实验五填料塔液侧传质膜系数的测定

实验五 填料塔液侧传质膜系数的测定

一、实验目的

填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛。实验研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数，尤为重要。

本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确立液侧传质膜系数与各项操作条件的关系。 通过实验，学习掌握研究物质传递过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。

二、实验原理

图1 双膜模型浓度分布图 图2 填料塔的物料衡算图

双膜模型的基本假设，气侧和液测得吸收质A 的传质速率方程可分别表达为 气膜 G A = k gA (p A －p Ai ) (1) 液膜 G A = k lA (C Ai －C A ) (2) 式中：G A －A 组分的传质速率，kmol ·s -1 A －两相接触面积，m 2；

p A －气侧A 组分的平均分压，P a ； p Ai －相界面上A 组分的分压，P a ；

C A － 液侧A 组分的平均浓度，kmol ·m 3； C Ai －相界面上A 组分的浓度，kmol ·m 3；

k g －以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol ·mv ·s -1·Pa -1； k l －以物质的量浓度表达推动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动力的相际传质速率方程又可分别表达为

G A = K GA (p A －p A *) (3) G A = K LA (C A *－C A ) (4)

式中：

p A *为液相中A 组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa ；

C A *为气相中A 组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol · m 3；

K G 为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 2·s -1·Pa -1；

K L 为以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m ·s -1。 若气液相平衡关系遵循亨利定律：C A = Hp A ，则

(5)

(6)

当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程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2所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A 的物料衡算可得：

A

L

L

A dC F dG ρ=

(a)

式中：F L 为液相摩尔流率，kmol ·s -1； ρL 为液相摩尔密度，kmol ·s 3；

根据传质速率基本方程，可写出该为分段的传质速率微分方程： dG A = K L (C A *－C A )aSdh (b) 联立(a)和(b)两式可得：

(c)

式中:a 为气液两相接触的比表面积，m 2/m 3， S 为填料塔的横截面积，m 2

本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔流率F L 和摩尔密度ρL 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 ，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分(c)式，可得填料层高度的计算公式： h=0 C A =C A ，2 h=h C A =C A ，1；

(7)

令 ，且称H L 为液本传质单元高度（HTU ）；

，且称N L 为液相传质单元数（NTU ）。

因此，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 (8)

若气液平衡关系遵循亨利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式可用解析法解得

填料层高度的计算式，亦即可用下列平均推动力法计算填料层高度和液相传质单元高度：

m A A A L L S C C C aS K V h ,2

,1,,∆-⋅

=

(9)

(10)

式中ΔC A ,m 为液相平均推动力，即

(11)

因为本实验采用纯水吸收纯二氧化碳，则 C A ,1* = C A ,1*= C A *= HpA = Hp (12) 二氧化碳的溶解度常数，

kmol ·m 3·Pa -1 (13)

式中ρc 为水的密度，kg ·m -3；Mc 为水的摩尔质量，kg ·kmol -1；E 为亨利系数，P a 。

因此，（10）式可简化为 (14) 又因本实验采用的物系有仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，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

(15)

对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素之间的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式。其中，Sherwood －Holloway 得出如下关联式：

(16)

式中：D

L

－吸收质在水中的扩散系数，m2·s-1；L－液体质量流速，kg·m2·s-1；

μL－液体粘度，P a·s或kg·m-1·s-1；

ρL－液体密度，kg·m3。

应该注意的是Sherwood－Hollwoay关联式中，(k

l a/D

L

)和(L/μ

L

)两相没有特性

长度。因此，该式也不是真正无因次准数关联式。该式中A，m和n的具体数值需在一定条件下由实验求取。

三、实验装置

本实验装置由清华华教公司制造安装。本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、高位稳压水槽和各种测量仪表组成，其流程如图3所示。

图3 填料吸收塔液侧传质膜系数测定实验装置流程

1、二氧化碳钢瓶

2、减压阀

3、二氧化碳流量计

4、填料塔

5、滴定计量球

6、压差计

7、水流量计

8、高位水槽

填料吸收塔采用直径为50mm的玻璃柱。柱内装填Φ5mm球形玻璃填料，填充高度300mm。吸收质——纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流量计，进入塔底。气体由上向下经过填料层与液相逆流接触，最后由柱顶放空。吸收剂——水由高位稳压水槽，经调节阀和流量计，进入塔顶，再喷洒而下。吸收后溶液由塔底经Π形管排出。U形液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压