圆盘塔二氧化碳吸收液膜传质系数测定
目 录:
一．实验装置图 二．设备及操作要点 三．教学实验要求
1．实验目的 2．实验原理 3．实验步骤及方法 4．数据处理
四．附件
1．现场调试记录 2．学生实验报告
华东理工大学化学工程与工艺实验中心
2005年12月
一、实验装置图
圆盘塔实验流装置
1－贮液罐；2－水泵；3－高位槽；4－流量计；5－皂膜流量计； 6－加热器；7－U 型测压管；8－圆盘塔；9－加热器；10－水饱和器；
11－钢瓶；12－三通玻璃活塞；13－琵琶形液封器
二、设备及操作要点
1. 实验必备品
蒸馏水50L 一桶；CO 2钢瓶一瓶；皂膜液一小瓶；秒表一只 2. 开车步骤
1). 系统用CO 2置换3～5分钟， 2). 开启高位槽进水泵，
3). 根据设置操作温度开启超级恒温槽、气、液加热温控表。 3. 操作要点
1). 吸收液由高位槽溢流口开始溢出时方可进行操作。 2). 调节转子流量计的阀门，使吸收液的流量稳定在设置值上。
3). 调节气体和液体及恒温水槽的加热温控仪表，使气体和液体及恒温水槽的温度稳定在操作温度值上，其温度间的误差不大于±1℃。
4). 液相的流量、温度和气相温度和圆盘塔水隔套中的恒温水温度达到设定值，稳定数分钟后，即可进行测定。
5). 皂膜流量计鼓泡，皂膜至某一刻度时，即切换三通阀的导向，（CO 2 直接排空），此时塔体至皂膜流量计形成一个封闭系统，随着吸收液液膜不断更新及吸收CO 2，塔内CO 2的体积也随之变小，皂膜流量计中的皂膜开始下降，依据原设置的要求将体积变化∆V 所用的时间∆s 记录下来，同时记录下各处的温度。测试一点后即将三通阀恢复至初始状态(CO 2进入塔体) 。
6). 改变液体流量，继续如上的操作，上下行共做9-10次。 4. 停车步骤
1). 关闭水泵及钢瓶气源，仪表温度设置为室温。 2). 切断总电源。
三、教学实验要求
1. 实验目的
传质系数是气液吸收过程重要的研究的内容，是吸收剂和催化剂等性能评定、吸收设备设计、放大的关键参数之一。所以掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验求取方法，根据实验数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式，是本实验的主要目的。 2. 实验原理
传质系数的实验测定方法一般有两类，即静力法和动力法。静力法是将一定容积的气体于一定的时间间隔内，在密闭容器中与液体的静止表面相接触，根据气体容积的变化测定其吸收速度。此时液相主体必须在破坏表面的情况下进行搅拌，以避免由于在相界面附近饱和程度很高而影响其吸收速度。静力法的优点是能够了解反应过程的机理，设备小，操作简便，因其研究的情况，如流体力学条件与工业设备中的状况不尽相似，故吸收系数的数值，不宜一次性直接放大。
动力法是在一定的实验条件下，在气液两相都处于逆向流动状态下，测定其传质系数。此法能在一定程度上克服上述静力法的缺点，但所求得的传质系数只能是平均值，因而无法探讨传质过程的机理。
本实验基于动力法的原理，在圆盘塔中进行液膜传质系数的测定，但又与动力法不完全相同。其差异在于液相是处于流动状态，而气相在测试时处在不流动的封闭系统中。对于这一改进，其优点是简化了实验手段及实验数据的处理，同时也减少了操作过程产生的误差，实验结果与Stephens-Morris 总结的圆盘塔中K L 的准数关联式相吻合；不足的是只适合在常压(0.1MPa）测试条件下进行。
圆盘塔是一种小型实验室吸收装置：Stephens 和Morris 根据Higbien 的不稳定传质理论，认为液体从一个圆盘流至另一个圆盘，类似于填充塔中液体从一个填料流至下一个填料，流体在下降吸收过程中交替地进行了一系列混合和不稳定传质过程。他们用水吸收纯CO 2气体，实验测得的结果是一致的，且与塔高无关，消除了设备液膜控制时，因波纹现象所产生的端末效应。
Sherwood 及Hollowag ，将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：
K L
D ⎛μ2 g ρ2⎝
⎫⎪⎪⎭
3
⎛4Γ⎫⎛μ⎫=a ⋅ μ⎪⎪⋅ ρD ⎪⎪
⎝⎭⎝⎭
m 0. 5
式中
