四川大学化学工程气体吸收实验

吸收实验学号：2014141492186姓名：张锡坤专业：化学工程与工艺班号：143080308实验日期：2016.10.19实验成绩：一、实验目的1、观察气、液在填料塔内的操作状态，掌握吸收操作方法。2、测定在不同喷淋量下，气体通过填料层的压降与气速的关系曲线。3、测定在填料塔内用水吸收CO2的液相体积传质系数KXa。4、对不同填料的填料塔进行性能测试比较。二、实验原理1、气体吸收是运用混合气体各组合在同一剂中的溶解度差异，通过气、液充分接触，溶解度较大的气体组分较多地进入液相而与其他组分分离操作。气体混合物以一定气速通过填料塔内的填料层时，与吸收溶剂液相接触，进行物质传递。气、液两相在吸收塔内除了物质传递外，其流动相互影响，还具有其自己的流体力学性质。填料塔的流体力学性质是吸收设备的重要参数，它包括了压降和液泛规律。测定填料塔的流体力学性质是为了计算填料塔所需动力消耗和确定填料塔的适宜操作范围，选择适宜的气液负荷，也是确定最适宜操作气速的依据。填料塔的流体力学性质是以气体通过填料层所产生的压降来表示。该压降在填料因子、填料层高度、液体喷淋密度一定的情况下随气体速度变化的而变化，其压降与气速的关系如图3-1所示气体通过干填料层时，其压降与空气塔速的函数关系在双对数坐标上为一条直线，其斜率为1.8~2.0。当有液体喷淋，且气体低速流过填料层时，压降与气速的关联线几乎与L=0的关联线平行，随着气速的增加出载点B和B΄，填料层内持液量增加，压降与气速的关联线向上弯曲，斜率变大。当填料层持液量越积越多时，气体的压降几乎是垂直上升，气体以泡状通过液体，出现液泛现象，ΔP-u线出现一转折点C(C΄)，称此点为泛点。正常的操作范围应在载点与泛点气速之间。在一定的喷淋下，通过改变气体流量而测定填料层压降，即可确定填料塔的流体力学特性。（2）反应填料塔性能的主要参数之一是传质参数。影响传质系数的因素很多，对不同系统和不同设备传质系数各不相同，所以不可能有一个通用计算式计算传质系数。工程上往往用实验来测定传质系数，作为放大设计吸收设备的依据。本实验采用水吸收混合空气中的CO2，常压下CO2在水中溶解度比较小，用水吸收CO2的操作是液膜控制的吸收过程，所以在低浓度吸收时填料层高度的计算式为12*XXxLdXHKaXX（3-23）图3-1填料塔压降与空塔气速的关系即12*XXXLdXKaHXX（3-24）当气液平衡符合亨利定律时，上式可整理为12()XmLXXKaHx（3-25）121122111222(*)(*)*lnln*XXXXXXXmXXXXXX（3-26）式中：L——吸收剂用量，kmol/h；Ω——填料塔截面积，m2；ΔXm——塔底、塔顶液相浓度差的对数平均值；H——填料层高度，m；X1、X2——分别为塔底、塔顶液相中的CO2比摩尔分率；X1*——与塔底气相浓度平衡时塔底液相中的CO2比摩尔分率；X2*——与塔顶气相浓度平衡时塔顶液相中的CO2比摩尔分率。对水吸收CO2—空气混合气中CO2的体系，平衡关系服从亨利定律，平衡时气相浓度与液相浓度的相平衡关系式近似为*yXm（3-27）其中EmP（3-28）1yYy（3-29）式中：Y——塔内任一截面的气相中CO2的浓度（比摩尔分率表示）；y——塔内任一截面的气相中CO2的浓度（摩尔分率表示）；X*——与气相浓度平衡时的液相CO2浓度（比摩尔分率表示）；m——相平衡常数；E——亨利常数，MPa；P——混合气体总压，近似为大气压，MPa；通过测定物性参数水温和大气压，查取相关化工数据手册确定亨利系数，只要同时测取CO2—空气混合气进、出填料吸收塔的CO2含量（摩尔分率），即可获得与气相浓度平衡时的液相CO2浓度。