氧解析匯報(bào) 化工原理 吸收 實(shí)驗(yàn)報(bào)告材料

word 化工原理 氧解析 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 化工原理實(shí)驗(yàn) 學(xué) 校： 化工大學(xué) 學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 實(shí)驗(yàn)日期： 同組人員： 一、實(shí)驗(yàn)摘要 本實(shí)驗(yàn)利用吸收柱使水吸收純氧形成富氧水，送入解析塔頂再用空氣進(jìn)展解析，測定不同液量和氣量下的解析液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，并進(jìn)展關(guān)聯(lián)，同時(shí)對四種不同填料的傳質(zhì)效果與流體力學(xué)性能進(jìn)展比擬。 二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c任務(wù) 1、熟悉填料塔的構(gòu)造與操作。 2、觀察填料塔流體力學(xué)狀況，測定壓降與氣速的關(guān)系曲線。 3、掌握液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa的測定方法并分析影響因素。 4、學(xué)習(xí)氣-液連續(xù)接觸式填料塔，利用傳質(zhì)速率方程處理傳質(zhì)問題的方法。 三、根本原理 1、填料塔流體力學(xué)特性 氣體通過干填料層時(shí)，流體流動引起的壓降和湍流流動引起的壓降規(guī)律相一致。填料層“壓降—空塔氣速〞關(guān)系示意如圖1所示。 〔1〕在雙對數(shù)坐標(biāo)系中，此壓降對氣速作圖可得斜率為1.8~2的直線〔圖中Aa直線〕。 〔2〕當(dāng)有噴淋量時(shí)，在低氣速下〔c點(diǎn)以前〕壓降正比于氣速的1.8~2次方，但大于一樣氣速下干填料的壓降〔圖中bc段〕。 〔3〕隨氣速的增加，出現(xiàn)載點(diǎn)〔圖中c點(diǎn)〕，持液量開始增大，“壓降—?dú)馑侉暰€向上彎，斜率變陡〔圖中cd段〕。 〔4〕到液泛點(diǎn)〔圖中d點(diǎn)〕后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。 lg u a lg△p A b c d 圖1 填料層“壓降—空塔氣速〞關(guān)系示意圖 2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn) 填料塔與板式塔氣液兩相接觸情況不同。在填料塔中，兩相傳質(zhì)主要在填料有效濕外表上進(jìn)展，需要計(jì)算完成一定吸收任務(wù)所需的填料高度，其計(jì)算方法有傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)單元法和等板高度法。 本實(shí)驗(yàn)是對富氧水進(jìn)展解吸，如圖2所示。由于富氧水濃度很低，可以認(rèn)為氣液兩相平衡關(guān)系服從亨利定律，即平衡線為直線，操作線也為直線，因此可以用對數(shù)平均濃度差計(jì)算填料層傳質(zhì)平均推動力。整理得到相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程為 ， 即 圖2 富氧水解吸實(shí)驗(yàn) 相關(guān)填料層高度的根本計(jì)算式為： 即 GA單位時(shí)間內(nèi)氧的解吸量，kmol/(m2?h)； Kxa液相體積總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3?h)； Vp填料層體積，m3； Δxm液相對數(shù)平均濃度差； x2液相進(jìn)塔時(shí)的摩爾分?jǐn)?shù)〔塔頂〕； xe2與出塔氣相y1平衡的摩爾分?jǐn)?shù)〔塔頂〕； x1液相出塔的摩爾分?jǐn)?shù)〔塔底〕； xe1與進(jìn)塔氣相y1平衡的摩爾分?jǐn)?shù)〔塔底〕； Z填料層高度，m； ?塔截面積，m2； L解吸液流量，kmol/(m2?h)； HOL以液相為推動力的總傳質(zhì)單元高度，m； NOL以液相為推動力的總傳質(zhì)單元數(shù)。 由于氧氣為難容氣體，在水中的溶解度很小，因此傳質(zhì)阻力幾乎全部集中在液膜中，即Kx=kx，由于屬液膜控制過程，所以要提高液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa，應(yīng)增大也想的湍動程度即增大噴淋量。 在y-x圖中，解析過程的操作線在平衡線下方，本實(shí)驗(yàn)中是一條平行于橫坐標(biāo)的水平線〔因氧氣在水中濃度很小〕。 本實(shí)驗(yàn)在計(jì)算時(shí)，氣液相濃度的單位用摩爾分?jǐn)?shù)而不用摩爾比，這是因?yàn)樵趛-x圖中，平衡線為直線，操作線也為直線，計(jì)算比擬簡單。 四、實(shí)驗(yàn)裝置與流程 氧氣吸收解吸裝置流程： MpaMPa時(shí)，安全閥自動開啟。 