K L D
⎛μ2 g ρ2⎝⎫⎪⎪⎭
3
── 修正修伍德准数Sh
4Γ
μ ── 雷诺数Re
μ
ρD ── 许密特准数Sc
m ── 系数，在0.78 – 0.54之间变化 而Stephens-Morris 总结圆盘塔中K L 的准数关系式为
K L D ⎛μ2 g ρ2⎝
⎫⎪⎪⎭
3
⎛4Γ⎫
=3. 22⨯10-3 μ⎪⎪
⎝⎭
0. 7
⎛μ⎫ ρD ⎪⎪⎝⎭
0. 5
在实验范围内，Stephens-Morris 与Sherwood-Hollowag 的数据极为吻合。这说明Stephens-Morris 所创造的小型标准圆盘塔与填充塔的液膜传质系数与液流速度的关系式极相似。因此，依靠圆盘塔所测定的液膜传质系数可直接用于填充塔设计。
本实验气相是纯CO 2气体，液相是蒸馏水，测定纯CO 2－H 2O 系统的液膜传质系数，并通过对液膜传质系数与液流速率之间的关系式的计算，求得系数m 值。
基于双膜理论：
N A =K L ⋅F ⋅∆c m =K G ⋅F ⋅∆p m
K L =H k g +k L k g =
D G ⋅p
R T Z G p B m
k →∞
当采用纯CO 2气体时，因为(p B )m →0，所以g ，即K L =k L 。
⎛mol m 3⎫
⎪⋅2 ⎪mol hm k ⎝⎭ L 式中 ── 液膜传质分系数，
N A
── CO 2吸收速度，（mol/h);
F ── 吸收表面积，（m 2);
∆c m ── 液相浓度的平均推动力，（mol/m3) 。
3. 实验步骤及方法
采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置，如图所示。
液相的流向：贮液罐中的吸收液经泵打至高位槽，多余的液体由高位槽溢流口回流到贮液罐，借以维持高位槽液位稳定。由高位槽流出的吸收液由调节阀调节，经转子流量计计量和恒温加热系统加热至一定温度，进入圆盘塔塔顶的喷口，沿圆盘流下并在圆盘的表面进行气液传质。出圆盘塔的吸收液由琵琶形液封溢口排出。液相进出圆盘塔顶、塔底的温度由玻璃水银温度计测得。
圆盘塔实验流装置
1－贮液罐；2－水泵；3－高位槽；4－流量计；5－皂膜流量计；6－加热器；7－U 型测压管；8－圆盘塔；9－加热器；10－水饱和器；11－钢瓶；12－三通玻璃活塞；13－琵琶形液封器
气相的流向：纯度在99.8％以上的CO 2由高压钢瓶放出，经减压阀调节进入水饱和器和恒温加热系统，通过三通考克切换进入圆盘塔底部。CO 2在塔中与自上而下的吸收液逆流接触，之后从塔顶部出来经U 型压力计至皂膜流量计排空。 具体操作步骤如下：
(1) 系统的气体置换：开启钢瓶总阀，调节减压阀使气体有一个稳定的流量。切换三通考克使气体进入塔底自下而上由塔顶出来，经皂膜流量计后排空。一般经10min 置换，即可着手进行测定。
(2) 开启超级恒温槽，调节接触温度计至操作温度值，由水泵将恒温水注入圆盘塔的隔套层，使恒温水不断地循环流动。
(3) 开启高位槽进水泵，当吸收液由高位槽溢流口开始溢出时方可进行下述操作。
(4) 调节转子流量计的阀门，使吸收液的流量稳定在设置值上。
(5) 调节气体和液体温度控制装置，使气体和液体温度稳定在操作温度值上，其气、液温度间的误差不大于±1℃。
(6) 调节琵琶形液封器，使圆盘塔中心管的液面保持在喇叭口处。
(7) 液相的流量、温度和气相温度和圆盘塔水隔套中的恒温水温度达到设定值，稳定数分钟后，即可进行测定，每次重复做三个数据。
(8) 实验操作是在常压下以CO 2的体积变化来测定液膜传质系数。当皂膜流量计鼓泡，皂膜至某一刻度时，即切换三通考克的导向，（CO 2 直接排空），此时塔体至皂膜流量计形成一个封闭系统，随着吸收液液膜不断更新，塔内CO 2的体积也随之变小，皂膜流量计中的皂膜开始下降，依据原设置的要求将体积变化∆V 所用的时间∆s 记录下来，同时记录下各处的温度。
(9) 改变液体流量，继续如上的操作，上下行共做9－10次。 4. 数据处理
-1-1
()的计算： kg ⋅m ⋅h Γ （1）液流速率
l
式中 ρ ── 液体的密度，（Kg/m3）；
Γ=
ρL
L ── 液体的流量，（m 3/h）；
l ── 平均液流周边，（m ）。
-1
