1、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
2、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1.82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1.82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
3、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/(m2h)；Kxa_液相体
4、积总传质系数，kmol/(m3h)；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；塔截面积，m2；L解吸液流量，kmol/(m2h)；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
5、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0.030.04Mpa，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
6、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
7、 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 塔内填料事先已吹干。 改变空气流量，测定填料塔压降，测取68组数据。(2) 测定湿填料压降 固定前先进行预液泛，是填料表面充分润湿。 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810组数据。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
8、。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、传质实验将氧气阀打开，氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.040.05Mpa，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。传质实验操作条件选取：水喷淋密度取1015m3/(m2h)，空塔气速0.50.8m/s，氧气入塔流量为0.010
9、.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。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。 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. 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P/Pa1245108014225101150453271512208
10、6429201400145532251590201634301850361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/m2空塔流速u/m/s LguLg(P/Z)15.007 0.0078540.1771 -0.7518 1.2711 210.028 0.0078540.3547 -0.4502 1.7782 315.087 0.0078540.5336 -0.2728 2.0594 420.166 0.0078540.7132 -0.1468 2.
11、2863 525.309 0.0078540.8951 -0.0481 2.4281 630.431 0.0078541.0763 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P/Pa气温t/1511056538281145803831112601163841413601883851714802603961915903104072016503604082117803854192318605384213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
12、塔截面积m2 空气气速u/m/s lgu Lg(P/Z)15.123 0.0078540.1812 -0.7418 1.9379 28.196 0.0078540.2899 -0.5378 2.0280 311.263 0.0078540.3983 -0.3997 2.1894 414.328 0.0078540.5067 -0.2952 2.3991 517.416 0.0078540.6159 -0.2105 2.5399 619.485 0.0078540.6891 -0.1617 2.6163 720.505 0.0078540.7252 -0.1395 2.6812 821.551
13、0.0078540.7622 -0.1179 2.7104 923.632 0.0078540.8358 -0.0779 2.8557 1025.708 0.0078540.9092 -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. 传质实验 表5：传质实验数据组数123水流量Q（m3/h）105氧气流量l/min0.4全塔压降/pa2485200空气压力p/pa110011851370富氧水温度15.615.515.9富氧水浓度mg/l25.225.626.43贫氧水温度15.815.716.1贫氧水浓度mg
14、/l11.1611.0610.70富氧水平衡浓度mg/l10.2610.3810.09贫氧水平衡浓度mg/l10.1110.2610.05空气流量m3/h51015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510150.000014180.00001441.487E-056.278E-066.221E-065.664E-065.771E-065.83
15、9E-065.676E-065.687E-065.771E-065.653E-062.943E-062.754E-061.369E-064.607E-054.771E-055.368E-052658.02941.56657.00.2790.252 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，
16、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
17、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。