因吸收剂是水，从塔顶喷淋到填料层上，所以塔顶液相中CO2浓度X2=0，塔底液相中的CO2浓度可由吸收填料衡算式求取，即1212()()VYYLXX（3-30）因为X2=0，所以112()VXYYL（3-31）式中：V——惰性空气流量，Kmol/h；Y1、Y2——分别为塔底、塔顶的气相中CO2比摩尔分率。本实验通过CO2分析仪测定塔底、塔顶的气相中CO2摩尔分率，用转子流量计测量CO2—空气混合体积用量，用涡轮流量计测取吸收剂水用量，由此即可测定液相体积传质系数。三、实验流程及设备（1）实验流程如图3-2所示。图3-2吸收实验流程空气由风机送出，经缓冲罐28与钢瓶提供的CO2气体混合后，通过转子流量计27计量后进入吸收塔底部。吸收剂水位由高位槽经涡轮流量计计量后进入塔的顶部，通过喷追喷淋在填料层上，与上升的气体逆流接触，进行吸收传质，尾气从塔顶排出，而吸收后的液体经塔底液封装置后排出。（2）设备及仪表。填料塔：内径100mm、填料层高度1m；填料类型有环、不锈钢规整填料。流量计：气体转子流量计：LZB-4、LZB-10，液体涡轮流量计LWGY25，孔板流量计。其他仪表仪器：巡检仪F&B、CO2气体分析仪CYES-II型、气象色谱仪SC-200；压差变送器CS208-51C-A2SC、CO2，钢瓶。四、实验操作步骤（1）理清流程，熟悉测试仪表的使用。（2）确定要测定的填料塔7，全开气体切换球1阀35和液体切换阀6；关闭其余填料塔的气体、液体切换阀；全开空气进口阀31及气体切换阀29；启动风机，让空气进入填料塔底部。用空气进口阀31调节空气流量，流量从小到大，每调一次风量，测定一次填料层压降ΔP，共采集7组到10组数据，由此可作出在干填料操作时，风量与压降的关系曲线。（3）通过调节阀4调节水量，维持喷淋量不变，用空气进口阀31调节空气流量，流量从小到大，每调一次风量，测定一次填料层压降ΔP，共采集7~10组数据，由此可作出在湿填料操作时，风量与压降ΔP的关系。在操作过程中，注意观察液封装置，以避免空气从液封装置流出。（4）通过调节阀4，改变入塔水量，重复操作3，可测定不同水量下风量与压降ΔP变化曲线，完成气、液在填料塔内的流体力学性能测定。（5）开启CO2钢瓶阀23，调节减压阀32，使CO2出口压力维持在0.2MPa左右，通过CO2转子流量计30计量后进入缓冲罐与空气混合。关闭气体切换阀29，让空气和CO2混合气进入混合气体转子流量计27计量后，进入填料塔底部。（6）通过进口取样点23取样，用CO2分析仪分析其CO2含量，调节混合气或者CO2转子流量计上的旋钮，改变CO2与空气的混合比，实验要求配置的混合气中CO2体积百分比约为8~11%，并始终保持不变。（7）调节清水阀4，流量从小到大，需采集4到6组数据。每调节一次，稳定3~5分钟，记录清水量、混合气流量，用取样筒在进塔取样点23出塔取样点26抽取混合气体进行CO2分析，确定Y1和Y2，完成在填料塔内液相体积传质系数的测定。注意水不能进入塔底的进气管内。（8）重复以上步骤（2）~（7）可完成其余填料塔的实验操作。（9）测定水温和大气压。（10）所有的实验数据记录完成后，经指导教师同意，关闭CO2液化刚气瓶，停水，关闭风机。（11）在实验过程中，注意液化刚气瓶的使用安全，未经教师同意，学生不能乱动。五、实验数据记录及整理填料塔：塔内径：100mm；填料层高度：1m；水温：14.5℃；大气压：71.7x10mmHg=95.592KPa气体孔板流量计校正公式：30.5(/)0.286VmhR涡轮流量计校正公式：30(/)0.35850.8873LmhL（1）涡轮流量计L0=0m3/h，填料类型：拉西环（2）涡轮流量计L0=0.15m3/h，填料类型：拉西环泛点：压差=1070pa压降ΔP=970Pa由表3-4发现当气体流量为0时压降不为零，明显不符合规律，后面的压降应减去这一误差作为修正。