二氧化碳吸收与解吸实验说明书

二氧化碳吸收与解吸实

验装置说明书

仁爱化工基础实验中心

王立轩 2014．05

一、实验目的：

1.了解填料吸收塔的结构和流体力学性能。

2．学习填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法。 二、实验内容

1. 测定填料层压强降与操作气速的关系，确定填料塔在一定液体喷淋量下的液泛气速。

2. 固定液相流量和入塔混合气氨的浓度，在液泛速度以下取两个相差较大的气相流量，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传质单元高度和体积吸收总系数）。

3. 采用纯水吸收二氧化碳、空气解吸水中二氧化碳，测定填料塔的液侧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，不同液体喷淋量下填料层的压强降P与气速u的关系如图1-1所示：

L3＞L2＞L1ΔP , kPa L0 =0321 0

u , m/s 图1-1 填料层的P～u关系

当无液体喷淋即喷淋量L00时，干填料的P～u的关系是直线，如图

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中的直线0。当有一定的喷淋量时，P～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P～u关系分为三个区段：恒持液量区、载液区与液泛区。

2. 传质性能：吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，而实验测定是获取吸收系数的根本途径。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数将随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。 （1）二氧化碳吸收-解吸实验

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 GAkgA(pApAi) （1-1） 液膜 GAklA(CAiCA) （1-2） 式中：GA—A组分的传质速率，kmoIs1；

A—两相接触面积，m；

PA—气侧A组分的平均分压，Pa； PAi—相界面上A组分的平均分压，Pa；

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CA—液侧A 组分的平均浓度，kmolm3 CAi —相界面上A组分的浓度kmolm3

kg—以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmolm2s1Pa1;

kl—以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，ms1。

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：GAKGA(pApA) （1-3）

GAKLA(CACA) （1-4）

式中：pA—液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；

 CA—气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmolm3；

KG—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，

kmolm2s1Pa1；

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KL-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，ms1。

CA PA CA 气液 距离 浓度 相 界 面 P2=PA2 CA2 ，FL

PA PAi CAi dh PA+d PA CA+dCA

P1=PA1 CA1，FL

图1-2双膜模型的浓度分布图 图1-3 填料塔的物料衡算图

若气液相平衡关系遵循享利定律：CAHpA，则：

111 （1-5） KGkgHKl1H1 （1-6） KLkgkl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，

KGkg；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，KLkl。

如图1-3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：

dGAFLLdCA （1-7a）

式中：FL——液相摩尔流率，kmols1；

L——液相摩尔密度，kmolm3。

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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：

dGAKL(CACA)aSdh （1-7b）

联立上两式可得：

dhFLdCA （1-8）

KLaSLCACA式中：a——气液两相接触的比表面积， m2·m-1；

S——填料塔的横载面积，m2。

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FL和摩尔密度L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KL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式（1-8c），可得填料层高度的计算公式：

h0 ，CACA.2 hh ， CACA1

CA1VsLdCAh （1-9） KLaSCA2CACA令 HLVsL ，且称HL为液相传质单元高度（HTU）； KLaSdCA，且称NL为液相传质单元数（NTU）。

CA2CCAACA1NL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HLNL （1-10）

若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（1-9）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：

hNLVsLCA1CA2 （1-11） KLaSCAmhh （1-12） VHLsLKLS式中CA.m为液相平均推动力，即

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CAmCA1CA2(CA1CA1)(CA2CA2) （1-13） CA.1CACA1Inln1CA2CA2CA2其中：CA1HpA1Hy1p0, CA2HpA2Hy2p0，P0为大气压。

二氧化碳的溶解度常数：

HwMw1 komlm3Pa1 （1-14） E式中：w——水的密度， kgm3; Mw——水的摩尔质量， kgkmol1 ；

，Pa。 E——二氧化碳在水中的享利系数（见化工原理下册第78页）

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，则液膜体积吸收系数等于液相总体积吸收系数，亦即

klaKLaVsLCA1CA2 （1-15） hSCAm四、实验装置

1、实验装置主要参数：

吸收塔：第一套玻璃管内径 D＝0.050m； 内装φ10×10mm瓷拉西环； 第二套玻璃管内径 D＝0.050m； 内装 第三套玻璃管内径 D＝0.050m； 内装

