实验六 填料吸收塔体积传质系数的测定
一、实验目的
1．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；
2．掌握总体积传质系数的测定方法；
3．了解气体空塔速度和液体喷淋密度对总体积传质系数的影响；
二、基本原理
气体吸收是典型的传质过程之一。由于CO 2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO 2作为溶质组分。本实验采用水吸收空气中的CO 2组分。一般CO 2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO 2气体通入空气中混合以提高空气中的CO 2浓度，水中的CO 2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO 2气体的解吸过程属于液膜控制。因此，本实验主要测定K x a 和H OL 。
1．计算公式
填料层高度Z 为
z =⎰dZ =0Z L x 1dx =H OL ⋅N OL K x a ⎰x 2x -x *
式中： L kmol / (m2·s) ；
K x a X 为推动力的液相总体积传质系数，kmol / (m3·s) ； H OL 液相总传质单元高度，m ； N OL 液相总传质单元数，无因次。
令：吸收因数A=L/mG
N OL =y -mx 21ln[(1-A ) 1+A ]1-A y 1-mx 1
2．测定方法
（1）空气流量和水流量的测定
本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。
（2）测定填料层高度Z 和塔径D ；
（3）测定塔顶和塔底气相组成y 1和y 2；
（4）平衡关系。
本实验的平衡关系可写成
y = mx
式中： m m=E/P；
E E ＝f(t)，Pa ，根据液相温度由附录查得； P Pa ，取1atm 。
对清水而言，x 2=0,由全塔物料衡算
G (y 1-y 2) =L (x 1-x 2)
可得x 1 。
三、实验装置
1．装置流程
实验装置如图1所示。
本实验装置流程：由自来水来的水经离心泵加压后送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。由压缩机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体中间贮罐，然后再直接进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气经转子流量计后放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程看成是等温操作。
图1 吸收装置流程图
1、2-手阀 3-取样口 4-排气口 5-取样口 6-有机玻璃塔节 7-喷淋头 8-压力表 9-气体流量调节阀门10-气体转子流量计 11-气体取样口 12-气体温度传感器 13-仪表控制箱 14-液体温度传感器 15-液体流量调节阀 16-液体转子流量计 17-压力表 18-压力定值调节阀 19-空气压缩机 20-CO 2 钢瓶 21-减压阀
2．主要设备
（1）吸收塔：高效填料塔，塔径100mm ，塔内装有金属丝网板波纹规整填料，填料层总高度1200mm 。塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。
（2）填料：金属丝网板波纹规整填料，规格：Φ100×100。
（3）转子流量计；
（4）空压机：压力0.8MPa ，排气量0.08 m3/min；
（5）二氧化碳钢瓶钢瓶；
四、实验步骤与注意事项
1. 实验步骤
（1）熟悉实验流程及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项；
（2）打开仪表电源开关；
（3）开启液体调节阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节液体调节阀门，使液体转子流量计流量稳定在某一实验值。（塔底液封控制：仔细调节阀门2的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或过低而泄气；
