二氧化碳吸收與實驗

1、 二氧化碳吸收實驗裝置說明書天津大學化工基礎實驗中心201504一、實驗目的1.了解填料吸收塔的結構、性能和特點，練習并掌握填料塔操作方法；通過實驗測定數(shù)據(jù)的處理分析，加深對填料塔流體力學性能基本理論的理解，加深對填料塔傳質性能理論的理解。2.掌握填料吸收塔傳質能力和傳質效率的測定方法，練習對實驗數(shù)據(jù)的處理分析。二、實驗內容1. 測定填料層壓強降與操作氣速的關系，確定在一定液體噴淋量下的液泛氣速。2. 固定液相流量和入塔混合氣二氧化碳的濃度，在液泛速度下，取兩個相差較大的氣相流量，分別測量塔的傳質能力（傳質單元數(shù)和回收率）和傳質效率（傳質單元高度和體積吸收總系數(shù)）。3. 進行純水吸收二氧化碳、

2、空氣，解吸水中二氧化碳的操作練習。三、實驗原理：氣體通過填料層的壓強降：P , kPa壓強降是塔設計中的重要參數(shù)，氣體通過填料層壓強降的大小決定了塔的動力消耗。壓強降與氣、液流量均有關，不同液體噴淋量下填料層的壓強降與氣速的關系如圖一所示： 圖-1 填料層的關系 當液體噴淋量時，干填料的的關系是直線，如圖中的直線0。當有一定的噴淋量時，的關系變成折線，并存在兩個轉折點，下轉折點稱為“載點”，上轉折點稱為“泛點”。這兩個轉折點將關系分為三個區(qū)段：既恒持液量區(qū)、載液區(qū)及液泛區(qū)。傳質性能：吸收系數(shù)是決定吸收過程速率高低的重要參數(shù)，實驗測定可獲取吸收系數(shù)。對于相同的物系及一定的設備（填料類型與尺寸），

3、吸收系數(shù)隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。 1.二氧化碳吸收-解吸實驗根據(jù)雙膜模型的基本假設，氣側和液側的吸收質A的傳質速率方程可分別表達為氣膜 （1） 液膜 （2）式中：A組分的傳質速率，；兩相接觸面積，m2；氣側A組分的平均分壓，Pa；相界面上A組分的平均分壓，Pa；液側A 組分的平均濃度， 相界面上A組分的濃度以分壓表達推動力的氣側傳質膜系數(shù)，;以物質的量濃度表達推動力的液側傳質膜系數(shù)，。以氣相分壓或以液相濃度表示傳質過程推動力的相際傳質速率方程又可分別表達為： （3） （4）式中：液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa； 氣相中A組分的實際分壓所要求的液相平衡濃度，；以

4、氣相分壓表示推動力的總傳質系數(shù)或簡稱為氣相傳質總系數(shù)，；-以氣相分壓表示推動力的總傳質系數(shù)，或簡稱為液相傳質總系數(shù)，。若氣液相平衡關系遵循享利定律：，則： （5） （6）dh相 界 面距離液膜氣膜濃度P2=PA2 CA2 ，F(xiàn)LPAPAiCAi CA PA CA PA+d PA CA+dCA P1=PA1 CA1，F(xiàn)L圖-2 雙膜模型的濃度分布圖 圖-3 填料塔的物料衡算圖當氣膜阻力遠大于液膜阻力時，則相際傳質過程式受氣膜傳質速率控制，此時，；反之，當液膜阻力遠大于氣膜阻力時，則相際傳質過程受液膜傳質速率控制，此時，。如圖三所示，在逆流接觸的填料層內，任意載取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸

5、收質A的物料衡算可得： （7a）式中：液相摩爾流率，；液相摩爾密度，。根據(jù)傳質速率基本方程式，可寫出該微分段的傳質速率微分方程： （7b）聯(lián)立上兩式可得： （8）式中：氣液兩相接觸的比表面積， m2·m-1； 填料塔的橫載面積，m2。本實驗采用水吸收二氧化碳與空氣的混合物中的二氧化碳氣體，且已知二氧化碳在常溫常壓下溶解度較小，因此，液相摩爾流率和摩爾密度的比值，亦即液相體積流率可視為定值，且設總傳質系數(shù)KL和兩相接觸比表面積a，在整個填料層內為一定值，則按下列邊值條件積分式（8），可得填料層高度的計算公式： （9）令 ，且稱HL為液相傳質單元高度（HTU）；，且稱NL為液相傳質單元數(shù)

6、（NTU）。因此，填料層高度為傳質單元高度與傳質單元數(shù)之乘積，即 （10） 若氣液平衡關系遵循享利定律，即平衡曲線為直線，則式（9）為可用解析法解得填料層高度的計算式，亦即可采用下列平均推動力法計算填料層的高度或液相傳質單元高度： （11） （12）式中為液相平均推動力，即 （13）其中：, ，為大氣壓。二氧化碳的溶解度常數(shù)： （14）式中：水的密度， 水的摩爾質量， ；二氧化碳在水中的享利系數(shù)，Pa。因本實驗采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計，在此情況下，整個傳質過程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側體積傳質膜系數(shù)等于液相體積傳質總系數(shù)，亦即 （15） 四、實驗裝置：1

