吸收(二氧化碳-水)实验讲义

ΔP,kPaL0=1填料吸收塔(CO2-H2O)实验讲义一、实验目的1．了解填料吸收塔的结构和流体力学性能。2．学习填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法。二、实验内容1．测定填料层压强降与操作气速的关系，确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速。2．采用水吸收二氧化碳，空气解吸水中二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数和总传质系数。三、实验原理1．气体通过填料层的压强降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。压强降与气液流量有关，不同喷淋量下的填料层的压强降ΔP与气速u的关系如图6-1-1所示：L3＞L2＞L10320u,m/s图6-1-1填料层的ΔP～u关系当无液体喷淋即喷淋量L0=0时，干填料的ΔP～u的关系是直线，如图中的直线0。当有一定的喷淋量时，ΔP～u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ΔP～u关系分为三个区段：恒持液量区、载液区与液泛区。2．传质性能吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，而实验测定是获取吸收系数的根本途径。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数将随着操作条件及气液接触状况33式中：GA—A组分的传质速率，kmoIs；PACAPACA的不同而变化。（1）膜系数和总传质系数根据双膜模型的基本假设，气相侧和液相侧的吸收质A的传质速率方程可分别表达为气膜GAkgA(pApAi)（6-1-7）液膜GAklA(CAiCA)（6-1-8）1A—两相接触面积，m2；PA—气侧A组分的平均分压，Pa；PAi—相界面上A组分的平均分压，Pa；CA—液侧A组分的平均浓度，kmolm3CAi—相界面上A组分的浓度kmolm3kg—以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmolm2s1Pa1;kl—以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，ms1。相界面P2=PA2CA2，FL浓度PAiCAidh气液距离膜膜PA+dPACA+dCAP1=PA1CA1，FL图6-1-2双膜模型的浓度分布图图6-1-3填料塔的物料衡算图34式中：pA—液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；kmolmsPa；（6-1-11）（6-1-12）dGAFL式中：FL—液相摩尔流率，kmols；ρL—液相摩尔密度，kmolm。dhFLdCAKLaSLCACA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GAKGA(pApA)（6-1-9）GAKLA(CACA)（6-1-10）CA—气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmolm3；KG—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，211KL—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，ms1。若气液相平衡关系遵循享利定律：CAHpA，则111KGkgHKl1H1KLkgkl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，KG=kg；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，KL=kl。如图6-1-3所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得：dCA（6-1-13a）13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：dGAKL(CACA)aSdh（6-1-13b）联立上两式可得：（6-1-13c）35VsLdCAh（6-1-14）ACAKLaSCA2CHLVsLdCANL，且称NL为液相传质单元数（NTU）。CCAVsLCCA2NL(CA1CA2)/CAmCA1CA2(CA2CA2)(CA1CA1)CA.2CCA2lnA2CA1式中：a—气液两相接触的比表面积，m2·m-1；S—填料塔的横载面积，m2。本实验采用水吸收二氧化碳，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FL和摩尔密度ρL的比值，亦即液相体积流率（Vs）L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（6-1-13c），可得填料层高度的计算公式：h=0，CACA.2h=h，CACA1CA1令，且称HL为液相传质单元高度（HTU）；KLaSCA1CA2A因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即h=HL×NL（6-1-15）若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（6-1-14）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：hA1（6-1-16）KLaSCAmhh（6-1-17）HL式中CA.m为液相平均推动力，即CAm（6-1-18）InCA1CA1因为本实验采用纯水吸收二氧化碳，则CA1CA2CAHpA（6-1-19）二氧化碳的溶解度常数，36式中：ρw—水的密度，kgm;Mw—水的摩尔质量，kgkmol；CAmCACACA1klaKLaVsLCA1CA237HwMw1Ekomlm3Pa1（6-1-20）31E—二氧化碳在水中的享利系数，Pa。