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氧解吸实验报告

化原实验报告

实验题目：

氧解吸实验

班级：

化工0907班

姓名：

学号：

同组人：

氧解吸实验

一、实验目的

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

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。

二、实验原理

本装置先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作），送入解吸塔顶再用空气进行解吸，实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数

，并进行关联，得到

的关联式，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。

本实验引入了计算机在线数据采集技术，加快了数据记录与处理的速度。

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。

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线）。

当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降也正比于气速的1.8～2次幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中bc段）。

随气速的增加，出现载点（图1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，两相传质主要是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填料高度，其计算方法有：

传质系数法、传质单元法和等板高度法。

图2富氧水解析实验

本实验是对富氧水进行解吸，如右图所示。

由于富氧水浓度很小，可认为气液两相的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也是直线，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式为：

即

式中

相关填料层高度的基本计算式为：

式中，

式中：

GA—单位时间内氧的解吸量，[kmol/h]；

Kxa—总体积传质系数，[kmol/m3hΔx]；

VP—填料层体积，[m3]

Δxm—液相对数平均浓度差；

x1—液相进塔时的摩尔分率（塔顶）；

xe1—与出塔气相y1平衡的液相摩尔分率（塔顶）；

x2—液相出塔的摩尔分率（塔底）；

xe2—与进塔气相y2平衡的液相摩尔分率（塔底）；

Z—填料层高度，[m]；

Ω—塔截面积，[m2]；

L—解吸液流量，[kmol/h]；

HOL—以液相为推动力的传质单元高度，[m]；

NOL—以液相为推动力的传质单元数。

由于氧气为难溶气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中于液膜中，即Kx=kx,由于属液膜控制过程，所以要提高总传质系数Kxa，应增大液相的湍动程度即增大喷淋量。

在y-x图中，解吸过程的操作线在平衡线下方，本实验中还是一条平行于横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小）。

本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分数而不是摩尔比，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、装置和流程

设备参数：

基本数据：

解吸塔径Φ=0.10m，吸收塔径Φ=0.032m，填料层高0.8m；

填料参数：

金属波纹丝网，CY型，at=700m-1，ε=0.85m3/m3;

实验流程图：

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2进入氧气缓冲罐4，稳压在0.04～0.05[Mpa],为确保安全，缓冲罐上装有安全阀6，由阀7调节氧气流量，并经转子流量计8计量，进入吸收塔9中，自来水经调节阀10，由转子流量计17计量后进入吸收柱，气体与水并流吸收。

含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。

空气由风机13供给，经缓冲罐14，由阀16调节流量经转子流量计17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19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装有表压计和温度计。

空气流量计前装有计前表压计23。

为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计22。

在解吸塔入口设有入口富氧水取样阀12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上贫氧水取样阀20取样。

两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。

图3：

氧解吸装置流程图

1、氧气钢瓶9、吸收塔17、空气转子流量计

2、氧减压阀10、水流量调节阀18、解吸塔

3、氧压力表11、水转子流量计19、液位平衡罐

4、氧缓冲罐12、富氧水取样阀20、贫氧水取样阀

5、氧压力表13、风机21、温度计

6、安全阀14、空气缓冲罐22、压差计

7、氧气流量调节阀15、温度计23、流量计前表压计

8、氧转子流量计16、空气流量调节阀24、防水倒灌阀

五、实验操作

1．流体力学性能测定

（1）测定干填料压降

a.塔内填料务必事先吹干。

b.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

a.测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。

b.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。

c.实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减小，否则图中泛点不容易找到。

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，务必让各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变，气速下明显上升，务必要掌握这个特点。

稍稍增加气量，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）注意空气转子流量计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）氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.04～0.05[Mpa]，不要过高，并注意减压阀使用方法。

为防止水倒灌进入氧气转子流量计中，开水前要关闭防倒灌阀24，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10～15[m3/m2h]，空塔气速0.5～0.8[m/s]，氧气入塔流量为0.01~0.02[m3/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，用测氧仪分析各自氧的含量。

（4）实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭减压阀2及调节阀8。

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Δp/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：

