實(shí)驗(yàn)五填料塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)的測(cè)定

1、.實(shí)驗(yàn)五填料塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)的測(cè)定一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶盍纤趥髻|(zhì)過程的有關(guān)單元操作中，應(yīng)用十分廣泛。實(shí)驗(yàn)研究傳質(zhì)過程的控制步驟，測(cè)定傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)，尤為重要。本實(shí)驗(yàn)采用水吸收二氧化碳，測(cè)定填料塔的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)、總傳質(zhì)系數(shù)和傳質(zhì)單元高度，并通過實(shí)驗(yàn)確立液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)與各項(xiàng)操作條件的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)掌握研究物質(zhì)傳遞過程的一種實(shí)驗(yàn)方法，并加深對(duì)傳質(zhì)過程原理的理解。二、實(shí)驗(yàn)原理圖1 雙膜模型濃度分布圖 圖2 填料塔的物料衡算圖雙膜模型的基本假設(shè)，氣側(cè)和液測(cè)得吸收質(zhì)A的傳質(zhì)速率方程可分別表達(dá)為氣膜GA = kgA(pApAi)(1)液膜GA = klA(CAiCA)(2)式中：GAA組分的傳質(zhì)速

2、率，kmol·s-1A兩相接觸面積，m2；pA氣側(cè)A組分的平均分壓，Pa；pAi相界面上A組分的分壓，Pa；CA 液側(cè)A組分的平均濃度，kmol·m3；CAi相界面上A組分的濃度，kmol·m3；kg以分壓表達(dá)推動(dòng)力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，kmol·mv·s-1·Pa-1；kl以物質(zhì)的量濃度表達(dá)推動(dòng)力的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，m·s-1。以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過程推動(dòng)力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達(dá)為GA= KGA(pApA*)(3)GA= KLA(CA*CA)(4)式中：pA*為液相中A組分的實(shí)際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；

3、CA*為氣相中A組分的實(shí)際分壓所要求的液相平衡濃度，kmol · m3；KG為以氣相分壓表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡(jiǎn)稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù)，kmol·m2·s-1·Pa-1；KL為以液相濃度表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡(jiǎn)稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，m·s-1。若氣液相平衡關(guān)系遵循亨利定律：CA= HpA，則(5)(6)當(dāng)氣膜阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力時(shí)，則相際傳質(zhì)過程受氣膜傳質(zhì)速率控制，此時(shí)，KG= kg；反之，當(dāng)液膜阻力遠(yuǎn)大于氣膜阻力時(shí)，則相際傳質(zhì)過程受液膜傳質(zhì)速率控制，此時(shí)，KL=kl。如圖2所示，在逆流接觸的填料層內(nèi)，任意截取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)，則由吸收

4、質(zhì)A的物料衡算可得：(a)式中：FL為液相摩爾流率，kmol·s-1；L為液相摩爾密度，kmol·s3；根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程，可寫出該為分段的傳質(zhì)速率微分方程：dGA = KL(CA*CA)aSdh(b)聯(lián)立(a)和(b)兩式可得：(c)式中:a為氣液兩相接觸的比表面積，m2/m3，S為填料塔的橫截面積，m2本實(shí)驗(yàn)采用水吸收純二氧化碳，且已知二氧化碳在常溫下溶解度較小，因此，液相摩爾流率FL和摩爾密度L的比值，亦即液相體積流率(Vs)L可視為定值，且設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)KL和兩相接觸比表面積a，在整個(gè)填料層內(nèi)為一定值，則按下列邊值條件積分(c)式，可得填料層高度的計(jì)算公式：h=0C

5、A=CA，2h=hCA=CA，1； (7)令，且稱HL為液本傳質(zhì)單元高度（HTU）；，且稱NL為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）。因此，填料層高度為傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)之乘積，即h= HL×NL(8)若氣液平衡關(guān)系遵循亨利定律，即平衡曲線為直線，則（7）式可用解析法解得填料層高度的計(jì)算式，亦即可用下列平均推動(dòng)力法計(jì)算填料層高度和液相傳質(zhì)單元高度：(9)(10)式中CA,m為液相平均推動(dòng)力，即(11)因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)采用純水吸收純二氧化碳，則CA,1* = CA,1*= CA*= HpA = Hp(12)二氧化碳的溶解度常數(shù)，kmol·m3·Pa-1(13)式中c為水的密度，

6、kg·m-3；Mc為水的摩爾質(zhì)量，kg·kmol-1；E為亨利系數(shù)，Pa。因此，（10）式可簡(jiǎn)化為(14)又因本實(shí)驗(yàn)采用的物系有僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計(jì)。在此情況下，整個(gè)傳質(zhì)過程阻力都集中于液膜,即屬液膜控制過程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，亦即(15)對(duì)于填料塔，液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)與主要影響因素之間的關(guān)系，曾有不少研究者由實(shí)驗(yàn)得出各種關(guān)聯(lián)式。其中，SherwoodHolloway得出如下關(guān)聯(lián)式：(16)式中：DL吸收質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù)，m2·s-1；L液體質(zhì)量流速，kg·m2·s-1；L液體粘度，Pa·s

