化工原理 液侧传质膜系数的测定1 数据处理.pdf

实验实验八八 液侧传质膜系数的测定液侧传质膜系数的测定 姓名 班级 学号 一一 实验实验目的目的 填料塔在传质过程的有关单元操作中 应用十分广泛 实验研究传质过程的控制步骤 测定传质膜系 数和总传质系数 尤为重要 本实验采用水吸收二氧化碳 测定填料塔的液侧传质膜系数 总传质系数和传质单元高度 并通过实 验确立液侧传质膜系数与各项操作条件的关系 通过实验 学习掌握研究物质传递过程的一种实验方法 并加深对传质过程原理的理解 二二 实验原理实验原理 图 1 双膜模型浓度分布图 图 2 填料塔的物料衡算图 双膜模型的基本假设 气侧和液测得吸收质 A 的传质速率方程可分别表达为 气膜 GA kg A pA pAi 1 液膜 GA k1 A CAi CA 2 式中 GA A 组分的传质速率 kmol s 1 A 两相接触面积 m2 pA 气侧 A 组分的平均分压 Pa pA i 相界面上 A 组分的分压 Pa CA 液侧 A 组分的平均浓度 kmol m 3 CA i 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 k1 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 KG A pA pA 3 GA KL A CA CA 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 C A 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 KL 以液相浓度表示推动力的总传质系数 或简称为液相总传质系数 m s 1 若气液相平衡关系遵循亨利定律 CA HpA 则 1gG 111 HkkK 5 1gL 11 kk H K 6 当气膜阻力远大于液膜阻力时 则相际传质过程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 k1 如图 2 所示 在逆流接触的填料层内 任意截取一微分段 并以此为衡算系统 则由吸收质 A 的物料 衡算可得 A L L A dC F dG a 式中 FL为液相摩尔流率 kmol s 1 L为液相摩尔密度 kmol s 3 根据传质速率基本方程 可写出该为分段的传质速率微分方程 dGA KL CA CA aSdh b 联立 a 和 b 两式可得 AA A LL L KCC dC aS F dh c 式中 a 为气液两相接触的比表面积 m2 m 3 S 为填料塔的横截面积 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 c 式 可得填料层高度的计算公式 h 0 CA CA 2 h h CA CA 1 1 A 2 A AA A L LS C C CC dC aSK V h 7 令 aSK V H L LS L 且称 HL为液本传质单元高度 HTU 1 A 2 A AA A L C C CC dC N 且称 NL为液相传质单元数 HTU 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 8 若气液平衡关系遵循亨利定律 即平衡曲线为直线 则 7 式可用解析法解得填料层高度的计算式 亦即可用下列平均推动力法计算填料层高度和液相传质单元高度 mA A 2A 1 L LS C CC aSK V h 9 mA A 2A 1L L CCC h N h N 10 式中 CA m为液相平均推动力 即 A 1 A 2 A 2A 1 mA ln C C CC C A 1A 1 A 2A 2 A 1A 1A 2A 2 ln CC CC CCCC 11 因为本实验采用纯水吸收纯二氧化碳 则 CA 1 CA 1 CA 1 HpA Hp 12 二氧化碳的溶解度常数 H EM 1 c c kmol m 3 Pa 1 13 式中 c为水的密度 kg m 3 Mc为水的摩尔质量 kg kmol 1 E 为亨利系数 Pa 因此 10 式可简化为 A 1A A A 1 mA ln CC C C C 14 又因本实验采用的物系遵循亨利定律 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 则液侧体基传质膜系数等于液相体积传质总系数 亦即 mA A 2A 1LS L1 C CC hS V aKak 15 对于填料塔 液侧体积传质膜系数与主要影响因素之间的关系 曾有不少研究者由实验得出各种关联 式 其中 Sherwood Holloway 得出如下关联式 n D L A D ak LL Lm LL 1 16 式中 DL 吸收质在水中的扩散系数 m 2 s 1 L 液体质量流速 kg m 2 s 1 L 液体粘度 Pa s 或 kg m 1 s 1 L 液体密度 kg m 3 应该注意的是 Sherwood Hollwoay 关联式中 k1a DL 和 L L 两项没有特性长度 因此 该式也不 是真正无因次准数关联式 该式中 A m 和 n 的具体数值需在一定条件下由实验求取 三三 实验装置实验装置 本实验装置由填料吸收塔 二氧化碳钢瓶 高位稳压水槽和各种测量仪表组成 其流程如图 3 所示 图 3 填料吸收塔液侧传质膜系数测定实验装置流程 1 二氧化碳钢瓶 2 减压阀 3 二氧化碳流量计 4 填料塔 5 滴定计量球 6 压差计 7 水流量计 8 高位水槽 填料吸收塔采用直径为 50mm 的玻璃柱 柱内装填 5mm 球形玻璃填料 填充高度 300mm 吸收质 纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀 调节阀和转子流量计 进入塔底 气体由上向下经过填料层与液 相逆流接触 最后由柱顶放空 吸收剂 水由高位稳压水槽 经调节阀和流量计 进入塔顶 再洒喷而下 吸收后溶液由塔底经 形管排出 U 