氧解析实验北京化工大学.docx
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氧解析实验北京化工大学
北京化工大学
化工原理实验报告
实验名称：
氧解吸实验
班级：
化工
学号：
姓名：
同组人：
实验日期：
2014.04.18
一、实验摘要
本实验利用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水，送入解析塔顶再用空气进行解析，测定不同液量和气量下的解析液相体积总传质系数，并进行关联，同时对四种不同填料的传质效果及流体力学性能进行比较。
由于富氧水浓度很低，气液两相平衡关系服从亨利定律。
通过实验熟悉填料塔的构造与操作，掌握液相体积总传质系数的测定方法并分析影响因素，学习气液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法。
关键词：
传质系数、氧吸收、氧解吸、填料层
二、实验目的及任务
1、熟悉填料塔的构造与操作。
2、观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。
3、掌握液相体积总传质系数Kxa的测定方法并分析影响因素。
4、学习气液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法。
三、基本原理
1、填料塔流体力学特性
气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。
填料层压降—空塔气速关系示意如图1所示，在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为1.8~2的直线（图中aA）。
当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降正比于气速的1.8~2次幂，但大于相同气速下干填料的压降（图中bc段）。
随气速的增加，出现载点（图中c点），持液量开始增大，压降—气速线向上弯，斜率变陡（图中cd段）。
到液泛点（图中d点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。
2、传质实验
填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。
在填料塔中，两相传质主要在填料有效湿表面上进行，需要计算完成一定吸收任务所需的填料高度，其计算方法有传质系数、传质单元法和等板高度法。
本实验是对富氧水进行解吸，如图2所示。
由于富氧水浓度很低，可以认为气液两相平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也为直线，因此可以用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。
整理得到相应的传质速率方程为
，即
式中：
相关填料层高度的基本计算式为：
即
式中：
，
其中：
______单位时间内氧的解吸量，kmol/（m2•h）；
Kxa______液相体积总传质系数，kmol/（m3•h）；
a______单位体积内具有的有效吸收表面，m2/m3；
Vp——填料层体积，m3；
——液相对数平均浓度差；
——液相进塔时的摩尔分数（塔顶）；
——与出塔气相y1平衡的摩尔分数（塔顶）；
——液相出塔的摩尔分数（塔底）；
——与进塔气相y1平衡的摩尔分数（塔底）；
Z——填料层高度，m；
Ω——塔截面积，m2；
L——解吸液流量，kmol/（m2•h）；
——以液相为推动力的总传质单元高度，m；
——以液相为推动力的总传质单元数。
由于氧气为难容气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中在液膜中，即Kx=kx，由于属液膜控制过程，所以要提高液相体积总传质系数Kxa，应增大也想的湍动程度即增大喷淋量。
在y-x图中，解析过程的操作线在平衡线下方，本实验中是一条平行于横坐标的水平线（因氧气在水中浓度很小）。
本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分数而不用摩尔比，这是因为在y-x图中，平衡线为直线，操作线也为直线，计算比较简单。
四、实验装置及流程
下图是氧气吸收解吸装置流程图。
氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀进入氧气缓冲罐，稳压在0.03～0.04Mpa，为确保安全，缓冲罐上装有安全阀，当缓冲罐在压力达到0.08MPa时，安全阀自动开启。
氧气流量调节阀调节氧气流量，并经转子流量计计量，进入吸收塔中。
自来水经水转子流量计调节流量，由转子流量计计量后进入吸收塔。
在吸收塔内氧气与水并流接触，形成富氧水，富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。
