CO2吸收实验

CO2吸收实验

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、实验装置

图一二氧化碳吸收-解吸实验装置流程图

1-CO2钢瓶；2-减压阀；3-CO2流量计；4-吸收风机；5-吸收塔空气流量计；6-吸收水泵；7-吸收塔水流量计；8-吸收尾气传感器；9-吸收塔；10、15-液封；11-解吸液罐；12-解吸尾气传感器；13-吸收液罐14-解吸塔；16-压差计；17-解吸水泵；18-解吸塔水流量计；19-解吸风机；20-解吸塔空气流量计 21-空气旁路调节阀；22-π型管

三、实验原理

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。

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 -= （1-1） 液膜 )(A Ai l A C C A k G -= （1-2）

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 （1-3）

)(A A L A C C A K G -=*

（1-

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 1

11+

= （1-5） l

g L k k H K 11+= （1-6）

P 2A2 C A2 ，F L

P A

P Ai

C Ai

C A P A C A

P A +d P A C A +dC A

P 1=P A1 C A1，F L

图二 双膜模型的浓度分布图 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，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

dh

相 界 面

距离

气膜

浓度

统，则由吸收质A 的物料衡算可得：

A L

L

A dC F dG ρ=

（1-7a ）

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 )(-=*

（1-7b ）

联立上两式可得： A

A A L L L C C dC

aS K F dh -⋅=

*ρ （1-8）

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。

本实验采用水吸收纯二氧化碳，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（1-8），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 （1-9） 令 aS

K V H L sL

L =

，且称H L 为液相传质单元高度（HTU ）； ⎰

-=*1

2A 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 ⨯= （1-10）

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 ∆-⋅

=

2

1 （1-11） S

K V h

H h N L sL

L L α=

=

（1-12） 式中m A C .∆为液相平均推动力，即

2

211221121.21ln )()(A A A A A A A A A A A A Am

C C C C C C C C C C In C C C -----==∆∆∆-∆=∆*

*

*

* （1-13） 其中：1110A A C Hp Hy p *==, 2220A A C Hp Hy p *

==，0P

为大气压。 二氧化碳的溶解度常数：

E

M H w

w

1

⋅

=

ρ13--⋅⋅Pa m koml （1-14） 式中：w ρ——水的密度，;3-⋅m kg

w M ——水的摩尔质量，1-⋅kmol kg ； E ——二氧化碳在水中的享利系数，Pa 。

由吸收过程物料衡算得：

()()2121A A C C L y y V -⋅=-⋅

可得

()2112A A C C V L

y y --

=

L ——吸收塔液相体积流量，m3/h

V ——吸收塔气相摩尔流量，kmol/h y 1——吸收塔入口CO2分率，%v y 2——吸收塔出口CO2分率，%v

因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，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