实验四填料塔液相传质系数的测定lun

实验四填料塔液相传质系数的测定

环工021 伦裕旻15号

一、实验目的：

吸收是传质过程的重要操作，应用非常广泛。为强化吸收过程，必须研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数。

本实验采用水吸收CO2，测定填料塔的液相传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确定液相传质系数和各项操作条件的关系。

通过本实验，学习并掌握研究物质传质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：

根据双膜模型的基本假设，气相和液相的吸收质A的传质速率方程可分别表达为

气膜D A=KgA(P A—P A i)(1)

液膜G A=K1A（C Ai—C A）(2)

公式中G A——A组分的传质速率，kmol．S-1;

A——两相接触面积，m2;

P A————气相A组分的平均分压，pa

P A i——相界面A组分的分压，pa

C A————液相A组分的平均浓度，kmol.m-3

Kg——以分压表达推动力的气相传质膜系数，kmol.m-3

K1————以物质的浓度表达推动力的液相传质膜系数，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：

D A=K G A(P A—P A*) (3)

G A=K L A（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饿液相平衡浓度，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;

若气液相平衡关遵循亨利定理：A A HP C =，则 ：

1

1

11Hk K k g G += （５）

1

11k K H k g L += （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，

g L K K =；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l L K K =。

如图2所示，在逆流接触的填料塔层内，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L F 为液相摩尔流率，kmol ．S -1;

L ρ为液相摩尔密度，kmol ．S -1;

根据传质速率基本方程，可写出该微分段的饿传质速率微分方程：

Sdh C C K dG A A L A α)*(-= (b)

联立（a ）和(b)两式可得，

式中α为气液两相接触的比表面积，3

2

.-m m ；S 为填料塔的横截面积，2

m 。 本实验采用水吸收2CO ，且已知2CO 在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔流率

L F 和摩尔密度L ρ的比值，亦即液相体积流率L S V ）（）可视为定值，

且设总传质系数L K 和两相接触比表面积α，在整个填料层内为一个定植，按下列边值条件积分

)c （式可得填料层高度的计算公式：

A

A A

C C L L s C C dC S

K V h A A -⎰=

*.1

,2

,,α （7）

令 S

K V H L L S L α,=

且程L N 为液相传质单元高度（HTU ）；

且程L N 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 L L N H h *= （8）

若气液平衡关系遵循亨利定律，则即可采用平均推动力法计算填料层的高度或液相

传质单元高度。

m

A A A L S s C C C S

K V h ,2

,1,,.

∆-=

α （9）

m

A A A L L C C C h N h N ,2,1,/)(∆-==

（10）

式中标m A C ,∆为液相平均推动力，即 因为本实验采用纯水吸收二氧化碳，则

二氧化碳的溶解度常数 ）（E M H C C /ρ=

式中标C ρ为水的密度，C M 为水的摩尔质量，E 为亨利系数，Pa,因此，（10）

式可简化为1

,2,2

,1,ln

A A A A m

A C C C C C ∆∆∆-∆=

∆， 又因为本实验采用的物系遵循亨利定理，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，整

个传质阻力都集中在液膜，即属于液莫控制过程，则液莫体积传质膜系数等于液相体积传质

总系数，即 m

A A A L S L l C C C hS

V K k ,2,1,,∆-=

=αα

对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式，其中，SherwoodHolloway 得出如下的关联式：

式中L D ——吸收质在水中的扩散系数，1

2.-s m L ——液体的质量流速，1

2

..--S m kg

L μ——液体的黏度，或S Pa ..1

.1.--s m kg L ρ——液体的密度，3

.-m kg

应该注意的是关联式中

)/1L D k α（和)/(L L μ两项没有特性长度，因此，该式不是真正的无因次准数关联式，该式中A ，m 和n 的具体数值，需在一定条件下由实验求得。

三、实验装置：