氧解析化工原理吸收試驗報告

1、化工原理氧解析實驗報告課程名稱：化工原理實驗學(xué) 校：北京化工大學(xué)學(xué) 院：專 業(yè)：班 級：學(xué) 號：姓 名： 實驗日期:同組人員:一、實驗摘要本實驗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行解析，測定不 同液量和氣量卜.的解析液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，并進行關(guān)聯(lián)，同時對四種不同填料的傳質(zhì)效果 及流體力學(xué)性能進行比較。二、實驗?zāi)康募叭蝿?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)問題的方法。三、基本原理1、填料塔流體力學(xué)特性氣體通過干填料層

2、時，流體流動引起的壓降和湍流流動引起的壓降規(guī)律相一致。填料層 “壓降一空塔氣速”關(guān)系示意如圖1所示。（1）在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，此壓降對氣速作圖可得斜率為1. 8-2的直線（圖中Aa直線）。（2）當(dāng)有噴淋量時，在低氣速下（c點以前）壓降正比于氣速的1枳2次方，但大于相 同氣速下干填料的壓降（圖中be段）。（3）隨氣速的增加，出現(xiàn)載點（圖中c點），持液量開始增大，“壓降一氣速”線向上 彎，斜率變陡（圖中cd段）。（4）到液泛點（圖中d點）后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。圖1填料層“壓降一空塔氣速”關(guān)系示意圖2、傳質(zhì)實驗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

3、 上進行，需要計算完成一定吸收任務(wù)所需的填料高度，其計算方法有傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)單元法 和等板高度法。本實驗是對富氧水進行解吸，如圖2所示。由于富氧水濃度很低，可以認為氣液兩相平 衡關(guān)系服從亨利定律，即平衡線為直線，操作線也為直線，因此可以用對數(shù)平均濃度差計算 填料層傳質(zhì)平均推動力。整理得到相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程為即 K、a = GA/%AXm二（乂2一22）一（均 一1）皿一皿叫（均 -/1）Ga = L（X3 ）J =ZQL 戶 dxKyaQ k x - x=HolNql圖2富氧水解吸實驗相關(guān)填料層高度的基本計算式為:即 Hql = Z/Nql&單位時間內(nèi)氧的解吸量，kmol/（nr 0h）； （

4、a液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m *h）； 。填料層體枳，ni照液相對數(shù)平均濃度差；照液相進塔時的摩爾分數(shù)（塔頂）；X與出塔氣相左平衡的摩爾分數(shù)（塔頂）；X液相出塔的摩爾分數(shù)（塔底）；X與進塔氣相左平衡的摩爾分數(shù)（塔底）； Z填料層高度，加；Q塔截面積，nf;解吸液流量，kmol/（iff 0h）；尻以液相為推動力的總傳質(zhì)單元高度，%； Nol以液相為推動力的總傳質(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 由于屬液膜控制過程，所以要提高液相體積總傳質(zhì)系數(shù)位a,應(yīng)增大也想的湍動 程度即增大噴淋量。在y-x圖中，解析過程的操作線在平衡線下方，本實驗中

5、是一條平行于橫坐標(biāo)的水平 線（因氧氣在水中濃度很?。１緦嶒炘谟嬎銜r，氣液相濃度的單位用摩爾分數(shù)而不用摩爾比，這是因為在y-x圖中， 平衡線為直線，操作線也為直線，計算比較簡單。四、實驗裝置及流程氧氣吸收解吸裝置流程：（1）氧氣由氧氣鋼瓶供給，經(jīng)減壓閥進入氧氣緩沖罐，穩(wěn)壓在0.030.01如d,為確 保安全，緩沖罐上裝有安全閥，當(dāng)緩沖罐在壓力達到0.08%時，安全閥自動開啟。（2）氧氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氧氣流量，并經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計計量，進入吸收塔中。（3）自來水經(jīng)水轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)流量，由轉(zhuǎn)子流量計計量后進入吸收塔。（4）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。（5）空氣

