(完整版)二氧化碳吸收与解吸实验

二氧化碳汲取与解吸实验
一、实验目的
1.认识填料汲取塔的构造、性能和特色，练习并掌握填料塔操作方法；经过实验测定数据的办理解析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解，加深对填料塔传质性能理论的理解。

2.掌握填料汲取塔传质能力和传质效率的测定方法，练习实验数据的办理解析。

二、实验内容
1.测定填料层压强降与操作气速的关系，确立在必定液体喷淋量下的液泛气速。

2.固定液相流量和入塔混淆气二氧化碳的浓度，在液泛速度下，取两个相差较
大的气相流量，分别丈量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传
质单元高度和体积汲取总系数）。

3.进行纯水汲取二氧化碳、空气解吸水中二氧化碳的操作练习，同时测定填料
塔液侧传质膜系数和总传质系数。

三、实验原理：
气体经过填料层的压强降：压强降是塔设计中的重要参数，气体经过填料层压强
降的大小决定了塔的动力耗费。

压强降与气、液流量均相关，不同样样液体喷淋
量下填料层的压强降 P 与气速u的关系如图一所示：
L 3＞ L 2＞ L 1
a
P
k
,
P
3
2
L 0 = 0
1
u , m/s
图一填料层的P ～u关系
当液体喷淋量 L00 时，干填料的P ～u的关系是直线，如图中的直线0。

当有必定的喷淋量时，P ～u的关系变为折线，并存在两个转折点，下转折点
称为“载点”，上转折点称为“泛点”。

这两个转折点将P ～u关系分为三个区段：既恒持液量区、载液区及液泛区。

传质性能：汲取系数是决定汲取过程速率高低的重要参数，实验测定可获得汲取系数。

关于同样的物系及必定的设施（填料种类与尺寸），汲取系数跟着操作条件及气液接触状况的不同样样而变化。

1.二氧化碳汲取 - 解吸实验
依据双膜模型的基本假定，气侧和液侧的汲取质 A 的传质速率方程可分别表达为气膜G A k g A( p A p Ai ) （ 1）
液膜G A k l A(C Ai C A ) （2）
式中： G A—A组分的传质速率， kmoI s 1；
2
A —两相接触面积， m；
P A—气侧A组分的均匀分压，Pa；
P Ai—相界面上A组分的均匀分压，Pa；
C A—液侧A组分的均匀浓度， kmol m 3
C Ai—相界面上A组分的浓度kmol m 3
k g—以分压表达推进力的气侧传质膜系数，kmol m 2s 1Pa 1;
k l—以物质的量浓度表达推进力的液侧传质膜系数，m s 1。

以气相分压或以液相浓度表示传质过程推进力的相际传质速率方程又可分别表
达为：G A K G A( p A p A )（3）
G A K L A(C A C A )（4）
式中： p A—液相中A组分的实质浓度所要求的气相均衡分压，Pa；
C A—气相中A组分的实质分压所要求的液相均衡浓度，kmol m 3；
K G—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 2s 1Pa 1；
K L-以气相分压表示推进力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m s 1。

若气液相均衡关系依据享利定律：C A Hp A，则：
1 1 1 K G k g （5）
HK l
1 H 1 K L k g （6）
k l
相界面
浓
度
P A
P Ai
C Ai
C A
C A
气液距离
膜膜
P2=P A2C A2 ，F L
dh P A C A
P +d P
A
C +dC
A AA
P1=P A1C A1，F L
图二双膜模型的浓度散布图图三填料塔的物料衡算图
当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式受气膜传质速率控制，此时， K G k g；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， K L k l。

如图三所示，在逆流接触的填料层内，随意载取一微分段，并以此为衡算系统，
则由汲取质 A 的物料衡算可得：
dG A F L dC A （ 7a）
L
式中： F L——液相摩尔流率，kmol s 1；
L——液相摩尔密度，kmol m 3。

依据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程：
dG A K L (C A C A )aSdh （7b）
联立上两式可得：F L dC A （ 8）
dh
C A C A
K L aS L
式中： a ——气液两相接触的比表面积，
2-1
；m · m
S ——填料塔的横载面积，
2 m。

本实验采纳水汲取纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小，所以，液相摩尔流率 F L和摩尔密度L 的比值，亦即液相体积流率(V s)L可视为定值，且设总传质系数K L和两相接触比表面积a，在整个填料层内为必定值，则按以下边值条件积分式（ 8），可得填料层高度的计算公式：
h 0C
A
C
h h C A
C
A1
h
V
sL
C
A 1dC A （ 9）
K L aS C A 2 C A C A
令
H L
V
sL ，且称L 为液相传质单元高度（HTU）；K L aS H
N L
C A1
dC A ，且称L 为液相传质单元数（NTU）。