形液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降 四四 实验方法实验方法 实验前 首先检查填料塔的进气阀和进水阀 以及二氧化碳二次减压阀是否均已关严 然后打开二氧 化碳钢瓶顶上的针阀 将压力调至 1MPa 同时 向高位稳压水槽注水 直至溢流管有适量水溢流而出 实验操作可按如下步骤进行 1 缓慢开启进水调节阀 水流量可在 10 50 L h 1范围内选取 一般在此范围内选取 5 6 个数据点 调节流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水流出 以保证水压稳定 2 缓慢开启进气调节阀 二氧化碳流量一般控制在 0 1 m3 h 1左右为宜 3 当操作达到定常状态之后 测量塔顶和塔底的水温和气温 同时 测定塔底它的水溶液中二氧化碳 的含量 溶液中二氧化碳含量的测定方法 用吸量管吸取 0 1M Ba OH 2溶液 10mL 放入三角瓶中 并由附设的计量管的滴入塔底溶液 20mL 再加入酚酞指示剂数滴 最后用 0 1N 盐酸滴定 直至其脱除红色的瞬时为止 由空白试验与溶液滴定用 量之差值 按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度 V VN C 2 HClHCl A kmol m 3 式中 NHCl为标准盐酸溶液的当量浓度 VHCl为实际滴定用量 即空白试验用量与滴定试样使用量之差值 mL V 为塔底溶液采样量 mL 五五 实验结果实验结果 1 测量并记录实验基本参数 1 填料柱 柱 体 内 径 d 60 mm 填 料 型 式 球形玻璃填料 填 料 规 格 5 mm 填料层 高度 h 300 mm 比 表 面 积 f 227 m2 m3 堆 积 密 度 b 802 kg m3 空 隙 率 0 66 2 大气压力 Pn 0 096 MPa 3 室 温 Ta 22 4 试 剂 Ba OH 2 溶液浓度 2 OH Ba H 0 1mol L 用 量 2 OH Ba V 10 mL 盐 酸 浓 度 HHCl 0 1 mol L 2 测定并记录实验数据 实实 验验 序序 号号 1 2 3 4 5 6 塔底气温 Tg 1 20 8 20 8 21 2 20 5 20 4 20 5 塔顶气温 Tg 1 2 18 18 18 5 17 5 17 9 17 8 塔底压强 P mmH2O 4 4 5 5 8 8 气 相 CO2流量 Vs g m3 h 1 0 03 0 04 0 06 0 085 0 10 0 12 塔底液温 TL 1 19 2 19 18 9 18 6 19 18 5 塔顶水温 TL 1 2 16 8 16 8 16 9 17 16 9 16 9 水的流量 VS L Lh 1 8 16 24 32 40 48 塔底采样量 V mL 20 20 20 20 20 20 液 相 盐酸滴定量 VHCl mL 13 05 12 10 57 9 4 8 48 7 88 3 整理实验数据 并可参考下表做好记录 实实 验验 序序 号号 1 2 3 4 5 6 平均温度 Tg 19 400 19 400 19 850 19 000 19 150 19 150 气 相 CO2密度 g kg m 3 1 781 1 781 1 781 1 781 1 781 1 781 空塔速度 u0 m s 1 0 014 0 014 0 014 0 014 0 014 0 014 平均温度 TL 18 000 17 900 17 900 17 800 17 950 17 700 液体密度 L kg m 3 998 600 998 600 998 600 998 700 998 700 998 700 液体粘度 L Pa s 0 001 0 001 0 001 0 001 0 001 0 001 CO2扩散系数 D m2 s 1 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 0 000 体积流率 Vs L m3 s 1 2 22 10 6 4 44 10 6 6 67 10 6 8 89 10 6 1 11 10 5 1 33 10 5 喷淋密度 W m3 m 2 s 1 4 100 8 200 12 200 16 300 20 400 24 500 质量流速 L kg m 2 s 1 1 130 2 260 3 390 4 520 5 650 6 790 塔底浓度 CA 1 kmol m 3 0 033 0 307 0 027 0 024 0 022 0 020 传质速率 GA kmol s 1 7 42 10 8 1 36 10 7 1 80 10 7 2 14 10 7 2 41 10 7 2 69 10 7 平均推动力 GA m kmol m 3 0 018 0 020 0 024 0 026 0 027 0 029 传质单元高度 HL m 0 160 0 199 0 264 0 328 0 379 0 432 液相体积传质总系数 KLa s 1 0 007 0 011 0 013 0 014 0 015 0 015 液 相 液相体积传质膜系数 K a s 1 0 007 0 011 0 013 0 014 0 015 0 016 列出上表中各项计算式 GA kg A pA pAi GA k1 A CAi CA 1gL 11 kk H K 1gG 111 HkkK h HL NL mA A 2A 1 L LS C CC aSK V h mA A 2A 1L L CCC h N h N A 1 A 2 A 2A 1 mA ln C C CC C 4 根据实验结果 在双对数坐标上标绘也测体积传质膜系数与喷淋密度的关系曲线 液侧体积传质膜系数与喷淋密度的关系 y 2 2069x 5 307 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 2 2 2 15 2 1