（4）启动空压机，打开CO 2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀（注意减压阀的开关方向与普通阀门的开关方向相反，顺时针为开，逆时针为关），使其压力稳定在0.1～0.2Mpa 左右；
（5）调节CO 2转子流量计的流量，使其稳定在某一值；
（6）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数，并读取各温度读数，进行取样并分析出塔顶、塔底气相组成；
（7）实验完毕，关闭CO 2转子流量计，液体转子流量计，再关闭空压机电源开关，清理实验仪器和实验场地。
2．注意事项
（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。
（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。
（3）由于CO 2在水中的溶解度很小，因此，在分析组成时一定要仔细认真，这是做好本试验的关键。
五、实验数据记录及处理
1．在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。
2． 列出实验结果与计算示例。
六、思考题
1．本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？
2．测定Kxa 有什么工程意义？
3．当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？
附：二氧化碳液相浓度的气敏电极分析法
1．原理
二氧化碳气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极，实际上是一种化学电池，它以平板玻璃电极为指示电极Ag —AgCl 为外参比电极，这对电极组装在一个套管中，管中盛有电解质溶液(电极内充液) ，管底部紧靠选择性电极敏感膜。装有透气膜使电解液与外部试液隔开，
如图4—33所示。
测定试液中CO2时，向试液中加入适量的酸，使HCO3－转化成CO2气体，CO2气体扩散透过透气膜，进入气敏电极的敏感膜与透气膜间的极薄液层内，使得NaHCO3电解质溶液平衡发生移动，由玻璃电极测得其pH 值的变化，从而间接测得试液中CO2浓度。 CO2气敏电极与Ag —AgCl 电极组成如下工作电池：
根据理论分析，此时电池的电动势为
E ＝K —（2.303RT ／F ）·1og[HCO3-] （4 30） 可见，在一定的实验条件下，溶液中HCO3－浓度的对数值与电池的电动势E 成线性关系。为此，可配制一系列已知HCO3－浓度的溶液，测出其相应的电动势，然后把测得的E 值对log[HCO3－]值绘制标准曲线(或回归成E 与log[HCO3－]的线性关系) ，在同样条件下测出对应于欲测溶液的E 值，即可从标准曲线上查得试液中的[HCO3－](或由回归方程求得) 。
2．测试装置与方法
(1)测试仪器
PHS —3C 型酸度计(上海雷磁分析仪器厂) 。
502型CO2气敏电极(江苏电分析仪器厂) 。
501型超级恒温槽。
电磁搅拌器，玻璃夹套杯。50℃精密温度计。
(2) 装置流程 图4—33 CO 2气敏电极示意
CO2气敏电极测量装置流程如图4—34所示。
(3)实验用药品
NaCl(分析纯) ，NaHCO3(分析纯) ，浓硫酸(化学纯) ，柠檬酸三钠，AgCl 晶体。
(4)试验方法
（i ）溶液配制
①电极内充液
准确称取0.8401gNaHCO3(室温干燥24h) 和5.844gNaCI(100℃干燥) ，溶于AgCI 饱和液中。配制成1000ml 溶液。
②NaHCO3标准液
准确称取8.40lgNaHCO3(室
温干燥24h) ．溶于去离子水中,
井稀释成1000ml ，即成
10-1mol/L溶液, 然后逐级稀释
成10-2～10-6mol/L的
NaHCO3标准液。
③0.5mol/L H2SO4 溶液
量取98％浓硫酸27.2mL ，
用水稀释成1000mL 即可配得。
④0.333mol/L柠檬酸三钠溶液
称取148.5g 柠檬酸三钠，溶于1000ml 水中。
（ii ）电极预处理
①取出玻璃平板电极浸泡在去离子水中，活化24h 以上。但要注意，Ag —AgCI 电极在活化时不要浸入水中。
②活化后的玻璃平板电极用去离子水和电极内充液冲洗，套管亦先后用去离子水和电极内充液冲洗，然后往其中加入一定的内充液，装好电极。
