氧解析-化工原理-吸收-实验报告

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氧解析-化工原理-吸收-实验报告

　　化工原理 氧解析 实验报告 课程名称：

　　化工原理实验 学 校：

　　北京化工大学 _______ 学 院：

　　______________ 专 业：

　　__________ 班 级：

　　_____________ 学 号：

　　_____________ 姓 名：

　　_____________ 实验日期：

　　_________ 同组人员：

　　、实验摘要 本实验利用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水， 送入解析塔顶再用空气进行解析， 测定不 同液量和气量下的解析液相体积总传质系数， 并进行关联，同时对四种不同填料的传质效果 及流体力学性能进行比较。

　　二、实验目的及任务 1 熟悉填料塔的构造与操作。

　　2 、 观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。

　　3 、 掌握液相体积总传质系数 K x a 的测定方法并分析影响因素。

　　4 、 学习气 - 液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法。

　　三、基本原理 1 、填料塔流体力学特性 气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。

　　填料层 “压降一空塔气速”关系示意如 图 1 所示。

　　（ 1 ） 在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得 斜率为 1.8~2 的直线（图中 Aa 直线）。

　　（ 2 ） 当有喷淋量时，在低气速下（ c 点以前）压降正比于气速的 1.8~2 次方，但大于相 同气速下干填料的压降（图中 be 段）。

　　（ 3 ） 随气速的增加，出现载点（图中 e 点），持液量开始增大，“压降一气速”线向上 弯，斜率变陡（图中 ed 段）。

　　（ 4 ） 到液泛点（图中 d 点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。

　　 lg u

　　图 1 填料层“压降一空塔气速”关系示意图 2 、传质实验 填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。

　　在填料塔中，两相传质主要在填料有效湿表面 上进行，需要计算完成一定吸收任务所需的填料高度， 其计算方法有传质系数、 传质单元法 和等板高度法。

　　本实验是对富氧水进行解吸，如图 2 所示。由于富氧水浓度很低，可以认为气液两相平 衡关系服从亨利定律， 即平衡线为直线，操作线也为直线，因此可以用对数平均浓度差计算 填料层传质平均推动力。整理得到相应的传质速率方程为 即 H OL Z / N OL G A K x aV p X m 即 K x a G A /V p X m r ( X 2 X e2 ) (X 2 ln[- (X i (X i X ei ) X e2 ) ] G A L X 2 X i 相关填料层咼度的基本计算式为: 图 2 富氧水解吸实验 Xi dx X2 X e X H OL N OL N OL H OL x1 dx x 1 x 2 X2 X e X X m L K x a

　　G A 单位时间内氧的解吸量， kmol/（m 2 ?h） ; 3 K x a 液相体积总传质系数， kmol/（m 3 ?h）； vp 填料层体积， m； △ X m 液相对数平均浓度差； X 2 液相进塔时的摩尔分数（塔顶）； X e2 与出塔气相 y i 平衡的摩尔分数（塔顶）； X 1 液相出塔的摩尔分数（塔底）； X e1 与进塔气相 y i 平衡的摩尔分数（塔底）； Z 填料层高度， m； 2 ? 塔截面积， m； 2 L 解吸液流量， kmol/（m 2 ?h）； H O L 以液相为推动力的总传质单元高度， m N DL 以液相为推动力的总传质单元数。

　　由于氧气为难容气体， 在水中的溶解度很小， 因此传质阻力几乎全部集中在液膜中， 即 Kx=kx 由于属液膜控制过程，所以要提高液相体积总传质系数 Kxa, 应增大也想的湍动 程度即增大喷淋量。

　　在 y-X 图中，解析过程的操作线在平衡线下方，本实验中是一条平行于横坐标的水平 线（因氧气在水中浓度很小） 。

　　本实验在计算时， 气液相浓度的单位用摩尔分数而不用摩尔比， 这是因为在 y-X 图中， 平衡线为直线，操作线也为直线，计算比较简单。

　　四、实验装置及流程 氧气吸收解吸装置流程：

　　（ 1 ）氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀进入氧气缓冲罐，稳压在 0.03 ? 0.04 Mpa 为确 保安全，缓冲罐上装有安全阀，当缓冲罐在压力达到 o.o8 MPa 寸，安全阀自动开启。

　　（ 2 ）氧气流量调节阀调节氧气流量，并经转子流量计计量，进入吸收塔中。

　　（ 3 ） 自来水经水转子流量计调节流量，由转子流量计计量后进入吸收塔。

　　（ 4 ） 在吸收塔内氧气与水并流接触， 形成富氧水， 富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。

