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氧解析实验北京化工大学
北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称:
氧解吸实验
班级:
化工
学号:
姓名:
同组人:
实验日期:
2014.04.18
一、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。
由于富氧水浓度很低,气液两相平衡关系服从亨利定律。
通过实验熟悉填料塔的构造与操作,掌握液相体积总传质系数的测定方法并分析影响因素,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。
关键词:
传质系数、氧吸收、氧解吸、填料层
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Kxa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—空塔气速关系示意如图1所示,在双对数坐标系中,此压降对气速作图可得一斜率为1.8~2的直线(图中aA)。
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次幂,但大于相同气速下干填料的压降(图中bc段)。
随气速的增加,出现载点(图中c点),持液量开始增大,压降—气速线向上弯,斜率变陡(图中cd段)。
到液泛点(图中d点)后,在几乎不变的气速下,压降急剧上升。
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
式中:
相关填料层高度的基本计算式为:
即
式中:
,
其中:
______单位时间内氧的解吸量,kmol/(m2•h);
Kxa______液相体积总传质系数,kmol/(m3•h);
a______单位体积内具有的有效吸收表面,m2/m3;
Vp——填料层体积,m3;
——液相对数平均浓度差;
——液相进塔时的摩尔分数(塔顶);
——与出塔气相y1平衡的摩尔分数(塔顶);
——液相出塔的摩尔分数(塔底);
——与进塔气相y1平衡的摩尔分数(塔底);
Z——填料层高度,m;
Ω——塔截面积,m2;
L——解吸液流量,kmol/(m2•h);
——以液相为推动力的总传质单元高度,m;
——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
下图是氧气吸收解吸装置流程图。
氧气由氧气钢瓶供给,经减压阀进入氧气缓冲罐,稳压在0.03~0.04Mpa,为确保安全,缓冲罐上装有安全阀,当缓冲罐在压力达到0.08MPa时,安全阀自动开启。
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。
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。
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。
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,贫氧水从塔底经平衡罐排出。
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。
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。
图-3氧气吸收解吸装置流程图
1、氧气钢瓶2、氧减压阀3、氧压力表4、氧缓冲罐5、氧压力表6、安全阀
7、氧气流量调节阀8、氧转子流量计9、吸收塔10、水流量调节阀11、水转子流量计12、富氧水取样阀13、风机14、空气缓冲罐15、温度计16、空气流量调节阀17、空气转子流量计18、解吸塔19、液位平衡罐20、贫氧水取样阀21、温度计
22、压差计23、流量计前表压计24、防水倒灌阀
五、实验操作要点
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6~8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8~10组数据。
③实验接近液泛时,进塔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,务必要掌握这个特点。
稍增加气量,再取一两个点即可。
注意不要使气速过分超过泛点,避免冲破和冲跑填料。
(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0.04~0.05Mpa,氧气转子流量计保持0.3L/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。
②传质实验操作条件选取:
水喷淋密度取10~15m3/(m2·h),空塔气速0.5~0.8m/s,氧气入塔流量为0.01~0.02m3/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19.9mg/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
Ⅰ.填料塔流体力学特性
1、干塔时空气流速和塔压降的关系曲线
标准状态下:
t0=20℃,
表1:
干塔原始数据
塔径,D=0.1m填料层高度Z=0.75m
组数
气温t/℃
空气流量示值V0/m3/h
空气压强P/Pa
全塔压降ΔP/Pa
1
24
5
1080
14
2
25
10
1150
45
3
27
15
1220
86
4
29
20
1400
145
5
32
25
1590
201
6
34
30
1850
361
以第二组数据为例进行计算:
空气压差:
(绝压)=1150+101325=102475Pa其中使用状态下,空气流量:
处理完后得到下表:
表2:
干塔时u与
的关系
组数
校正流量V/m3/h
塔截面积Ω/m2
空塔流速u/m/s
Lgu
Lg(ΔP/Z)
