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1、实验二 圆盘塔中二氧化碳吸收的液膜传质系数测定 传质系数的实验测定方法一般有两类，即静力法和动力法。动力法是在一定的实验条件 下，在气液两相都处于逆向流动状态下，测定其传质系数。本实验基于动力法，又与动力法 不完全相同。其差异在于液相是处于流动状态，而气相在测试时处在不流动的封闭系统中。实验结果与 Stephens-Morris 总结的圆盘塔中 KL 的准数关联式相吻合，不足的是只适合在常 压（0.1MPa）测试条件下进行。一、实验目的（1）掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验求取方法。（2）根据实验数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式。二、实验原理 圆盘塔是一种小型实验室吸收装置
2、：Stephens 和 Morris 根据 Higbien 的不稳定传质理论 用水吸收纯 CO2气体，实验测得的结果是一致的，且与塔高无关，消除了设备液膜控制时，因波纹现象所产生的端末效应。1）Sherwood 及 Hollowag，将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：雷诺数 Re D 许密特准数 Sc m 系数，在 0.78 0.54 之间变化 而 Stephens-Morris 总结圆盘塔中 KL 的准数关系式为 在实验范围内，Stephens-Morris 与 Sherwood-Hollowag 的数据极为吻合。1/3 0.5 KL D(1)式中 KL 2 1/3 修正修伍德准数
3、 Sh 1/3 KL 0.7 3.22 10 3 4 0.5 2）基于双膜理论：NA K L F cm KG F pm 1/KL H/kg 1/kL NA CO2 吸收速度，(mol/h)F 吸收表面积，(m2);2 F 40(2 d2/4 d)cm 液相浓度的平均推动力，（mol/m 3）。三、实验装置 1贮液罐；2水泵；3高位槽；4流量计；5皂膜流量计；6加热器；7U 型测压管；8圆盘塔；9加热器；10水饱和器；11钢瓶；12 三通玻璃活塞；13琵琶形液封器(3)(4)kg DG p RTZG(pB)m(5)当采用纯 CO2气体时，因为（pB）m 0，所以 kg，即 KL kL。式中 kL
4、 液膜传质分系数，mol m3 hm2 mol 采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图 3.1 所示。设备特点如图 3.1 圆盘塔实验流是在一定的实验条件下在气液两相都处于逆向流动状态下测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基于双膜理
5、论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特点液相的流向：贮液罐中的吸收液经泵打至高位槽，多余的液体由高位槽溢流口回流到贮 液罐，借以维持高位槽液位稳定。由高位槽流出的吸收液由调节阀调节，经转子流量计计量 和恒温加热系统加热至一定温度，进入圆盘塔塔顶的喷口，沿圆盘流下并在圆盘的表面进行 气液传质。出圆盘塔的吸收液由琵琶形液封溢口排出。液相进出圆盘塔顶、塔底的温度由玻 璃水银温度计测得。气相的流向：纯度在 99.8以上的 CO2 由高压钢瓶放出，经减压阀调节进入水饱和器 和恒温加热系统，通过三通考克切换
6、进入圆盘塔底部。CO2 在塔中与自上而下的吸收液逆流 接触，之后从塔顶部出来经 U 型压力计至皂膜流量计排空。圆盘塔塔内套径为 30mm、塔外径为 55mm、塔高 710mm。圆盘塔中的圆盘为素瓷材质，圆盘塔内系一根不锈钢丝串连四十个相互垂直交叉的圆盘而成。每一圆盘的尺寸为直径 2 d=14.3mm，厚度=4.3mm，平均液流周边数 l（2 d2/4 d）/d，吸收面 积 F 40（2 d2/4 d），圆盘间用 502胶水（或环氧树脂）粘结在不锈钢丝上。四、实验操作指导 1 开车步骤（1）系统用 CO2 置换 3 5 分钟；（2）开启高位槽进水泵；（3）根据设置操作温度开启超级恒温槽、气、液加
7、热温控表。2 实验步骤（1）系统的气体置换：调节减压阀。切换三通考克使气体进入塔底自下而上由塔顶出来，经皂膜流量计后排空。先将 CO2 钢瓶减压阀关闭，开启钢瓶总阀，缓慢开启减压阀使气体 有一个稳定的流量，一般经 10min 置换，即可着手进行测定。（2）开启超级恒温槽，调节接触温度计至操作温度值，由水泵将恒温水注入圆盘塔的隔套 层，使恒温水不断地循环流动。（3）开启高位槽进水泵，当吸收液由高位槽溢流口开始溢出时方可进行下述操作。（4）调节转子流量计的阀门，使吸收液的流量稳定在设置值上。（5）调节气体和液体温度控制装置，使气体和液体温度稳定在操作温度值上，其气、液温 度间的误差不大于 1。是在
8、一定的实验条件下在气液两相都处于逆向流动状态下测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基于双膜理论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特
9、点（6）调节琵琶形液封器，使圆盘塔中心管的液面保持在喇叭口处。（7）液相的流量、温度和气相温度和圆盘塔水隔套中的恒温水温度达到设定值，稳定数分是在一定的实验条件下在气液两相都处于逆向流动状态下测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基
10、于双膜理论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特点钟后，即可进行测定，每次重复做三个数据。（8）实验操作是在常压下以 CO2 的体积变化来测定液膜传质系数。当皂膜流量计鼓泡，皂 膜至某一刻度时，即切换三通考克的导向，（CO2 直接排空），此时塔体至皂膜流量计形成 五、思考题：1 本实验中 CO 2流量的变化对 KL 有无影响，为什么？2 若液流量小于设置的下限或大于设置的上限将会产生什么后果？五、数据处理及计算方法 1）液流速率（kg m 1 h 1）的计算：式中 液体的密度，（Kg/m 3）；L