③将电极置于去离子水中反复冲洗直至E ≥450mV ，这时取出电极，吸干水分，电极方可使用。
(iii)试验方法
取25ml 试液置于玻璃夹套杯中，开动恒温水浴和电磁搅拌器，并向杯中注人2.5ml 、0.333mol/L柠檬酸三钠溶液，等温度稳定后，再向杯内加5ml,0.5mol/L H2SO4溶液，等酸图4－
度计所显毫伏数降至最低时，记下该读数值，这就是所要测得的数据。
倒去杯内试液，用去离子水冲洗玻璃夹套杯和电极，使电极的毫伏数E ≥450mV ，用滤纸吸干电极套管外壳及膜外的水分，再测另一试液。
测量大量试样时，应尽可能先测低浓度，后测高浓度，这样可以缩短平衡时间。
3．数据处理
(1)E～lg[CO2]的关系：
按上述实验方法：在每次开实验前，由实验室人员测定30℃时NaHCO3标准液的毫伏数，并回归出E ～lg(CO2)关系式，并存于吸收实验的数据处理程序中，供实验者使用。
(2)实验测得试样的毫伏数代人回归方程，即可求得液相中CO2浓度。
(3)计算示例：
已知30℃条件下，NaHCO3标准液的回归方程为E ＝—45.5lg(CO2)+230.5 mV ，试问当吸收塔塔底液相试样在30℃相同条件下测得的电动势为346mV 时，其浓度为多少? 解：代人上述回归方程得
lg [CO 2]=
346230. 5=45. 52. 538
则塔底液相的摩尔分率为
X =10
2. 358/55. 56=5. 21×105
实验六 填料吸收塔体积传质系数的测定
一、实验目的
1．了解填料塔吸收装置的基本结构及流程；
2．掌握总体积传质系数的测定方法；
3．了解气体空塔速度和液体喷淋密度对总体积传质系数的影响；
二、基本原理
气体吸收是典型的传质过程之一。由于CO 2气体无味、无毒、廉价，所以气体吸收实验常选择CO 2作为溶质组分。本实验采用水吸收空气中的CO 2组分。一般CO 2在水中的溶解度很小，即使预先将一定量的CO 2气体通入空气中混合以提高空气中的CO 2浓度，水中的CO 2含量仍然很低，所以吸收的计算方法可按低浓度来处理，并且此体系CO 2气体的解吸过程属于液膜控制。因此，本实验主要测定K x a 和H OL 。
1．计算公式
填料层高度Z 为
z =⎰dZ =0Z L x 1dx =H OL ⋅N OL K x a ⎰x 2x -x *
式中： L kmol / (m2·s) ；
K x a X 为推动力的液相总体积传质系数，kmol / (m3·s) ； H OL 液相总传质单元高度，m ； N OL 液相总传质单元数，无因次。
令：吸收因数A=L/mG
N OL =y -mx 21ln[(1-A ) 1+A ]1-A y 1-mx 1
2．测定方法
（1）空气流量和水流量的测定
本实验采用转子流量计测得空气和水的流量，并根据实验条件（温度和压力）和有关公式换算成空气和水的摩尔流量。
（2）测定填料层高度Z 和塔径D ；
（3）测定塔顶和塔底气相组成y 1和y 2；
（4）平衡关系。
本实验的平衡关系可写成
y = mx
式中： m m=E/P；
E E ＝f(t)，Pa ，根据液相温度由附录查得； P Pa ，取1atm 。
对清水而言，x 2=0,由全塔物料衡算
G (y 1-y 2) =L (x 1-x 2)
可得x 1 。
三、实验装置
1．装置流程
实验装置如图1所示。
本实验装置流程：由自来水来的水经离心泵加压后送入填料塔塔顶经喷头喷淋在填料顶层。由压缩机送来的空气和由二氧化碳钢瓶来的二氧化碳混合后，一起进入气体中间贮罐，然后再直接进入塔底，与水在塔内进行逆流接触，进行质量和热量的交换，由塔顶出来的尾气经转子流量计后放空，由于本实验为低浓度气体的吸收，所以热量交换可略，整个实验过程看成是等温操作。
图1 吸收装置流程图
1、2-手阀 3-取样口 4-排气口 5-取样口 6-有机玻璃塔节 7-喷淋头 8-压力表 9-气体流量调节阀门10-气体转子流量计 11-气体取样口 12-气体温度传感器 13-仪表控制箱 14-液体温度传感器 15-液体流量调节阀 16-液体转子流量计 17-压力表 18-压力定值调节阀 19-空气压缩机 20-CO 2 钢瓶 21-减压阀
2．主要设备
（1）吸收塔：高效填料塔，塔径100mm ，塔内装有金属丝网板波纹规整填料，填料层总高度1200mm 。塔顶有液体初始分布器，塔中部有液体再分布器，塔底部有栅板式填料支承装置。填料塔底部有液封装置，以避免气体泄漏。