转子流量计：

空气，20

，101325pa

序号

空气流量

V1（m3/h）

温度

T2（K）

空气表压

P（Pa）

全塔压降

△P（Pa）

△P/Z

（Pa/m）

实际空气流量

V2（m3/h）

空气流速

u（m/s）

1

40

287.75

3970

360

450

38.8754

1.3756

2

35

289.15

3660

300

375

34.1489

1.2084

3

30

289.55

3450

240

300

29.3201

1.0375

4

25

290.15

3350

170

213

24.4704

0.8659

5

21

290.55

3265

130

163

20.0877

0.7108

6

15

290.95

3125

60

75

14.7183

0.5208

表2：

湿塔数据：

转子流量计：

空气，20

，101325pa；水流量150L/h。

序号

空气流量

V1（m3/h）

温度

T2（K）

空气表压

P1（Pa）

全塔压降

△P（Pa）

△P/Z

（Pa/m）

实际空气流量

V2（m3/h）

空气流速

u（m/s）

1

5

294.75

3070

50

62.5

4.9393

0.1748

2

8

294.75

3120

130

162.5

7.9011

0.2796

3

11

294.75

3220

220

275.0

10.8587

0.3842

4

13

294.75

3290

280

350.0

12.8288

0.4540

5

15

294.75

3390

340

425.0

14.7954

0.5235

6

18

294.75

3510

440

550.0

17.7443

0.6279

7

19

294.75

3640

510

637.5

18.7184

0.6624

8

20

294.75

3690

580

725.0

19.6989

0.6971

9

21

294.75

3790

670

837.5

20.6740

0.7316

10

22

294.75

3890

760

950.0

21.6482

0.7660

11

25

294.75

4010

880

1100.0

24.5862

0.8700

12

28

294.75

4360

1230

1537.5

27.4909

0.9728

下以干塔数据中第一组为例，说明计算过程：

实际空气流量

空气流速

单位高度压降

湿塔的计算过程与干塔一致，不再赘述。

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Kxa及液相总传质单元数HOL。

表3：

氧解吸操作数据：

气相氧含量（摩尔分数）y1=y2=0.21

序号

L

（L/h）

G

（m3/h）

空气温度T1（℃）

空气表压

P（Pa）

全塔压降

△P（Pa）

贫氧水氧含量

x1（mg/L）

富氧水氧含量

x2（mg/L）

含氧水温度

T2（℃）

1

160

20

24

3590

450

12.455

28.825

10.625

2

160

15

24

3400

370

11.380

28.520

11.050

3

120

20

24

3540

450

11.150

29.450

11.050

序号

系统总压

P（Pa）

m

xe1（xe2）

Δxm

L

（kmol/h）

GA

（kmol/h）

Kxa

（kmol/m3h）

HOL

（m）

1

101550

33184.99

6.3283E-06

3.4270E-06

8.8844

8.1850E-05

3839.9841

0.2973

2

101510

33513.28

6.2662E-06

2.2647E-06

8.8844

8.5700E-05

6025.6565

0.1878

3

101550

33500.08

6.2686E-06

1.3939E-06

6.6633

6.8625E-05

7839.5701

0.1083

以第一组数据为例，计算过程如下：

对于解析塔：

温度为11.125℃时，

系统总压差

相平衡常数

贫氧水中含氧的摩尔分数

富氧水中含氧的摩尔分数

液相平衡摩尔分数

对数平均浓度差

水流量

单位时间氧解析量

液相体积总传质系数

塔的截面积

液相总传质单元高度

七、实验结果作图及分析：

1.流体力学性能测定

做填料层压降-空塔气速关系的示意图，如下图所示。

图4：

干塔填料层压降与空气流速关系图

图5：

湿塔填料层压降与空气流速关系图

图6：

干塔与湿塔填料层压降对比图

载点与泛点的位置：

如图6所示：

水流量为150L/h时，载点为A（0.5971,505.68），泛点为图中的点B（0.9505,1403.04）。

2.传质实验：

液相体积总传质系数Kxa和液相总传质单元高度HOL计算结果如下：

表4：

不同气、液量下的Kxa、HOL

序号

L（L/h）

G（m3/h）

Kxa（kmol/（m3h））

HOL（m）

1

160

20

3839.9841

0.2973

2

160

15

6025.6565

0.1878

3

120

20

7839.5701

0.1083

八、结果讨论及误差分析：

结果讨论：

1.流体力学性能测定

（1）无液体喷淋时如图4所示，在双对数坐标下，干塔压降与气速呈线性关系，拟合关系式为：

，即与u1.81呈正比。

（2）当有喷淋量时（喷淋量为150L/h），在低气速下（A点以前）也与气速呈线性关系，拟合关系式为：

，即与u1.75呈正比。

随气速的增加，出现载点（图5中A点），持液量开始增大，压降-气速线向上弯，斜率变陡（图5中AB段）。

到液泛点（图5中B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6，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

