化工原理氧解吸实验.docx
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化工原理氧解吸实验
实验名称：
氧解吸实验
班级：
姓名：
学号：
同组人：
实验日期：
实验摘要
本实验测定不同气速下干填料塔和湿填料塔的压降，得到填料层压降—空塔气速关系曲线，确定塔的处理能力及找到最佳操作点。
然后用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水，送入解析塔再用空气进行解吸，进而可计算出不同气液流量比下液相体积总传质系数Kxa，液相总传质单元高度HOL,液相总传质单元数NOL。
关键词：
氧气解吸液相体积总传质系数液相总传质单元高度液相总传质单元数
一、实验目的
1、测量填料塔的流体力学性能
2、测量填料塔的吸收-解吸传质性能
3、比较不同填料的差异
二、实验原理
1、填料塔流体力学性能
为保证填料塔的正常运行，通常需要控制操作气速处于液泛气速的0.5~0.8倍之间。
如图4-1在双对数坐标系下，气体自下而上通过填料层时，塔压降ΔP与空塔气速u符合关系式
.当有液体喷下，低气速操作时，
，此时的ΔP比无液体喷下时要高。
气速增加到d点，气液两相的流动开始互相影响，
，此时的操作点称为载液点。
气速在增大到e点时，气液两相的交互影响恶性发展，导致塔内大量积液且严重返混，
，此时的操作点称为泛液点，对应的气速就是液泛气速。
本次实验直接测量填料塔性能参数，确定其液泛气速，另外还可以用公式法、关联图法等确定。
全塔压降直接读仪表，空塔气速u由孔板流量计测定：
式中ΔP孔板——孔板压降，Kpa
图4-1塔压降-气速关系
2、填料塔传质性能——考察氧解吸过程的液相体积传质系数Kxa
以氧气为溶质，解吸塔内空气、水的摩尔流率不变，水温恒定。
由低含量气体吸收——解吸全塔传质速率方程可知：
氧气在水中的平衡含量xe与在空气中的分压PO2服从亨利定律：
或
其中
E——亨利系数，Kpa;t——水温度，℃；PO2——吸收时取103Kpa，解吸时取20.9Kpa
解吸过程的平衡线与操作线都是直线，传质单元数可用对数平均推动力法计算：
H——填料高度，0.75m；V水——水流量，L/h;
L——水摩尔流率，Kmol/（m2.h）,喷淋密度大于7.3m3/（m2.h）;Kxa——液相体积传质系数，Kmol/（m3.h）;
w2——富氧水质量浓度，mg/L;w1——贫氧水质量浓度，mg/L；
w2e,w1e——富氧水、贫氧水平衡含氧量，查表或实验测定，mg/L;
根据以上各式，测量出水温度t，水流量V水，氧浓度w1、w2，即可算出填料塔传质系数Kxa
图4-2气液流向和组成
三、实验流程
图4-3氧气吸收与解吸实验装置和流程
1、氧气钢瓶2、氧减压阀3、氧压力表4、氧缓冲罐5、氧压力表6、安全阀7、氧气流量调节阀8、氧转子流量计9、吸收塔10、水流量调节阀11、水转子流量计12、富氧水取样阀13、风机14、空气缓冲罐15、温度计16、空气流量调节阀17、空气转子流量计18、解吸塔19、液位平衡罐20、贫氧水取样阀21、温度计22、压差计23、流量计前表压计24、防水倒灌阀
四、实验步骤
1、关闭阀门启动风机，从小到大改变气量，记录数据完成干料实验
2、启动水泵，增大水流量至液泛，即刻关闭空气阀门
3、固定水流量，从小到大改变气量，每个点稳定后，记录数据
4、塔开始液泛时，记录最后一组数据，粗略确定泛点，完成湿料实验
5、调节气量到当前值得一半，稳定2min,塔釜取样测量we=11.13mg/L
6、检查氧气罐压力约为0.05Mpa,打开防水倒灌阀和流量调节阀同氧气
7、载点附近完成解吸操作，每个点稳定3min，顶、釜同时取样（两次）测量氧浓度
8、实验结束后，关闭防水倒灌阀门，总阀门，溶氧仪等
注意事项
1、每次取样品约400ml,转速一样，溶氧仪稳定后读数
2、探头竖直放置，每次的位置最好一样，不能碰到转子
3、排队测量富氧水浓度时，最好盖住上口，数值大于200mg/L
4、测量后的废水倒入循环水罐。
五、实验数据处理
第七组仪器（波纹丝网填料）
表1、干塔填料数据记录表（删除不必要的点之后的数据）
干填料数据：
水流量L=0L/h填料高度h=0.75m塔径d=0.1m
序号
孔板压降
ΔP/kPa
全塔压降
ΔP/kPa
空气流量
V/m3.h-1
空塔气速
u/m.s-1
单位填料高压降
kPa.m-1
1
0.76
0.03
3.0
0.69
0.04
2
1.27
0.18
13.1
0.89
0.24
