实验八 二氧化碳吸收填料塔实验一、实验目的⒈ 了解填料吸收塔的结构和流体力学性能。

⒉ 学习填料塔的液膜传质膜系数、总传质系数的测定方法，加深对传质过程原理的理解。

二、实验内容1．测定填料层压强降与操作气速的关系，确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速。

2．采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液膜传质膜系数和总传质系数。

三、实验原理1．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。

压强降与气液流量有关，不同喷淋量下的填料层的压强降ΔP 与气速u 的关系如图8-1所示：图8-1 填料层的ΔP ～u 关系当无液体喷淋即喷淋量L 0=0时，干填料的ΔP ～u 的关系是直线，如图中的直线0。

当有一定的喷淋量时，ΔP ～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ΔP ～u 关系分为三个区段：恒持液量区、载液区与液泛区。

2．传质系数填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛，实验研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数，尤为重要。

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 -= （8－1） 液膜 )(A Ai l A C C A k G -= （8－2）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 kmolk g ——以分压表达推动力的气侧传质膜系数，112---⋅⋅⋅Pa s m kmol ; k l ——以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，1-⋅s m 。

P 2，F LP AP A +d PP 1A 。

1，F L图8-2双膜模型的浓度分布图 图8-3 填料塔的物料衡算图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 （8－3） )(A A L A C C A K G -=*（8－4） 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 ；K G ——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 ；K L ——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lg G HK k K 111+= （8－5） lg L k k H K 11+= （8－6） 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，K G =k g ； 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，K L =k l 。

如图8-3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 LLA dC F dG ρ=（a ）式中：F L ——液相摩尔流率，1-⋅s kmol ；ρL ——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 )(-=*（b ）联立上两式可得：AA A L L L C C dCaS K F dh -⋅=*ρ （c ）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F L 和摩尔密度ρL 的比值，亦即液相体积流率（Vs ）L 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（c ）式，可得填料层高度的计算公式：h=0 ， 2.A A C C = h=h ， 1A A C C =⎰-⋅=*12A A C C AA AL sL C C dC aS K V h （8－7） 令 aSK V H L sLL =，且称H L 为液相传质单元高度（HTU ）； ⎰-=*12A A C C AA AL CC 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h=H L ×N L （8－8）若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式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：AmA A L sL C C C aS K V h ∆-⋅=21 （8－9） AmA A L L C C C hH h N ∆-==/)(21 （8－10） 式中m A C .∆为液相平均推动力，即1122112212.21ln )()(A A A AA A A A A A A A AmC C C C C C C C C C In C C C -----==∆∆∆-∆=∆**** （8－11） 因为本实验采用纯水吸收纯二氧化碳，则Hp Hp C C C A A A A ====***21 （8－12）二氧化碳的溶解度常数，EM H ww1⋅=ρ 13--⋅⋅Pa m koml （8－13） 式中：ρw ——水的密度， ;3-⋅m kgM w ——水的摩尔质量， 1-⋅kmol kg ； E ——二氧化碳在水中的享利系数，Pa 。

因此，（11）式可简化为11ln A A AA Am C C C C C -=∆**（8－14） 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AmA A sL L l C C C hS V a K a k ∆-⋅==21 （8－15）四、实验流程及主要设备参数本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、水槽、水泵、空气压缩机和各种测量仪表组成，其流程如图所示：二氧化碳吸收-解吸实验装置流程1.CO 2钢瓶；2.减压阀；3.CO 2流量计；4.水流量计；5.水泵；6.填料吸收塔；7.吸收塔液封8.液位计；9.吸收塔压差计；10.阀门；11.解吸塔压差计；12.水槽；13.填料解吸塔； 14.解吸塔液封；15.空气流量计；16.空气压缩机；17.水流量计；18.温度显示仪表填料吸收塔采用直径40mm 的玻璃柱，柱内装填φ6×6mm θ环丝网填料，吸收塔填充高度为58mm ，解吸塔高度为76mm 。

吸收质（纯二氧化碳气体）由钢瓶经二次减压阀，调节阀和转子流量计，进入塔底，气体由下向上经过填料层与液相逆流接触，到塔顶经液封放空；吸收剂（纯水）由水槽经水泵和流量计，进入塔顶，再喷洒而下；吸收后溶液由塔底流出进入解吸塔顶，喷洒而下，由塔底经液封排出；空气从解吸塔底由下向上经过填料层与液相逆流接触，自塔顶放空。

U 形液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。

五、实验方法实验前，往水槽中加入蒸馏水，检查各流量计调节阀，以及二氧化化碳的减压阀是否均已关严。

1、二氧化碳吸收传质系数的测定1．打开阀门10，调节吸收塔液封高度（与操作的水流量相对应）。

2．打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调到1Mpa ，二氧化碳流量分别控制在0.08m 31-⋅h 、0.10 m 31-⋅h 、0.12 m 31-⋅h 、0.14 m 31-⋅h 、0.16m 3 1-⋅h ，调节水流量计4到给定值，操作达到稳定状态之后稳定吸收十分钟，测量两塔底的水温。

同时，测定塔底溶液中二氧化碳的含量，以及塔的压强降。

2、溶液中二氧化碳含量的测定方法用吸量管吸取0.1M 的Ba （OH ）2溶液10mL ，放入三角瓶中，并从塔底附设的取样口处接收塔底溶液20 mL ，用胶塞塞好，并振荡。

用离心机除去瓶中碳酸钡白色沉淀，清液中加入2-3滴甲基橙指示剂，最后用0.1M 的盐酸滴定到终点。

直到其脱除红色的瞬时为止，由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度：溶液V V C V C C HClHCl OH Ba OH Ba CO 222)()(22-=1-⋅L m o l （8－16）六、实验注意事项1．本实验内容中解吸流程处于关闭状态，仅做吸收实验。

2．实验过程中要严格调节吸收塔下部进气口处的液位，要控制其保持一定高度，且要低于进气口，防止二氧化碳气下窜。

调节吸收液的进出流量以维持塔底液位。

3、实验过程中要注意蓄水槽中的水位，保证实验的顺利完成。

4、调节气、水流量时要缓慢调节，防流量过大损坏流量计。

七、实验报告要求1．将原始数据和数据处理结果用表格形式列出，并列出一组计算示例。

2．分析实验结果，讨论实验过程中各控制参数对吸收过程的影响。

3．请回答思考题。

八、思考题1．试分析空塔气速和喷淋密度这两个因素对吸收系数的影响。

在本实验中，那个因素是主要的，为什么？2．要提高吸收液的浓度有什么办法（不改变进气浓度）？同时会带来什么问题？附表：实验记录表格：基本数据：气体种类：CO2 吸收剂：清水 盐酸浓度： 氢氧化钡浓度： 填料种类： 填料层高度： 填料塔内径： 室温： 大气压：。