双驱动气液传质系数

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1、一、实验目的气液传质系数是设计计算吸收塔的重要数据。工业上应用气液传质设备的场 合非常多，而且处理物系又各不相同，加上传质系数很难完全用理论方法计算得 到，因此最可靠的方法就是借用实验手段得到。测定气液传质系数的实验设备多 种多样，而且都具有各自的优缺点。本实验所采用的双驱动搅拌吸收器不但可以 测定传质系数，而且可以研究气液传质机理。本实验的目的是通过了解双驱动搅 拌吸收器的特点，明暸该设备的使用场合以及测定气液传质系数的方法，进而对 气液传质过程有进一步的了解。二、实验原理 气液传质过程中由于物系不同，其传质机理可能也不相同，被吸收组分从气 相传递到液相的整个过程决定于发生在气液界面两侧的扩

2、散过程以及在液相中 的化学反应过程，化学反应又影响组分在液相中的传递。化学反应的条件、结果 各不相同，影响组分在液相中传递的程度也不同，通常化学反应是促进了被吸收 组分在液相中的传递。或者将这个过程的传质阻力分成气膜阻力与液膜阻力，就 需要了解整个传质过程中哪一个是传质的主要阻力，进而采取一定的措施，或者 提高某一相的运动速度，或者采用更有效的吸收剂，从而提高传质的速率。气膜阻力为主的系统、液膜阻力为主的系统或者气膜阻力与液膜阻力相近的 系统在实际操作中都会存在，在开发吸收过程中要了解某系统的吸收传质机理必 须在实验设备上进行研究。双驱动搅拌吸收器的主要特点是气相与液相搅拌是分 别控制的，搅拌

3、速度可以分别调节，所以适应面较宽。可以分别改变气、液相转 速测定吸收速率来判断其传质机理，也可以通过改变液相或气相的浓度来测定气 膜一侧的传质速率或液膜一侧的传质速率。测定某条件下的气液传质系数必需采取切实可行的方法测出单位时间单位 面积的传质量，并通过操作条件及气液平衡关系求出传质推动力，由此来求得气 液传质系数。传质量的计算可以通过测定被吸收组分进搅拌吸收器的量与出吸收 器的量之差求得，或是通过测定搅拌吸收器里的吸收液中被吸收组分的起始浓度 与最终浓度之差值来确定。本实验以热碳酸钾吸收二氧化碳作为系统，该系统是一个伴有化学反应的吸 收过程：K CO + CO + HO二 2 KHCO(1)

4、23223CO从气相主体扩散到气液界面，在液相界面与KCO进行化学反应并扩散223到液相主体中去，由于CO在K CO的溶液中的反应为快速反应，使原来液膜控223制的过程有所改善。若气膜阻力可以忽略时，吸收速率的公式可写成：N =0 K C* - C 丿(2)COL A AL(3)(4)N =0 K H 6 P* )C2G C2 A)AL= K P P *A AL式中N - 单位时间单位面积传递的 CO 量；CO220 -2 增大因子；K - 液相传质系数；LK - 气相传质系数；GC* - 气相中 CO 分压的平衡浓度； A2C - 液相中的 CO 浓度；AL2H - CO 的溶解度系数； C

5、O22P - CO 分压，为总压与吸收液面上饱和水蒸气压之差； A2P* - 吸收液上 CO 的平衡分压；AL2K - K2CO3吸收CO的气液传质系数。2 3 2 实验中以钢瓶装 CO 作气源，经过稳压，控制气体流量、增湿后进入双驱动 2搅拌吸收器，气体为连续流动，吸收液固定在吸收器内，操作一定的时间后取得 各项数据，可计算出K值，此为一个平均值。CO在整个吸收过程的传质量可用K CO中的KHCO增加量来确定，即可2233用酸解法来得到，从每毫升吸收液在吸收前后所持有CO量的差可以确定CO总 22 吸收量（操作方法见实验步骤中的分析方法）。吸收在60C下操作，使用1.2M的K CO吸收液，它

6、的平衡分压可用下式计23算：P*= 1.98 X 108 X C0.4CO2U-/丿exp(8160 (5)式中 P *- CO2平衡分压MPaCO22CHCO；2C + CCO32HCO3C - K2CO3 的浓度 mol/LT - 吸收温度 Kf - 转化度 无因次60C时热钾碱上水蒸汽分压较大，应从总压中扣除水蒸汽分压后才是界面上CO2的分压。60C碱液上水蒸汽分压可按下式计算：PW =0.0 1 7 5G11 0.3X f ）（6）式中 P - 水蒸汽分压 MPaW 吸收液的起始转化度和终了转化度均可用酸解法求取（见分析方法）。为了考察其他物系不同操作条件对吸收速率的影响，可以分别改变

7、气相的搅拌速度与液相的搅拌速度，测得传质系数后进行综合比较，确定系统的传质的情况。三、主要仪器设备与实验装置流程图：137111112261510知4图2-11双驱动搅拌器实验流程示意图1-气体稳压管；2、12 -气体温度计；3、14 -皂膜流量计；4-气体调节阀；5、 15-压差计； 6-气体增湿器； 7-双驱动搅拌吸收器； 8-吸收液取样阀；9、 10-直流电机； 11-弹簧夹； 13-吸收剂瓶气体从钢瓶经减压阀送出，经稳压管稳压后由气体调节阀 4调节适当流量， 用皂膜流量计计量后进入水饱和器 6，饱和器放置在超级恒温槽内，双驱动搅拌 吸收器 7 的吸收温度也由恒温槽控制，增湿的气体从吸收