〔2〕氧氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氧氣流量，并經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量，進(jìn)入吸收塔中。 〔3〕自來水經(jīng)水轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量，由轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量后進(jìn)入吸收塔。 〔4〕在吸收塔內(nèi)氧氣與水并流接觸，形成富氧水，富氧水經(jīng)管道在解吸塔的頂部噴淋。 〔5〕空氣由風(fēng)機(jī)供應(yīng)，經(jīng)緩沖罐，由空氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量經(jīng)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)計(jì)量，通入解吸塔底部，在塔內(nèi)與塔頂噴淋的富氧水進(jìn)展接觸，解吸富氧水，解吸后的尾氣由塔頂排出，“貧氧水〞從塔底通過平衡罐排出。 〔6〕由于氣體流量與氣體狀態(tài)有關(guān)，所以每個(gè)氣體流量計(jì)前均有表壓計(jì)和溫度計(jì)?？諝饬髁坑?jì)前裝有計(jì)前表壓計(jì)。為了測量填料層壓降，解吸塔裝有壓差計(jì)。 〔7〕在解吸塔入口設(shè)有入口采出閥，用于采集入口水樣，出口水樣在塔底排液平衡罐上采出閥取樣。兩水樣液相氧濃度由9070型測氧儀測得。 圖3氧氣吸收解吸裝置流程圖 1、氧氣鋼瓶 2、氧減壓閥 3、氧壓力表 4、氧緩沖罐 5、氧壓力表 6、安全閥 19、液位平衡罐 20、貧氧水取樣閥 21、溫度計(jì) 22、壓差計(jì) 23、流量計(jì)前表壓計(jì) 24、防水倒灌閥 13、風(fēng)機(jī) 14、空氣緩沖罐 15、溫度計(jì) 16、空氣流量調(diào)節(jié)閥 17、空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì) 18、解吸塔 7、氧氣流量調(diào)節(jié)閥 8、氧轉(zhuǎn)子流量計(jì) 9、吸收塔 10、水流量調(diào)節(jié)閥 11、水轉(zhuǎn)子流量計(jì) 12、富氧水取樣閥 五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟 1、流體力學(xué)性能測定 〔1〕測定干填料壓降 ① 塔內(nèi)填料事先已吹干。 ② 改變空氣流量，測定填料塔壓降，測取10組數(shù)據(jù)。 〔2〕測定濕填料壓降 ① 固定前先進(jìn)展預(yù)液泛，是填料外表充分潤濕。 ② 固定水在某一噴淋量下，改變空氣流量，測定填料塔壓降，測取6~8組數(shù)據(jù)。 ③實(shí)驗(yàn)接近液泛時(shí)，氣體的增加量不要過大，否如此圖1中的泛點(diǎn)不容易找到。密切觀察填料外表氣液接觸狀況，并注意填料層壓降變化幅度，務(wù)必等到各參數(shù)穩(wěn)定后再讀數(shù)據(jù)，液泛后填料層壓降在幾乎不變的氣速下明顯上升。 ④稍增加氣量，再取一兩個(gè)點(diǎn)，注意不要使氣速過分超過泛點(diǎn)，防止沖破和沖跑填料。 〔3〕注意空氣流量的調(diào)節(jié)閥要緩慢開啟和關(guān)閉，以免撞破玻璃管。 2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn) ①M(fèi)paL/Min左右。為防止水倒灌進(jìn)入氧氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)重，開水前要關(guān)閉防倒灌閥，或先通入氧氣后通水。 ②傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)操作條件選?。核畤娏苊芏热?0~15m3/(m2·h)m/sm3/hmg/L。 ③塔頂和塔底液相氧濃度測定：分別從塔頂與塔底取出富氧水和“貧氧水〞，用測氧儀分析其氧的含量。 ④ 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉氧氣時(shí)，務(wù)必先關(guān)氧氣鋼瓶總閥，然后才能關(guān)閉氧減壓閥與氧氣流量調(diào)節(jié)閥。檢查總電源、總水閥與各管路閥門，確實(shí)安全后方可離開。 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 計(jì)算并確定干填料與一定噴淋量下的濕填料在不同空塔氣速u下，與其相應(yīng)的單位填料高度壓降Δp/Z的關(guān)系曲線，并在雙對數(shù)坐標(biāo)系中作圖，找出泛點(diǎn)與載點(diǎn)。 表1 轉(zhuǎn)子流量計(jì)：空氣，T=20℃ 序號 空氣流量 V1〔m3/h〕 空氣溫度 T2〔K〕 空氣表壓 P(kPa) 全塔壓降 △P〔kPa〕 △P/Z (Pa/m) 實(shí)際空氣流量 V2(m3/h) 空氣流速 u(m/s) 1 10 117 2 15 261 3 20 444 4 25 653 5 30 928 6 35 1254 表2：濕塔數(shù)據(jù)：L=60～250 L/h，h= 轉(zhuǎn)子流量計(jì)：空氣，T=20℃，P=101,325KPa；水流量80L/h。 