二氧化碳吸收与解吸实验

二氧化碳吸收与解吸实验

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，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：

图一 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 1

11+

= （5）

l

g L k k H K 11+=

（6）

P

2，F L

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，并以此为衡算系统，则由吸收质A 的物料衡算可得：

A

L

L

A dC F dG ρ=

距离 液 膜

气膜

（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（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 ）； ⎰

-=*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