吸收实验仿真说明书.docx
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吸收实验仿真说明书
吸收与解吸实验装置
说明书
一、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。
二、基本原理：
本装置先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作），送入解吸塔顶再用空气进行解吸，实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数Kxa，并进行关联，得到Kxa=ALa·Vb的关联式，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。
本实验引入了计算机在线数据采集技术，加快了数据记录与处理的速度。
1、填料塔流体力学特性：
图1填料层压降–空塔气速关系示意图
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。
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线）。
当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降也正比于气速的1.8～2次幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中bc段）。
随气速的增加，出现载点（图1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，两相传质主要是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填料高度，其计算方法有：
传质系数法、传质单元法和等板高度法。
本实验是对富氧水进行解吸。
由于富氧水浓度很小，可认为气液两相的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也是直线，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式为：
其中
相关的填料层高度的基本计算式为：
即
其中
，
式中：
GA—单位时间内氧的解吸量[Kmol/h]
Kxa—总体积传质系数[Kmol/m3•h•Δx]
VP—填料层体积[m3]
Δxm—液相对数平均浓度差
x1—液相进塔时的摩尔分率（塔顶）
xe1—与出塔气相y1平衡的液相摩尔分率（塔顶）
x2—液相出塔的摩尔分率（塔底）
xe2—与进塔气相y2平衡的液相摩尔分率（塔底）
Z—填料层高度[m]
Ω—塔截面积[m2]
L—解吸液流量[Kmol/h]
HOL—以液相为推动力的传质单元高度
NOL—以液相为推动力的传质单元数
由于氧气为难溶气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中于液膜中，即Kx=kx,由于属液膜控制过程，所以要提高总传质系数Kxa，应增大液相的湍动程度。
在y—x图中，解吸过程的操作线在平衡线下方，本实验中还是一条平行于横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小）。
备注：
本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分率而不用摩尔比，这是因为在y—x图中，平衡线为直线，操作线也是直线，计算比较简单。
三、装置说明与操作：
1．基本数据：
解吸塔径Φ=0.1m，吸收塔径Φ=0.032m，填料层高度0.8m（陶瓷拉西环、陶瓷波纹板、金属波纹丝网填料）和0.83m（金属θ环）。
填料参数：
瓷拉西环
金属θ环
12×12×1.3[mm]
10×10×0.1[mm]
at=403[m2/m3]
at—540[m-1]
ε=0.764[m3/m3]
ε—0.97
at/ε=903[m2/m3]
2．实验流程：
图2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2进入氧气缓冲罐4，稳压在0.03～0.04[Mpa],为确保安全，缓冲罐上装有安全阀6，由阀7调节氧气流量，并经转子流量计8计量，进入吸收塔9中，与水并流吸收。
含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。
空气由风机13供给，经缓冲罐14，由阀16调节流量经转子流量计17计量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解吸后的尾气从塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐19排出。