6、由風(fēng)機供給，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)子流量計計量， 通入解吸塔底部，在塔內(nèi)與塔頂噴淋的富氧水進行接觸，解吸富氧水，解吸后的尾氣由塔頂 排出，“貧氧水”從塔底通過平衡罐排出。（6）由于氣體流量與氣體狀態(tài)有關(guān)，所以每個氣體流量計前均有表壓計和溫度計?？諝饬髁坑嬊把b有計前表壓計。為了測量填料層壓降，解吸塔裝有壓差計。（7）在解吸塔入I I設(shè)有入I I采出閥，用于采集入I I水樣，出II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型測氧儀測得。排入地溝1、氧氣鋼瓶7、氧氣流量調(diào)節(jié)閥13、風(fēng)機19、液位平衡罐2、氧減壓閥8、氧轉(zhuǎn)子流量計14、空氣緩沖罐20、貧氧水取樣閥

7、3、氧壓力表9、吸收塔15、溫度計21、溫度計4、氧緩沖罐10、水流量調(diào)節(jié)閥16、空氣流量調(diào)節(jié)閥22、壓差計5、氧壓力表11、水轉(zhuǎn)子流量計17、空氣轉(zhuǎn)子流量計23、流量計前表壓計6、安全閥12、富氧水取樣閥18、解吸塔24、防水倒灌閥五、實驗內(nèi)容及步驟1、流體力學(xué)性能測定（1）測定干填料壓降塔內(nèi)填料事先已吹干。 改變空氣流量，測定填料塔壓降，測取10組數(shù)據(jù)。（2）測定濕填料壓降固定前先進行預(yù)液泛，是填料表面充分潤濕。固定水在某一噴淋量下，改變空氣流量，測定填料塔壓降，測取68組數(shù)據(jù)。實驗接近液泛時，氣體的增加量不要過大，否則圖1中的泛點不容易找到。密切觀察 填料表面氣液接觸狀況，并注意填料層壓

8、降變化幅度，務(wù)必等到各參數(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。稍增加氣量，再取一兩個點，注意不要使氣速過分超過泛點，避免沖破和沖跑填料。(3)注意空氣流量的調(diào)節(jié)閥要緩慢開啟和關(guān)閉，以免撞破玻璃管。2、傳質(zhì)實驗將氧氣閥打開，氧氣減壓后進入緩沖罐，罐內(nèi)壓力保持0.040.05面災(zāi)?，氧氣轉(zhuǎn)子流 量計保持o. zL/Min左右。為防止水倒灌進入氧氣轉(zhuǎn)子流量計重,開水前要關(guān)閉防倒灌閥， 或先通入氧氣后通水。傳質(zhì)實驗操作條件選取：水噴淋密度取10飛裙/施 山),空塔的氣速o. 5o. 8m/s, 氧氣入塔流量為0.010.02石4,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

9、 于 19.9mg/La塔頂和塔底液相氧濃度測定：分別從塔頂與塔底取出富氧水和“貧氧水”，用測氧儀 分析其氧的含量。實驗完畢，關(guān)閉氧氣時，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，確實安全后方可離開。六、實驗數(shù)據(jù)處理計算并確定干填料及一定噴淋量下的濕填料在不同空塔氣速u下，與其相應(yīng)的單位填料 高度壓降A(chǔ)p/Z的關(guān)系曲線，并在雙對數(shù)坐標(biāo)系中作圖，找出泛點與載點。表1：干塔數(shù)據(jù)：水流量L=0L/h填料高度h=0.75m塔徑d=0. hn轉(zhuǎn)子流量計:空氣,T=20, P=101. 325KPa序號空氣流量V1 (m3/h)空氣溫度T2 (K)空氣表

10、壓P(kPa)全塔壓降P (kPa)P/Z(Pa/m)實際空氣流量V2(m/h)空氣流速 u (m/s)110286. 651.1660. 0881179. 6670. 342215288. 851. 3330. 19626114. 5880.516320291. 051. 5480. 33344419. 5580. 690425294. 151. 8520. 49065324. 6350. 871530297. 752. 2440. 69692829.8111.054635300. 052. 6850. 941125434. 8991.234表 2：濕塔數(shù)據(jù)：L=60250 L/h, h=0