空气由风机供给，经缓冲罐，由空气流量调节阀调节流量经空气转子流量计计量，通入解吸塔底部，在塔内与塔顶喷淋的富氧水进行接触，解吸富氧水，解吸后的尾气由塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐排出。
由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。
空气流量计前装有计前表压计。
为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计。
在解吸塔入口设有入口采出阀，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀取样。
两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。
图-3氧气吸收解吸装置流程图
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
五、实验操作要点
1、流体力学性能测定
（1）测定干填料压降
①塔内填料事先已吹干。
②改变空气流量，测定填料塔压降，测取6~8组数据。
（2）测定湿填料压降
①固定前先进行预液泛，是填料表面充分润湿。
②固定水在某一喷淋量下，改变空气流量，测定填料塔压降，测取8~10组数据。
③实验接近液泛时，进塔气体的增加量不要过大，否则图1中的泛点不容易找到。
密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，务必等各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变的气速下明显上升，务必要掌握这个特点。
稍增加气量，再取一两个点即可。
注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。
（3）注意空气流量的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。
2、传质实验
①将氧气阀打开，氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.04~0.05Mpa，氧气转子流量计保持0.3L/Min左右。
为防止水倒灌进入氧气转子流量计重，开水前要关闭防倒灌阀，或先通入氧气后通水。
②传质实验操作条件选取：
水喷淋密度取10~15m3/（m2·h），空塔气速0.5~0.8m/s，氧气入塔流量为0.01~0.02m3/h，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在不大于19.9mg/L。
③塔顶和塔底液相氧浓度测定：
分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水，用测氧仪分析其氧的含量。
④实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭氧减压阀及氧气流量调节阀。
检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。
六、实验数据处理
Ⅰ.填料塔流体力学特性
1、干塔时空气流速和塔压降的关系曲线
标准状态下：
t0=20℃，
表1：
干塔原始数据
塔径，D=0.1m填料层高度Z=0.75m
组数
气温t/℃
空气流量示值V0/m3/h
空气压强P/Pa
全塔压降ΔP/Pa
1
24
5
1080
14
2
25
10
1150
45
3
27
15
1220
86
4
29
20
1400
145
5
32
25
1590
201
6
34
30
1850
361
以第二组数据为例进行计算：
空气压差：
（绝压）=1150+101325=102475Pa其中使用状态下，空气流量：
处理完后得到下表：
表2：
干塔时u与
的关系
组数
校正流量V/m3/h
塔截面积Ω/m2
空塔流速u/m/s
Lgu
Lg（ΔP/Z）
1
5.007
0.007854
0.1771
-0.7518
1.2711
2
10.028
0.007854
0.3547
-0.4502
1.7782
3
15.087
0.007854
0.5336
-0.2728
2.0594
4
20.166
0.007854
0.7132
-0.1468
2.2863
5
25.309
0.007854
0.8951
-0.0481
2.4281
6
30.431
0.007854
1.0763
0.0319
2.6824
2、湿塔速度与压降的关系曲线
液体喷淋量为143L/h
表3：
湿塔原始数据
组数
空气流量示值V0/m3/h
空气压强P/Pa
全塔压降ΔP/Pa
气温t/℃
1
5
1105
65
38
2
8
1145
80
38
3
11
1260
116
38
4
14
1360
188
38
5
17
1480
260
39
6
19
1590
310
40
7
20
1650
360
40
8
21
1780
385
41
9
23
1860
538
42
1
3