C
A 2 C A C A
N
所以，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即
h H L N L （10）
若气液均衡关系依据享利定律，即均衡曲线为直线，则式（ 9）为可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采纳以下均匀推进力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：
V
sL C
A1
C
A 2
（11）
h
C
Am
K L aS
h h
（12）
N L V
sL
H L
K L S
式中 C A. m为液相均匀推进力，即
C
A1 C
A2 (C A1 C A1 ) (C A2 C A 2 )
C
Am C C
A1
C
A1
In
C
A2 ln
C A 2 C A2
此中： C A1 Hp A1 Hy1 p0, C A 2 Hp A 2 Hy2 p0， P0为大气压。

二氧化碳的溶解度常数：
H w 1 koml m 3 Pa 1
M w E
式中：w——水的密度，kg m 3 ;
M w——水的摩尔质量，kg kmol 1 ；（13）（14）
E ——二氧化碳在水中的享利系数（见化工原理下册第78 页），Pa。

因本实验采纳的物系不单依据亨利定律，并且气膜阻力能够不计，在此状况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即
k l a K L a V
sL
C
A1
C
A2 （15）hS
C
Am
四、实验装置：
1. 实验装置主要技术参数：
填料塔：玻璃管内径 D＝塔高 1.00m 内装φ 10×10mm瓷拉西环；
填料层高度 Z＝；风机： XGB-12型 550W；
二氧化碳钢瓶 1 个；减压阀 1 个（用户自备）。

流量丈量仪表： CO转子流量计型号LZB-6 3
流量范围 0.06 ～0.6m ／ h；
2
空气转子流量计：型号 LZB-10 流量范围 0.25 ～3／h；
汲取水转子流量计：型号 LZB-10 流量范围 16～160 L ／h；
解吸水转子流量计：型号 LZB-10 流量范围 16～160 L ／h
浓度丈量：汲取塔塔底液体浓度解析准备定量化学解析仪器（用户自备）；温度丈量： PT100铂电阻，用于测定测气相、液相温度。

2.二氧化碳汲取与解吸实验装置流程表示图 ( 见图四 )
图四二氧化碳汲取与解吸实验装置流程表示图
1- CO2流量计； 2- CO2瓶减压阀； 3- CO2钢瓶； 4-汲取用空气流量计； 5- 汲取用气泵； 6、8- 喷头； 7 、19- 水箱放水阀； 9- 解吸塔； 10- 解吸塔塔底取样阀； 11- 解吸液储槽；12、15- U 型管液柱压强计；13- 汲取液流量计；14-解吸液液泵；16- 汲取液储槽； 17- 汲取塔； 18- 汲取塔塔底取样阀； 20- 解吸液流量计； 21- 汲取液液泵； 22-空气流量计； 23- 空气旁通阀； 24- 风机
3．实验仪表面板图 ( 见图五 )
图五实验装置面板图
五、实验方法及步骤：
1.丈量汲取塔干填料层（△ P／Z）～ u 关系曲线（只做解吸塔）：
翻开空气旁路调理阀 5 至全开，启动风机。

翻开空气流量计, 渐渐关小阀门5 的开度，调理进塔的空气流量。

坚固后读取填料层压降△P 即 U 形管液柱压差计11 的数值，今后改变空气流量，空气流量从小到大共测定 8-10 组数据。

在对实验数据进行解析办理后，在对数坐标纸上以空塔气速 u 为横坐标，单位高度的压降△ P／ Z 为纵坐标，标绘干填料层 ( △P／Z) ～u 关系曲线。

2.丈量汲取塔在喷淋量下填料层 ( △P／Z) ～ u 关系曲线：
将水流量固定在 104L／ h（水流量大小可因设施调整），采纳上边同样步骤调理空气流量，坚固后分别读取并记录填料层压降△P、转子流量计读数和流量计地方显示的空气温度，操作中随时注意察看塔内现象，一旦出现液泛，立刻记下对应空气转子流量计读数。

依据实验数据在对数坐标纸上标出液体喷淋量为
100L／h 时的（△ P／z ）～ u?关系曲线，并在图上确立液泛气速，与察看到的液泛气速比较较能否切合。

3.二氧化碳汲取传质系数测定：
汲取塔与解吸塔（水流量控制在 40L/h ）
（1）翻开阀门 5，封闭阀门 9、 13。

（ 2）启动汲取液泵 2 将水经水流量计 14 计量后打入汲取塔中， 今后翻开二氧化
碳钢瓶顶上的针阀 20，向汲取塔内通入二氧化碳气体（二氧化碳气体流量计15
的阀门要全开），流量大小由流量计读出，控制在3 /h 左右。

