实验四 填料塔液相传质系数的测定lun

大气实验四

实验四 填料塔液相传质系数的测定

环工021 伦裕旻 15号

一、实验目的：

吸收是传质过程的重要操作，应用非常广泛。为强化吸收过程，必须研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数。

本实验采用水吸收CO2，测定填料塔的液相传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确定液相传质系数和各项操作条件的关系。

通过本实验，学习并掌握研究物质传质过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。 二、实验原理：

根据双膜模型的基本假设，气相和液相的吸收质A的传质速率方程可分别表达为

气膜DA=KgA(PA—PAi) (1) 液膜GA=K1A（CAi—CA） (2)

公式中GA——A组分的传质速率，kmol．S-1;

A——两相接触面积，m2;

PA————气相A组分的平均分压，pa PAi——相界面A组分的 分压，pa

CA————液相A组分的平均浓度，kmol.m-3

Kg——以分压表达推动力的气相传质膜系数，kmol.m-3 K1————以物质的浓度表达推动力的液相传质膜系数，m.s-1

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：

DA=KGA(PA—PA*) (3) GA=KLA（CA*—CA） (4)

式中PA*为液相中Ａ组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，pa CA*为气相中Ａ组分的实际分压所要求的饿液相平衡浓度，kmol.m-3

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KG为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，kmol.m-S-1. pa-1

KL为以液相浓度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; 若气液相平衡关遵循亨利定理：CA?HPA，则 ：

２.

111?? （５） kGKgHk11H1?? （６） kLKgk1

KL?Kg；当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，

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2所示，在逆流接触的填料塔层内，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： dGA?FL?LdCA (a)

式中FL为液相摩尔流率，kmol．S-1;

?L为液相摩尔密度，kmol．S-1;

根据传质速率基本方程，可写出该微分段的饿传质速率微分方程： dGA?KL(CA*?CA)?Sdh (b) 联立（a）和(b)两式可得， dh?FLdCA.(c)

KL?S?LCA*?CA2?32式中?为气液两相接触的比表面积，m.m；S为填料塔的横截面积，m。

本实验采用水吸收CO2，且已知CO2在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔流率FL和摩

（VS））尔密度?L的比值，亦即液相体积流率L可视为定值，且设总传质系数KL和两相接触

比表面积?，在整个填料层内为一个定植，按下列边值条件积分（c)式可得填料层高度的计算公式：

h?0 CA?CA,2

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h?h CA?CA,1

h?Vs,LKL?S

.?CA,2CA,1dCA （7）

CA*?CA令 HL?VS,LKL?S且程NL为液相传质单元高度（HTU）；

NL??CA，2CA，1dCA

CA*?CA且程NL为液相传质单元数（NTU）；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 （8）

若气液平衡关系遵循亨利定律，则即可采用平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度。 h?Vs,SKL?S.CA,1?CA,2?CA,m （9）

NL?hh? （10） NL(CA,1?CA,2)/?CA,m?CA,1??CA,2

?CA,2ln?CA,1 ?CA,m?式中标?CA,m为液相平均推动力，即 因为本实验采用纯水吸收二氧化碳，则

CA，1*?CA，2*?C*A?HPA?HP

/MCE）二氧化碳的溶解度常数 H??C（

式中标?C为水的密度，MC为水的摩尔质量，E为亨利系数，Pa,因此，（10）式可简化为 ?CA，m??CA,1??CA,2

?CA,2ln?CA,1又因为本实验采用的物系遵循亨利定理，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，整个传质阻力都集中在液膜，即属于液莫控制过程，则液莫体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，

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即 kl??KL??VS,LCA,1?CA,2hS?CA,m

对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式，其中，SherwoodHolloway得出如下的关联式：

k1??L?A()m.(L)n DL?L?LDL2?1式中DL——吸收质在水中的扩散系数，m.s L——液体的质量流速，kg.m.S

?2?1?L——液体的黏度，或Pa..Skg.m?1.s?1 ?L——液体的密度，kg.m?3

应该注意的是关联式中（k1?/DL)和(L/?L)两项没有特性长度，因此，该式不是真正的无因次准数关联式，该式中A，m和n的具体数值，需在一定条件下由实验求得。

三、实验装置：

本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳、高位水槽和各种测量仪器组成，其流程图如图画所示：

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填料吸收塔采用直径为50毫米的玻璃柱，柱内装填直径5毫米球形玻璃填料，填充高度为300毫米，吸收质即纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进入塔底。气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。吸收剂——水由高位水槽，经调节阀和流量计，进入塔顶，在喷洒而下。吸收后溶液由塔底H行管排出，U形液柱压差计用以测量塔底压强和填料塔的压强降。 四、实验方法

(1)实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否均已经关严，然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调至此lMPa；同时向高位稳压水槽注水，直至溢流管有适量水溢流而出。

(2)缓慢开启进水调节阀，水流量可在10—50L·h?1范围内选取。一般在此范围内选取5—6个数据点。调节流量时一定要注意保持高位水槽有适量溢流水流出，以保证水压稳定。 (3)缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量一般控制在0.1m3·h?1左右为宜。

(4)当操作达到稳定状态后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定塔底溶液中二氧化碳的含量。

(5)溶液中二氧化碳含量的测定方法：

用吸管吸取0.1MBa(OH)2溶液l0mL，放入三角瓶中，并由塔底附设的计量管滴入塔底溶液20mL，再加入酚酞指示剂数滴，最后用0.1N的盐酸滴定，直至脱除红色的瞬时为止。由空白实验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度： CA?NHCLVHCLKmol?m?3

2V 式中NHCL为标准盐酸溶液的当量浓度，

VHCL为实际滴定用量，即空白实验用量与滴定试样时用量之差值，mL： V为塔底溶液采样量，mL。 五、实验结果

1.测量并记录实验基本参数 1) 填料柱：

柱体内径： d=55mm

填料型式： 球形玻璃填料 填料规格： 5 mm 填料层高度：h=300mm 2) 3) 4)

大气压力： Pa=102.83KPa 室 温： Tn=17℃ 试 剂：

Ba(OH)2溶液浓度： NBa(OH)2=0.1mol/L 用量： VBa(OH) 2=10ml

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