11、. 75m, d=0. Im轉(zhuǎn)子流量計：空氣，T=20*C, P=101, 325KPa；水流量80L/h。序號空氣流量Vi(m3/h)l溫度T：(K)空氣表壓P(kPa)全塔壓降P (kPa)P/Z(Pa/m)實際空氣流量V2(m3/h)空氣流速u (m/s)15300. 251.0680. 0781045. 0680. 179210301. 351.2250. 15720910. 1570. 359315302. 551. 4110. 21136515. 2680. 540420303. 451. 7250. 52970520. 3560. 720525304. 452. 1650. 86

12、2114925.4210. 899630305. 652.7441. 211169930. 4541.0777 135306. 553.5571. 921256135. 3591.251840307. 754. 6652. 861381540. 1441.420(1)下以干塔數(shù)據(jù)中第一組為例，說明計算過程:單位塔高壓降確定:AP 88= 117.3(Pa/m)流量校正:流速確定:z 0.75 電286.65xl01.3xl03口， 3,、=V - = 10 x= 9.667(m / h)2 建在 293.15x(1. 166x103+101.8x103)=0.332(m/ s)V _9.667

13、A3600 xx(0.1/2)2濕塔的計算過程與干塔一致，不再贅述。(2)計算實驗條件下(一定噴淋量、一定空塔氣速)的液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kq及液 相總傳質(zhì)單元數(shù)Hol。表3：氧解吸操作數(shù)據(jù)：h=0.75m, d=0. Im w平衡二ll.03mg/L(yl=y2=0. 2b P=101. 3KPa)序號氧流量(L/min )L(L/h)G (m/h)空氣表壓P(Pa)全塔壓降P (Pa)貧氧水氧含量ci (mg/L)富氧水氧含量C： (mg/L)含氧水溫度TC)10. 380201.7440. 54911. 6924. 8010. 9511. 6024. 6010. 9520. 3100201

14、. 8130. 55812. 1022. 9510. 9512. 0722. 8010. 8530. 380302. 8421. 31311. 6024. 8611. 0511. 6424. 1811. 05序號系統(tǒng)總壓P(Pa)相平衡常數(shù)m平衡molXel (Xe2)對數(shù)平均 Xm水流量L(mol/h)氣體流率Ga(mol/h)傳質(zhì)系數(shù)K,a (kmol/mh)Hol(m)1101. 574334176. 28*10、2. 28*10、4438. 50. 032824430. 231101. 574334176. 28*102. 15*104438. 50. 032525720.219210

15、1. 579334156. 28*102.42*105548. 10. 033923800. 297101. 579333416. 30*102.35*105548. 10. 033524220. 2923101. 957333656. 29*102.4438. 50. 033126150. 216101. 957333656. 29*102.12*104438. 50. 031325090. 225以第一組數(shù)據(jù)為實例，1OC時的密度：998. 67kg/m3o 塔溫：T平均二中3系統(tǒng)總壓確定:PQ = P 大氣+ .5x 純答=1013+ 0.5x 0.549=101.5745kPa亨利系數(shù)

16、確定：E = (-8.6594xl05xT2+0.07714 xT + 2.56)xlO6= (-8.6594x10-5x10.952 + 0.07714x10.95 + 2.56)x106=3394300亨利系數(shù):E 3394300m =33417P1 101.625平衡濃度:xel = xe = = =6.28xl0-6 el e- m 33417塔頂(底)摩爾分率計算:C頂103xMo.24.8103x32103xMo5卜lx夕24.8mho103x32+上98.67= 1.40 x10-518平均推動力:= (XxQ (x)=加2=Z28x10y*In 但(X2-2)在一%)同理:11

17、.6910隈 32103xMo11.691x998.67Z十10乂 3218二 6.58x10-6液體流率:T V,(L/h)xp 80 x998.67 皿一18L =上=4438.5mol / s氣體流率:G = L(x 頂一務(wù)正)=0.0328mol/s填料塔體枳：Y, =hxxr2 = 0.75xx0.052 =5.89xl0-3 p傳質(zhì)系數(shù)的確定：Ka = =1。- = 2440kinol / (m3 s)VpXAx1n 5.89x10-3x2.28x10傳質(zhì)單元高度:hoL =LKxaxA4438.52.44x106xx0.052=0.231m七、實驗結(jié)果作圖及分析1、流體力學(xué)性能測

