流動(dòng)引起的壓降規(guī)律相一致。填料層壓降空塔氣速關(guān)系示意如圖1所示，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，此壓降對(duì)氣速作圖可得一斜率為1.82的直線（圖中aA）。當(dāng)有噴淋量時(shí)，在低氣速下（c點(diǎn)以前）壓降正比于氣速的1.82次冪，但大于相同氣速下干填料的壓降（圖中bc段）。隨氣速的增加，出現(xiàn)載點(diǎn)（圖中c點(diǎn)），持液量開(kāi)始增大，壓降

3、氣速線向上彎，斜率變陡（圖中cd段）。到液泛點(diǎn)（圖中d點(diǎn)）后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。lg ualgpAbcd圖1 填料層壓降空塔氣速關(guān)系示意2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)填料塔與板式塔氣液兩相接觸情況不同。在填料塔中，兩相傳質(zhì)主要在填料有效濕表面上進(jìn)行，需要計(jì)算完成一定吸收任務(wù)所需的填料高度，其計(jì)算方法有傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)單元法和等板高度法。本實(shí)驗(yàn)是對(duì)富氧水進(jìn)行解吸，如圖2所示。由于富氧水濃度很低，可以認(rèn)為氣液兩相平衡關(guān)系服從亨利定律，即平衡線為直線，操作線也為直線，因此可以用對(duì)數(shù)平均濃度差計(jì)算填料層傳質(zhì)平均推動(dòng)力。整理得到相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程為，即式中 ： 相關(guān)填料層高度的基本計(jì)算式為：圖-2 富氧水解

4、吸實(shí)驗(yàn) 即 式中： ，其中：_單位時(shí)間內(nèi)氧的解吸量，kmol/(m2h)；Kxa_液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3h)；a_單位體積內(nèi)具有的有效吸收表面，m2/m3；Vp填料層體積，m3；液相對(duì)數(shù)平均濃度差；液相進(jìn)塔時(shí)的摩爾分?jǐn)?shù)（塔頂）；與出塔氣相y1平衡的摩爾分?jǐn)?shù)（塔頂）；液相出塔的摩爾分?jǐn)?shù)（塔底）；與進(jìn)塔氣相y1平衡的摩爾分?jǐn)?shù)（塔底）；Z填料層高度，m；塔截面積，m2；L解吸液流量，kmol/(m2h)；以液相為推動(dòng)力的總傳質(zhì)單元高度，m；以液相為推動(dòng)力的總傳質(zhì)單元數(shù)。由于氧氣為難容氣體，在水中的溶解度很小，因此傳質(zhì)阻力幾乎全部集中在液膜中，即Kx=kx，由于屬液膜控制過(guò)程，所以要提高

5、液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa，應(yīng)增大也想的湍動(dòng)程度即增大噴淋量。在y-x圖中，解析過(guò)程的操作線在平衡線下方，本實(shí)驗(yàn)中是一條平行于橫坐標(biāo)的水平線（因氧氣在水中濃度很?。?。本實(shí)驗(yàn)在計(jì)算時(shí)，氣液相濃度的單位用摩爾分?jǐn)?shù)而不用摩爾比，這是因?yàn)樵趛-x圖中，平衡線為直線，操作線也為直線，計(jì)算比較簡(jiǎn)單。四、實(shí)驗(yàn)裝置及流程下圖是氧氣吸收解吸裝置流程圖。氧氣由氧氣鋼瓶供給，經(jīng)減壓閥進(jìn)入氧氣緩沖罐，穩(wěn)壓在0.030.04Mpa，為確保安全，緩沖罐上裝有安全閥，當(dāng)緩沖罐在壓力達(dá)到0.08MPa時(shí)，安全閥自動(dòng)開(kāi)啟。氧氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氧氣流量，并經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量，進(jìn)入吸收塔中。自來(lái)水經(jīng)水轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量

6、后進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi)氧氣與水并流接觸，形成富氧水，富氧水經(jīng)管道在解吸塔的頂部噴淋。空氣由風(fēng)機(jī)供給，經(jīng)緩沖罐，由空氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量經(jīng)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量，通入解吸塔底部，在塔內(nèi)與塔頂噴淋的富氧水進(jìn)行接觸，解吸富氧水，解吸后的尾氣由塔頂排出，貧氧水從塔底經(jīng)平衡罐排出。由于氣體流量與氣體狀態(tài)有關(guān)，所以每個(gè)氣體流量計(jì)前均有表壓計(jì)和溫度計(jì)?？諝饬髁坑?jì)前裝有計(jì)前表壓計(jì)。為了測(cè)量填料層壓降，解吸塔裝有壓差計(jì)。在解吸塔入口設(shè)有入口采出閥，用于采集入口水樣，出口水樣在塔底排液平衡罐上采出閥取樣。兩水樣液相氧濃度由9070型測(cè)氧儀測(cè)得。圖-3 氧氣吸收解吸裝置流程圖1、氧氣鋼瓶 2、氧減壓閥 3、氧壓力表