序號 空氣流量 V1(m3/h) 氣溫度 T2(K) 空氣表壓 P(kPa) 全塔壓降 △P〔kPa〕 △P/Z 〔Pa/m〕 實(shí)際空氣流量 V2(m3/h) 空氣流速 u(m/s) 1 5 1.068 104 2 10 209 3 15 365 4 20 705 5 25 304.45 1149 6 30 305.65 1699 7 35 306.55 2561 8 40 3815 〔1〕下以干塔數(shù)據(jù)中第一組為例，說明計(jì)算過程： 單位塔高壓降確定： 流量校正： 流速確定： 濕塔的計(jì)算過程與干塔一致，不再贅述。 〔2〕計(jì)算實(shí)驗(yàn)條件下〔一定噴淋量、一定空塔氣速〕的液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa與液相總傳質(zhì)單元數(shù)HOL。 表3：氧解吸操作數(shù)據(jù)： h=0.75m，d=0.1m w平衡=11.03mg/L 〔y1=y2=0.21，P=101.3KPa〕 序號 氧流量 〔L/min〕 L (L/h) G (m3/h) 空氣表壓 P(Pa) 全塔壓降 △P(Pa) 貧氧水氧含量 c1〔mg/L〕 富氧水氧含量 c2〔mg/L〕 含氧水溫度 T2(℃) 1 80 20 2 100 20 3 80 30 序號 系統(tǒng)總壓 P(Pa) 相平衡常數(shù) m 平衡mol xe1 (xe2) 對數(shù)平均 Δxm 水流量L (mol/h) 氣體流率GA (mol/h) 傳質(zhì)系數(shù)Kxa (kmol/m3h) HOL 〔m〕 1 33417 6.28*10-6 2.28*10-6 2443 33417 6.28*10-6 2.15*10-6 2572 2 33415 6.28*10-6 2.42*10-6 2380 33341 6.30*10-6 2.35*10-6 2422 3 33365 6.29*10-6 2.15*10-6 2615 33365 6.29*10-6 2.12*10-6 2509 以第一組數(shù)據(jù)為實(shí)例，10℃3。 塔溫： 系統(tǒng)總壓確定： 亨利系數(shù)確定： 亨利系數(shù): 平衡濃度： 塔頂〔底〕摩爾分率計(jì)算： 平均推動力： 同理： 液體流率： 氣體流率： 填料塔體積： 傳質(zhì)系數(shù)確實(shí)定： 傳質(zhì)單元高度： 七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果作圖與分析 1、流體力學(xué)性能測定 圖5 圖4 圖6 載點(diǎn)與泛點(diǎn)的位置： 如圖6所示 水流量為80L/h時(shí) 載點(diǎn)為A點(diǎn)(0.5571,380.68) 泛點(diǎn)為B點(diǎn)(1.105,1603.04) 2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)： 液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa和液相總傳質(zhì)單元高度HOL計(jì)算結(jié)果如下： 氧流量〔L/min〕 L(L/h) G(m3/h) Kxa(kmol/m3h) HOL(m) 80 20 2507 100 20 2401 80 30 2562 表4：不同氣、液量下的Kxa、HOL 八、結(jié)果討論與誤差分析 1、流體力學(xué)性能測定 〔1〕無液體噴淋時(shí)如下列圖，在雙對數(shù)坐標(biāo)下，干塔壓降與氣速呈線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為：，即與u呈正比。 〔2〕當(dāng)有噴淋量時(shí)〔80L/h〕，在低氣速下也與氣速呈線性關(guān)系，與u呈正比。 隨氣速的增加，出現(xiàn)載點(diǎn)，持液量開始增大，壓降-氣速線向上彎，斜率變陡。到液泛點(diǎn)后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。 〔3〕將干塔、濕塔填料塔壓降與氣速關(guān)系進(jìn)展比照，見圖，可以看出，有液體噴淋時(shí)，填料層壓降均大于同一氣速下的干塔壓降。 2、傳質(zhì)實(shí)驗(yàn) 由數(shù)據(jù)可以看出，在氧氣-水系統(tǒng)中，液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa與液量正相關(guān)，而與氣量根本無關(guān)。這是由于氧氣極難溶于水，因而本系統(tǒng)是液膜控制系統(tǒng)，Kxa近似等于kxa，而kxa∝L，故液相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kxa僅與液量有關(guān)，與氣量無關(guān)。 