由表4中数据可以看出，在氧气~水系统中，液相体积总传质系数Kxa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，Kxa近似等于kxa，而kxa∝L0.7~0.8，故液相体积总传质系数Kxa仅与液量有关，与气量无关。

误差分析：

a.系统误差，转子流量计在计量空气流速时不够稳定，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。

b.主观误差，人为读取压差计及转子流量计时存在主观误差。

c.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，斜率为1.8~2次幂。

当有喷淋量时，也即奇特通过湿填料塔时，在低流速下（c点以前）压降也正在于气速的1.8～2次幂，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（c点），持液量增大，

线向上弯曲，斜率变陡，到达泡点（d点）后，在几乎不变的气速下，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Eckert关系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？

（Eckert图）

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，亦即Eckert图中乱堆填料的泛点线为一等压降线。

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？

答：

，

实际气液比：

，

故

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

对于气膜阻力控制，即时，

，

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”。

对于液膜控制，即时，

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”

易溶气体溶解度大，平衡线斜率m小，因此往往使得才使得吸收过程往往是气膜阻力控制，难溶气体溶解度小，平衡线斜率m大，其吸收过程多为液膜控制。

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。

填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。

填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。

液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。

气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，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。

填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。

壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。

因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。

液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

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；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的输出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

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，如指示、记录、调节、报警等。

十、不同类型塔间数据比较

1.流体力学性能测定

（1）根据各个实验小组数据，挑选三组气速相近的实验数据进行比较，如下表：

塔型

塑料

金属丝

拉西环

Θ环

项目

u气（m/s）

ΔP/Z（Pa/m）

u气（m/s）

ΔP/Z（Pa/m）

u气（m/s）

ΔP/Z（Pa/m）

u气（m/s）

ΔP/Z（Pa/m）

干塔

0.5677

337.50

0.5208

75.00

0.5261

250.00

0.4961

132.53

0.7231

512.50

0.7108

162.50

0.7075

537.50

0.7473

228.92

1.0280

1018.75

1.0375

300.00

0.9192

850.00

1.0298

277.11

湿塔

0.4097

325.00

0.3842

275.00

0.4065

287.50

0.3895

132.53

0.5070

487.50

0.5235

425.00

0.4966

387.50

0.5355

180.72

0.9663

2037.50

0.9728

1537.50

0.9569

1800.00

0.9720

530.12

（2）可得结论：

干塔中，在相近气速下，单位填料高度压降从大到小类型依次为：

星型填料、瓷拉西环、金属Θ环、金属波纹丝网。

湿塔中，在相近气速下，单位填料高度压降星型填料最大，金属Θ环最小，而瓷拉西环和金属波纹丝网相差不大。

2.传质实验

（1）根据各个小组的实验数据，汇总得下表：

Qo2（L/min）

Q气（m3/h）

Q水（L/h）

T气（℃）

HOL（m）

T水（℃）

Kxa

塑料

0.50

20

100

18

0.2649

10.68

94.44

0.50

25

100

19

0.2386

10.68

89.47

0.50

20

120

17.9

0.2988

10.80

96.08

金属丝

0.70

20

120

24

0.1083

10.85

3839.98

0.70

15

160

24

0.1878

10.85

6025.66

0.70

20

160

24

0.2973

10.43

7839.57

拉西环

0.60

15

68

37

0.1862

11.25

4023.07

0.60

20

52

37

0.1574

11.25

2336.22

0.60

20

68

35

0.1196

11.10

2583.91

Θ环

0.58

20

65

44

0.2055

12.05

2237.83

0.58

15

65

43

0.1995

11.90

2304.61

0.60

15

45

44

0.1645

11.50

1935.12

（2）可得结论：

由于各组装置所选择的气体液体流速及氧气流量相差甚远，故不进行纵向比较其液相总传质单元高度。

对于金属波纹丝网填料塔及金属Θ环塔，液相总传质单元高度值对水量变化更加敏感，而对于瓷拉西环填料塔则是空气流量变化更加敏感。

纵向比较各组液相体积总传质系数可得，金属波纹丝网填料塔最大，瓷拉西环填料塔和金属Θ环塔居中，星型填料塔最小。

实验中各塔数据均有不同程度的波动，表明各塔在一定程度上工作状态不够稳定。