自来水经调节阀10，由转子流量计17计量后进入吸收柱。
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23。
为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计22。
在解吸塔入口设有入口采出阀12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀20取样。
两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。
图2、氧气吸收与解吸实验流程图
1、氧气钢瓶9、吸收塔17、空气转子流量计
2、氧减压阀10、水流量调节阀18、解吸塔
3、氧压力表11、水转子流量计19、液位平衡罐
4、氧缓冲罐12、富氧水取样阀20、贫氧水取样阀
5、氧压力表13、风机21、温度计
6、安全阀14、空气缓冲罐22、压差计
7、氧气流量调节阀15、温度计23、流量计前表压计
8、氧转子流量计16、空气流量调节阀24、防水倒灌阀
3．操作要点
①、流体力学性能测定
（1）
（1） 测定干填料压降时，塔内填料务必事先吹干。
（2）
（2） 测定湿填料压降
a.a. 测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。
b.b. 实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减小，否则图中泛点不容易找到。
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，务必让各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。
稍稍增加气量，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）注意空气转子流量计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）
（1） 氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.03～0.04[Mpa],不要过高，并注意减压阀使用方法。
为防止水倒灌进入氧气转子流量计中，开水前要关闭防倒灌阀24，或先通入氧气后通水。
（2）
（2） 传质实验操作条件选取
水喷淋密度取10～15[m3/m2•h]，空塔气速0.5～0.8[m/s]氧气入塔流量为0.01～0.02[m3/h]，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在≤19.9[ppm]。
（3）（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，用测氧仪分析各自氧的含量。
（测氧仪的使用见附录）
（4）（4） 实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭减压阀2及调节阀8。
检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。
四、吸收与解吸实验数据采集程序的安装与使用
（一）硬件与系统配制要求
1.CPU:
奔腾/166以上;
2.内存:
16兆以上;
3.显示器:
VGA彩显，1024×768像素点;
4.系统:
WIN98,WINXP;
5.通讯口:
1个RS-232串行通讯口。
（二）计算机与仪表间的通讯
AI工业调节器（它是以RS-485方式进行通讯的，所以一个通讯口可以接多块仪表）的17、18号接线柱分别与通讯控制器的端口1或2连接，变频仪通讯端口与通讯控制器的端口3连接，通讯控制器端口4与计算机的串行通讯口（即COM1）相连接，实现数据通讯（见图3）。
图3
（三）软件安装
在WIN98或WINXP系统下运行软盘中的SETUP.EXE，启动安装向导，安装数据采集程序。
安装程序自动在“开始”菜单的“程序”项中建立一个“氧解吸实验”的快捷方式。
点击此快捷方式，便可运行数据采集软件。
（四）吸收与解吸实验数据采集系统的运行与使用
当系统安装完毕后，启动程序。
若为第一次运行此软件，屏幕中会出现一个提示框，要求用户输入孔板流量计的参数和换热器的管长及管径。
点击“确定”，屏幕上会出现初始画面（见图4）
若用户第一次使用此软件，会出现一窗口，要求用户输入：
空气孔板流量计的参数A1，A2；
填料层高度m；（见图5）
图5
其中：
A1、A2见附录二。