（ 3）汲取进行 15 分钟后，启动解吸泵 2，将汲取液经解吸流量计 7 计量后打入
解吸塔中，同时启动风机，利用阀门 5
3
调理空气流量（约 0.5 m ／h ）对解吸塔
中的汲取液进行解吸。

（ 4）操作达到坚固状态今后，丈量塔底的水温，同时取样，测定两塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。

（实验时注意汲取塔水流量计和解吸塔水流量计数值要一致，并注意解吸水箱中的液位， 两个流量计要实时调理， 以保证明验时操作条件
不变）
（ 5）二氧化碳含量测定
用移液管汲取 Ba （ OH ）2 溶液 10mL ，放入三角瓶中，并从塔底附设的取样口处接收塔底溶液 10 mL ，用胶塞塞好振荡。

溶液中加入 2～ 3 滴酚酞指示剂摇匀，
用 0.1M 的盐酸滴定到粉红色消逝即为终点。

按下式计算得出溶液中二氧化碳浓度：
2C Ba(OH ) 2 V Ba(OH ) 2 － C HCl V HCl
1
C
CO 2
2V 溶液
mol L
六、实验注意事项：
1. 开启 CO 2总阀门前，要先封闭减压阀，阀门开度不宜过大。

2. 实验中要注意保持汲取塔水流量计和解吸塔水流量计数值一致， 并随时关灌水箱
中的液位。

3. 解析 CO 2浓度操作时动作要快速，免得 CO 2从液体中溢出致使结果不正确 。

七、实验数据记录
1.实验装置填料塔流体力学性能测定（干填料）解吸塔
序号空气转子流量计读数／ m3/h 填料层压强降／ mmH2O 温度1
2
3
4
5
6
2.实验装置填料塔流体力学性能测定（湿填料）
湿填料时△ P/z～u 关系测定
L=160 填料层高度塔径
序号解吸塔水流量：
空气转子流量计读数 /m3/h 填料层压强降 / mmH2O 温度操作现象
1 2 3 4 5 6 7 8 9
10
11
12
13
3.实验装置填料汲取塔传质实验数据
填料汲取塔传质实验数据表
被汲取的气体 : 纯 CO 汲取剂 :水
塔内径 :50mm
2
塔种类 汲取塔 填料种类 瓷拉西环 填料层高 (m)
CO 2 转子流量计读数（
m 3／h ）
CO 2 转子流量计处温度 （ ℃）
空气转子流量计读数 （ m 3 ／ ）
h
水转子流量计读数（ l/h ）
中和 CO 2 用 Ba(OH)2 的体积 （ ml ） 样品的体积（ ml ）
滴定塔底汲取液用盐酸的体积 (ml)
滴定空白液用盐酸的体积 (ml)
4.氢氧化钡及盐酸浓度标定 盐酸浓度标定
序号
1
2
3
2
3
质量 /g
Na CO
HCl 体积 /ml
氢氧化钡浓度标定
序号
1 2 3
邻苯二甲酸氢钾质量 /g
Ba(OH)2 体积 /ml
八、实验数据办理
1．实验数据计算及结果 :
实验数据计算过程 ( 以一组数据为例 ) 。

