二氧化碳吸收实验
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天津大学化工基础实验中心
2014. 10 填料吸收塔实验装置
说明书 、实验目的：
1. 了解填料吸收塔的结构、性能和特点，练习并掌握填料塔操作方法；通过实验测 定数据的处理分析，加深对填料塔流体力学性能基本理论的理解， 加深对填料塔传 质性能理论的理解。
2. 掌握填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法，练习实验数据的处理分析。
二、 实验内容：
1. 测定填料层压强降与操作气速的关系，确定在一定液体喷淋量下的液泛气速。
2. 固定液相流量和入塔混合气二氧化碳的浓度，在液泛速度以下，取两个相差较 大的气相流量，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传 质单元高度和体积吸收总系数）。
3. 进行纯水吸收混合气体中的二氧化碳、用空气解吸水中二氧化碳的操作练习， 同时测定填料塔液侧传质膜系数和总传质系数。
三、 实验原理：
气体通过填料层的压强降：压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层
压强降的大小决定了塔的动力消耗。 压强降与气、液流量均有关，不同液体喷淋 量下填料层的压强降厶P与气速u的关系如图1所示：
图1填料层的 P〜u关系
当液体喷淋量L0 = 0时，干填料的=P〜u的关系是直线，如图中的直线 0。
当有一定的喷淋量时， P〜u的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点
称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将 P〜u关系分为三个区 段：既恒持液量区、载液区及液泛区。 传质性能：吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，实验测定可获取
吸收系数。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸） ，吸收系数随着操
作条件及气液接触状况的不同而变化。
二氧化碳吸收实验
根据双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质 A的传质速率方程可分别表
达为
气膜 GA = kgA(pA ~■ pAi ) （1）
液膜 GA = k|A(CAi ~'CA) （2）
式中：GA — A组分的传质速率，kmoI sj ；
A —两相接触面积，m；
PA —气侧A组分的平均分压，Pa；
PAi —相界面上A组分的平均分压，Pa；
CA —液侧A组分的平均浓度，kmol m ^3
CAi —相界面上A组分的浓度kmol m
kg —以分压表达推动力的气侧传质膜系数， kmol m^ sJ Pa J;
k,—以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数， m sJ。
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 二 KGA(PA - PA) （3）
GA 二 SCA G) （4）
式中：pA —液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；
CA —气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度， kmol m^ ；
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 s' Pa 4 ；
KL-以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，1 H 1 = + (6)
A+dCA
图2双膜模型的浓度分布图 图3填料塔的物料衡算图
dGA FL
1 dCA (7a) 若气液相平衡关系遵循享利定律： CA二HPA，则:
KG kg HK
当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式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
如图3所示，在逆流接触的填料层内，任意载取一微分段，并以此为衡算系 统，则由吸收质A的物料衡算可得：
式中：FL ——液相摩尔流率，kmol s4 ；
：［ ——液相摩尔密度，kmol m"。
根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程:KL kg ki
C PA+d
PFL
PI=PAI C AI , FL --------- ：_. dh h = 0 CA - CA.2 h=h CA=CA1
(9)
令H"KtS，且称H为液相传质单元高度 HTU；
(10) 联立上两式可得： dh「LaS「CAG （8）
式中：a ------ 气液两相接触的比表面积， m2 • m1;
S――填料塔的横载面积，m。
本实验采用水吸收混合气体中的二氧化碳，且已知二氧化碳在常温常压下溶 解度较小，因此，液相摩尔流率FL和摩尔密度 让的比值，亦即液相体积流率（VS）L
可视为定值，且设总传质系数K.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式（8），可得填料层高度的计算公式： VsL CA1 dCA
“aS 'CA2 CA - CA
NL= ：：%，且称"为液相传质单元数（NTU
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
若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（ 9）为可用解析法解
得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相 传质单元高度： KLaS CA1 _ CA2
心CAm
NL _ h
HL = 2Vsr
KLaS (11)
(12)
式中^A.m为液相平均推动力，即(15)
CA1 - - ';CA2 (CA1 ~'C A1 ) ~'(CA2 ~'C A2) (13)
-:CAm ( l3)
“心CA.1 ln CA^CA1
其中： CA1 二 HPA1 二 Hy1 Po , CA2 二 HPA2 二 Hy2 R) ， R 为大气压。
氧化碳的溶解度常数:
式中： P 1 3 1
H
w
koml m Pa
（14） Mw E
几 水的密度，kg m";
M w 水的摩尔质量， kg kmol ;
E ――二氧化碳在水中的享利系数，Pa。
因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，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，则液侧体积传质膜系
数等于液相体积传质总系数，亦即
砒=心4=乞 CA1 -CA2
hS 5
四、实验装置：
1. 实验装置主要技术参数：
填料塔：玻璃管内径 D = 0.05m 塔高1.20m 填料层高度Z= 0.94m
内装© 10X 10mn瓷拉西环； 风机型号：XGB-12 ;
二氧化碳钢瓶1个（用户自备）； 减压阀1个（用户自备）。 流量测量仪表：转子流量计型号 LZB-6 流量范围0.06〜0.60m3/h;
空气转子流量计：型号LZB-10 流量范围0.25〜2.5m3/h; 水转子流量计：型号LZB-10流量范围16〜160 L/h;
浓度测量：吸收塔塔底液体浓度分析准备定量化学分析仪器（用户自备） 温度测量：PT100铂电阻，用于测定测气相、液相温度。
2. 二氧化碳吸收实验装置流程示意图（见图4）
图4填料吸收实验装置流程图
1- CO2钢瓶；2- CO2瓶减压阀；3-吸收气泵；4-吸收液水泵；5-解吸液水泵；6-解吸风机;
7-空气旁通阀；8- V1-V19阀门；9- F1-F5转子流量计；10- T1-T2温度计
3. 实验仪表面板图（见图5）
放空
解
吸
塔 放空
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L-i"
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吸收液水 □ =1
1 ■ □ 吸
收
塔
7
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二：、二二 T1
解吸液水
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无锡；华泵业有限公
气体温度（C）
风机 水泵 风机 水泵