7、.實驗裝置主要技術參數(shù)：填料塔：玻璃管內徑 D0.050m 塔高1.00m 內裝10×10mm瓷拉西環(huán)； 填料層高度Z0.95m； 風機：XGB-12型 550W； 二氧化碳鋼瓶和二氧化碳氣瓶減壓閥1個（用戶自備）。流量測量儀表：CO2轉子流量計型號LZB-6 流量范圍0.060.6 m3h；空氣轉子流量計：型號LZB-10 流量范圍0.252.5 m3h；水轉子流量計： 型號LZB-10 流量范圍16160 Lh； 解吸收塔空氣轉子流量計：型號LZB-10 流量范圍0.252.5 m3h；解吸收塔水轉子流量計：型號LZB-6 流量范圍660 Lh 濃度測量：吸收塔塔底液體濃度分析準

8、備定量化學分析儀器（用戶自備）；溫度測量：PT100鉑電阻，用于測定測氣相、液相溫度。2.二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖(見圖-4)圖-4 二氧化碳吸收與解吸實驗裝置流程示意圖1- CO2鋼瓶；2- CO2瓶減壓閥；3- 吸收用氣泵；4-吸收液水泵；5- 解吸液水泵；6-風機； 7- 空氣旁通閥；8、9-U型管壓差計；F1- 空氣流量計；F2-CO2流量計；F3-吸收液流量計；F4-解吸用空氣流量計；F5- 解吸液體流量計；V1-V19閥門；T1-解吸氣體溫度；T2-吸收液體溫度。3實驗儀表面板圖(見圖-5)圖-5 實驗裝置面板圖五、實驗方法及步驟：1. 測量吸收塔干填料層（PZ）u關系

9、曲線（只做解吸塔）：打開空氣旁路調節(jié)閥7至全開，啟動風機6。打開空氣流量計F4下的閥門,逐漸關小閥門7的開度，調節(jié)進塔的空氣流量。穩(wěn)定后讀取填料層壓降P即U形管液柱壓差計9的數(shù)值，然后改變空氣流量，空氣流量從小到大共測定8-10組數(shù)據(jù)。在對實驗數(shù)據(jù)進行分析處理后，在對數(shù)坐標紙上以空塔氣速 u為橫坐標，單位高度的壓降PZ為縱坐標，標繪干填料層(PZ)u關系曲線。2. 測量吸收塔在噴淋量下填料層(PZ)u關系曲線：將水流量固定在100Lh左右（水流量大小可因設備調整），采用上面相同步驟調節(jié)空氣流量，穩(wěn)定后分別讀取并記錄填料層壓降P、轉子流量計讀數(shù)和流量計處所顯示的空氣溫度，操作中隨時注意觀察塔內現(xiàn)

10、象，一旦出現(xiàn)液泛，立即記下對應空氣轉子流量計讀數(shù)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)在對數(shù)坐標紙上標出液體噴淋量為100Lh時的（Pz）u關系曲線（見圖2A ），并在圖上確定液泛氣速，與觀察到的液泛氣速相比較是否吻合。3. 二氧化碳吸收傳質系數(shù)測定：（1）打開閥門V7、V11，其余所以閥門全部關閉。（2）啟動吸收液泵4將水經(jīng)水流量計F3計量后打入吸收塔中，啟動氣泵3用閥門V1調節(jié)空氣流量為指定值，按二氧化碳與空氣的比例在1020%左右計算出二氧化碳的空氣流量。打開二氧化碳鋼瓶頂上的減壓閥2，向吸收塔內通入二氧化碳氣體，流量大小由流量計F2讀出。（3）啟動解吸泵5，將吸收液經(jīng)解吸流量計F5計量后打入解吸塔中，同時啟動

11、風機，利用閥門7 調節(jié)空氣流量對解吸塔中的吸收液進行解吸。解吸塔水流量應與吸收液流量一致。（4）吸收進行15分鐘并操作達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測量塔底吸收液的溫度，同時用V6和V16取樣品，測定吸收塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。（5）二氧化碳含量測定用移液管吸取0.1M左右的Ba（OH）2標準溶液10mL，放入三角瓶中，并從取樣口處接收塔底溶液10 mL，用膠塞塞好振蕩。溶液中加入23滴酚酞指示劑搖勻，用0.1M左右的鹽酸標準溶液滴定到粉紅色消失即為終點。按下式計算得出溶液中二氧化碳濃度： 六、實驗注意事項：1.開啟CO2總閥門前，要先關閉減壓閥，閥門開度不宜過大。2.實驗中要注意保持吸收塔水流量

