一、实验目的

1．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；

2．掌握总体积传质系数的测定方法；

3．了解气相色谱仪和六通阀的使用方法。

二、基本原理

气体吸收是典型的传质过程之一。由于CO₂气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO₂作为溶质组分。本实验采用水吸收空气中的CO₂组分。一般CO₂在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO₂气体通入空气中混合以提高空气中的CO₂浓度，水中的CO₂含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO₂气体的解吸过程属于液膜控制。因此，本实验主要测定K_xa和H_OL。

1．  计算公式

填料层高度Z为

                        

式中：    L        液体通过塔截面的摩尔流量，kmol / (m²·s)；

           K_xa          以△X为推动力的液相总体积传质系数，kmol / (m³·s)；

                  H_OL         液相总传质单元高度，m；

                  N_OL         液相总传质单元数，无因次。

令：吸收因数A=L/mG                                                                   

                                          

2．  测定方法

（1）空气流量和水流量的测定

本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。

（2）测定填料层高度Z和塔径D；

（3）测定塔顶和塔底气相组成y₁和y₂；

（4）平衡关系。

本实验的平衡关系可写成

y = mx                               

 式中：  m      相平衡常数，m=E/P；

              E      亨利系数，E＝f(t)，Pa，根据液相温度由附录查得；

              P      总压，Pa，取1atm。

对清水而言，x₂=0,由全塔物料衡算

可得x₁ 。

三、实验装置

1．  装置流程

本实验装置流程：由自来水源来的水送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。由风机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体混合罐，然后再进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程看成是等温操作。

2．主要设备

（1）吸收塔：高效填料塔，塔径100mm，塔内装有金属丝网波纹规整填料或θ环散装填料，填料层总高度2000mm.。塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。

（2）填料规格和特性：金属丝网波纹规整填料：型号JWB—700Y，规格φ100×100mm，比表面积700m²/m³。

 

1－液体出口阀1；2－风机；3－液体出口阀2；4－气体出口阀；5－出塔气体取样口；6－U型压差计；7－填料层；8－塔顶预分离器；9－进塔气体取样口；10－气体小流量玻璃转子流量计（0.4-4m³/h）；11－气体大流量玻璃转子流量计（2.5-25 m³/h）；12－液体玻璃转子流量计（100-1000L/h）；13－气体进口闸阀V1；14－气体进口闸阀V2；；15－液体进口闸阀V3；16－水箱；17－水泵；18－液体进口温度检测点；19－混合气体温度检测点；20－风机旁路阀

图6-1  吸收装置流程图

 

（3）转子流量计：

在本实验中提供了两种不同量程的玻璃转子流量计，使得气体的流量测量范围变大，实验更加准确。

（4）空气风机：型号：旋涡式气机

（5）二氧化碳钢瓶；

（6）气相色谱分析仪。

四、实验步骤与注意事项

1．实验步骤

（1）熟悉实验流程及弄清气相色谱仪及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项；

（2）打开混合罐底部排空阀，排放掉空气混合贮罐中的冷凝水；

（3）打开仪表电源开关及空气压缩机电源开关，进行仪表自检；

（4）开启进水阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节液体转子流量计，使其流量稳定在某一实验值。（塔底液封控制：仔细调节液体出口阀的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或过低而泄气）；

（5）启动风机，打开CO₂钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀；

（6）仔细调节风机旁路阀门的开度（并调节CO₂调节转子流量计的流量，使其稳定在某一值；）

建议气体流量3－5 m³/h；液体流量0.6-0.8 m³/h；CO2流量2-3L/min。

（7）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数及通过温度、压差计、压力表上读取各温度、塔顶塔底压差读数，通过六通阀在线进样，利用气相色谱仪分析出塔顶、塔底气体组成；

（8）实验完毕，关闭CO₂钢瓶和转子流量计、水转子流量计、风机出口阀门，再关闭进水阀门，及风机电源开关，（实验完成后我们一般先停止水的流量再停止气体的流量，这样做的目的是为了防止液体从进气口倒压破坏管路及仪器）清理实验仪器和实验场地。

2．注意事项

（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。

（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。

五、实验报告

1．将原始数据列表。

2．在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。

3．列出实验结果与计算示例。

六、思考题

1．本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？

2．测定K_xa有什么工程意义？

3．为什么二氧化碳吸收过程属于液膜控制？

4．当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？