这些参数只需要输入一次，将来运行软件时，若这些参数不需要修改，则不用再输入这些数据了。
1.数据采集
当选择数据采集项时，程序则要求用户输入保存数据的文件名。
当用户输入文件名后，程序进入主画面，即吸收实验的流程图（见图6），在此图中1-数字显示框为空气进口温度（℃）,2-数字显示框空气压力（kPa），3-数字显示框为空气流量（m3/h），4-数字显示框为填料塔压降（kPa），5-数字显示框为水流量（l/h），6-数字显示框水温（℃），7-数字显示框为入塔富氧水含氧量（mg/l），8-数字显示框为出塔贫氧水含氧量（mg/l）。
在画面上方有一排4个按钮，其分别为:
“实验选择”，"记录数据"，"查看数据"，"退出"
图6
①实验选择
选此功能时，出现第一级下拉菜单，分别为“流体力学实验”，“传质实验”（见图7）。
此时，若选“流体力学实验”，则又出现第二级下拉菜单，为“干填料”，“湿填料”（见图8）。
若选“干填料”，则说明用户要做干填料时的流体力
图7
学实验。
若选“湿填料”，则出现第三级下拉菜单，分别为“第一喷淋量”、“第二喷淋量”、“第三喷淋量”、“第四喷淋量”，（见图9）本软件可以允许用户一次实验做四组喷淋量下的湿填料流体力学实验数据，当用户调整好水的流量时，确定第几喷淋量，则软件将第一次记录的水流量
图8
图9
做为基准，进行实验，当实验中水的流量改变了±5l/h时，软件会自动提醒用户水量改变，要求用户调整水量，或选择另一喷淋量做实验。
当用户改变了水的流量后，准备做另一喷淋量下的实验时，必须选择另一喷淋量，如：
前面实验选的是“第一喷淋量”，水的流量为100l/h，则当实验者改变水量为150l/h时，则必须选择“第二喷淋量”或“第三喷淋量”或“第四喷淋量”，否则计算机将不给记录数据。
若前面已经做过“第一喷淋量”的实验了，现在想返回再补几组数据，如前面做了水流量为100l/h的实验，并将其定为“第一喷淋量”，现在要补几组数据，则要将水流量调整到95-105l/h之间，之后选择“第一喷淋量”，此时就可以继续做“第一喷淋量”下的实验了。
在第一级菜单下选则“传质实验”，则可以进行氧的吸收与解吸实验。
由于富氧水的含氧量与贫氧水的含氧量必须由溶氧仪来测定，不能在线数据采集，所以必须人工输入。
具体做法是用鼠标电击数字显示框7旁边的“测氧仪”，则屏幕中出现一询问窗口，要求实验者输入入塔水中氧的含量，此时实验者将由溶氧仪测定的富氧水的含氧量输入，则在数字显示框7中显示富氧水的含氧量。
用鼠标电击数字显示框8旁边的“测氧仪”，按照前面的操作方法一样操作，则在数字显示框8中显示贫氧水的含氧量。
②记录数据
将当前最新的数据存入前面选定的数据文件中。
③查看数据
选此功能时，出现一下拉菜单，分别为“实验数据”及“实验结果”（见图10）。
当选择“实验数据”时，画面中出现
图10
一列表框，将前面所有记录当前实验的数据全部列出来，供用户查看，如当前做的是“干填料”的流体力学实验，则显示“干填料”的流体力学实验的实验数据，若做的是“第二喷淋量”下的流体力学实验，则显示“第二喷淋量”下的流体力学实验的实验数据。
若用户对某一组数据不满意，可以删除。
当选择“实验结果”时，若做流体力学实验，则屏幕中出现一横坐标为空塔气速，纵坐标为单位填料高度下的填料塔压降的双对数坐标系，将用户当前实验的实验结果绘出。
若做传质实验，则出现一列表框，给出实验结果，即Kxa及Hol。
④退出
选此按钮时，程序退出采集回到主菜单。
2.显示结果
当用户在图4画面中选择"显示结果"，程序会要求用户输入数据文件名，之后屏幕中出现（图11）：
图11
选择“打开文件”，屏幕中出现一询问框，要求用户输入要打开的数据文件名。
图12
点击“查看数据”，出现一下拉菜单，分别为“流体力学实验”，“传质实验”。
当用户选择之后，屏幕中出现一个列表，将用户要查看的数据文件中的数据列于表内（见图12）。
此时，若发现某组数据不好，点击此数据行，此时“删除”项变黑，然后选择“删除”，可删除此组数据。
若要打印数据，点击“打印数据”，则可在打印机中打出此表中的全部数据。
点击“实验结果”，也出现一下拉菜单，分别为“流体力学实验”，“传质实验”（见图13）。
此时若选“流体力学实验”，着屏幕中出现一横坐标为空塔气速，纵坐标为单位填料高度下的填料塔压降的双对数坐标系，将用户全部流体里学实验（包括“干填料”及湿填料）的实验结果绘出（见图14）。
若选择“传质实验”，则出现一列表框，给出实验结果，即Kxa及Hol。
（见图15）
图13
图14
3.修改参数
在图4画面中选“修改参数”时，屏幕中会出现一个提示框，要求用户输入：
空气孔板流量计的参数A1，A2；
填料层高度m；（见图5）
其中：
A1、A2见附录二。
这些参数只需要输入一次，将来运行软件时，若这些参数不需要修改，则不用再输入这些数据了。