3
1.82
0.48
23.8
1.07
0.64
4
2.42
0.85
32.0
1.23
1.13
5
3.14
1.24
37.9
1.40
1.65
6
3.33
1.33
41.0
1.44
1.77
举例计算：
以第四组数据为例：
孔板压降ΔP=2.42kPa,全塔压降ΔP=0.85kPa,空气流量V=32.0m3/h，填料高度h=0.75m塔径d=0.1m
则空气流速
单位填料高压降P=ΔP/h=0.85/0.75=1.13kPa/m
表2、湿塔填料数据记录表（删除不必要的点之后的数据）
湿塔填料数据：
L=100L/hh=0.75md=0.1m
序号
孔板压降
ΔP/kPa
全塔压降
ΔP/kPa
空气流量
V/m3.h-1
空塔气速
u/m.s-1
单位填料高压降
kPa.m-1
1
0.60
0.03
3.0
0.61
0.04
2
0.81
0.04
3.0
0.71
0.05
3
1.22
0.15
9.0
0.87
0.20
4
1.37
0.25
12.5
0.93
0.33
5
1.93
0.57
18.9
1.10
0.76
6
2.01
0.73
21.5
1.12
0.97
7
2.28
0.94
24.1
1.19
1.25
8
2.57
1.18
26.5
1.27
1.57
9
3.03
1.59
29.5
1.38
2.12
举例计算同表1
表3、解吸实验数据记录表
解吸传质实验：
h=0.75md=0.1mw平衡=11.13mg/Lt=12.5℃
序号
氧气流量
V氧/L.min-1
水流量
V水/L.h-1
空气流量
V空/m3.h-1
全塔压降
ΔP/kPa
富氧水浓度
w2/mg.L-1
平均富氧水浓度
w2/mg.L-1
贫氧水浓度
w1/mg.L-1
平均贫氧水浓度
w1/mg.L-1
平均水温
t/℃
体积传质系数
Kxa/kmol.m-3.h-1
HOL/m
NOL
1
0.4
100
15.0
0.56
25.60
25.655
11.15
11.190
12.5
5172.0
0.137
5.489
25.71
11.23
2
0.6
150
15.0
0.41
25.35
25.730
11.41
11.455
13.8
5377.5
0.197
3.805
26.11
11.50
举例计算：
以第二组数据计算为例：
塔高h=0.75m，塔径d=0.1m，水平衡氧含量w平衡=11.13mg/L
平均富氧水浓度
平均贫氧水浓度
传质单元数
传质单元高度
水摩尔流量
Kmol/（m2.h）
体积传质单元数
kmol.m-3.h-1
六、作图分析
图4-4单位填料高压降与气速关系图
经origin分析，所得曲线的斜率见下列表格
曲线1：
Equation
y=a+b*x
Adj.R-Square
0.9665
Value
StandardError
B
Intercept
-0.4606
0.04967
B
Slope
5.06219
0.41999
曲线2：
Equation
y=a+b*x
Adj.R-Square
0.85175
Value
StandardError
D
Intercept
-0.46816
0.20333
D
Slope
4.64305
1.31372
曲线3：
Equation
y=a+b*x
Adj.R-Square
0.98333
Value
StandardError
D
Intercept
-0.32487
0.02053
D
Slope
5.84456
0.43811
曲线4：
Equation
y=a+b*x
Adj.R-Square
0.9979
Value
StandardError
D
Intercept
-0.18863
0.0096
D
Slope
3.70102
0.09789
实验图表分析
1、干塔填料实验,在上图中ΔP=u5.1（与实际的ΔP=u1.8~2.0相差较大）原因在于实验过程中读取全塔压降的读数偏大，导致实验结果偏大。
湿塔填料实验，各条直线的斜率均与实际斜率相差较大（实际斜率：
k2=1.8~2.0、k3>2.0、k4>10.0）原因在于读取压降的读数时，存在错误，读数偏小，使得曲线4的斜率偏小，另外所取的气速间隔不是很均匀，数据分布不均匀，导致在前期测量时所取的数据点偏少，拟合效果不是很理想（相关系数仅为0.85175），使得曲线2斜率偏大。
实验中水流量波动，存在系统误差，另外在实验之前实验设备，没有仔细检查设备，设备的错误（解吸塔中填料上方有东西掉落）没有及时得到纠正。
