二氧化碳吸收实验

实验六二氧化碳吸收实验一、实验目的1、了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实验测定数据的处理分析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解，加深对填料塔传质性能理论的理解。2、掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习实验数据的处理分析。3、掌握吸收塔操作与调节。二、实验内容1、测定填料层压强降与操作气速的关系，确定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二氧化碳的浓度，在液泛速度以下，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）。3、进行纯水吸收混合气体中的二氧化碳、用空气解吸水中二氧化碳的操作练习，同时测定填料塔气相体积总传质系数。4、改变液相流量，分析吸收率的变化。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、液流量均有关，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6-1所示：u,m/s0123L3L2L1L0=＞＞0图6-1填料层的P～u关系ΔP,kPa1YY1Y2XX1X2图6-2吸收操作线和平衡线操作线22()LYXXYG平衡线Y=mX当液体喷淋量00L时，干填料的P～u的关系是直线，如图中的直线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：既恒持液量区、载液区及液泛区。传质性能：吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定可获取吸收系数。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。236004vquD（6-1）()ffphgR示（6-2）2、二氧化碳吸收实验气相总体积传质系数由填料层高度公式决定12YmGYYZKaY（6-3）**1122*11*22()()()ln()mYYYYYYYYY(6-4)式中yK气相总传质系数，mol/m2·h；mY塔顶、塔底气相平均推动力；a填料的有效比面积，m2/m3；aKy气相总体积吸收传质系数，mol/m3·h。（1）Z――填料层高度m，根据所装填料的高度直接测量。（2）Ω――塔截面积m2，24D，而D塔径为已知。（3）G――情性气体摩尔流量（空气）mol/h，根据理想气体状态方程可知：vPqGRT，p――压力Pa，压力表测量空气压力；qv――体积流量m3/h，转子流量计测量（注意读数为实验条件20℃、1atm下的，可直接利用公式进行计2算，如果用操作条件则需要进行换算，其依据为'0'0(')()fvvfqq）；T――空气温度K，温度计测量。（4）Y1――221COCOairnnYnG，CO2转子流量计读数必须校正，其依据为'0'0(')()fvvfqq（5）Y2――2221yYy，稳定操作后（各仪表读数恒定10-15min）测量气体出口浓度（丙酮的摩尔分率），取样后采用气相色谱仪分析，测得的是丙酮的质量分率。（6）气相平均推动力mY将吸收操作线和平衡线在坐标纸上作图，如图6-2所示在平衡线为直线或近似为直线时，操作线与平衡线之间的垂直距离即为塔顶与塔底气相推动力。（7）X2=0（吸收剂中不含丙酮，为清水）。（8）Y*2＝mX2，m――相平衡常数，m=E/p，E――亨利常数，在一定温度下查表可得CO2在水中的E；p――系统操作压力。表6-1二氧化碳在水中的亨利系数E×10-5，KPa气体温度，℃0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46（9）Y1*=mX1，X1—全塔物料衡算可得：G(Y1–Y2)=L(X1–X2)，而L――吸收剂水的摩尔流量mol/h，L=qvρ/M，qv----转子流量计测量水的体积流量。3、吸收塔的操作和调节吸收操作的结果最终表现在出口气体的组成2y上，或组成的回收率上。回收率的定义为121211YYYYY（6-5）吸收塔的气体进口条件是由前一工序决定的，控制和调节吸收操作结果的是吸收3剂的进口条件：流率L、温度t、浓度x2三个要素。（1）流量改变吸收剂水的用量是对吸收过程进行调节的最常用的方法，改变的是操作线。当G值一定的情况下，吸收剂用量增大，液气比增大，操作线远离平衡线，吸收过程的推动力增大，吸收速率提高，回收率增大，出口气体组成y2减小。（2）吸收剂入口温度当温度改变时，不影响吸收操作线，影响的是平衡线。降低吸收剂的温度，使气体溶解度增大，相平衡常数减小，从而平衡线下移，操作线与平衡线之间距离增大，推动力增大，吸收效果好，尾气浓度y2降低。（3）吸收剂进口浓度降低x2，液相进口处的推动力增大，全塔平均推动力也增大，从而有利于吸收过程回收率的提高，降低尾气浓度y2。四、实验装置：1、实验装置主要技术参数填料塔：玻璃管内径D＝0.05m塔高1.20m填料层高度Z＝0.98m内装φ10×10mm瓷拉西环；风机型号：XGB-12；二氧化碳钢瓶1个（用户自备）；减压阀1个（用户自备）。流量测量仪表：转子流量计型号LZB-6流量范围0.06～0.60m3／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16～160L／h；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（用户自备）；温度测量：PT100铂电阻，用于测定测气相、液相温度。