实验1-用瞬间快速反应测定气膜和液膜传质系数

-1-3100105025化工1003李文博实验一用瞬间快速反应测定气膜和液膜的传质系数一、实验目的1.测定氢氧化钠溶液吸收CO2的气液相反应的总传质系数KGa及气膜和液膜传质系数kGa,kLa。2.了解传质和反应对吸收过程控制步骤的影响，并加深对气液相反应过程的认识。二、实验原理气液相反应过程是气相反应物进入到液相中进行的反应过程，整个过程是反应和传质相结合的复杂过程，研究气液相反应首先必须了解两相间的传质问题。本实验选用NaOH溶液吸收CO2的瞬间快反应体系，就是要通过简单的实验及理论分析获得有关传质问题的必要信息。在分批式的搅拌鼓泡釜中，该物系进行反应吸收时，化学计量式为：CO2＋2NaOH--Na2CO3＋H2O（A）（B）（C）（D）在一定浓度范围内，此反应过程可以近似为瞬间快速反应，气液界面附近的浓度分布如图1所示，由于A与B一旦接触就立即完成上述反应，使得液侧任一处上A与B都不能同时存在。于是在离界面某一深度YR处形成一个反应面R；若CB增加，B的扩散推动力加大，扩散速度也增大，结果使YR减少，当CB增加到某一临界浓度CBC时，反应面将和相界面重合，扩散到界面的A瞬间反应掉了，此时CAi＝PAi＝0，反应吸收过程为气膜传质控制，注意，反应的进行将不影响气相传质系数。为什么？随着吸收过程的进行NaOH（B）最后完全耗尽，此时成为对CO2的纯物理吸收过程。yGyLyR0z反应面相界面液相本体气相本体CBPAPAiCAiBA-2-图1瞬间反应气液相界面附近的浓度分布根据双膜理论可以写出传质方程：气相：AiAGAiAaGGAAPPakRTPPYDdtdnVN1(1)液相：AAiLAAiaLLACCakCCYDN(2)以气相分压为推动力的总传质方程：**1AAGLAGAAAPPaKakHakPPN(3)式中PAi=HACAi；PA*=HACA因此有akHakaKLAGG11(4)当过程为瞬时反应吸收时，反应面上CA=PA*=0，kLa随NaOH的浓度而变化，当CB=CBC时，为气膜传质控制，即有AGAGAaPkPaKaN0(5)当CB-0时，成为纯物理吸收过程，则有akHakPaPKPPaKaNLAGAAGAAGA1*(6)现对CO2作物料衡算，得到：RTCVVPPBGLAA21进出（7）式中；VL——釜内液体体积VG——通入气体的流量，假定为常数设釜内气液为全混，则CO2分压PA=PA出，CO2的吸收速率可以通过进出口CO2的含量改变来求得，也可以由NaOH的浓度变化求得，本实验采用后一种方法，用电导法测得NaOH溶液的电导随时间的变化，由下式可以求得转化率X～时间t的曲线。LLLLXoo(8)式中：L0:起始电导L∞:终止时的电导-3-L：t时刻的电导由NaOH浓度随时间的变化率求得：xCaNBOA21由（3）式可求得某一时刻的KGa，（PA*0），然后作KGa～CB的关系图，如图2所示意。图2KGa随CB的变化根据上述分析，有图2可求得kGa=(KGa)1akHakaKLAGG112即得kGa和kLa值，考虑溶液中电解质的影响，CO2在溶液中的亨利常数取HA=32.25atml/gmol三、实验流程和实验步骤1．实验流程图：CBCCB0(KGa)2(KGa)1KGa-4-1—CO2钢瓶2—转子流量计3—压缩机4—气体混合器5—搅拌鼓泡釜6—电导率仪7—记录仪8—搅拌马达9—马达调速器10—差压计2．实验步骤：（1）投放2L浓度0.1N的NaOH溶液入搅拌釜内，开动马达，待混合均匀后，即可开启电导率仪和记录仪，记下初始电导值L0。（2）调节流量计，开始通气（先调好空气流量，再开CO2钢瓶，缓慢打开CO2流量计）。（3）待记录仪上指示浓度（电导率）不下降时，可以停止实验。（4）关闭电导仪和记录仪，切断电源，然后放掉液体，用水清洗搅拌釜。（5）整理实验数据。四、实验数据记录及结果1.原始数据P大气压=1atmT室=20℃Lo(mm)L∞(mm)ΔP(mmHg)气体流量NaOH溶液备注Vair(l/min)VCO2(l/min)V(l)CBO(moll-1)0.43470.2714770.297.01.3320.11.33770.29=101325=16397a1.337760APP进2.