实验数据计算示例
（ 1）填料塔流体力学性能测定（以解吸填料塔干填料数据为例）
转子流量计读数3 /h ；
填料层压降 U 管读数 2.0 mmH 2O
V
空塔气速： u
＝
（m/s ）
/ 4） D
2
0.050 2 3600 （ 3600 （ / 4)
单位填料层压降： P ＝
（mmHO/m ）
2
Z
（ 2) 传质实验
3
CO 2 转子流量计读数 0.200 （m ／h ）、 CO 2 转子流量计处温度 16.1 （℃）
16.1 ℃下二氧化碳气体密度
co 2 =1.976 Kg/m
3
2
Air
CO2
=
CO 实质流量 V
co 2
3
=0.156 （m ／h ）
3
空气转子流量计读数 V Air
（m ／ h ）
△汲取液浓度计算
汲取液耗费盐酸体积 V 1=30.10 ml ，则汲取液浓度为：
2C Ba(OH ) 2V Ba (OH )2 C HC l V HCl
C
A1
2V 溶液
= 2 0.17982 10－0.111 30.1 =0.01277 (kmol/m 3
)
2 10
△汲取剂二氧化碳浓度计算
因纯水中含有少许的二氧化碳，所以纯水滴定耗费盐酸体积
，则
塔顶水中 CO 2浓度为：
C
A 2 2C
Ba (OH ) 2
V
Ba (OH ) 2
C
HCl
V
HCl
2V 溶液
=
=0.00056 (kmol/m 3 )
2 10
△塔底的均衡浓度计算
塔底液温度 t =7.9 ℃，由附录可查得
CO 2亨利系数 E=0.9735 ×105 KPa
则 CO 2的溶解度常数为：
H
w
1 =1000
1
×
-7
（ kmol m 3 Pa 1
）
M w
E
18
0.9735 108
10
塔底混平易中二氧化碳含量：
y 1=
*
＝ × A1
=H × y 1×P 0 ×10-7 × ×
（kmol/m 3）
C A1 H P
△塔顶的均衡浓度计算
由物料均衡得塔顶二氧化碳含量
L(C A2- C A1)=V(y 1-y 2)
L
(C A 2 C A1 )
( 40 ) 0.00056)
y =y - 1000
2
1
V
(
)
C
*
× A2=H ×y 2×P 0 ×10-7 × × （ kmol/m 3）
A 2
= H P
△液相均匀推进力计算
C Am ＝ C A1－ C A2 （
C
A2 *
C A2 ) (C A1*
C A1 )
C A2 ＝
C A 2*
C
A2
ln
C A1
ln
C A1
*
C A1
0.01277)
= 0.0044(kmol/m 3)
ln
因本实验采纳的物系不单依据亨利定律， 并且气膜阻力能够不计， 在此状况
下，整个传质过程阻力都集中于液膜， 属液膜控制过程， 则液侧体积传质膜系数
等于液相体积传质总系数，即
V
sL
C A1 C A 2
k l a K L a
C
Am
hS
40 10 3 / 3600
(0.01277 0.00056)
=
(0.050) 2 / 4
=0.0049 (m/s)
实验结果列表以下：
表一 实验装置填料塔流体力学性能测定（干填料）
干填料时△ P/z ～ u 关系测定
L=0
填料层高度 塔径
单位高度填料层
空气转子流量
空塔气速 序号
填料层压强降
压强降 mmH 2O
3
m/s
mmH 2O/m
计读数 m/h
1 2 2 4 1 3 7 4 13 2 5 16
表二实验装置填料塔流体力学性能测定（湿填料）湿填料时△ P/z～ u 关系测定
L=160 填料层高度塔径 D=0.05m)
填料层压强单位高度填空气转子流
空塔气速
序号料层压强降量计读数操作现象降 mmH2O m/s
mmH2O/m m3/h
1 正常
2 正常
3 正常
4 正常
5 正常
6 正常
7 正常
8 正常
9 液泛
10 液泛
11 液泛表三：实验装置填料汲取塔传质实验技术数据表
填料汲取塔传质实验数据表
被汲取的气体 :
2
汲取剂 : 水塔内径 :50 ｍｍ纯 CO
塔种类汲取塔填料种类瓷拉西环填料层高度(m)
CO2转子流量计读数
3
m ／ h
CO2转子流量计处温度℃
流量计处 CO2的体积流量 m 3／ h
空气转子流量计读数m 3／ h
水转子流量计读数
中和 CO2用 Ba(OH) 2 的浓度Ｍ mol ／ l
2 2 10 中和 CO用 Ba(OH) 的体积 ml
滴定用盐酸的浓度Ｍ mol ／ l
滴定塔底汲取液用盐酸的体积ｍ l
滴定空白液用盐酸的体积ｍ l
样品的体积ｍ l 10 塔底液相的温度℃
亨利常数 E 108Pa
塔底液相浓度 C A1 kmoI
3 ／ m
空白液相浓度 C A2 kmoI
3 ／ m
传质单元高度 HLE-7 kmol/(m 3*Pa) y1
均衡浓度 CA1*
3 kmoI／m
y2
均衡浓度 CA2* kmol /m 3
均匀推进力
3 △ CAm kmoICO2／ m
液相体积传质系数Ｋ Ya m ／s
汲取率
2. 作图
在对数坐标纸上以空塔气速u 为横坐标，P
Z为纵坐标作图，标绘P Z～u关系
曲线。

）
m
/
O
2
H
m
m
（
Z
/
P
△
空塔气速 u（m/s）
图六实验装置P
Z
～u
关系曲线图
九、附录
二氧化碳在水中的亨利系数E× 10-5，kPa
气温度，℃
体0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 CO2。