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氧解析实验（金属波纹丝网CY型）北京化工大学化工原理实验报告 实验名称：氧解析实验 班 级： 学 号： 姓 名： 同 组 人：实验日期： 2012.05.18 一、实验摘要本实验利用吸收柱使水吸收纯氧形成富氧水，送入解析塔顶再用空气进行解析，测定不同液量和气量下的解析液相体积总传质系数，并进行关联，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。由于富氧水浓度很低，气液两相平衡关系服从亨利定律。通过实验熟悉填料塔的构造与操作，掌握液相体积总传质系数的测定方法并分析影响因素，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、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、掌握液相体积总传质系数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。三、基本原理1、填料塔流体力学特性 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。填料层压降空塔气速关系示意如图1所示，在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为1.82的直线（图中aA）。当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降正比于气速的1.82次幂，但大于相同气速下干填料的压降（图中bc段）。随气速的增加，出现载点（图中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。lg ualgpAbcd图1 填料层压降空塔气速关系示意图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的填料高度，其计算方法有传质系数、传质单元法和等板高度法。本实验是对富氧水进行解吸，如图2所示。由于富氧水浓度很低，可以认为气液两相平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也为直线，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程为，即式中 ： 相关填料层高度的基本计算式为：图-2 富氧水解吸实验 即 式中： ，其中：_单位时间内氧的解吸量，kmol/(m2h)；Kxa_液相体积总传质系数，kmol/(m3h)；Vp填料层体积，m3；液相对数平均浓度差；液相进塔时的摩尔分数（塔顶）；与出塔气相y1平衡的摩尔分数（塔顶）；液相出塔的摩尔分数（塔底）；与进塔气相y1平衡的摩尔分数（塔底）；Z填料层高度，m；塔截面积，m2；L解吸液流量，kmol/(m2h)；以液相为推动力的总传质单元高度，m；以液相为推动力的总传质单元数。由于氧气为难容气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中在液膜中，即Kx=kx，由于属液膜控制过程，所以要提高液相体积总传质系数Kxa，应增大也想的湍动程度即增大喷淋量。在y-x图中，解析过程的操作线在平衡线下方，本实验中是一条平行于横坐标的水平线（因氧气在水中浓度很小）。本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分数而不用摩尔比，这是因为在y-x图中，平衡线为直线，操作线也为直线，计算比较简单。四、实验装置及流程下图是氧气吸收解吸装置流程图。氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀进入氧气缓冲罐，稳压在0.030.04Mpa，为确保安全，缓冲罐上装有安全阀，当缓冲罐在压力达到0.08MPa时，安全阀自动开启。氧气流量调节阀调节氧气流量，并经转子流量计计量，进入吸收塔中。自来水经水转子流量计调节流量，由转子流量计计量后进入吸收塔。在吸收塔内氧气与水并流接触，形成富氧水，富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。空气由风机供给，经缓冲罐，由空气流量调节阀调节流量经空气转子流量计计量，通入解吸塔底部，在塔内与塔顶喷淋的富氧水进行接触，解吸富氧水，解吸后的尾气由塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐排出。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。为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计。在解吸塔入口设有入口采出阀，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀取样。两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。图-3 氧气吸收解吸装置流程图1、氧气钢瓶 2、氧减压阀 3、氧压力表 4、氧缓冲罐 5、氧压力表 6、安全阀 7、氧气流量调节阀 8、氧转子流量计 9、吸收塔 10、水流量调节阀 11、水转子流量计 12、富氧水取样阀 13、风机 14、空气缓冲罐 15、温度计 16、空气流量调节阀 17、空气转子流量计 18、解吸塔 19、液位平衡罐 20、贫氧水取样阀 21、温度计 22、压差计 23、流量计前表压计 24、防水倒灌阀五、实验内容及步骤1、流体力学性能测定(1) 测定干填料压降 塔内填料事先已吹干。 改变空气流量，测定填料塔压降，测取7组数据。(2) 测定湿填料压降 固定前先进行预液泛，是填料表面充分润湿。 固定水在某一喷淋量下，改变空气流量，测定填料塔压降，测取68组数据。实验接近液泛时，进塔气体的增加量不要过大，否则图1中的泛点不容易找到。