数据处理θL∞Lo—LXCBΔCBmin(mm)mmmol/lmol/l00.4324000.100.10.42780.00460.02860.0971-0.00290.20.42090.01150.07140.0929-0.00420.30.41630.01610.10.09-0.00290.40.41170.02070.12860.0871-0.00290.50.40480.02760.17140.0829-0.00420.60.40020.03220.20.08-0.00290.70.39330.03910.24290.0757-0.00430.80.38870.04370.27140.0729-0.00280.90.38180.05060.31430.0686-0.004310.37490.05750.35710.0643-0.00431.10.37030.06210.38570.0614-0.00291.20.36110.07130.44290.0557-0.00571.30.35190.08050.50.05-0.0057-5-1.40.34270.08970.55710.0443-0.00571.50.33350.09890.61430.0386-0.00571.60.32660.10580.65710.0343-0.00431.70.31740.1150.71430.0286-0.00571.80.30820.12420.77140.0229-0.00571.90.2990.13340.82860.0171-0.005820.29210.14030.87140.0129-0.00422.10.28520.14720.91430.0086-0.00432.20.28060.15180.94290.0057-0.00292.30.2760.15640.97140.0029-0.00282.50.27370.15870.98570.0014-0.00152.60.27140.16110-0.00142.70.27140.1611002.80.27140.1611002.90.27140.161100θΔXΔθPA出NAaKGaminPamol/lminmol/lminatm000.116397000.10.00460.116388.520.00230.014220.20.00690.116384.720.00350.0216440.30.00460.116388.520.00230.014220.40.00460.116388.520.00230.014220.50.00690.116384.720.00350.0216440.60.00460.116388.520.00230.014220.70.00690.116384.430.00350.0216450.80.00460.116388.810.00230.014220.90.00690.116384.430.00350.02164510.00690.116384.430.00340.0210261.10.00460.116388.520.00230.014221.20.00920.116380.330.00460.0284551.30.00920.116380.330.00460.0284551.40.00920.116380.330.00460.0284551.50.00920.116380.330.00460.0284551.60.00690.116384.430.00350.0216451.70.00920.116380.330.00460.0284551.80.00920.116380.330.00460.0284551.90.00920.116380.040.00460.02845520.00690.116384.720.00340.0210262.10.00690.116384.430.00350.0216452.20.00460.116388.520.00230.014222.30.00460.116388.810.00230.014222.50.00230.116392.610.00120.0074172.60.00230.116392.910.00120.007417-6-2.700.116397002.800.116397002.900.11639700五、计算与讨论由以上数据作图得到只看前半段，因为后半段即实验的前半段，应该是因为一些其它方面的原因导致吸收状态不太稳定，所以可以得到=0.007417/min=0.028455/minGGKkamollatmamollatm所以，10.3235minLka六、思考题1.什么是瞬间气液反应的临界浓度CBC？为什么在CB=CBC时KGa=kGa？答：当CB到达CBC时，反应面将和相界面重合，即扩散到界面的A瞬间就被反映掉了。因为此时反应面即是相界面，所以此时已经是气模控制了。2.当CBCBC，CB=0时，其吸收速率式分别为什么形式？答：当CBCBC，**1AAGLAGAAAPPaKakHakPPN-7-其中akHakaKLAGG11当CB=0，akHakPaPKPPaKaNLAGAAGAAGA1*3.为什么可以假设kGa在整个实验中保持不变？答：因为这是一个物理参数，而气体和液体有关它的参数都没变，即气象和液相的接触方式以及气体流速没变,所以kGa在整个实验中保持不变。4.双膜理论应用于本实验中有何缺陷？答：双膜理论是把吸收过程当作定态处理的，而实际上不是这样的。5.实验误差分析。答：电导笔的摇晃移动导致的电导率的波动二氧化碳的分压只是估计计算值，而非测量值仪器读数间隔较大