实验的一氧解析汇报汇报.docx
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实验的一氧解析汇报汇报
实验一氧解吸实验
课程名称:
化工原理实验(下)实验日期:
2013.4.8
班级:
化工1001班姓名:
陈双全
同组人:
李泽州、杨政鸿学号:
2010011018
一、摘要
本实验首先通过分别测量干填料塔和湿填料塔的不同气速下的压降数据,验证了填料塔的流体力学特征,得出了填料层压降与空塔气速的关系。
用吸收塔使水吸收纯氧形成富氧水后,送入解吸塔顶再用空气进行解吸,实验需要测定不同液量和气量下的解吸液相体积总传质系数,得出液量和气量对总传质系数的影响趋势,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。
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:
氧解吸吸收塔解吸塔液相体积总传质系数。
二、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、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Kxa,得出液量和气量对总传质系数的影响趋势,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。
1.填料塔流体力学特性
lg△p
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
图1填料层压降与空气塔速关系示意图
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,
,
式中
______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);
Vp——填料层体积,m3;
△xm——液相对数平均浓度差;
x2——液相进塔时的摩尔分数(塔顶);
xe2——与出塔气相y1平衡的摩尔分数(塔顶);
x1——液相出塔的摩尔分数(塔底);
xe1——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);
HOL——以液相为推动力的总传质单元高度,m;
NOL——以液相为推动力的总传质单元数;
3.转自流量计的校正和质量体积浓度与摩尔分数的转换
1)转自流量计的校正:
转子流量计的读数是在一定温度(T0)、压力(p0)下标定的,当使用环境改变时需要进行校正,公式为:
由于被测流体为空气,空气密度比转子密度小很多,
则上式可简化为:
在使用状态下,空气可做理想气体处理:
则上式可进一步简化为:
式中:
ρ0、T0、p0分别为为标定状况被测流体密度、温度、压强,ρf为转子密度,ρ、T、p为使用条件下被测流体密度、温度、压强,V为使用条件下的空气体积流量,V0为转自流量计的示数。
2)双组分体系的质量密度与摩尔分数的转换
双组分体系的质量密度与摩尔分数的转换公式:
当体系中组分1的量远比组分2小时,即ρ1〈〈ρ2、ρ=ρ1+ρ2≈ρ2,上式可简化为
式中:
ρ为体系密度,ρ1、ρ2分别为组分1、组分2组分密度,M1、M2分别为组分1、组分2相对摩尔分子质量。
四、装置和流程
1.设备参数:
基本数据:
塔径Φ0.10m,填料层高0.8m(金属波纹丝网);
2.实验流程图:
下图3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0.04~0.05MPa,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,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,通入解吸塔底部解吸富氧水,解吸后的尾气从塔顶排出,贫氧水从塔底经平衡罐19排出。
自来水经调节阀10,由转子流量计17计量后进入吸收柱。
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采出阀12,用于采集入口水样,出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀20取样。
两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。
图3氧气吸收与解吸实验流程图
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
塔内填料事先已吹干。
分别检查空气流量调节阀门、水阀门、氧气阀门,然后启动风机。
打开空气阀门,调节开度使空气流量9.8m3/h,读取空气温度、压力、流量以及全塔压降,最终数据。
调节空气流量读取6组数据,变化范围是:
10-35m3/h。
(2)测定湿填料压降
①固定前先进行预液泛3分钟,使填料表面充分润湿。
②固定水流量为102L/h,调节空气流量从6.8m3/h直到液泛,读取数据11组,并记录。
。
注意:
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。
2.传质实验
①氧气减压后进入缓冲罐,罐内压力保持0.04~0.05MPa,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:
使气体流量18m3/h,适当调节氧气流量保持0.4L/min左右,使吸收后的富氧水浓度控制在≤30mg/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,测量两次,取平均值。
④用测氧仪分析其氧的含量。
测量时,对于富氧水,取分析仪显示读数变化出现拐点时为数据结果。
⑤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。
注意事项:
a)试验完成后,防止水从吸收柱返流入氧气转子流量计,务必关闭以上两者间的缓冲罐阀门;
b)实验中空气流量、水流量、氧气流量都是由转子流量计计量的,读数时以转子流量计最大界面处对应的刻度为准;
c)转子流量计刻度是与一定条件(T、p)下的流量相对应,当使用条件与标定刻度的条件不同时需要校正;
d)在传质实验的过程中必须保证氧流量不变。
六、实验数据处理
1.流体力学性能测定:
表1干塔流体力学测定实验原始数据记录表塔高Z=0.8m塔径d=0.1m
序号
空气流量V/(m3/h)
空气
t/℃
表压p’/Pa
左右
压降△p/Pa
左右
1
9.8
12
1790
-1240
172
143
2
15.1
13
1840
-1280
187
124
3
20.2
14
1380
-1910
207
120
4
25.0
15
1980
-1240
232
80
5
30.0
16
1460
-2060
253
47
6
35.0
17
1525
-2120
282
8
表2干塔流体力学测定实验数据处理表
序号
绝压p/kPa
△p/Pa
空气流速
u0/(m/s)
校正后空速
u/(m/s)
△p/Z
/(Pa/m)
1
104.33
29
0.347
0.337
36.3
2
104.42
63
0.534
0.520
78.8
3
104.59
87
0.714
0.696
108.8
4
104.52
152
0.884
0.863
190.0
5
104.82
206
1.061
1.036
257.5
6
104.95
274
1.238
1.210
342.5
以第二组数据为例,计算过程如下:
空气绝压:
p=p’+101.3=(1840+1280)/1000+101.3=104.42kPa
填料塔压降:
△p=187-124=63Pa
空气流速:
转子流量计标定状态下的温度和压强:
t0=20℃,p0=101.3kPa
校正后的空流:
单位填料层压降:
表3湿塔流体力学测定实验原始数据记录表水流量102L/h
序号
空气流量V/(m3/h)
空气
t/℃
表压p’/Pa
左右
压降△p/Pa
左右
1
6.8
20
1240
-1800
182
145
2
9.7
20
1260
-1810
195
130
3
13.0
20
1290
-1850
212
105
4
16.1
20
1340
-1920
252
62
5
18.9
20
1340
-1910
268
38
6
21.0
20
1380
-1980
289
31
7
22.8
21
1440
-2020
297
10
8
25.1
22
1460
-2060
311
-22
9
29.2
22
1570
-2200
405
-110
10
35.0
24
1730
-2370
510
-170
11
39.1
24
1910
-2620
610
-340
表4湿塔流体力学测定实验数据处理表
序号
绝压p/kPa
△p/Pa
空气流速
u0/(m/s)
校正后空速
u/(m/s)
△p/Z
/(Pa/m)
1
104.34
37
0.241
0.237
46.3
2
104.37
65
0.343
0.338
81.3
3
104.44
107
0.460
0.453
133.8
4
104.56
190
0.569
0.560
237.5
5
104.55
230
0.668
0.658
287.5
6
104.66
258
0.743
0.731
322.5
7
104.76
287
0.806
0.794
358.8
8
104.82
333
0.888
0.876
416.3
9
105.07
515
1.033
1.017
643.8
10
105.40
680
1.238
1.222
850.0
11
105.83
950
1.383
1.362
1187.5
以第二组数据为例,计算过程如下:
空气绝压p=p’+101.3=(1260+1810)/1000+101.3=104.37kPa
填料塔压降△p=195-130=65Pa
空气流速:
转子流量计标定状态下的温度和压强:
t0=20℃,p0=101.3kPa
校正后的空流:
单位填料层压降:
2.传质实验:
表5吸收传质实验原始数据记录表吸收塔氧流量=0.4m3/h
序号
V
m3/h
空气
t/℃
空气压强Pa
左右
压降p’/Pa
左右
水流量L’
(L/h)
塔顶ρ2/(mg/L)
12
塔底ρ1/(mg/L)
12
1
18
23
1840
-1250
30
255
100
23.63
23.2
11.71
11.61
2
18
23
1940
-1370
40
270
130
21.46
22.58
11.74
11.81
3
23
23
2030
-1450
-10
290
100
23.10
23.13
11.65
11.60
表6吸收传质实验数据处理记录表
序号
ρ1
(mg/L)
ρ2
(mg/L)
x1
*106
x2
*105
xe1=xe2
*106
xm
*106
p,
kPa
L,
kmol/h
GA*105
kmol/h
Kxa
kmol/(m3h)
Hol
m
1
11.66
23.42
6.575
1.320
4.968
4.056
101.41
5.54
3.67
1440
0.490
2
11.78
22.02
6.640
1.242
4.969
3.865
101.42
7.20
4.16
1712
0.536
3
11.63
23.12
6.555
1.303
4.968
3.985
101.45
5.54
3.59
1434
0.492
以第2组数据为例,计算过程如下:
塔底含氧量:
ρ1=(11.74+11.81)/2=11.78mg/L;
塔顶含氧量:
ρ2=(21.46+22.58)/2=22.02mg/L;
取水ρ水=1000kg/m3,M水=18kg/kmol,氧气M2=32kg/kmol;
则水中氧的摩尔分数:
塔底:
塔顶:
取空气中氧的摩尔分数y1=y2=0.21,
解析塔体系内绝压p=p0+(270-40)/2/1000=101.3+0.16=101.42kPa
氧气-水体系亨利系数:
E=(-8.5694*10-5*232+0.07712*23+2.56)*106=4.2889*106kPa
相平衡常数m=E/p=4.2889*106/101.42=4.2288.5*104
液相平衡摩尔分数
对数平均浓度差:
=3.8692╳10-6
水的摩尔量流量:
L=L’ρ水/M1=130/1000*1000/18=7.20kmol/h
单位时间氧的解吸量:
GA=L(x2-x1)=7.20*(1.320*10-5-6.575*10-5)=4.16*10-5
液相总传质系数:
Kxa=GA/(Vp△xm)
=4*4.16*10-5/(π*0.12*0.8*3.8692*10-6)=1712kmol/(h*m3)
总传质单元的高度:
HOL=L/(KxaΩ)=7.20*4/(1712*π*0.12)=0.536m
七、实验结果作图及分析:
1.流体力学性能测定
取用表2干塔流体力学测定实验数据处理表、表4湿塔流体力学测定实验数据处理表中解析塔单位高度压降△p/Z与气速u,作△p/Z~u图,如左:
结果分析:
1)
表4解吸塔流体力学测定图
从图中可以大致观察出:
在测量范围内,在双对数坐标图中,干填料的压降随空气流速变化曲线为一条直线斜率为为1.753,与公认值相符。
2)在空速较小的范围内,双对数坐标图中,湿填料的压降随空气流速变化曲线为一条直线斜率为1.800,中间有两个折点,并且随着持液量增加曲线的斜率变大,过泛点以后压降迅速增加。
3)湿塔压降比干塔压降要大。
2.传质实验:
不同填料、空气流量、水流量的液相体积总传质系数Kxa和液相总传质单元高度HOL数据记录和计算结果如表5、表6所列。
结果分析:
表7整装填料的液相总传质系数和总传质单元高度(本组数据)
序号
L(L/h)
G(m3/h)
Kxa/(kmol/(m3h))
HOL(m)
1
100
18
1440
0.490
2
130
18
1712
0.536
3
100
23
1434
0.492
表8拉西环填料的液相总传质系数和总传质单元高度
序号
L(L/h)
G(m3/h)
Kxa/(kmol/(m3h))
HOL(m)
1
70
12
247.44
2.003
2
55
12
186.03
2.095
3
70
8
217.27
2.281
表9星形填料液相总传质系数和总传质单元高度
序号
L(L/h)
G(m3/h)
Kxa/(kmol/(m3h))
HOL(m)
1
90
17.5
2.16E+03
0.30
2
110
17.5
2.36E+03
0.33
3
110
15
2.27E+03
0.34
表10θ环填料液相总传质系数和总传质单元高度
序号
L(L/h)
G(m3/h)
Kxa/(kmol/(m3h))
HOL(m)
1
80
20
928.3
0.608
2
100
20
987.7
0.714
3
80
30
937.7
0.602
1)对比可知表中增大空气流量对总传质系数无明显影响,增大水流量总传质系数显著变大,可见此装置实验传质阻力主要在液相。
2)由于空气中氧气浓度很大,富氧水解吸出来的氧对进、出塔空气氧气浓度几乎没有影响,y1=y2,所以增大空气流量对总传质系数影响很小(本实验增大空气流量,总传质系数稍微变小,是由于实验误差所致)。
3)本组实验采用整装填料,单位高度填料压降低。
4)由各组数据对比可知:
不计气相液相的流量,星形填料总传质单元系数最大,整装填料次之,拉西环最差。
整装填料的总传质单元高度最小,θ环次之,星形填料总传质单元高度最大,性能最差。
误差分析:
a.本实验增大空气流量,总传质系数稍微变小,是由于实验误差所致。
理论上增大空气流量,平均传质浓差变大,传质推动力变大,总传质系数会变大。
由于空气中氧气浓度很大,富氧水解吸出来的氧量很少,进、出塔空气含氧量几乎没有变化,y1=y2。
实验环境不稳定及误差,导致本次实验增大空气流量,总传质系数稍微变小。
b.系统误差是不可避免的,读取数据时的随意性也可导致误差,在数据处理过程中有效值的取舍带来的误差等等。
c.此次试验填料为整装金属波纹丝网调料,压降小,采用U型管式压差计量程大,不精确,误差较大。
八、思考题
1.阐述干填料压降线和湿料塔压降线的特征。
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△p/Z~u关系曲线,表现为一直线,斜率为1.8~2次幂。
当一定喷淋量时,气体通过湿填料塔时,在低流速下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,持液量增大,△p/Z~u线向上弯曲,斜率变陡,到达液泛点(d点)后,在几乎不变的气速下,压降持续增大,出现液泛。
3.试计算实验条件下,填料塔是实际液气比是最小液气比的多少倍?
答:
以表5中第一行数据为例x1=6.575*10-6,x2=1.320*10-5,y1=y2=0.21,
y2e=mx2=2.3655*105*1.320*10-5=0.5582.
实际液气比:
V/L=ρV/(M2L)=1.193*18/(28.6*5.54)=0.1355
则实际液气比是最小液气比的:
0.1355/(1.903*10-5)=7120
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:
一般气体的吸收和解吸都要经过三个步骤:
气相→气液界面→液相(吸收过程)或者液相→气液界面→气相(解吸过程)。
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。
注:
此次实验报告内容除图3氧气吸收与解吸实验流程图外,其他图表均为自己所作。
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