4.退出
当用户在初始画面中选"退出"时，即结束程序的运行。
图15
附录一吸收装置各个仪表的单位及参数设定
仪表
空气温度
空气压力
空气孔板
塔压降
涡轮流量计
水温度
单位
C
kPa
kPa
kPa
l/h
C
Sn
21
33
33
33
33
21
DIP
1
2
2
2
2
1
Frd
600
FdIP
0
FdIH
1532
DIL
0
0
0
DIH
20
20
20
CF
0
0
0
0
0
0
Addr
1
2
3
4
5
6
bAud
9600
9600
9600
9600
9600
9600
注：
若孔板压差与管路压降在无流量时，仪表显示的测量值不为0，说明压力传感器出现漂移，则利用仪表中的SC进行零点调整。
例：
无流量时仪表显示的测量值为3，则将SC设定为-3。
附录二孔板流量计的计算公式与参数
1．1．孔板流量计计算公式
①空气：
V=A1RA2
V：
流量，单位m3/h
R：
孔板压差，单位kPa
2．孔板流量计参数
A1=20.1
A2=0.47
附录三：
1、氧气不同温度下的亨利系数E可用下式求取：
[Kpa]
2、不同温度氧在水中的浓度：
温度℃
浓度ppm
温度℃
浓度ppm
温度℃
浓度ppm
0.00
14.6400
12.00
10.9305
24.00
8.6583
1.00
14.2453
13.00
10.7027
25.00
8.5109
2.00
13.8687
14.00
10.4838
26.00
8.3693
3.00
13.5094
15.00
10.2713
27.00
8.2335
4.00
13.1668
16.00
10.0699
28.00
8.1034
5.00
12.8399
17.00
9.8733
29.00
7.9790
6.00
12.5280
18.00
9.6827
30.00
7.8602
7.00
12.2305
19.00
9.4917
31.00
7.7470
8.00
11.9465
20.00
9.3160
32.00
7.6394
9.00
11.6752
21.00
9.1357
33.00
7.5373
10.00
11.4160
22.00
8.9707
34.00
7.4406
11.00
11.1680
23.00
8.8116
35.00
7.3495
附录四：
溶氧仪使用说明书
A、初次使用
1、1、装入电池。
2、2、将氧探头与温度探头插在仪表上。
3、3、准备一杯清水，在空气中静止数小时，使其成为饱和氧水溶液。
4、4、将氧探头与温度探头同时插入饱和水溶液中，约十分钟使其极化。
5、5、若探头一直保持连接状态，就不再需要极化操作，关闭仪表不受影响。
B、测量
1、1、 按ON键打开仪表。
2、2、 将两探头同时插入饱和氧水溶液中，并要溶液保持流动，若不流动，需要搅拌。
3、3、 按MODE键，使屏幕中右下脚显示%，调节Slope旋扭，使屏中数据达到100%。
4、4、 按MODE键，使左下脚显示zero，调节zero键，使屏中数据为0。
5、5、 重复以上3、4步，使zero指示为0时，满度保持在100%。
6、6、 将探头放入被测溶液中，同时需要搅拌。
7、7、 按MODE键，使右上角显示mg/l，此时屏幕中的数据即为此溶液的含氧量（PPM或mg/l）。
C、其他注意事项
1、1、 测量完毕，按OFF键关闭仪表，不要卸掉电池与探头。
2、2、 将氧探头插入装有足量水的保护套内。
3、3、 探头与仪表使用时，要轻拿轻放，特别要注意，不要使氧探头的膜与其他硬物相碰，以免将膜碰破。
4、4、 仪表测量范围，含氧0～19.9mg/l的水溶液，测量温度在-30℃～150℃之间。
D、大气压校正%
大气压[mmHg]
E、氧探头结构示意图
附录五：
总传质系数Kxa及液相总传质单元高度HoL整理步骤:
1① 使用状态下的空气流量V2
[m3/h]
V1—空气转子流量计示值[m3/h]
T1、P1—标定状态下空气的温度和压强，[K]、[Kpa]。
T2、P2—使用状态下空气的温度和压强，[K]、[Kpa]。
②单位时间氧解吸量GA
L—水流量[Kmol/h]
x1、x2—液相进塔、出塔的摩尔分率
③进塔气相浓度y2，出塔气相浓度y1
y1=y2=0.21
④对数平均浓度差
，
式中：
m—相平衡常数（m=E/P）
E—亨利常数
P—系统总压强
P=大气压+1/2（填料层压差）
⑤液相总体积传质系数Kxa（kmol/m3••h）
Vp–填料层体积m3
⑥液相总传质单元高度HoL（m）
HoL=L/Kxa••Ω
L—水的流量kmol/s
Ω—填料塔截面积m2
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