3、誤差分析 〔1〕系統(tǒng)誤差：裝置整體氣密性不夠理想，造成流體流動時(shí)對整體系統(tǒng)帶來的波動影響，轉(zhuǎn)子流量計(jì)在計(jì)量空氣流速時(shí)不夠穩(wěn)定 〔2〕主觀誤差：人為讀取壓差計(jì)與轉(zhuǎn)子流量計(jì)時(shí)存在主觀誤差。 〔3〕其他誤差：由于氧氣濃度測量儀與實(shí)驗(yàn)裝置數(shù)量不匹配，導(dǎo)致在實(shí)驗(yàn)后期不能夠在得到待測液后一分鐘內(nèi)得以測量，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境含氧量與溫度在此期間對燒杯內(nèi)待測液有所影響，導(dǎo)致最終溫度與含氧量的測定存在誤差。 九、思考題 1、闡述干填料壓降線和濕填料壓降線的特征 答：氣體通過干填料時(shí)，流體流動引起的壓降和湍流流動引起的壓降規(guī)律相一致，因此在對數(shù)坐標(biāo)紙上作關(guān)系曲線，表現(xiàn)為一直線。當(dāng)有噴淋量時(shí)，在低流速下壓降也正在于氣速的1.8～2 次方，但大于同一氣速下干填料的壓降。隨氣速增加，出現(xiàn)載點(diǎn)，出現(xiàn)載點(diǎn)，持液量增大，曲線向上彎曲，斜率變陡，到達(dá)泡點(diǎn)后，壓降持續(xù)增大，出現(xiàn)液泛。 2、比擬液泛時(shí)單位填料高度壓降和圖中液泛壓降值是否相符，一般亂堆填料液泛時(shí)單位填料高度壓降為多少？ 答：實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，亂堆填料液泛時(shí)單位填料層高度的氣體壓降根本上為一恒值。由此推測，當(dāng)操作氣速低于泛速時(shí)，其它等壓降曲線會有與泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)圖線相像的曲線形狀。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這一推測。亂堆填料液泛時(shí)單位填料高度壓降一般不低于2kPa/m。 3、試計(jì)算實(shí)驗(yàn)條件下填料塔實(shí)際氣液比V/L是最小氣液比〔V/L〕min的多少倍？ 答：，實(shí)際氣液比：， 故: 4、工業(yè)上，吸收在低溫、加壓下進(jìn)展，而解吸在高溫、常壓下進(jìn)展，為什么？ 答：相平衡常數(shù)m=f(p,T),且溫度下降，壓力上升時(shí)，m降低，氣體越易溶，越易被吸收，因而吸收常在低溫、加壓下進(jìn)展。反之，高溫、減壓對解吸有利，因而解吸在高溫、常壓下進(jìn)展。 5、為什么易溶氣體的吸收和解吸屬于氣膜控制過程，難溶氣體的吸收和解吸屬于液膜控制過程？ 答：根據(jù)雙膜模型導(dǎo)出的結(jié)果可知總傳質(zhì)阻力為氣膜傳質(zhì)阻力與液膜傳質(zhì)阻力之和，即 對于氣膜阻力控制，即 時(shí)，， ,此時(shí)的傳質(zhì)阻力主要集中于氣膜，稱這種情況為“氣膜阻力控制〞。 對于液膜控制，即 時(shí)， , ,此時(shí)的傳質(zhì)阻力只要集中于液膜，稱這種情況為“液膜阻力控制〞 〔易溶氣體多為氣膜阻力控制，難溶氣體多為液膜控制〕。 答：填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板。上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。氣體與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料外表上，氣液兩相密切接觸進(jìn)展傳質(zhì)。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，別離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。 填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)不能有效地潤濕填料外表，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。 6、填料塔結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？ 7、假如要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)在線采集和控制，應(yīng)如何選用測試傳感器與儀表？ 答：根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式；信號的輸出方法；傳感器的來源。 在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn)〔穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等〕，以免產(chǎn)生過大的誤差。 壓力檢測儀表的正確選用主要包括確定儀表的型式、量程、X圍、準(zhǔn)確度和靈敏度、外形尺寸以與是否需要遠(yuǎn)傳和具有其他功能。 15 / 16