图3-3图3-4（3）涡轮流量计L0=0.25m3/h，填料类型：拉西环泛点：压差=790，压降ΔP=850Pa（4）CO2吸收数据记录图3-5图3-6六、典型计算由图3-3,3-4,3-5做风量-压降图得图3-7实验所得图3-7基本符合图3-1，说明实验符合理论依据。对表3-6进行数据处理，以第一组数据为例：由1yYy求CO2的相对摩尔分数。y1=9.21%，得Y1=10.14%，y2=6.423%，Y2=6.834%。由理想气体状态方程mRTVP，在实验条件下Vm=25.5L/mol惰气体积流量为880-76=804L/h，换算为摩尔流量为V=804/25.5=0.035893mol/h。水摩尔流量*18vqL，qv为水的体积流量。ρ=998.2kg/m3由*,YEXmmP，计算X1*=Y1*P/E，查表得，20℃时CO2的E=1.24*10^5KPa,X1*=7.82*10-5，X2*=5.291*10-5112()VXYYL，X1=5.2*10-5，X2=0。图3-7同理，依次求得:由式，得传质系数与水流量的关系为：图3-8图3-9图3-10七、结果分析与讨论1、由图3-7风量压降曲线可以看出，压降随着气体和液体流速增大而增大。当液体流量L=0时，压降与气体流速程线性关系。由伯努利方程11221222fuPuPgZhegZh可得：压降ΔP的关系式为：fPgZh气体重力引起的压降可以忽略，阻力22fluhd，本实验气体流速很小，可以视为层流处理，有6464Redu，带入上式可得：232lPud，可见压降ΔP与气体流速程线性关系，与实验结果相符。当液体流量L不为0时，压降-流速关系在刚开始符合上述关系，在气体流速增大到一定数值是，其压降回骤然上升，这是因为气体流速过大冲破了液膜，增大了流体阻力。泛点的物理含义即是空气冲破液膜的临界速度。在L=0.49时，由图可得泛点约为0.3m/s，而实验测得泛点为0.33m/s，说明该图正确的反映了压降与流速的关系。2、在空气-CO2吸收实验中，CO2的溶解度很小，因此可以看做是液膜控制传质。实验中，在保持气速不变的情况下，增大流速，CO2的传质系数KΩa也明显增大。这是因为，液体流速增大时，湍流度增加，虚拟传质膜厚度h减小，由ABDKaah，DAB物质种类有关，a不变，当h减小时，传质系数KΩa增大。由图3-10可以看出，实验测定的传质系数随液相流速增大而增大，符合理论。3、在表3-4的测定时，气体流量为0时，压降显示不为0，明显不符合常理，应视其为误差，将曲线向下平移，以消除误差影响。八、实验问答1、分析影响传质系数的因素。答：①温度，温度越高，二氧化碳溶解度越低，传质阻力增大，传质系数减小。②压强，压强越大，二氧化碳溶解度增大，传质系数增大。③气液流速，流速越大，虚拟传质膜厚度越小，越有利于传质，传质系数增大。④填料类型，比表面积a越大，传质系数越大。2、填料吸收塔底为什么有液封装置？液封采用了什么原理？答：液封装置是为了防止气体外泄。液封采用U形管，用液体封存，当一侧气压增高时，另一侧液柱升高，产生液压差，从而抵消受到的压强3、在填料塔的流体力学特性中，确定最佳操作空塔气速是多少？答：空塔气速是按空塔计算得到的气体线速度，其操作最佳值应大致为泛点速度的0.5~0.8倍，如在本实验中当L=0.49m3/s时，泛点气速为0.33m/s，此时最佳操作空塔气速应为0.16~0.25之间。4、测定KXa需要测定哪些参数？有何实际意义？答：需要测定液体流量，气体流量，塔横截面积，进出口溶质气相摩尔分率。意义：传质系数是气液吸收过程重要的研究内容，工程吸收设备设计、放大的关键参数，对产品吸收率进行估算，估测塔高都需要用到传质系数。