7、4、氧緩沖罐 5、氧壓力表 6、安全閥 7、氧氣流量調(diào)節(jié)閥 8、氧轉(zhuǎn)子流量計(jì) 9、吸收塔 10、水流量調(diào)節(jié)閥 11、水轉(zhuǎn)子流量計(jì) 12、富氧水取樣閥 13、風(fēng)機(jī) 14、空氣緩沖罐 15、溫度計(jì) 16、空氣流量調(diào)節(jié)閥 17、空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì) 18、解吸塔 19、液位平衡罐 20、貧氧水取樣閥 21、溫度計(jì) 22、壓差計(jì) 23、流量計(jì)前表壓計(jì) 24、防水倒灌閥五、實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)1、流體力學(xué)性能測(cè)定(1) 測(cè)定干填料壓降 塔內(nèi)填料事先已吹干。 改變空氣流量，測(cè)定填料塔壓降，測(cè)取68組數(shù)據(jù)。(2) 測(cè)定濕填料壓降 固定前先進(jìn)行預(yù)液泛，是填料表面充分潤(rùn)濕。 固定水在某一噴淋量下，改變空氣流量，測(cè)定填料塔壓降

8、，測(cè)取810組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)接近液泛時(shí)，進(jìn)塔氣體的增加量不要過(guò)大，否則圖1中的泛點(diǎn)不容易找到。密切觀察填料表面氣液接觸狀況，并注意填料層壓降變化幅度，務(wù)必等各參數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)據(jù)，液泛后填料層壓降在幾乎不變的氣速下明顯上升，務(wù)必要掌握這個(gè)特點(diǎn)。稍增加氣量，再取一兩個(gè)點(diǎn)即可。注意不要使氣速過(guò)分超過(guò)泛點(diǎn)，避免沖破和沖跑填料。(3)注意空氣流量的調(diào)節(jié)閥要緩慢開(kāi)啟和關(guān)閉，以免撞破玻璃管。2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)將氧氣閥打開(kāi)，氧氣減壓后進(jìn)入緩沖罐，罐內(nèi)壓力保持0.040.05Mpa，氧氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)保持0.3L/Min左右。為防止水倒灌進(jìn)入氧氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)重，開(kāi)水前要關(guān)閉防倒灌閥，或先通入氧氣后通水。傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)操作條件選取：水

9、噴淋密度取1015m3/(m2·h)，空塔氣速0.50.8m/s，氧氣入塔流量為0.010.02m3/h，適當(dāng)調(diào)節(jié)氧氣流量，使吸收后的富氧水濃度控制在不大于19.9mg/L。塔頂和塔底液相氧濃度測(cè)定：分別從塔頂與塔底取出富氧水和貧氧水，用測(cè)氧儀分析其氧的含量。 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉氧氣時(shí)，務(wù)必先關(guān)氧氣鋼瓶總閥，然后才能關(guān)閉氧減壓閥及氧氣流量調(diào)節(jié)閥。檢查總電源、總水閥及各管路閥門，確實(shí)安全后方可離開(kāi)。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理. 填料塔流體力學(xué)特性1、干塔時(shí)空氣流速和塔壓降的關(guān)系曲線標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下：t0=20， 表1：干塔原始數(shù)據(jù)塔徑，D=0.1m 填料層高度Z=0.75m組數(shù)氣溫t/空氣流量示值V0/m

10、3/h空氣壓強(qiáng)P/Pa全塔壓降P/Pa12451080142251011504532715122086429201400145532251590201634301850361以第二組數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算：空氣壓差：(絕壓)=1150+101325=102475Pa其中使用狀態(tài)下，空氣流量： 處理完后得到下表： 表2：干塔時(shí)u與的關(guān)系組數(shù)校正流量V/m3/h塔截面積/m2空塔流速u/m/s LguLg(P/Z)15.007 0.0078540.1771 -0.7518 1.2711 210.028 0.0078540.3547 -0.4502 1.7782 315.087 0.0078540.533

11、6 -0.2728 2.0594 420.166 0.0078540.7132 -0.1468 2.2863 525.309 0.0078540.8951 -0.0481 2.4281 630.431 0.0078541.0763 0.0319 2.6824 2、濕塔速度與壓降的關(guān)系曲線液體噴淋量為143L/h表3：濕塔原始數(shù)據(jù)組數(shù)空氣流量示值V0/m3/h空氣壓強(qiáng)P/Pa全塔壓降P/Pa氣溫t/1511056538281145803831112601163841413601883851714802603961915903104072016503604082117803854192318605