2、传质实验中液相体积传质系数、传质单元高度、传质单元数见表3
3、Kxa的影响因素以及填料差异的原因
本实验中氧气难溶于水，传质过程为液相控制过程，Kxa的大小受液相流量的影响，液相流量越大，Kxa的值也会越大。
填料差异的原因：
不同种类的填料，它们的比表面积、孔隙率、填料的几何形状都不一样，这些因素的差异导致不同填料有不同的性能。
七、思考题
1、吸收填料塔的传质单元高度HOL、HOG和精馏填料塔的等板高度HETP有什么区别？
答：
吸收填料塔：
塔高度=传质单元高度×传质单元数
精馏填料塔：
塔高度=等板高度×塔板数
两者相类似，但对于吸收塔而言，传质单元高度和传质单元数是没有什么实际的物理意义，只能通过公式进行计算，但对于精馏塔而言，等板高度HETP
（即分离效果相当于一块理论版的填料高度）是真实存在的，但不能用什么理论公式来进行计算，一般它的确定都是工程经验，对于不同型号的塔板，它都有自己约定俗称的等板高度。
2、根据埃克特泛点关联图，估计实验中的液泛气速和压降是多少？
答：
液泛气速为1.27m/s，压降为1.573Kpa
3、用w代替x计算所得的NOL误差为多少？
（分别用摩尔分率和质量分率算，看差多少）
答：
以第二组数据计算为例：
平衡浓度
塔顶浓度
塔底浓度
与表3中的NOL=3.805相比，误差为（3.805-3.682）/3.682=3.3%
4、本实验的最小气液比（G/L）min和最小空气用量Gmin是多少？
实际（G/L）是多少？
答：
以第二组数据计算为例
系统总压强
kPa
kPa
相平衡系数
kmol/h
kmol/h
实际
附原始数据表：
干填料数据：
水流量L=0L/h填料高度h=0.75m塔径d=0.1m
序号
孔板压降
ΔP/kPa
全塔压降
ΔP/kPa
空气流量
V/m3.h-1
空塔气速
u/m.s-1
单位填料高
压降kPa.m-1
1
0.20
0.03
3.0
0.35
0.040
2
0.45
0.03
3.0
0.53
0.040
3
0.76
0.03
3.0
0.69
0.040
4
1.27
0.18
13.1
0.89
0.240
5
1.82
0.48
23.8
1.07
0.640
6
2.42
0.85
32.0
1.23
1.133
7
3.14
1.24
37.9
1.40
1.653
8
3.33
1.33
41.0
1.44
1.773
湿塔填料数据：
L=100L/hh=0.75md=0.1m
序号
孔板压降
ΔP/kPa
全塔压降
ΔP/kPa
空气流量
V/m3.h-1
空塔气速
u/m.s-1
单位填料高
压降kPa.m-1
1
0.20
0.03
3.0
0.35
0.040
2
0.39
0.03
3.0
0.49
0.040
3
0.60
0.03
3.0
0.61
0.040
4
0.81
0.04
3.0
0.71
0.053
5
0.97
0.03
3.0
0.78
0.040
6
1.22
0.15
9.0
0.87
0.200
7
1.37
0.25
12.5
0.93
0.333
8
1.54
0.57
15.5
0.98
0.760
9
1.93
0.57
18.9
1.10
0.760
10
2.01
0.73
21.5
1.12
0.973
11
2.28
0.94
24.1
1.19
1.253
12
2.57
1.18
26.5
1.27
1.573
13
3.03
1.59
29.5
1.38
2.120
14
3.54
1.60
31.4
1.49
2.133
解吸传质实验：
h=0.75md=0.1mt水=12.5℃w平衡=11.13mg/L
序号
氧气流量
V氧/L.min-1
水流量
V水/L.h-1
空气流量
V空/m3.h-1
全塔压降
ΔP/kPa
富氧水浓度
w1/mg.L-1
平均富氧水浓度
w1/mg.L-1
贫氧水浓度
w2/mg.L-1
平均贫氧水浓度
w2/mg.L-1
平均水温
t/℃
体积传质系数
Kxa/kmol.m-3h-1
HOL/m
NOL
1
0.4
100
15.0
0.56
25.60
25.655
11.15
11.190
12.5
133.9
0.747
5.489
25.71
11.23
2
0.6
150
15.0
0.41
25.35
25.730
11.41
11.455
13.8
274.4
0.547
3.805
26.11
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