氧吸收/解吸系数测定实验报告
一、实验目的
1、了解传质系数的测定方法；
2、测定氧解吸塔内空塔气速与液体流量对传质系数的影响；
3、掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验测定方法；
4、关联圆盘塔液膜传质系数与液流速率之间的关系； 4、掌握VOC 吸收过程传质系数的测定方法。
二、实验原理
1) 吸收速率
吸收是气、液相际传质过程，所以吸收速率可用气相内、液相内或两相间传质速率表示。
在连续吸收操作中，这三种传质速率表达式计算结果相同。
对于低浓度气体混合物单组分物理吸收过程，计算公式如下。
气相内传质的吸收速率：
)(i y A y y F k N -=
液相内传质的吸收速率：
)(x x F k N i x A -=
气、液相相际传质的吸收速率：
)()(**x x F K y y F K N x y A -=-=
式中：y ，y i ——气相主体和气相界面处的溶质摩尔分数；
x ，x i ——液相主体和液相界面处的溶质摩尔分数； x *，y *——与x 和y 呈平衡的液相和气相摩尔分数；
k x ，K x ——以液相摩尔分数差为推动力的液相分传质系数和总传质系数； k y ，K y ——以气相摩尔分数差为推动力的气相分传质系数和总传质系数； F ——传质面积，m 2。
对于难溶气体的吸收过程，称为液膜控制，常用液相摩尔分数差和液相传质系数表达吸收速率式。
对于易溶气体的吸收过程，称为气膜控制，常用气相摩尔分数差和气相传质系数表达吸收速率式。
本实验为一解吸过程，将空气和富氧水接触，因富氧水中氧浓度高于同空气处于平衡的水中氧浓度，富氧水中的氧向空气中扩散。
解吸是吸收的逆过程，传质方向与吸收相反，其
原理和计算方法与吸收类似。
但是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的(y －y *
)改为
解吸时的(y *－y )，液相推动力要从吸收时的(x *－x )改为解吸时的(x －x *
)。
2) 吸收系数和传质单元高度
吸收系数和传质单元高度是反映吸收过程传质动力学特性的参数，是吸收塔设计计算的必需数据。
其数值大小主要受物系的性质、操作条件和传质设备结构形式及参数三方面的影响。
由于影响因素复杂，至今尚无通用的计算方法，一般都是通过实验测定。
本实验计算填料解吸塔的体积传质系数K x a (kmol/(m 3
·h))的公式如下：
)ln(//)(*
2*
121x
x x x Z F
L x ZF x x L x V N a K m
m x --=∆-=∆=
式中：N ——传质速率，kmol/h ；
x 1，x 2——进、出设备的水中氧的摩尔分数； V ——传质体积，m 3； F ——塔截面积，m 2； Z ——填料层高度，m ； L ——水的流量，kmol/h 。
)ln()
()(*2
2*
11*
22*11x x x x x x x x x m -----=∆
x 1*，x 2*——在设备进、出口温度下，与空气中氧呈平衡的水中氧的摩尔分数。
因为氧在水中的溶解度极小，其解吸量也极小，故空气中氧的组成经解吸塔后变化极小，
可以认为出、入口气体中氧浓度近似相等，即x 1*＝x 2*。
解吸和吸收操作常常联合使用，吸收了溶质的富液经过解吸而再生，恢复其吸收能力循环使用。
如果解吸效果不好，吸收剂中吸收了的溶质解吸不干净，将会直接影响吸收效果，所以说解吸操作说吸收操作的重要环节。
三、实验装置与流程
四、实验数据处理与分析
表1 原始数据记录
对数据进行处理，氧气在空气中的摩尔分数为0.21，亨利系数可通过插值法确定，体积传质系数与传质单元高度的计算公式如下：
进一步整理得：
表3 不同空气流量下体积传质系数与传质单元高度
将空气流量与体积传质系数、传质单元高度在双对数坐标系下进行拟合，结果如下:
图1 体积传质系数随空气流量变化
图2 传质单元高度随空气流量变化
可以看到，随空气流量增加，体积传质系数增加，传质单元高度减小，这可能是因为随空气流量增大，空气流速增加，流体趋向湍流化，因而与水中氧气的二相传质过程被加强，从而加强了整体传质。
但是，氧气的解吸过程理论上是液膜控制的，空气流量的改变理论上对于传质系数的影响较小，而此次实验结果中空气流量同体积传质系数以及传质单元高度的相关性较好，可能是因为本次实验中所测量的数据组数偏少，存在一定误差。
表4 不同水流量下体积传质系数与传质单元高度
图3 体积传质系数随水流量变化
图4 传质单元高度随水流量变化
随水流量增大，体积传质系数增大，两者间显示出了较高的相关性，同时斜率也较图1中更大，在一定程度上可以说明液相对于整体传质的影响更大。
但是，随着水流量增大，传质单元高度却反而增加，说明液体流量增大对传质单元高度的影响要大于体积传质系数增大对于传质单元高度的影响。
随液体流量增大，虽然和气体之间的分子交换更为剧烈，但液体流速的增快使得气液之间需经过较长的传质距离才能完成一次充分的分子交换，因而传质单元高度增加。
五、思考题简答
(1) 为什么氧解吸过程属于液膜传质阻力控制？
答：因为氧气在水中溶解的很小，气膜阻力远远小于液膜阻力，因此属于液膜传质阻力控制。
(2) 用于计算吸收操作与解吸操作求理论板数时的方法有何异同点？
答：解吸是吸收的逆过程，传质方向与吸收相反，其原理和计算方法与吸收类似。
但是传质速率方程中的气相推动力要从吸收时的(y－y*)改为解吸时的(y*－y)，液相推动力要从吸收时的(x*－x)改为解吸时的(x－x*)。
(3) 将本实验的氧解吸过程画在y－x图上，表示出平衡线与操作线的关系。
(4) 氧气瓶开启时应注意什么？停止使用时如何操作？
答：应首先检查压力是否正常，然后开启流量阀门，调节到合适数值后再开启氧气瓶阀门。
停止时应先关闭总阀，待剩余氧气自然逸出后再关闭分阀。
(5) 归纳传质过程强化的基本思路和措施。
答：可以从增加传质推动力和减小传质阻力两方面入手考虑。
为增加传质推动力，可以提高气液两相的摩尔分数差；为减小传质阻力，可以选用吸收率高的溶液，增加气液两相的接触面积，或者增加流量。
(6) 为什么引入体积传质系数K x a？其物理意义是什么？
答：体积传质系数表示单位时间、单位体积内填料层的总液相传质量。
A表示单位体积填料内气液两相有效接触面积，与填料形状、尺寸、填充状况等有关，同时受流体物性及流动状况影响。
由于a的数值很难直接测定，因此将其与传质系数的乘积作为整体，定义为体积传质系数。