12、38421025201063243處理方法和干塔類似，完后得到一下結(jié)果： 表4：濕塔時(shí)u與的關(guān)系組數(shù)校正流量v/m3/h 塔截面積m2 空氣氣速u/m/s lgu Lg(P/Z)15.123 0.0078540.1812 -0.7418 1.9379 28.196 0.0078540.2899 -0.5378 2.0280 311.263 0.0078540.3983 -0.3997 2.1894 414.328 0.0078540.5067 -0.2952 2.3991 517.416 0.0078540.6159 -0.2105 2.5399 619.485 0.0078540.6891

13、-0.1617 2.6163 720.505 0.0078540.7252 -0.1395 2.6812 821.551 0.0078540.7622 -0.1179 2.7104 923.632 0.0078540.8358 -0.0779 2.8557 1025.708 0.0078540.9092 -0.0413 2.9257 將表2和表4的數(shù)據(jù)用oringin軟件繪制雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，如下： 圖1：填料層壓降空塔氣速雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖. 傳質(zhì)實(shí)驗(yàn) 表5：傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組數(shù)123水流量Q（m3/h）105氧氣流量l/min0.4全塔壓降/pa2485200空氣壓力p/pa110011851370富氧

14、水溫度15.615.515.9富氧水濃度mg/l25.225.626.43貧氧水溫度15.815.716.1貧氧水濃度mg/l11.1611.0610.70富氧水平衡濃度mg/l10.2610.3810.09貧氧水平衡濃度mg/l10.1110.2610.05空氣流量m3/h51015以第二組數(shù)據(jù)為例： 富氧水氧氣摩爾分?jǐn)?shù)： 貧氧水氧氣摩爾分?jǐn)?shù)：富氧水平衡氧氣摩爾分?jǐn)?shù)：富氧水平衡氧氣摩爾分?jǐn)?shù)： 液相對(duì)數(shù)平均濃度差： 解吸液流量： 單位時(shí)間內(nèi)氧的解吸量：填料層體積： 液相體積總傳質(zhì)系數(shù)： 總傳質(zhì)單元高度：通過(guò)以上計(jì)算得到一下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：表6：傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果 空氣流量物理量510150.00001

15、4180.00001441.487E-056.278E-066.221E-065.664E-065.771E-065.839E-065.676E-065.687E-065.771E-065.653E-062.943E-062.754E-061.369E-064.607E-054.771E-055.368E-052658.02941.56657.00.2790.252 0.112七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)條件下，干塔壓降與氣速在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中的擬合的直線方程為y=1.7348x+2.5578，直線斜率為1.7348，相關(guān)度R=0.9968，與理論上的斜率1.8-2有一定的誤差，考慮到數(shù)據(jù)很少，實(shí)驗(yàn)對(duì)象

16、單一，偶然性較大，這個(gè)結(jié)果可以接受。濕塔時(shí)，載點(diǎn)容易找出，在第二、三點(diǎn)之間，大約u=0.4m/s，而泛點(diǎn)在第八、九點(diǎn)之間，大約u=0.87m/s。算傳質(zhì)系數(shù)時(shí)，其實(shí)少了一套數(shù)據(jù)，沒(méi)有測(cè)一定空塔氣速下不同噴淋量下的傳質(zhì)系數(shù)，但是仍可以得出液膜控制的結(jié)論。傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)時(shí)第三組數(shù)據(jù)明顯偏差很大，可能是測(cè)氧濃度的過(guò)程中示數(shù)沒(méi)穩(wěn)即讀，也可能是接貧富氧水時(shí)間隔太短，沒(méi)等系統(tǒng)穩(wěn)定就接水。而且該絲網(wǎng)填料與管壁縫隙大，存在系統(tǒng)誤差。如果只考慮前兩組，則明顯改變空氣流速時(shí)，液相體積總傳質(zhì)系數(shù)變化不大，可推測(cè)出是液膜控制。八、思考題1.闡述干填料壓降線和濕料塔壓降線的特征答：通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖可知，干料塔壓降與氣速的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中為一條直線，其斜率在1.8-2之間；而當(dāng)有一定噴淋量時(shí)，在低氣速下（圖中c點(diǎn)以前）壓降正比于氣速，但大于相同氣速下干填料的壓降（圖中bc段）。隨氣速的增加，出現(xiàn)載點(diǎn)（圖中c點(diǎn)），持液量開(kāi)始增大，壓降-氣速線上彎，斜率變陡（圖中cd段）。到液泛點(diǎn)（圖中d點(diǎn)）后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。2工業(yè)上，吸收在低溫，加壓下進(jìn)行，而解吸在高溫常壓下進(jìn)行，為什么？答：低溫高壓使氣體