　　（ 5 ） 空气由风机供给， 经缓冲罐， 由空气流量调节阀调节流量经空气转子流量计计量， 通入解吸塔底部， 在塔内与塔顶喷淋的富氧水进行接触， 解吸富氧水， 解吸后的尾气由塔顶 排出，“贫氧水”从塔底通过平衡罐排出。

　　（ 6 ）由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。空 气流量计前装有计前表压计。为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计。

　　( 7 )在解吸塔入口设有入口采出阀，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐 上采出阀取样。两水样液相氧浓度由 9070 型测氧仪测得。

　　 1 、 氧气钢瓶 7 、氧气流量调节阀 13 、风机 19 、液位平衡罐 2 、 氧减压阀 8 、氧转子流量计 14 、空气缓冲罐 20 、贫氧水取样阀 3 、 氧压力表 9 、吸收塔 15 、温度计 21 、温度计 4 、 氧缓冲罐 10 、水流量调节阀 16 、空气流量调节阀 22 、压差计 5 、 氧压力表 11 、水转子流量计 17 、空气转子流量计 23 、流量计前表压计 6 、 安全阀 12 、富氧水取样阀 18 、解吸塔 24 、防水倒灌阀 五、实验内容及步骤 1 、流体力学性能测定 (1 )测定干填料压降 ① 塔内填料事先已吹干。

　　② 改变空气流量，测定填料塔压降，测取 10 组数据。

　　(2 )测定湿填料压降 ① 固定前先进行预液泛，是填料表面充分润湿。

　　② 固定水在某一喷淋量下，改变空气流量，测定填料塔压降，测取 6~8 组数据。

　　③ 实验接近液泛时， 气体的增加量不要过大， 否则图 1 中的泛点不容易找到。

　　密切观察 填料表面气液接触状况， 并注意填料层压降变化幅度， 务必等到各参数稳定后再读数据， 液 泛后填料层压降在几乎不变的气速下明显上升。

　　④ 稍增加气量，再取一两个点，注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。

　　排入地沟 图 3 氧气吸收解吸装置流程图

　　(3 )注意空气流量的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。

　　2 、传质实验 ① 将氧气阀打开，氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持 o.o4~o.o5 Mpa 氧气转子流 量计保持 0.3 L/Min 左右。为防止水倒灌进入氧气转子流量计重， 开水前要关闭防倒灌阀， 或先通入氧气后通水。

　　3 2 ② 传质实验操作条件选取：

　　水喷淋密度取 io~i5 m/(m -h) ，空塔的气速 o.5~o.8 m/s , 氧气入塔流量为 o.oi~o.o2 m/h ，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在不大 于 19.9 mg/L ③ 塔顶和塔底液相氧浓度测定：分别从塔顶与塔底取出富氧水和“贫氧水” ，用测氧仪 分析其氧的含量。

　　④ 实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭氧减压阀及氧气流 量调节阀。检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。

　　六、实验数据处理 计算并确定干填料及一定喷淋量下的湿填料在不同空塔气速 u 下，与其相应的单位填料 高度压降厶 p/Z 的关系曲线，并在双对数坐标系中作图，找出泛点与载点。

　　表 1 :干塔数据：水流量 L=0 L/h 填料高度 h=0.75m 塔径 d=0.1m 转子流量计：空气， T=20 C, P=101.325KPa 序号 空气流量 V ( nP/h ) 空气温度 T 2 ( K ) 空气表压 P(kPa) 全塔压降 △ P ( kPa ) △ P/Z (Pa/m) 实际空气流量 V 2 ( m 3 /h) 空气流速 u(m/s) 1 10 286.65 1.166 0.088 117 9.667 0.342 2 15 288.85 1.333 0.196 261 14.588 0.516 3 20 291.05 1.548 0.333 444 19.558 0.690 4 25 294.15 1.852 0.490 653 24.635 0.871 5 30 297.75 2.244 0.696 928 29.811 1.054 6 35 300.05 2.685 0.941 1254 34.899 1.234

　　表 2 :湿塔数据：

　　L=60 ? 250 L/h , h=0.75 m d=0.1m 转子流量计：空气， T=20 C, P=101,325KPa ;水流量 80L/h 。

　　 序号 空气流量 V 1 （ m 3 /h） 气温度 T 2 （K） 空气表压 P（kPa） 全塔压降 △ P （ kPa ） △ P/Z ( Pa/m ) 实际空气流量 V 2 （ m 3 /h） 空气流速 u（m/s） 1 5 300.25 1.068 0.078 104 5.068 0.179 2 10 301.35 1.225 0.157 209 10.157 0.359 3 15 302.55 1.411 0.274 365 15.268 0.540 4 20 303.45 1.725 0.529 705 20.356 0.720 5 25 304.45 2.165 0.862 1149 25.421 0.899 6 30 305.65 2.744 1.274 1699 30.454 1.077 7 35 306.55 3.557 1.921 2561 35.359 1.251 8 40 307.75 4.665 2.861 3815 40.144 1.420 （1 ）下以干塔数据中第一组为例，说明计算过程: 单位塔高压降确定: P 88 z 0.75 3 286.65 101.3 10 3 3~ 293.15 (1.166 10 +101.3 10 ) u V 9.667 2 0.332(m/s) A 3600 (0.1/2) 2 湿塔的计算过程与干塔一致，不再赘述。