18、定干塔填料層壓降與空氣流速關(guān)系圖濕塔填料層壓降與空氣流速關(guān)系圖E/z/dv空氣流:速3m/$)空氣流速成m/s)00.511.5載點與泛點的位置：如圖6所示水流量為80L/h時載點為 A 點(0. 5571, 380. 68)泛點為 B 點(L 105, 1603. 04)干塔與濕塔填料層壓降對比圖450040003500300025002000150010005000圖62、傳質(zhì)實驗：液相體枳總傳質(zhì)系數(shù)Ka和液相總傳質(zhì)單元高度Ho工計算結(jié)果如下:氧流量（L/min）L(L/h)G (m5/h)Kxa (kmol/mh)Hoi (m)0.3802025070. 2250.31002024010

19、. 2940.3803025620. 221表4：不同氣、液量卜的La、Hoi八、結(jié)果討論及誤差分析1、流體力學(xué)性能測定（1）無液體噴淋時如圖所示，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，干塔壓降與氣速呈線性關(guān)系，擬合關(guān)系式 為：log償）= 2.43 + 1.830210.）,即與廣皿呈正比。（2）當(dāng)有噴淋量時（80L/h）,在低氣速下也與氣速呈線性關(guān)系，與J型呈正比。隨氣速的增加，出現(xiàn)載點，持液量開始增大，壓降-氣速線向上彎，斜率變陡。到液泛點 后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。（3）將干塔、濕塔填料塔壓降與氣速關(guān)系進行對比，見圖，可以看出，有液體噴淋時，填 料層壓降均大于同一氣速下的干塔壓降。2、傳質(zhì)實驗由

20、數(shù)據(jù)可以看出，在氧氣-水系統(tǒng)中，液相體枳總傳質(zhì)系數(shù)Kxd與液量正相關(guān)，而與氣 量基本無關(guān)。這是由于氧氣極難溶于水，因而本系統(tǒng)是液膜控制系統(tǒng)，Ka近似等于k、a, 而.，故液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxd僅與液量有關(guān)，與氣量無關(guān)。3、誤差分析（1）系統(tǒng)誤差：裝置整體氣密性不夠理想，造成流體流動時對整體系統(tǒng)帶來的波動影響， 轉(zhuǎn)子流量計在計量空氣流速時不夠穩(wěn)定（2）主觀誤差：人為讀取壓差計及轉(zhuǎn)子流量計時存在主觀誤差。（3）其他誤差：由于氧氣濃度測量儀與實驗裝置數(shù)量不匹配，導(dǎo)致在實驗后期不能夠在 得到待測液后一分鐘內(nèi)得以測量，實驗室環(huán)境含氧量及溫度在此期間對燒杯內(nèi)待測液的.所影響, 導(dǎo)致最終溫度及含氧量的測定

21、存在誤差。九、思考題1、闡述干填料壓降線和濕填料壓降線的特征答：氣體通過干填料時，流體流動引起的壓降和湍流流動引起的壓降規(guī)律相一致，因此 在對數(shù)坐標(biāo)紙上作關(guān)系曲線，表現(xiàn)為一直線。當(dāng)有噴淋量時，在低流速下壓降也正在于氣速 的1.82次方，但大于同一氣速下干填料的壓降。隨氣速增加，出現(xiàn)載點，出現(xiàn)載點，持液量增大，曲線向上彎曲，斜率變陡，到達泡點后，壓降持續(xù)增大，出現(xiàn)液泛。2、比較液泛時單位填料高度壓降和圖中液泛壓降值是否相符，一般亂堆填料液泛時單位填 料高度壓降為多少？答：實驗中發(fā)現(xiàn)，亂堆填料液泛時單位填料層高度的氣體壓降基本上為一恒值。由此推 測，當(dāng)操作氣速低于泛速時，其它等壓降曲線會有與泛點關(guān)聯(lián)圖線相像的曲線形狀。實驗結(jié) 果證實了這一推測。亂堆填料液泛時單位填料高度壓降一般不低于2kPa/mo3、試計算實驗條件下填料塔實際氣液比V/L是最小氣液比（V/L） min的多少倍?_ L6282x10-5 -6.5630 xl()Y1.6282xl05 X33399-0.21= 2.911xl0-5實際氣液比:17.5/22.48.1441=0.09593 ，故弓但對于氣膜阻力控制，即，此時的傳質(zhì)阻力主要=0.09597(