2、二氧化碳吸收实验装置流程示意图(见图6-3)气0.25---2.5无锡信华泵业有限公司旋涡气泵T1吸收液水箱解吸液水箱吸收塔解吸塔放空放空气0.25---2.5气0.25---2.5气0.25---2.5气0.25---2.5图6-3填料吸收实验装置1-CO2钢瓶；2-CO2瓶减压阀；3-吸收气泵；4-吸收液水泵；5-解吸液水泵；6-解吸风机；7-空气旁通阀；8-V1-V19阀门；9-F1-F5转子流量计；10-T1-T2温度计3、实验仪表面板图(见图6-4)气体温度(℃)液体温度(℃)总电源吸收风机解吸风机吸收水泵解吸水泵1图6-4实验装置面板图五、实验方法及步骤1、测量吸收塔干填料层（ZP）～u关系曲线首先检查解吸水槽水位，然后接通电源。打开空气旁路调节阀V7至全开，启动解吸风机6。打开空气流量计F4下的阀门V4,逐渐关小阀门V7的开度，调节进塔的空气流量。稳定后读取填料层压降△P即U形管液柱压差计的数值，然后改变空气流量，空气流量从小到大共测定5-8组数据。在对实验数据进行分析处理后，在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标，单位高度的压降ZP为纵坐标，标绘干填料层(ZP)～u关系曲线。2、测量吸收塔在喷淋量下填料层(ZP)～u关系曲线将水流量固定在100L／h左右（水流量大小可因设备调整），采用上面相同步骤调节空气流量，稳定后分别读取并记录填料层压降△P、转子流量计读数和流量计处所显示的空气温度，操作中随时注意观察塔内现象，一旦出现液泛，立即记下对应空气转子流量计读数。根据实验数据在对数坐标纸上标出液体喷淋量为100L／h时的（ZP）～u•关系曲线（见图6-1），并在图上确定液泛气速，与观察到的液泛气速相比较是否吻合。3、二氧化碳吸收传质系数测定（1）检查吸收水槽水位，关闭吸收液泵4的出口阀，启动吸收液泵4，关闭空气转子流量计F1，二氧化碳转子流量计F2与钢瓶连接。（2）打开吸收液转子流量计F3，调节到60L/h，待有水从吸收塔顶喷淋而下，从吸收塔底的π型管尾部流出后，启动吸收气泵3，调节转子流量计F1到指定流量。全部打开二氧化碳转子流量计F2的阀门，关闭减压阀（注意：逆时针关，顺时针开），打开二氧化碳钢瓶总阀，使压力表读数控制在5-6，再打开减压阀，调节二氧化碳转子流量计F2，按二氧化碳与空气的比例在10—20%左右计算出2二氧化碳的空气流量。（3）吸收进行15分钟并操作达到稳定状态之后，测量塔底吸收液的温度，同时在塔顶取样，测定吸收塔顶气体中二氧化碳的含量。4、吸收塔操作其它条件不变，改变水流量进行吸收操作，分析吸收率的变化。六、实验注意事项1、开启CO2总阀门前，要先关闭减压阀，阀门开度不宜过大。2、启动解吸风机前，要先打开空气旁路调节阀。七、实验数据记录1、填料塔流体力学性能测定数据记录与处理表6-2填料塔流体力学性能测定（干填料）L=0填料层高度Z=m塔径D=0.05m序号填料层压强降mmH2O单位高度填料层压强降mmH2O/m空气转子流量计读数m3/h空塔气速m/s12345678表6-3填料塔流体力学性能测定（湿填料）L=100L/h填料层高度Z=m塔径D=0.05m序号填料层压强降mmH2O单位高度填料层压强降mmH2O/m空气转子流量计读数m3/h空塔气速m/s操作现象1如：正常2345678如：积液3910如：液泛2、二氧化碳吸收传质系数测定数据记录表6-4二氧化碳吸收传质系数测定数据记录表序号气温/℃水温/℃出口水温/℃空气qv/L/h,20℃,1atm水qv/L/h,20℃二氧化碳读数qv0/L/h塔顶尾气浓度yw212八、计算示例与数据处理表表6-5二氧化碳吸收传质系数数据处理表序号G/mol/hL/mol/hY1Y2m△YmX1ηKYa12九、作图并分析讨论1、根据填料塔流体力学性能测定数据作出填料层的压强降P与气速u的关系曲线。2、分析讨论十、思考题1、分析吸收剂流量和吸收剂温度对吸收过程的影响？2、从水进出口温度实验数据分析水吸收二氧化碳属于哪种吸收？水用量增加后溶液出口温度如何变化？为什么？3、填料吸收塔塔底为什么必须有液封装置，液封装置是如何设计的？4附：传质实验（以吸收塔的传质实验为例）液体流量L=60（L/h）y1、Y1的计算：CO2转子流量计读数VCO2=0.2（m3/h）（校准空气流量计读的CO2流量）CO2实际流量222222()()fcoairaircocofaircocoCOVVV实≈0.2×1.9761.204=0.156（m3/h）空气转子流量计读数VAir=0.9（m3/h）图中样CO2的质量分率yw1=0.997155，则进塔（塔底）中CO2摩尔分率为122121221/0.997155/440.993074//0.997155/44(10.997155)/29wCOCOCOwCOCOwAirairyMyyMyM221Air0.1560.993074Y0.1721V0.9COcoairVnn实塔顶CO2质量分率yw2=0.994199，则塔顶CO2摩尔分率为222222222/0.994199/440.9859375//0.994199/44(10.994199)/29wCOCOCOwCOCOwAirairyMyyMyM顶222Air0.1560.9859375Y0.1709V0.9COcoairVnn实吸收率：122110.1709110.0070.1721YYYYY吸收剂摩尔流量：320601010000.0009/360018CvqLkmolsM水水空气摩尔流量：5101.30.936001.11610/8.314273vpqGkmolsRT空气溶液出口浓度：1212()0.01116(0.17210.1709)00.000014880.9GYYXXL查进口温度10℃时CO2的亨利常数E=1.05×105kPa相平衡常数m:511.05101036.5101.3Emp