　　（ 2 ）计算实验条件下（一定喷淋量、一定空塔气速）的液相体积总传质系数 K x a 及液相总传质单元数 H O L 。

　　表 3 :氧解吸操作数据：

　　h=0.75m ， d=0.1m w 平衡 =11.03mg/L ( y1=y2=0.21 ， P=101.3KPa ) 序 氧流量 L G 空气表压 全塔压降 贫氧水氧含量 富氧水氧含量 含氧水温度 号 ( L/min ) (L/h) (m3 /h) P(Pa) △ P(Pa) C 1 ( mg/L ) C 2 ( mg/L ) T? C ) 1 0.3 80 20 1.744 0.549 11.69 24.80 10.95 流量校正: 流速确定: 9.667(m 3 /h)

　　。

　　2 11.60 24.60 10.95 2 0.3 100 20 1.813 0.558 12.10 22.95 10.95 12.07 22.80 10.85 3 0.3 80 30 2.842 1.313 11.60 24.86 11.05 11.64 24.18 11.05 平衡浓度: 序 号 系统总压 P(Pa) 相平衡常数 m 平衡 mol X e1 (X e2 ) 对数平均 △ X m 水流量 L (mol/h) 气体流率 G A (mol/h) 传质系数 K x a (kmol/m h) H bL ( m ) 1 101.574 33417 -6 6.28*10 -6 2.28*10 4438.5 0.0328 2443 0.231 101.574 33417 ~-6~ 6.28*10 ~-6~ 2.15*10 4438.5 0.0325 2572 0.219 2 101.579 33415 - 6 6.28*10 - 6 2.42*10 5548.1 0.0339 2380 0.297 101.579 33341 6.30*10 -6 2.35*10 -6 5548.1 0.0335 2422 0.292 3 101.957 33365 - 6 6.29*10 - 6 2.15*10 4438.5 0.0331 2615 0.216 101.957 33365 6.29*10 -6 2.12*10 -6 4438.5 0.0313 2509 0.225 10 C 时的密度: 以第一组数据为实例, 塔温：

　　X e1 X e2 0.21 33417 6 6.28 10 3 998.67kg/m 。

　　系统总压确定: 亨利系数确定: 亨利系数 ：

　　T 平均 T 1 T 2 空空 10.95 P 大气 0.5 E ( 8.6594 10 -5 (8.6594 =3394300 P 塔 101.3 0.5 0.549=101.5745kPa T 2 0.07714 T 2.56) 10 6 10 -5 10.95 2 0.07714 10.95 2.56) 10 6 竺空0 33417 101.625 0 顶 10 3 M c 顶 1 10 3 M O 2 兀

　　。

　　2 塔顶(底)摩尔分率计算: 24.8 3 10 ― 32 1.40 10 5 24.8 1 998.67 10 3 32 18

　　 平均推动力: (X i -X el ) ( X 2 X e2 ) 冷 X 底 2.28 10 6 ln [ ( x 顶 心 ] (X 底 Xj 同理: JV 望— % ] 1 就 P 1L69 10-x32 液体流率: 气体流率: 填料塔体积: 10 J x3f o . IB L V 液（ L/h ） M H 2 O L(x 顶 x 底 ) V p 传质系数的确定: K x a 传质单元高度: V P Xm H oL 1L69 1x998 67 =&5Sxl ° 百 10 3 X 32 + is 80 “询 4438.5mol/s 18 0.0328mol/s 0.75 0.05 2 5.89 10 3 0.044 5.89 10 3 2.28 10 6 2440kmol / (m 3 s) L K x a A 2.44 10 6 4438.5 0.05 2 0.231m 七、 实验结果作图及分析 1 、流体力学性能测定

　　 湿塔填料层压强 弓空气流速关系圈 载点与泛点的位置：

　　如图 6 所示 水流量为 80L/h 时 载点为 A 点 (0.5571,380.68) 泛点为 B 点 (1.105,1603.04) 2 、传质实验：

　　液相体积总传质系数 K<a 和液相总传质单元高度 H DL 计算结果如下: 氧流量(L/min ) L(L/h) 3 G(m/h) Ksa(kmol/m 3 h) H OL (m) 0.3 80 20 2507 0.225 0.3 100 20 2401 0.294 0.3 80 30 2562 0.221 干塔与湿塔填料层压降对比图 空气流速 u(m/s)