处理方法和干塔类似，完后得到一下结果：
表4：
湿塔时u与
的关系
组数
校正流量v/m3/h
塔截面积m2
空气气速u/m/s
lgu
Lg（ΔP/Z）
1
5.123
0.007854
0.1812
-0.7418
1.9379
2
8.196
0.007854
0.2899
-0.5378
2.0280
3
11.263
0.007854
0.3983
-0.3997
2.1894
4
14.328
0.007854
0.5067
-0.2952
2.3991
5
17.416
0.007854
0.6159
-0.2105
2.5399
6
19.485
0.007854
0.6891
-0.1617
2.6163
7
20.505
0.007854
0.7252
-0.1395
2.6812
8
21.551
0.007854
0.7622
-0.1179
2.7104
9
23.632
0.007854
0.8358
-0.0779
2.8557
10
25.708
0.007854
0.9092
-0.0413
2.9257
将表2和表4的数据用oringin软件绘制双对数坐标图，如下：
图1：
填料层压降—空塔气速双对数坐标图
Ⅱ.传质实验
表5：
传质实验数据
组数
1
2
3
水流量Q（m3/h）
105
氧气流量l/min
0.4
全塔压降Δ/pa
24
85
200
空气压力p/pa
1100
1185
1370
富氧水温度℃
15.6
15.5
15.9
富氧水浓度mg/l
25.2
25.6
26.43
贫氧水温度℃
15.8
15.7
16.1
贫氧水浓度mg/l
11.16
11.06
10.70
富氧水平衡浓度mg/l
10.26
10.38
10.09
贫氧水平衡浓度mg/l
10.11
10.26
10.05
空气流量m3/h
5
10
15
以第二组数据为例：
富氧水氧气摩尔分数：
贫氧水氧气摩尔分数：
富氧水平衡氧气摩尔分数：
富氧水平衡氧气摩尔分数：
液相对数平均浓度差：
解吸液流量：
单位时间内氧的解吸量：
填料层体积：
液相体积总传质系数：
总传质单元高度：
通过以上计算得到一下实验结果：
表6：
传质实验计算结果
空气流量
物理量
5
10
15
0.00001418
0.0000144
1.487E-05
6.278E-06
6.221E-06
5.664E-06
5.771E-06
5.839E-06
5.676E-06
5.687E-06
5.771E-06
5.653E-06
2.943E-06
2.754E-06
1.369E-06
4.607E-05
4.771E-05
5.368E-05
2658.0
2941.5
6657.0
0.279
0.252
0.112
七、实验结果分析
实验条件下，干塔压降与气速在双对数坐标图中的拟合的直线方程为y=1.7348x+2.5578，直线斜率为1.7348，相关度R=0.9968，与理论上的斜率1.8-2有一定的误差，考虑到数据很少，实验对象单一，偶然性较大，这个结果可以接受。
湿塔时，载点容易找出，在第二、三点之间，大约u=0.4m/s，而泛点在第八、九点之间，大约u=0.87m/s。
算传质系数时，其实少了一套数据，没有测一定空塔气速下不同喷淋量下的传质系数，但是仍可以得出液膜控制的结论。
传质实验时第三组数据明显偏差很大，可能是测氧浓度的过程中示数没稳即读，也可能是接贫富氧水时间隔太短，没等系统稳定就接水。
而且该丝网填料与管壁缝隙大，存在系统误差。
如果只考虑前两组，则明显改变空气流速时，液相体积总传质系数变化不大，可推测出是液膜控制。
八、思考题
1.阐述干填料压降线和湿料塔压降线的特征
答：
通过实验数据作图可知，干料塔压降与气速的关系在双对数坐标图中为一条直线，其斜率在1.8-2之间；而当有一定喷淋量时，在低气速下（图中c点以前）压降正比于气速，但大于相同气速下干填料的压降（图中bc段）。
随气速的增加，出现载点（图中c点），持液量开始增大，压降-气速线上弯，斜率变陡（图中cd段）。
到液泛点（图中d点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。
2工业上，吸收在低温，加压下进行，而解吸在高温常压下进行，为什么？
答：
低温高压使气体的溶解度变大，传质对动力变大，有利于吸收；高温常压使气体的溶解度变小，有利于解吸。
3为什么易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制过程？
答：
气相阻力控制与液相阻力控制满足：
，即总传质阻力
为气相传质阻力
与液相传质阻力
之和。
易溶气体的相平衡常数m很小，故
，得
，即
，此时传质阻力主要集中在气相，属于气膜控制过程。
而难溶气体的相平衡常数m很大，故
，得
，此时传质阻力主要集中在液相，属于液膜控制过程。
该传质实验中，改变气相流速发现总传质系数变化不大，可推断属于液膜控制，而氧气正是典型的难溶气体。
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