12、計和解吸塔水流量計數(shù)值一致，并隨時關注水箱中的液位。兩個流量計要及時調節(jié)，以保證實驗時操作條件不變。3.分析CO2濃度操作時動作要迅速，以免CO2從液體中溢出導致結果不準確。七、實驗數(shù)據(jù)記錄及處理：1實驗數(shù)據(jù)計算及結果（以實驗中表1所取得數(shù)據(jù)的第2組數(shù)據(jù)為例）:（1）填料塔流體力學性能測定（以解吸填料塔干填料數(shù)據(jù)為例）轉子流量計讀數(shù)0.5m3/h； 填料層壓降U管讀數(shù)2mmH2O 空塔氣速：（m/s）單位填料層壓降（mmH2O/m）在對數(shù)坐標紙上以空塔氣速為橫坐標，為縱坐標作圖，標繪關系曲線。 表1第一套設備干填料時P/zu關系測定( L=0 填料層高度Z=0.90m 塔徑D=0.05m)序號

13、填料層壓強降mmH2O單位高度填料層壓強降mmH2O/m 空氣轉子流量計讀數(shù)m3/h 空塔氣速m/s111.10.250.04222.20.50.07322.20.80.11444.41.10.16555.61.40.20666.71.70.2471011.120.2881415.62.30.33表2 第一套濕填料時P/zu關系測定( L=100L/h 填料層高度Z=0.94m 塔徑D=0.05m)序號填料層壓強降 mmH2O單位高度填料層壓強降mmH2O/m 空氣轉子流量計讀數(shù)m3/h 空塔氣速m/s操作現(xiàn)象122.20.250.04 正 常255.40.500.07 正 常31010.80

14、.700.10 正 常41617.20.900.13 正 常53436.61.100.16 正 常64245.21.300.18 正 常76064.51.500.21 正 常88995.71.700.24持液9121130.11.900.27液泛10168180.62.100.30液泛表3第二套設備干填料時P/zu關系測定( L=0 填料層高度Z=0.94m 塔徑D=0.05m)序號填料層壓強降mmH2O單位高度填料層壓強降mmH2O/m 空氣轉子流量計讀數(shù)m3/h 空塔氣速m/s111.10.250.04211.10.50.07322.10.80.11433.21.10.16555.31.4

15、0.20688.51.70.2471111.720.2881414.92.30.33表4 第二套設備濕填料時P/zu關系測定( L=120L/h 填料層高度Z=0.94m 塔徑D=0.05m)序號填料層壓強降 mmH2O單位高度填料層壓強降mmH2O/m 空氣轉子流量計讀數(shù)m3/h 空塔氣速m/s操作現(xiàn)象122.20.250.04 正 常244.30.500.07 正 常366.50.700.10 正 常41212.90.900.13 正 常51920.41.100.16 正 常62830.11.300.18 正 常74346.21.500.21 正 常86873.11.700.24持液913

16、0139.81.900.27持液10200215.12.100.30液泛圖1 第一套實驗裝置 關系曲線圖圖2 第二套實驗裝置 關系曲線圖（2）傳質實驗參考數(shù)據(jù)（以吸收塔的傳質實驗為例）：液體流量L=80 （l/h）·y1、Y1的計算：CO2轉子流量計讀數(shù)VCO2 =0.2（m3/h）CO2實際流量VCO2實 =0.2=0.162（m3/h）空氣轉子流量計讀數(shù)V Air =0.8（m3/h）=0.168=0.202·的計算：塔頂吸收液空白分析=0.0906、=10 ml、=0.1379、=11.90 mlC空白=0.00427 （kmol/m3）塔底吸收液分析=10.80 m

17、l=0.008067 （kmol/m3）=C空白=0.008067-0.00427 =0.003797（kmol/m3）·y2、Y2的計算：L×（-）= V Air×（Y1 -Y1）=0.1608=0.1916·的計算： 吸收液中CO2在水中的含量極低，忽略不計0。·、的計算：塔底液溫度t =7查得CO2亨利系數(shù): E=0.946×108 Pa則CO2的溶解度常數(shù)為：= 5.89×10-7 塔頂和塔底的平衡濃度為：=5.89×10-7×0.168×101325 =0.01002 （mol/l）=

18、5.89×10-7×0.160×101325 = = 0.00954 (mol/l)=0.01002-0.003797=0.00622（kmol/m3）=0.00954-0=0.00954（kmol/m3）液相平均推動力為: 的計算：= 0.0078 （kmol/m3）因本實驗采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計，在此情況下，整個傳質過程阻力都集中于液膜，屬液膜控制過程，則液側體積傳質膜系數(shù)等于液相體積傳質總系數(shù)，即=0.0058 m/s二氧化碳在水中的亨利系數(shù) (見表4)表9 二氧化碳在水中的亨利系數(shù) E×10-5，kPa氣體溫度，0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46表10 實驗裝置填料吸收塔傳質實驗技術數(shù)據(jù)表被吸收的氣體: 空氣+CO2混合氣體; 吸收劑:水; 塔內徑:0.050m