　　 表 4 :不同气、液量下的 K<a 、 H OL 八、结果讨论及误差分析 1 、 流体力学性能测定 (1) 无液体喷淋时如图所示，在双对数坐标下，干塔压降与气速呈线性关系，拟合关系 ?P 1.8302 「 式为: log ( z ) = 2.43 + 1.8302log?(u) ，即与 u 呈正比。

　　1 22 (2) 当有喷淋量时( 80L/h )，在低气速下也与气速呈线性关系，与 u . 呈正比。

　　随气速的增加，出现载点，持液量开始增大，压降 - 气速线向上弯，斜率变陡。到液 泛点后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。

　　(3) 将干塔、湿塔填料塔压降与气速关系进行对比，见图，可以看出，有液体喷淋时， 填料层压降均大于同一气速下的干塔压降。

　　2 、 传质实验 由数据可以看出，在氧气 - 水系统中，液相体积总传质系数 K < a 与液量正相关，而 与气量基本无关。这是由于氧气极难溶于水， 因而本系统是液膜控制系统， K < a 近似等 0.7?0.8 于 k < a ,而 k < a x L ,故液相体积总传质系数 K < a 仅与液量有关，与气量无关。

　　3 、 误差分析 (1) 系统误差：装置整体气密性不够理想，造成流体流动时对整体系统带来的波动 影响，转子流量计在计量空气流速时不够稳定 (2) 主观误差：人为读取压差计及转子流量计时存在主观误差。

　　(3) 其他误差：由于氧气浓度测量仪与实验装置数量不匹配，导致在实验后期不能 够在得到待测液后一分钟内得以测量， 实验室环境含氧量及温度在此期间对烧杯内待测液 有所影响，导致最终温度及含氧量的测定存在误差。

　　九、思考题 1 、阐述干填料压降线和湿填料压降线的特征 答：气体通过干填料时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致， 因此在对数坐标纸上作关系曲线， 表现为一直线。当有喷淋量时，在低流速下压降也正 在于气速的 1.8 ? 2 次方，但大于同一气速下干填料的压降。随气速增加，出现载点，

　　 出现载点，持液量增大，曲线向上弯曲，斜率变陡，到达泡点后，压降持续增大，出现液泛。

　　2 、比较液泛时单位填料高度压降和图中液泛压降值是否相符，一般乱堆填料液泛时单位填 料高度压降为多少？ 答：实验中发现，乱堆填料液泛时单位填料层高度的气体压降基本上为一恒值。

　　由此推 测，当操作气速低于泛速时， 其它等压降曲线会有与泛点关联图线相像的曲线形状。

　　实验结 果证实了这一推测。乱堆填料液泛时单位填料高度压降一般不低于 2kPa/m 。

　　3 、试计算实验条件下填料塔实际气液比 V/L 是最小气液比（ V/L ） min 的多少倍? 5 3 0.09593 /(2.911 10 ) 3.30 10 4 、工业上，吸收在低温、加压下进行，而解吸在高温、常压下进行，为什么? 答：相平衡常数 m=f（p,T）, 且温度下降，压力上升时， m 降低，气体越易溶，越易被吸 收，因而吸收常在低温、加压下进行。反之，高温、减压对解吸有利，因而解吸在高温、常 压下进行。

　　5 、为什么易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制 过程？ 答：根据双膜模型导出的结果可知总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和， 即 ①对于气膜阻力控制，即 1 1 恳 时 时. k y k x 1 m k y 占 K y 1 E， K y K ’ 此时的传质阻力主要 集中于气膜，称这种情况为“ “气膜阻力控制” 。

　　 1 1 1 1 ②对于液膜控制，即 mk mk y k x K x k x 此时的传质阻力只要 集中于液膜，称这种情况为“液膜阻力控制” （易溶气体多为气膜阻力控制，难溶气体多为液膜控制） 6 、填料塔结构有什么特点？ 答：填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。塔身是一直立式圆筒， 底部装有填料支承板。上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。气体与液体呈逆流连续通过 填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。

　　填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。

　　填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面， 7 、若要实现计算机在线采集和控制，应如何选用测试传感器及仪表？ 答：根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测 位置对传感答: min y 2e y i 1.6282 10 5 6.5630 10 6 5 1.6282 10 5 33399 0.21 2.911 10 -5 ，实际气液比: 17.5/22.4 8.1441 0.09593 ， 故 :V/ V L L m in

　　 器体积的要求；测量方式；信号的输出方法；传感器的来源。

　　在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等） ，以免产生过大的误差。

　　压力检测仪表的正确选用主要包括确定仪表的型式、量程、范围、准确度和灵敏度、外 形尺寸以及是否需要远传和具有其他功能。