因此，式（6-1-18）可简化为CA1ln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（6-1-21）hSCAm四、实验条件1．仿真工艺图图1.CO2吸收解吸现场图东方2．主体设备东位号名称用途类型V2CO2钢瓶存储液态CO2之用压力容器V101水槽存储吸收剂（纯水）之用敞口容易T101解吸塔解吸吸收过CO2的吸收剂填料塔T102吸收塔吸收CO2设备填料塔V1缓冲罐吸收液储罐密封罐P101风机提供空气流量非变频动力装置P102水泵提供吸收液流量非变频动力装置P103水泵解吸泵非变频动力装置仪表位号单位流量CO2流量计FI01m3/h吸收剂流量计FI02L/h解吸液流量计FI03L/h空气流量计FI04m3/h压降吸收塔压降PI02mmH2O解析塔压降PI01mmH2O温度空气温度TI01℃吸收液温度TI02℃根据对装置的认识，在下面的表格中填写相关内容。表1干燥设备的结构认识真3．测量仪表根据对流程的认识，在下面的表格中填写相关内容。表2测量仪表认识东4．实验流程说明吸收质（纯二氧化碳气体）由钢瓶经二次减压阀和转子流量计FI01，进入吸收塔塔底，38气体由下向上经过填料层与液相水逆流接触，到塔顶经放空；吸收剂（纯水）由泵P102提供，经转子流量计FI02进入塔顶，再喷洒而下；吸收后溶液由塔底流入塔底液料罐中由解吸泵P103经流量计FI03进入解吸塔，空气由FI04流量计进入解吸塔塔底由下向上经过填料层与液相逆流接触，流量由旁路阀VA101调节，对吸收液进行解吸，然后自塔顶放空，U形液柱压差计用以测量填料层的压强降。五、实验步骤1．测量吸收塔干填料层（P／Z）～u关系曲线（只做吸收塔）：先全开阀门VA101与进入吸收塔的空气进气阀VA102，打开空气流量计FI04上的阀门，将VA105的阀门打开少许，关闭解吸塔的空气进气阀VA103，启动风机，（先全开阀VA101和空气流量计阀,再利用阀VA101调节进塔的空气流量。空气流量按从小到大的顺序）读取填料层压降方P（U形液柱压差计），然后在对数坐标上以空塔气速u为横坐标，以单位高度的压降P／Z为纵坐标，标绘干填料层(仿P／Z)～u关系曲线。2．测量吸收塔在某喷淋量下填料层(P／Z)～u关系曲线：先打开流量计FI02上的阀门，然后打开泵P102的开关，将水流量固定在40L／h（水的流量因设备而定），然后用上面相同方法调节空气流量，并读取填料层压降仿P、转子流量计读数和流量计处空气温度，并注意观察塔内的操作现象，一旦看到液泛现象时，记下对应的空气转子流量计读数。在对数坐标纸上标出液体喷淋量为40L／h时的（P／z）～u·关系曲线，从图上确定液泛气速，并与观察的液泛气速相比较。3．二氧化碳吸收传质系数的测定：吸收塔（水流量为60L/h）⑴打开阀门VA101、VA102、VA103、VA104，关闭阀门VA105。打开四个流量计上的阀门。⑵调节水流量计FI02到给定值，然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，二氧化碳流量一般控制在0.1m3/h左右为宜，操作达到稳定状态之后，测量塔底的水温，同时点击取样阀VA3（VA1或VA2）取样，测定两塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。取样时只能同时开一个取样阀。（实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位，对各流量计及时调节以达到实验时的操作条件不变）⑶二氧化碳含量的测定设定中和用氢氧化钡浓度，氢氧化钡体积，滴定盐酸浓度，取样体积，然后点击取样阀39(273t实)p标(27320)p实实2CBa(OH)2VBa(OH)2CHClVHCl2CBa(OH)2VBa(OH)2CHClVHCl就能得出消耗的盐酸体积。六、注意事项1．开启CO2总阀前，要先关闭自动减压阀，开启开度不宜过大。2．实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位。七、实验报告1．实验数据的计算及结果⑴填料塔流体力学性能测定（以设备填料塔干填料时第4组数据为例）转子流量计读数：1.5.0m3/h；转子流量计处空气温度：16.1℃；填料层压降U管读数：26.0mmH2O因为空气流量计处温度不是20℃，需要对读数进行校正，所以空气实际体积流量为V实V读m3／hV空塔气速u（m/s）3600（/4）D2单位填料层压降P（mmH2O/m）Z在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标，PZ为纵坐标作图，标绘PZ～u关系曲线，见图2。⑵传质实验（以设备吸收塔的传质实验为例）(a).吸收液消耗盐酸体积V1=8.3ml，则吸收液浓度为：CA1kmol/m32V溶液因纯水中含有少量的二氧化碳，所以纯水滴定消耗盐酸体积，则塔顶水中CO2浓度为：CA22V溶液由化工原理下册吸收这一章可查得CO2亨利系数40表1(1)干填料时△P/z～u关系测定第1套填料层高度Z塔径D序号填料层压强降mmH2O单位高度填料层压强降mmH2O/m空气转子流量计读数3m/h空气流量计处空气温度℃空塔气速m/s123456kmolm3Pa1CAm＝CA1－CA2（CA2*CA2)(CA1*CA1)CA1CA2CA2CA2CA2CA2*CA2lnlnCA1klaKLaVsLCA1CA2则CO2的溶解度常数为HMwE塔顶和塔底的平衡浓度为CA1*＝CA2*HP0液相平均推动力为＝*lnCA1*CA1CA1*CA1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，即hSCAm同样可以求得拉西环的传质实验结果。2．实验结果列表方表1(1)干填料时东P/z～u关系测定第1套L=100填料层高度Z=0.78m塔径D=0.037m41表3(1)填料吸收塔传质实验数据表(一)被吸收的气体:纯CO2;吸收剂:水;塔内径:塔类型吸收塔解吸塔填料种类填料尺寸(m)填料层高度(m)CO2