7、或kg·m-1·s-1；L液體密度，kg·m3。應(yīng)該注意的是SherwoodHollwoay關(guān)聯(lián)式中，(kla/DL)和(L/L)兩相沒有特性長(zhǎng)度。因此，該式也不是真正無因次準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。該式中A，m和n的具體數(shù)值需在一定條件下由實(shí)驗(yàn)求取。三、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)裝置由清華華教公司制造安裝。本實(shí)驗(yàn)裝置由填料吸收塔、二氧化碳鋼瓶、高位穩(wěn)壓水槽和各種測(cè)量?jī)x表組成，其流程如圖3所示。圖3 填料吸收塔液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程1、二氧化碳鋼瓶2、減壓閥3、二氧化碳流量計(jì)4、填料塔5、滴定計(jì)量球6、壓差計(jì)7、水流量計(jì)8、高位水槽填料吸收塔采用直徑為50mm的玻璃柱。柱內(nèi)裝填5m

8、m球形玻璃填料，填充高度300mm。吸收質(zhì)純二氧化碳?xì)怏w由鋼瓶經(jīng)二次減壓閥、調(diào)節(jié)閥和轉(zhuǎn)子流量計(jì)，進(jìn)入塔底。氣體由上向下經(jīng)過填料層與液相逆流接觸，最后由柱頂放空。吸收劑水由高位穩(wěn)壓水槽，經(jīng)調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，進(jìn)入塔頂，再噴灑而下。吸收后溶液由塔底經(jīng)形管排出。U形液柱壓差計(jì)用以測(cè)量塔底壓強(qiáng)和填料層的壓強(qiáng)降。四、實(shí)驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)前，首先檢查填料塔的進(jìn)氣閥和進(jìn)水閥，以及二氧化碳二次減壓閥是否均已關(guān)嚴(yán)；然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥，將壓力調(diào)至1MPa；同時(shí)，向高位穩(wěn)壓水槽注水，直至溢流管有適量水溢流而出。實(shí)驗(yàn)操作可按如下步驟進(jìn)行：(1)緩慢開啟進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，水流量可在1050L·h-1X圍內(nèi)選取。一般

9、在此X圍內(nèi)選取5-6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。調(diào)節(jié)流量時(shí)一定要注意保持高位穩(wěn)壓水槽有適量溢流水流出。以保證水壓穩(wěn)定。(2)緩慢開啟進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥。二氧化碳流量一般控制在0.1m3·h-1左右為宜。(3)當(dāng)操作達(dá)到定常狀態(tài)之后，測(cè)量塔頂和塔底的水溫和氣溫，同時(shí)，測(cè)定塔底溶液中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的測(cè)定方法：用吸量管吸取0.1MBa(OH)2溶液10mL，放入三角瓶中，并由塔底附設(shè)的計(jì)量管滴入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示劑數(shù)滴，最后用0.1N鹽酸滴定，直至其脫除紅色的瞬時(shí)為止。由空白試驗(yàn)與溶液滴定用量之差值，按下式計(jì)算得出溶液中二氧化碳的濃度：kmol·m-3(17)式中NHCl

10、為標(biāo)準(zhǔn)鹽酸溶液的當(dāng)量濃度，VHCl為實(shí)際滴定用量，即空白試驗(yàn)用量與滴定試樣使用量之差值,mL；V為塔底溶液采樣量,mL。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果1、測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)(1)填料柱：柱體內(nèi)徑:d=mm填料型式:填料規(guī)格:= mm填料層高度:h=mm比表面積:f=m2/m3堆積密度:b=kg/m3空隙率:=(2)大氣壓力：P=MPa(3)室溫：T=(4)試劑：Ba(OH)2溶液濃度=mol/L用量VBa(OH)2=mL鹽酸濃度=mol/L2、測(cè)定并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)序號(hào)12345氣相塔底氣溫，Tg,1/塔頂氣溫，Tg,2/CO2流量，Vs,g/m3·h-1液相塔底液溫，TL,1/塔頂水溫，TL,2/水的流量，Vs,L/Lh-1塔底采樣量，V/mL鹽酸滴定量，VHCl/mL其中純水的鹽酸滴定量為 mL。3、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可參考下表做好記錄：實(shí)驗(yàn)序號(hào)12345氣相平均溫度，Tg/ CO2密度，g/kg·m-3液相平均溫度，TL/ 液體密度，L/ kg·m-3體積流率，Vs,L/10-6m3·s-