()的计算： N mol ⋅h A （2）气体吸收速率
N A =pV CO 2S R T
式中 p ── 吸收压力，（Pa ）；
V CO 2
── CO 2吸收量，（m 3）；
S ── 吸收时间，（h) ； R ── 气体常数，R=8.314；
T ── 吸收温度，（K ）。
-3
∆c ()的计算： mol ⋅m m （3）液相浓度的平均推动力
∆c m =
∆c i -∆c 0
∆c ln i
∆c 0
*
∆c i =c CO -c CO 2, i
2, i
式中
*c CO , 2, i
*
∆c 0=c CO -c CO 2, 0
2, 0
c CO 2, i
── 塔顶液相中CO 2的平衡浓度与实测浓度，
*c CO =H i P CO 2, i
2, i *c CO , 2, 0
c CO 2, 0
── 塔底液相中CO 2的平衡浓度与实测浓度，
*c CO =H 0⋅p CO 2, 0
2, 0
H i , H 0 ── CO 2在塔顶与塔底水中的溶解度系数 (Pa ⋅m )，
3
p CO 2, i , p CO 2, 0
── 塔顶与塔底气流中CO 2的分压
H =
P H 2O M ⋅K
p CO 2=P -P H 2O
( Pa )
M
── 吸收剂的分子量；
K ── 亨利系数，（Pa ）（见附表）。
液体中进出口的CO 2实际浓度为：
c CO 2, i =0, c CO 2, 0=N A L
圆盘塔中的圆盘为素瓷材质，圆盘塔内系一根不锈钢丝串连四十个相互垂直交叉的圆盘而成。每一圆盘的尺寸为直径d =14. 3m m ，厚度δ=4. 3m m ，平均液流周边数
l =2πd 24+πd δd ，吸收面积F =40⨯2πd 24+πd δ，圆盘间用502胶水（或环氧树脂）粘结在不锈钢丝上。
(()
附件一、调试记录 实验数据记录表
室温 ___________ 被吸收气体 _____________ 吸收液体 ___________ 大气压 ______________________ 水饱和分压______________________
附表 二氧化碳与水的有关物性数据
圆盘塔二氧化碳吸收液膜传质系数测定
目 录:
一．实验装置图 二．设备及操作要点 三．教学实验要求
1．实验目的 2．实验原理 3．实验步骤及方法 4．数据处理
四．附件
1．现场调试记录 2．学生实验报告
华东理工大学化学工程与工艺实验中心
2005年12月
一、实验装置图
圆盘塔实验流装置
1－贮液罐；2－水泵；3－高位槽；4－流量计；5－皂膜流量计； 6－加热器；7－U 型测压管；8－圆盘塔；9－加热器；10－水饱和器；
11－钢瓶；12－三通玻璃活塞；13－琵琶形液封器
二、设备及操作要点
1. 实验必备品
蒸馏水50L 一桶；CO 2钢瓶一瓶；皂膜液一小瓶；秒表一只 2. 开车步骤
1). 系统用CO 2置换3～5分钟， 2). 开启高位槽进水泵，
3). 根据设置操作温度开启超级恒温槽、气、液加热温控表。 3. 操作要点
1). 吸收液由高位槽溢流口开始溢出时方可进行操作。 2). 调节转子流量计的阀门，使吸收液的流量稳定在设置值上。
3). 调节气体和液体及恒温水槽的加热温控仪表，使气体和液体及恒温水槽的温度稳定在操作温度值上，其温度间的误差不大于±1℃。
4). 液相的流量、温度和气相温度和圆盘塔水隔套中的恒温水温度达到设定值，稳定数分钟后，即可进行测定。
5). 皂膜流量计鼓泡，皂膜至某一刻度时，即切换三通阀的导向，（CO 2 直接排空），此时塔体至皂膜流量计形成一个封闭系统，随着吸收液液膜不断更新及吸收CO 2，塔内CO 2的体积也随之变小，皂膜流量计中的皂膜开始下降，依据原设置的要求将体积变化∆V 所用的时间∆s 记录下来，同时记录下各处的温度。测试一点后即将三通阀恢复至初始状态(CO 2进入塔体) 。
6). 改变液体流量，继续如上的操作，上下行共做9-10次。 4. 停车步骤
1). 关闭水泵及钢瓶气源，仪表温度设置为室温。 2). 切断总电源。
三、教学实验要求
1. 实验目的