8、器中部进入，与吸收液 接触后从上部出口引出，出口气体经另一皂膜流量计后放空。双驱动搅拌吸收器是一个气液接触界面已知的设备，气相搅拌轴与液相搅拌 轴都与各自的磁钢相连接，搅拌浆的转速分别通过可控硅直流调速器调节。吸收 器中液面的位置应控制在液相搅拌浆上浆的下缘1mm左右,以保证浆叶转动时正 好刮在液面上，以达到更新表面的目的。吸收液从吸收剂瓶一次准确加入。四、实验内容及操作步骤(1) 实验操作步骤：1) 开启总电源。开启超级恒温槽，将恒温水调节到需要的温度。2) 关闭气体调节阀，开启CO钢瓶阀，缓慢开启减压阀，观察稳压管内的2鼓泡情况，再开气体调节阀并通过皂膜流量计调节到适当流量，并让CO置换装

9、2置内的空气。调节气相及液相搅拌转速在指定值附近。3) 待恒温槽到达所需温度，排代空气置换完全，进入吸收器的气体流量适 宜且气体稳压管里有气泡冒出，此时可向吸收器内加吸收液，使吸收剂的液面与 液相搅拌器上面一个浆叶的下缘相切。要一次正确加入。液相的转速不能过大， 以防液面波动造成实验误差过大。此时记作为吸收过程开始的“零点”。4) 吸收2小时，从吸收液取样阀8中迅速放出吸收液，用250ml量筒接取， 并精确量出吸收液体积。5) 用酸解法分析初始及终了的吸收液中CO的含量。6）关闭吸收液取样阀门、气体调节阀、 CO 减压阀、钢瓶阀，关闭超级恒2 温槽的电源，使气液相转速回“零”，关闭两个转速表开

10、关，关掉总电源。采取 有效措施防止压强计上的水柱倒灌。（2） 酸解法分析吸收液中 CO 含量。21）原理：热钾碱与H SO的反应放出CO ,用量气管测量CO体积，即可求出溶液的转化2 4 2 2 度。反应式为：K CO + H SO = K SO + CO T+ H O（7）2 3 2 4 2 4 2 22KHCO + H SO = K SO + CO T+2H O（8）3 2 4 2 4 2 22）仪器与试剂：a.仪器装置，参考实验“热钾碱溶液吸收CO的吸收速率系数的测定”2B. 1ml 移液管 1 支， 5ml 移液管 1 支。C. 3mol/l 浓度的 H SO 。243）分析操作及计量

11、：准确吸取吸收液 1ml 置于反应瓶的内瓶中，用 5ml 移液管移 5ml 3molH SO 置24 于反应瓶的外瓶内，提高水准瓶，使液面升至量气管的上刻度处，塞紧瓶塞，使其不漏气后，调整水准瓶的高度，使水准瓶的液面与量气管内液面相平，记下量 气管的读数匕。摇动反应瓶使H SO与碱液充分混合，反应完全（无气泡发生）,1 2 4 再记下量气管的读数V。可计算出吸收液中CO含量。Cml / ml碱液）=（V - V ）申 -每ml吸收液含CO2的ml量ml / ml -校正系数，p = 2732 卩日2）;T 101.3P - 大气压， （KPa）；22 溶液中：V式中： V10)式中CO2T -

12、酸解时器内CO2温度，（K）；P - t C时的饱和水蒸气压，（KPa）；H2OP =0.1333expl18.3036-3816.44（T-46.13），（KPa）；（11）C溶液转化度可按下式计算：f =匚-1（12）C0f -吸收液的转化度。可用来计算吸收液上CO的平衡分压与水的饱和蒸汽压。2C、C0 -吸收后和吸收前1ml吸收液酸解后放出的CO校正后体积数（ml ）。 ff2五、实验数据处理气体出口温度：13.3C 吸收温度：60C上搅拌转速： 13.9气体进口温度： 12.9C 酸解操作温度： 10C 下搅拌转速： 11.2吸收液体积： 264.8 ml搅拌桨直径： 6cm吸收时间：

13、 1.25hCO 2的含量V / mlV / mlcAV / ml吸收前135255.420.4吸收后30.25726.8p= 0.1333exp18.3036 - 3816.44/(T - 46.13)H2O=0.1333exp18.3036 - 3816.44/(283.15 - 46.13)=1.205KPa二 273.2 x(101.3-1.205)/(283.15 x 101.3)0.953273.2 (P- P )申=H 2OT 101.3Cf = f -1 = 26.8/20.4 -1 = 0.3137C 0fP* 二 1.98 x108 x c0.4(f2/(1-f)e(-8i

14、60/T)二 9.31x10-6MPa二 0.01751b - 0.3 x f )= 0.01751(1 - 0.3 x 0.2277)二 0.0159MPaP 二 P -P 二 0.101-0.0159 二 0.0851 MPaCO 2大气压 wN= (26.8 - 20.4) x 0.953 x 264.8 x 0.001/(22.4 x 1.25 x 3600 x 0.032 x 兀)CO2=5.667 x 10-3 mol/(s m2)NK = 5.667 x 10-3/(0.0851 -9.31 x 10-6) = 0.0666mol/(s m2 MPa)A AL六、实验结果与讨论 这次实验总体是成功的，但也存在误差，造成误差的原因有：1 、仪器本身存在的误2、读取数据及数据处理时的误差3、前十分钟左右，搅拌器搅拌速度过快，波面波动较大4、实验所给的溶液的纯度误差