二氧化碳吸收与实验

二氧化碳吸收实验装置

说明书

天津大学化工基础实验中心

2015．04

一、实验目的

1.了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实验测定数据的处理分析，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.掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习对实验数据的处理分析。

二、实验内容

1. 测定填料层压强降与操作气速的关系，确定在一定液体喷淋量下的液泛气速。

2. 固定液相流量和入塔混合气二氧化碳的浓度，在液泛速度下，取两个相差较大的气相流量，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传质单元高度和体积吸收总系数）。

3. 进行纯水吸收二氧化碳、空气，解吸水中二氧化碳的操作练习。

三、实验原理：

气体通过填料层的压强降：

压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气、液流量均有关，不同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：

图-1 填料层的P ∆～u 关系

当液体喷淋量00=L 时，干填料的P ∆～u 的关系是直线，如图中的直线0。当有

一定的喷淋量时，P ∆～u 的关系变成折线，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：

吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定可获取吸收系数。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。

1.二氧化碳吸收-解吸实验

根据双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A 的传质速率方程可分别表达为气膜 )(Ai A g A p p A k G -= （1）

液膜 )(A Ai l A C C A k G -= （2） 式中：A G —A 组分的传质速率，1-⋅s kmoI ；

A —两相接触面积，m 2

；

A P —气侧A 组分的平均分压，Pa ；

Ai P —相界面上A 组分的平均分压，Pa ； A C —液侧A 组分的平均浓度，3-⋅m kmol

Ai C —相界面上A 组分的浓度3-⋅m kmol

g k —以分压表达推动力的气侧传质膜系数，112---⋅⋅⋅Pa s m kmol ;

l k —以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，1-⋅s m 。

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： )(*

-=A A G A p p A K G （3）

)(A A L A C C A K G -=* （4）

式中：*

A p —液相中A 组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa ；

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

G K —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，

112---⋅⋅⋅Pa s m kmol ；

L K -以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，1-⋅s m 。

若气液相平衡关系遵循享利定律：A A Hp C =，则：

l

g G HK k K 111+= （5） l

g L k k H K 11+= （6）

P 2=P L A

P A +d P A C A +dC A

P 1=P A1 C A1，F L

图-2 双膜模型的浓度分布图 图-3 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，g G 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 =。

如图三所示，在逆流接触的填料层内，任意载取一微分段，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= （7a ）

式中：L F ——液相摩尔流率，1-⋅s kmol ；

L ρ——液相摩尔密度，3-⋅m kmol 。

根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：

aSdh C C K dG A A L A )(-=* （7b ）

联立上两式可得： A

A A L L L C C dC aS K F dh -⋅=*ρ （8） 式中：a ——气液两相接触的比表面积， m 2·m -1；

S ——填料塔的横载面积，m 2。

本实验采用水吸收二氧化碳与空气的混合物中的二氧化碳气体，且已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小，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式（8），可得填料层高度的计算公式：

0=h 2.A A C C = h h = 1A A C C =

⎰-⋅=*12A A C C A

A A L sL C C dC aS K V h （9） 令 aS

K V H L sL L = ，且称H L 为液相传质单元高度（HTU ）； ⎰

-=*12A A C C A A A L C C dC N ，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

L L N H h ⨯= （10）

若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（9）为可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：

Am

A A L sL C C C aS K V h ∆-⋅=21 （11）