实验四填料塔液相传质系数的测定lun

.

实验四 填料塔液相传质系数的测定

环工021 伦裕旻 15号

一、实验目的：

吸收是传质过程的重要操作，应用非常广泛。为强化吸收过程，必须研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数。

本实验采用水吸收CO2，测定填料塔的液相传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确定液相传质系数和各项操作条件的关系。

通过本实验，学习并掌握研究物质传质过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。 二、实验原理：

根据双膜模型的基本假设，气相和液相的吸收质A的传质速率方程可分别表达为

气膜DA=KgA(PA—PAi)(1)

液膜GA=K1A（CAi—CA） (2)

公式中GA——A组分的传质速率，kmol．S-1;

A——两相接触面积，m2;

PA————气相A组分的平均分压，pa PAi——相界面A组分的 分压，pa

CA————液相A组分的平均浓度，kmol.m-3

Kg——以分压表达推动力的气相传质膜系数，kmol.m-3 K1————以物质的浓度表达推动力的液相传质膜系数，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：

DA=KGA(PA—PA*) (3) GA=KLA（CA*—CA） (4)

式中PA*为液相中Ａ组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，pa CA*为气相中Ａ组分的实际分压所要求的饿液相平衡浓度，kmol.m-3

1页

.

KG为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-1.pa-1

KL为以液相浓度表示推动力的总传质系数或 简称为液相传质总系数，m．S-1; 若气液相平衡关遵循亨利定理：CA?HPA，则 ：

２.

111 （５） ??kGKgHk11H1?? （６） kLKgk1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，KL?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?Kl。

如图2所示，在逆流接触的填料塔层内，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：

dGA?FL?LdCA(a)

式中FL为液相摩尔流率，kmol．S-1;

?L为液相摩尔密度，kmol．S-1;

根据传质速率基本方程，可写出该微分段的饿传质速率微分方程：

dGA?KL(CA*?CA)?Sdh (b)

联立（a）和(b)两式可得，

dh?FLdCA.(c)

KL?S?LCA*?CA2?32式中?为气液两相接触的比表面积，m.m；S为填料塔的横截面积，m。

本实验采用水吸收CO2，且已知CO2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

（c)式可得填料层高度的计比表面积?，在整个填料层内为一个定植，按下列边值条件积分

算公式：

h?0CA?CA,2

2页

.

h?hCA?CA,1

h?Vs,LKL?S

.?CA,2CA,1dCA （7）

CA*?CA令 HL?VS,LKL?S且程NL为液相传质单元高度（HTU）；

NL??CA，2CA，1dCA

CA*?CA且程NL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 （8）

若气液平衡关系遵循亨利定律，则即可采用平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度。

h?Vs,SKL?SNL?.CA,1?CA,2?CA,m （9）

hh （10） ?NL(CA,1?CA,2)/?CA,m?CA,m??CA,1??CA,2

?CA,2ln?CA,1式中标?CA,m为液相平均推动力，即 因为本实验采用纯水吸收二氧化碳，则

CA，1*?CA，2*?C*A?HPA?HP

二氧化碳的溶解度常数 H??C（ /MCE）式中标?C为水的密度，MC为水的摩尔质量，E为亨利系数，Pa,因此，（10）式可简化为?CA，m??CA,1??CA,2

?CA,2ln?CA,1又因为本实验采用的物系遵循亨利定理，而且气膜阻力可以不计。在此情况下，整个传质阻力都集中在液膜，即属于液莫控制过程，则液莫体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，

3页

.

即 kl??KL??VS,LCA,1?CA,2hS?CA,m

对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式，其中，SherwoodHolloway得出如下的关联式：

k1??L?A()m.(L)n DL?L?LDL式中DL——吸收质在水中的扩散系数，m.s L——液体的质量流速，kg.m.S

?2?12?1?L——液体的黏度，或Pa..Skg.m?1.s?1 ?L——液体的密度，kg.m?3

应该注意的是关联式中（k1?/DL)和(L/?L)两项没有特性长度，因此，该式不是真正的无因次准数关联式，该式中A，m和n的具体数值，需在一定条件下由实验求得。 三、实验装置：

本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳、高位水槽和各种测量仪器组成，其流程图如图画所示：

4页