传质系数是气液吸收过程重要的研究的内容，是吸收剂和催化剂等性能评定、吸收设备设计、放大的关键参数之一。所以掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验求取方法，根据实验数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式，是本实验的主要目的。 2. 实验原理
传质系数的实验测定方法一般有两类，即静力法和动力法。静力法是将一定容积的气体于一定的时间间隔内，在密闭容器中与液体的静止表面相接触，根据气体容积的变化测定其吸收速度。此时液相主体必须在破坏表面的情况下进行搅拌，以避免由于在相界面附近饱和程度很高而影响其吸收速度。静力法的优点是能够了解反应过程的机理，设备小，操作简便，因其研究的情况，如流体力学条件与工业设备中的状况不尽相似，故吸收系数的数值，不宜一次性直接放大。
动力法是在一定的实验条件下，在气液两相都处于逆向流动状态下，测定其传质系数。此法能在一定程度上克服上述静力法的缺点，但所求得的传质系数只能是平均值，因而无法探讨传质过程的机理。
本实验基于动力法的原理，在圆盘塔中进行液膜传质系数的测定，但又与动力法不完全相同。其差异在于液相是处于流动状态，而气相在测试时处在不流动的封闭系统中。对于这一改进，其优点是简化了实验手段及实验数据的处理，同时也减少了操作过程产生的误差，实验结果与Stephens-Morris 总结的圆盘塔中K L 的准数关联式相吻合；不足的是只适合在常压(0.1MPa）测试条件下进行。
圆盘塔是一种小型实验室吸收装置：Stephens 和Morris 根据Higbien 的不稳定传质理论，认为液体从一个圆盘流至另一个圆盘，类似于填充塔中液体从一个填料流至下一个填料，流体在下降吸收过程中交替地进行了一系列混合和不稳定传质过程。他们用水吸收纯CO 2气体，实验测得的结果是一致的，且与塔高无关，消除了设备液膜控制时，因波纹现象所产生的端末效应。
Sherwood 及Hollowag ，将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：
K L
D ⎛μ2 g ρ2⎝
⎫⎪⎪⎭
3
⎛4Γ⎫⎛μ⎫=a ⋅ μ⎪⎪⋅ ρD ⎪⎪
⎝⎭⎝⎭
m 0. 5
式中
K L D
⎛μ2 g ρ2⎝⎫⎪⎪⎭
3
── 修正修伍德准数Sh
4Γ
μ ── 雷诺数Re
μ
ρD ── 许密特准数Sc
m ── 系数，在0.78 – 0.54之间变化 而Stephens-Morris 总结圆盘塔中K L 的准数关系式为
K L D ⎛μ2 g ρ2⎝
⎫⎪⎪⎭
3
⎛4Γ⎫
=3. 22⨯10-3 μ⎪⎪
⎝⎭
0. 7
⎛μ⎫ ρD ⎪⎪⎝⎭
0. 5
在实验范围内，Stephens-Morris 与Sherwood-Hollowag 的数据极为吻合。这说明Stephens-Morris 所创造的小型标准圆盘塔与填充塔的液膜传质系数与液流速度的关系式极相似。因此，依靠圆盘塔所测定的液膜传质系数可直接用于填充塔设计。
本实验气相是纯CO 2气体，液相是蒸馏水，测定纯CO 2－H 2O 系统的液膜传质系数，并通过对液膜传质系数与液流速率之间的关系式的计算，求得系数m 值。
基于双膜理论：
N A =K L ⋅F ⋅∆c m =K G ⋅F ⋅∆p m
K L =H k g +k L k g =
D G ⋅p
R T Z G p B m
k →∞
当采用纯CO 2气体时，因为(p B )m →0，所以g ，即K L =k L 。
⎛mol m 3⎫
⎪⋅2 ⎪mol hm k ⎝⎭ L 式中 ── 液膜传质分系数，
N A
── CO 2吸收速度，（mol/h);
F ── 吸收表面积，（m 2);
∆c m ── 液相浓度的平均推动力，（mol/m3) 。
3. 实验步骤及方法
采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置，如图所示。
液相的流向：贮液罐中的吸收液经泵打至高位槽，多余的液体由高位槽溢流口回流到贮液罐，借以维持高位槽液位稳定。由高位槽流出的吸收液由调节阀调节，经转子流量计计量和恒温加热系统加热至一定温度，进入圆盘塔塔顶的喷口，沿圆盘流下并在圆盘的表面进行气液传质。出圆盘塔的吸收液由琵琶形液封溢口排出。液相进出圆盘塔顶、塔底的温度由玻璃水银温度计测得。
圆盘塔实验流装置