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，务必等各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变的气速下明显上升，务必要掌握这个特点。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)注意空气流量的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。2、传质实验将氧气阀打开，氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.040.05Mpa，氧气转子流量计保持0.3L/Min左右。为防止水倒灌进入氧气转子流量计重，开水前要关闭防倒灌阀，或先通入氧气后通水。传质实验操作条件选取：水喷淋密度取1015m3/(m2h)，空塔气速0.50.8m/s，氧气入塔流量为0.010.02m3/h，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在不大于19.9mg/L。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，用测氧仪分析其氧的含量。 实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭氧减压阀及氧气流量调节阀。检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。六、实验数据处理. 填料塔流体力学特性1、空塔时速度和压降的关系曲线标准状态下：T1=0， ，T2=23 表1：空塔原始数据组数V1（m3/h）空气压强Pa全塔压降Pa171080402111160503151180704191370120523145020062716402407311840300以第一组数据为例进行计算：空气压差：(绝压)=1080+101325=102125Pa其中使用状态下，空气流量： 处理完后得到下表： 表2：空塔时u与的关系组数校正流量V2(m3/h)P/Z 塔截面积m2空塔流速u(m/s) lgulgP/Z17.25053.330.007850.257-0.5901.727211.37266.670.007850.402-0.3961.824315.52993.330.007850.549-0.2601.970419.651160.000.007850.695-0.1582.204523.779266.670.007850.841-0.0752.4266 27.889320.000.007850.987-0.0062.505731.990400.000.007851.1300.0542.6022、塔时速度与压降的关系曲线液体喷淋量为80L/h表3：湿塔原始数据组数V1（m3/h）空气压强Pa全塔压降Pa171130100291170130311122015041313302005151430270617150030071916003208211760460923192055010252100710以第一组数据为例进行计算：其中使用状态下，空气流量： 处理完后得到一下结果： 表4：湿塔时u与的关系组数校正流量v2 P/Z 塔截面积m2 空塔气速u lgu lgP/Z17.248133.330.007850.256-0.5922.12529.318173.330.007850.330-0.4822.239311.3852000.007850.403-0.3952.301413.448266.670.007850.476-0.3032.426515.5103600.007850.549-0.2612.556617.5724000.007850.622-0.2062.602719.629426.670.007850.695-0.1582.630821.679613.330.007850.767-0.1152.788923.725733.330.007850.840-0.0762.8651025.766946.670.007850.912-0.0402.976将表2和表4的数据用oringin软件绘制双对数坐标图，如下： 图1：填料层压降空塔气速双对数坐标图其中，c点为载点，d点为泛点。. 传质实验原始数据：平衡氧浓度Xe= 8.89 mg/L 表5：传质实验数据组数123水流量Q（m3/h）70100 130 进口氧浓度mg/L27.3926.2823.13出口氧浓度mg/L9.059.169.27以第一组数据为例： Q= 70m3/h条件下：贫氧水氧气摩尔分数： 富氧水氧气摩尔分数： 平衡水氧气摩尔分数：液相对数平均浓度差： 解吸液流量： 单位时间内氧的解吸量：填料层体积： 液相体积总传质系数： 总传质单元高度：通过以上计算得到一下实验结果：表6：传质实验计算结果 条件物理量V=70V-100V-1305.091E-065.152E-065.214E-061.541E-051.478 E-051.301 E-052.173E-062.308 E-062.149 E-063.8895.5567.2224.013E-055.349E-065.630 E-063136.4743935.4584449.4280.1580.1800.207七、实验结果分析实验条件下，空塔压降与气速在双对数坐标图中的直线斜率为1.617，与理论上的斜率1.8-2有一定的误差；湿塔时，载点容易找出，而泛点不太明显，这与第六套装置（金属波纹丝网CY型）有关，实验误差较大。将所需数据列于下表：表7：关联式数据3136.4743935.4584449.4283.8895.5567.222八、思考题1.阐述干填料压降线和湿料塔压降线的特征答：通过实验数据作图可知，干料塔压降与气速的关系在双对数坐标图中为一条直线，其斜率在1.8-2之间；而当有一定喷淋量时，在低气速下（图中c点以前）压降正比于气速，但大于相同气速下干填料的压降（图中bc段）。随气速的增加，出现载点（图中c