水吸收填料塔测定Kxa和HOL的实验

一、实验目的

（1）了解填料塔吸收装置的基本结构及流程。

（2）掌握总体积传质系数的测定方法。

（3）了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。

二、实验原理

气体吸收是典型的传质过程之一。因二氧化碳气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择二氧化碳作为溶质组分。本实验采用水吸收空气中的二氧化碳组分。一般二氧化碳在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的二氧化碳气体通入空气中混合以提高空气中的二氧化碳浓度，水中的二氧化碳含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系二氧化碳气体的解吸过程属于液膜控制。因此，本实验主要测定K_xa和H_OL。

1.计算公式

填料层高度Z如式（3-23）所示。

式中 L——吸收剂的摩尔流量，kmol/（m²·s）；

Ω——塔的横截面积，m²；

K_xa——以Δx为推动力的液相总体积传质系数，kmol/（m³·s）；

H_OL——液相总传质单元高度，m；

N_OL——液相总传质单元数，无因次。

令：吸收因数A=L/mV，如式（3-24）所示。

2.测定方法

（1）空气流量和水流量的测定 本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。

（2）测定塔顶和塔底气相组成y₁和y₂；

（3）平衡关系 本实验的平衡关系如式（3-25）所示。

式中 m——相平衡常数，m=E/P；

E——亨利系数，E=f（t），kPa；

P——总压，kPa，取101.33kPa。

对清水而言，x₂=0，由全塔物料衡算，如式（3-26）所示，可得x₁。

三、实验装置

1.装置流程

如图3-8所示，由自来水源来的水送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。由风机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体混合罐，然后再进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气放空，因本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程可看成是等温操作。

图3-8 吸收装置流程图

1—液体出口阀2 2—风机 3—液体出口阀1 4—气体出口阀 5—出塔气体取样口 6—U形压差计

7—填料层 8—塔顶预分布器 9—进塔气体取样口 10—玻璃转子流量计（0.4～4m³/h）

11—混合气体进口阀1 12—混合气体进口阀2 13—孔板流量计 14—涡轮流量计 15—水箱 16—水泵

2.主要设备

（1）吸收塔 高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金属丝网波纹规整填料或θ环散装填料，填料层总高度2000mm。塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。(www.xing528.com)

（2）填料规格和特性 金属丝网波纹规整填料：型号JWB-700Y，规格φ100mm×100mm，比表面积700m²/m³。

（3）转子流量计（表3-10）

表3-10 转子流量计

（4）空气风机 型号：旋涡式风机。

（5）二氧化碳钢瓶。

（6）气相色谱分析仪。

四、实验步骤

（1）熟悉实验流程及弄清气相色谱仪及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项。

（2）打开混合罐底部排空阀，排放掉空气混合贮罐中的冷凝水。

（3）打开仪表电源开关及风机电源开关，进行仪表自检。

（4）开启进水阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节玻璃转子流量计，使其流量稳定在某一实验值。（塔底液封控制：仔细调节液体出口阀的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或过低而泄气。）

（5）启动风机，打开二氧化碳钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀。

（6）仔细调节风机旁路阀门的开度（并调节二氧化碳调节转子流量计的流量，使其稳定在某一值），建议气体流量3～5m³/h；液体流量0.6～0.8m³/h；二氧化碳流量2～3L/min。

（7）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温度、压差计、压力表上读取各温度、塔顶塔底压差读数，通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气体组成。

（8）实验完毕，关闭二氧化碳钢瓶和转子流量计、水转子流量计、风机出口阀门，再关闭进水阀门及风机电源开关（实验完成后我们一般先停止水的流量再停止气体的流量，这样做的目的是为了防止液体从进气口倒压破坏管路及仪器），清理实验仪器和实验场地。

五、结果与讨论

（1）将原始数据列表。

（2）在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳吸收时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。

（3）列出实验结果与计算示例。

六、注意事项

（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。

（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。

思考题

1.本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？

2.测定K_xa有什么工程意义？

3.为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？

4.当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？

参考文献

刘长海．食品工程原理学习指导[M].北京：中国轻工业出版社，2010.