11、 液体的流量，（m3/h）；l 平均液流周边，（m）。2）气体吸收速率 NA（mol h 1）的计算：NA pVCO2/SRT 式中 p 吸收压力，（Pa）；VCO2 CO 2吸收量，（m3）；S 吸收时间，（h）；R 气体常数，R=8.314；一个封闭系统，随着吸收液液膜不断更新，塔内 皂膜开始下降，依据原设置的要求将体积变化 处的温度。测试一点后即将三通阀恢复至初始状态（9）改变液体流量，继续如上的操作，上下行共做 3 停车步骤 CO2 的体积也随之变小，皂膜流量计中的 V 所用的时间 s 记录下来，同时记录下各（CO2 进入塔体）。(7)是在一定的实验条件下在气液两相都处于逆向流动状态下
12、测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基于双膜理论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特点T 吸收温度，（K）。是在一定的实验条件下在
13、气液两相都处于逆向流动状态下测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基于双膜理论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特点3）液相浓度的平
14、均推动力 cm（mol m 3）的计算：ct c0 ln ct c0 CCO2,i cCO2,i cCO2,i H i PCO2,i cCO2,0 H i PCO2,0 3 Hi,H0 CO2在塔顶与塔底水中的溶解度系数（mol/Pa m 3）pCO2,i,pCO2,0 塔顶与塔底气流中 CO2的分压 pCO2 P PH 2O Pa PH2O MK M 吸收剂的分子量；K 亨利系数，（Pa）（见附表）。液体中进出口的 CO2 实际浓度为：cCO2,i 0,cCO2,0 NA L 六、实验内容及要求 1 实验要求（1）液流量 212Lh，流量由小到大（上行）再由大到小（下行）分别取 10个实验点
15、（上 下行实验点不允许重叠）。（2）秒表记录皂膜流量计的皂膜下降每 20 毫升的吸收时间，每次在同一个液流量下测 3 次，相互之间的误差应小于 0.5 秒。c0 CCO2,0 cCO2,0 式中 cCO2,i,cCO2,i 塔顶液相中 CO2的平衡浓度与实测浓度，cCO2,0,cCO2,0 塔底液相中 CO2 的平衡浓度与实测浓度，(8)是在一定的实验条件下在气液两相都处于逆向流动状态下测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原
16、理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基于双膜理论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特点2 实验的内容及记录 实验数据记录表 室温 _ 被吸收气体 _ 吸收液体 _ 大气压 水饱和分压 液体 流量(L/h)CO2 吸收量(mL)吸收 速率 V ml S 吸收时间(S)液相 温度()气相 温度()夹套 水温()序号 S1 S2 S3 S 进
17、出 进 出 进 出 1 2 3 七、实验结果与讨论：(1)以一组实验数据为例，计算液相传质系数及液流速率。(2)绘制 lgK L-lg 图，并整理出 KL 与(kg m 1 h 1)的关系式。(3)实验结果分析讨论。附表:二氧化碳与水的有关物性数据 温度 CO 2在水中的亨利系数 水的密度 水的饱和蒸气压 -6 K10-6/Pa /(kg.m-3)p/Pa 10 105.30 999.7 1223.20 11 108.86 999.6 1307.52 12 112.49 999.5 1396.90 13 116.19 999.4 1491.73 14 119.94 999.2 1592.28
18、15 123.77 999.1 1698.41 16 127.64 998.9 1811.06 17 131.58 998.8 1930.10 18 135.58 998.6 2055.78 19 139.64 998.4 2188.65 20 143.73 998.2 2329.50 21 147.90 998.0 2476.99 是在一定的实验条件下在气液两相都处于逆向流动状态下测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原理圆
19、盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基于双膜理论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特点22 152.11 997.8 2633.53 23 156.37 997.6 2798.72 24 160.69 997.3 2972.68 25 165.04 997.1 3156.09 26 169.46 996.8 3349.07 27 173.90
20、 996.6 3552.43 28 178.39 996.3 3766.56 29 182.94 996.0 3991.33 30 187.52 995.7 4228.07 31 192.13 995.4 4476.78 32 196.79 995.1 4738.125 33 201.48 994.8 5012.77 34 206.22 994.4 5301.25 35 210.98 994.1 5604.22 是在一定的实验条件下在气液两相都处于逆向流动状态下测定其传质系数本实验基于动力法又与动力法不完全相同其差异在于液相是处于流动状态而气相在测试时处在不流动的封闭系统中实验结果与总结的圆盘塔中的准数关联式相数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式二实验原理圆盘塔是一种小型实验室吸收装置和根据的不稳定传质理论用水吸收纯气体实验测得的结果是一致的且与塔高无关消除了设备液膜控制时因纹现象所产生的端末效结圆盘塔中的准数关系式为在实验范围内与的数据极为吻合基于双膜理论当采用纯气体时因为所以即式中液膜传质分系数吸收速度吸收表面积液相浓度的平均推动力三实验装置采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图所示设备特点