1－贮液罐；2－水泵；3－高位槽；4－流量计；5－皂膜流量计；6－加热器；7－U 型测压管；8－圆盘塔；9－加热器；10－水饱和器；11－钢瓶；12－三通玻璃活塞；13－琵琶形液封器
气相的流向：纯度在99.8％以上的CO 2由高压钢瓶放出，经减压阀调节进入水饱和器和恒温加热系统，通过三通考克切换进入圆盘塔底部。CO 2在塔中与自上而下的吸收液逆流接触，之后从塔顶部出来经U 型压力计至皂膜流量计排空。 具体操作步骤如下：
(1) 系统的气体置换：开启钢瓶总阀，调节减压阀使气体有一个稳定的流量。切换三通考克使气体进入塔底自下而上由塔顶出来，经皂膜流量计后排空。一般经10min 置换，即可着手进行测定。
(2) 开启超级恒温槽，调节接触温度计至操作温度值，由水泵将恒温水注入圆盘塔的隔套层，使恒温水不断地循环流动。
(3) 开启高位槽进水泵，当吸收液由高位槽溢流口开始溢出时方可进行下述操作。
(4) 调节转子流量计的阀门，使吸收液的流量稳定在设置值上。
(5) 调节气体和液体温度控制装置，使气体和液体温度稳定在操作温度值上，其气、液温度间的误差不大于±1℃。
(6) 调节琵琶形液封器，使圆盘塔中心管的液面保持在喇叭口处。
(7) 液相的流量、温度和气相温度和圆盘塔水隔套中的恒温水温度达到设定值，稳定数分钟后，即可进行测定，每次重复做三个数据。
(8) 实验操作是在常压下以CO 2的体积变化来测定液膜传质系数。当皂膜流量计鼓泡，皂膜至某一刻度时，即切换三通考克的导向，（CO 2 直接排空），此时塔体至皂膜流量计形成一个封闭系统，随着吸收液液膜不断更新，塔内CO 2的体积也随之变小，皂膜流量计中的皂膜开始下降，依据原设置的要求将体积变化∆V 所用的时间∆s 记录下来，同时记录下各处的温度。
(9) 改变液体流量，继续如上的操作，上下行共做9－10次。 4. 数据处理
-1-1
()的计算： kg ⋅m ⋅h Γ （1）液流速率
l
式中 ρ ── 液体的密度，（Kg/m3）；
Γ=
ρL
L ── 液体的流量，（m 3/h）；
l ── 平均液流周边，（m ）。
-1
()的计算： N mol ⋅h A （2）气体吸收速率
N A =pV CO 2S R T
式中 p ── 吸收压力，（Pa ）；
V CO 2
── CO 2吸收量，（m 3）；
S ── 吸收时间，（h) ； R ── 气体常数，R=8.314；
T ── 吸收温度，（K ）。
-3
∆c ()的计算： mol ⋅m m （3）液相浓度的平均推动力
∆c m =
∆c i -∆c 0
∆c ln i
∆c 0
*
∆c i =c CO -c CO 2, i
2, i
式中
*c CO , 2, i
*
∆c 0=c CO -c CO 2, 0
2, 0
c CO 2, i
── 塔顶液相中CO 2的平衡浓度与实测浓度，
*c CO =H i P CO 2, i
2, i *c CO , 2, 0
c CO 2, 0
── 塔底液相中CO 2的平衡浓度与实测浓度，
*c CO =H 0⋅p CO 2, 0
2, 0
H i , H 0 ── CO 2在塔顶与塔底水中的溶解度系数 (Pa ⋅m )，
3
p CO 2, i , p CO 2, 0
── 塔顶与塔底气流中CO 2的分压
H =
P H 2O M ⋅K
p CO 2=P -P H 2O
( Pa )
M
── 吸收剂的分子量；
K ── 亨利系数，（Pa ）（见附表）。
液体中进出口的CO 2实际浓度为：
c CO 2, i =0, c CO 2, 0=N A L
圆盘塔中的圆盘为素瓷材质，圆盘塔内系一根不锈钢丝串连四十个相互垂直交叉的圆盘而成。每一圆盘的尺寸为直径d =14. 3m m ，厚度δ=4. 3m m ，平均液流周边数
l =2πd 24+πd δd ，吸收面积F =40⨯2πd 24+πd δ，圆盘间用502胶水（或环氧树脂）粘结在不锈钢丝上。
(()
附件一、调试记录 实验数据记录表
室温 ___________ 被吸收气体 _____________ 吸收液体 ___________ 大气压 ______________________ 水饱和分压______________________
附表 二氧化碳与水的有关物性数据