第四套玻璃管内径 D＝0.050m φ10×10mm不锈钢θ环 解吸塔：璃管内径 D＝0.050m； 内装φ10×10mm瓷拉西环；

填料层高 度Z＝0.80m； 风机：XGB-12型，550W；

二氧化碳钢瓶1； 减压阀1个（用户自备）。 流量测量仪表：

CO2转子流量计： 型号LZB-6 流量范围0.06～0.6m3／h； 空气转子流量计：型号LZB-10 流量范围0.25～2.5m3／h； 水转子流量计： 型号LZB-10 流量范围16～160 L／h； 解吸收塔水转子流量计：型号LZB-6 流量范围6～60 L／h

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浓度测量：吸收塔塔底液体浓度分析准备定量化学分析仪器一套； 温度测量：PT100铂电阻，用于测定测气相、液相温度。 2、二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图(见图1-4)：

图1-4 二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图

1- CO2流量计；2- CO2瓶减压阀； 3- CO2钢瓶 ；4-吸收用空气流量计 5- 吸收用气泵； 6- 放水阀； 7、19- 水箱放水阀；8- 回水阀 9- 解吸塔； 10- 解吸塔塔底取样阀；11- 解吸液储槽；12、15- U型管液柱压强计； 13- 吸收液流量计；14- 吸收液液泵；16- 吸收液储槽； 17- 吸收塔； 18- 吸收塔塔底取样阀； 20- 解吸液流量计 ； 21- 解吸液液泵； 22- 空气流量计； 23- 空气旁通阀； 24- 解析气风机

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3、二氧化碳吸收与解吸实验装置面板图(见图1-5)

图1-5 实验装置面板图

五、实验操作：

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.解吸塔中流体力学实验操作

（1）开启实验装置的总电源，开动泵21，调节水流量计20，对填料塔润湿10～20分钟。然后把水流量调节到指定流量（一般为100L/h）；

（2）开动风机24，从小到大调节空气流量，观察填料塔中液体流动状况，并记下空气流量、塔压降和流动状况，液泛前记录七个数据点，液泛以后，至少记录三个数据点；

（3）关闭水和空气流量计，停止水泵和漩涡气泵。

2. 二氧化碳吸收-解吸传质系数的测定（水流量控制在60L/h） （1）打开阀门23，关闭阀门10、18。

（2）启动吸收液泵14，将水经流量计13打入吸收塔中，将流量调到指定流

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量。启动解吸液泵21，将解吸液经流量计20打入解吸塔中，同时启动风机24，利用阀门23 调节空气流量（液泛流量以下）。

（3）实验中注意吸收液流量计13和解吸液流量计20数值要一致，并注意吸收液储槽的液位，如果过高，需开大解吸液流量计20，两个流量计要及时调节，以保证实验时操作条件不变。

（4）打开气泵5，调节流量为0.7m3/h；然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀2，向吸收塔内通入二氧化碳气体（二氧化碳气体流量计1的阀门要全开），流量

大小由流量计读出，控制在0.3m3/h左右。 （5）操作达到稳定状态之后（约20分钟），测量吸收塔塔底的水温，同时取样测定吸收塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。 3.二氧化碳含量测定

用移液管吸取0.1mol/L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，用胶塞塞好振荡。溶液中加入2～3滴甲酚红指示剂摇匀，用0.1mol/的盐酸滴定到粉红色消失即为终点。 按下式计算得出溶液中二氧化碳浓度：

CCO22CBa(OH)2VBa(OH)2－CHClVHCl2V溶液 molL1

六、注意事项：

1.开启二氧化碳总阀前，要先关闭二氧化碳自动减压阀和二氧化碳氨流量调节阀。开启时开度不宜过大

2.塔下部液封面的高度必须维持在空气进口管的下面，并接近进口管。 3.滴定水中二氧化碳时，要求滴定同时不停振荡。

4.分析CO2浓度操作时动作要迅速，以免CO2从液体中溢出导致结果不准确。

七、报告内容

（1）画出解析塔的流体力学性能图（△P/z～u的关系），确定载点、泛点；

用其中一组数据写出计算过程。 （2）计算液相总体积吸收系数KL a

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附 原始实验数据记录表

流体力学性能试验记录 塔压降 mmH2O 空气流量计读数m3/h

吸收-解吸传质能力测定实验记录 吸收塔底液相温度(℃) 吸收空气流量计度数(m3/h) 塔顶采样 样本体积(mL) 滴定用HCl体积(mL) 塔底采样 样本体积(mL) 滴定用HCl体积(mL)

Ba(OH)2体积(mL) Ba(OH)2体积(mL) 吸收剂流量(L/h) 吸收CO2流量计度数(m3/h) 空气温度 /℃ 序号 操作现象 1 9