1
5.007
0.007854
0.1771
-0.7518
1.2711
2
10.028
0.007854
0.3547
-0.4502
1.7782
3
15.087
0.007854
0.5336
-0.2728
2.0594
4
20.166
0.007854
0.7132
-0.1468
2.2863
5
25.309
0.007854
0.8951
-0.0481
2.4281
6
30.431
0.007854
1.0763
0.0319
2.6824
2、湿塔速度与压降的关系曲线
液体喷淋量为143L/h
表3:
湿塔原始数据
组数
空气流量示值V0/m3/h
空气压强P/Pa
全塔压降ΔP/Pa
气温t/℃
1
5
1105
65
38
2
8
1145
80
38
3
11
1260
116
38
4
14
1360
188
38
5
17
1480
260
39
6
19
1590
310
40
7
20
1650
360
40
8
21
1780
385
41
9
23
1860
538
42
1
3
处理方法和干塔类似,完后得到一下结果:
表4:
湿塔时u与
的关系
组数
校正流量v/m3/h
塔截面积m2
空气气速u/m/s
lgu
Lg(ΔP/Z)
1
5.123
0.007854
0.1812
-0.7418
1.9379
2
8.196
0.007854
0.2899
-0.5378
2.0280
3
11.263
0.007854
0.3983
-0.3997
2.1894
4
14.328
0.007854
0.5067
-0.2952
2.3991
5
17.416
0.007854
0.6159
-0.2105
2.5399
6
19.485
0.007854
0.6891
-0.1617
2.6163
7
20.505
0.007854
0.7252
-0.1395
2.6812
8
21.551
0.007854
0.7622
-0.1179
2.7104
9
23.632
0.007854
0.8358
-0.0779
2.8557
10
25.708
0.007854
0.9092
-0.0413
2.9257
将表2和表4的数据用oringin软件绘制双对数坐标图,如下:
图1:
填料层压降—空塔气速双对数坐标图
Ⅱ.传质实验
表5:
传质实验数据
组数
1
2
3
水流量Q(m3/h)
105
氧气流量l/min
0.4
全塔压降Δ/pa
24
85
200
空气压力p/pa
1100
1185
1370
富氧水温度℃
15.6
15.5
15.9
富氧水浓度mg/l
25.2
25.6
26.43
贫氧水温度℃
15.8
15.7
16.1
贫氧水浓度mg/l
11.16
11.06
10.70
富氧水平衡浓度mg/l
10.26
10.38
10.09
贫氧水平衡浓度mg/l
10.11
10.26
10.05
空气流量m3/h
5
10
15
以第二组数据为例:
富氧水氧气摩尔分数:
贫氧水氧气摩尔分数:
富氧水平衡氧气摩尔分数:
富氧水平衡氧气摩尔分数:
液相对数平均浓度差:
解吸液流量:
单位时间内氧的解吸量:
填料层体积:
液相体积总传质系数:
总传质单元高度:
通过以上计算得到一下实验结果:
表6:
传质实验计算结果
空气流量
物理量
5
10
15
0.00001418
0.0000144
1.487E-05
6.278E-06
6.221E-06
5.664E-06
5.771E-06
5.839E-06
5.676E-06
5.687E-06
5.771E-06
5.653E-06
2.943E-06
2.754E-06
1.369E-06
4.607E-05
4.771E-05
5.368E-05
2658.0
2941.5
6657.0
0.279
0.252
0.112
七、实验结果分析
实验条件下,干塔压降与气速在双对数坐标图中的拟合的直线方程为y=1.7348x+2.5578,直线斜率为1.7348,相关度R=0.9968,与理论上的斜率1.8-2有一定的误差,考虑到数据很少,实验对象单一,偶然性较大,这个结果可以接受。
湿塔时,载点容易找出,在第二、三点之间,大约u=0.4m/s,而泛点在第八、九点之间,大约u=0.87m/s。
算传质系数时,其实少了一套数据,没有测一定空塔气速下不同喷淋量下的传质系数,但是仍可以得出液膜控制的结论。
传质实验时第三组数据明显偏差很大,可能是测氧浓度的过程中示数没稳即读,也可能是接贫富氧水时间隔太短,没等系统稳定就接水。
而且该丝网填料与管壁缝隙大,存在系统误差。
如果只考虑前两组,则明显改变空气流速时,液相体积总传质系数变化不大,可推测出是液膜控制。
八、思考题
1.阐述干填料压降线和湿料塔压降线的特征
答:
通过实验数据作图可知,干料塔压降与气速的关系在双对数坐标图中为一条直线,其斜率在1.8-2之间;而当有一定喷淋量时,在低气速下(图中c点以前)压降正比于气速,但大于相同气速下干填料的压降(图中bc段)。
随气速的增加,出现载点(图中c点),持液量开始增大,压降-气速线上弯,斜率变陡(图中cd段)。
到液泛点(图中d点)后,在几乎不变的气速下,压降急剧上升。
2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:
低温高压使气体的溶解度变大,传质对动力变大,有利于吸收;高温常压使气体的溶解度变小,有利于解吸。
3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:
气相阻力控制与液相阻力控制满足:
,即总传质阻力
为气相传质阻力
与液相传质阻力
之和。
易溶气体的相平衡常数m很小,故
,得
,即
,此时传质阻力主要集中在气相,属于气膜控制过程。
而难溶气体的相平衡常数m很大,故
,得
,此时传质阻力主要集中在液相,属于液膜控制过程。
该传质实验中,改变气相流速发现总传质系数变化不大,可推断属于液膜控制,而氧气正是典型的难溶气体。
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