（2）填料：金属丝网板波纹规整填料，规格：Φ100×100。
（3）转子流量计；
（4）空压机：压力0.8MPa ，排气量0.08 m3/min；
（5）二氧化碳钢瓶钢瓶；
四、实验步骤与注意事项
1. 实验步骤
（1）熟悉实验流程及其配套仪器结构、原理、使用方法及其注意事项；
（2）打开仪表电源开关；
（3）开启液体调节阀门，让水进入填料塔润湿填料，仔细调节液体调节阀门，使液体转子流量计流量稳定在某一实验值。（塔底液封控制：仔细调节阀门2的开度，使塔底液位缓慢地在一段区间内变化，以免塔底液封过高溢满或过低而泄气；
（4）启动空压机，打开CO 2钢瓶总阀，并缓慢调节钢瓶的减压阀（注意减压阀的开关方向与普通阀门的开关方向相反，顺时针为开，逆时针为关），使其压力稳定在0.1～0.2Mpa 左右；
（5）调节CO 2转子流量计的流量，使其稳定在某一值；
（6）待塔操作稳定后，读取各流量计的读数，并读取各温度读数，进行取样并分析出塔顶、塔底气相组成；
（7）实验完毕，关闭CO 2转子流量计，液体转子流量计，再关闭空压机电源开关，清理实验仪器和实验场地。
2．注意事项
（1）固定好操作点后，应随时注意调整以保持各量不变。
（2）在填料塔操作条件改变后，需要有较长的稳定时间，一定要等到稳定以后方能读取有关数据。
（3）由于CO 2在水中的溶解度很小，因此，在分析组成时一定要仔细认真，这是做好本试验的关键。
五、实验数据记录及处理
1．在双对数坐标纸上绘图表示二氧化碳解吸时体积传质系数、传质单元高度与气体流量的关系。
2． 列出实验结果与计算示例。
六、思考题
1．本实验中，为什么塔底要有液封？液封高度如何计算？
2．测定Kxa 有什么工程意义？
3．当气体温度和液体温度不同时，应用什么温度计算亨利系数？
附：二氧化碳液相浓度的气敏电极分析法
1．原理
二氧化碳气敏电极是基于界面化学反应的敏化电极，实际上是一种化学电池，它以平板玻璃电极为指示电极Ag —AgCl 为外参比电极，这对电极组装在一个套管中，管中盛有电解质溶液(电极内充液) ，管底部紧靠选择性电极敏感膜。装有透气膜使电解液与外部试液隔开，
如图4—33所示。
测定试液中CO2时，向试液中加入适量的酸，使HCO3－转化成CO2气体，CO2气体扩散透过透气膜，进入气敏电极的敏感膜与透气膜间的极薄液层内，使得NaHCO3电解质溶液平衡发生移动，由玻璃电极测得其pH 值的变化，从而间接测得试液中CO2浓度。 CO2气敏电极与Ag —AgCl 电极组成如下工作电池：
根据理论分析，此时电池的电动势为
E ＝K —（2.303RT ／F ）·1og[HCO3-] （4 30） 可见，在一定的实验条件下，溶液中HCO3－浓度的对数值与电池的电动势E 成线性关系。为此，可配制一系列已知HCO3－浓度的溶液，测出其相应的电动势，然后把测得的E 值对log[HCO3－]值绘制标准曲线(或回归成E 与log[HCO3－]的线性关系) ，在同样条件下测出对应于欲测溶液的E 值，即可从标准曲线上查得试液中的[HCO3－](或由回归方程求得) 。
2．测试装置与方法
(1)测试仪器
PHS —3C 型酸度计(上海雷磁分析仪器厂) 。
502型CO2气敏电极(江苏电分析仪器厂) 。
501型超级恒温槽。
电磁搅拌器，玻璃夹套杯。50℃精密温度计。
(2) 装置流程 图4—33 CO 2气敏电极示意
CO2气敏电极测量装置流程如图4—34所示。
(3)实验用药品
NaCl(分析纯) ，NaHCO3(分析纯) ，浓硫酸(化学纯) ，柠檬酸三钠，AgCl 晶体。
(4)试验方法
（i ）溶液配制
①电极内充液
准确称取0.8401gNaHCO3(室温干燥24h) 和5.844gNaCI(100℃干燥) ，溶于AgCI 饱和液中。配制成1000ml 溶液。
②NaHCO3标准液
准确称取8.40lgNaHCO3(室
温干燥24h) ．溶于去离子水中,
井稀释成1000ml ，即成
10-1mol/L溶液, 然后逐级稀释
成10-2～10-6mol/L的
NaHCO3标准液。
③0.5mol/L H2SO4 溶液
量取98％浓硫酸27.2mL ，
用水稀释成1000mL 即可配得。
④0.333mol/L柠檬酸三钠溶液
称取148.5g 柠檬酸三钠，溶于1000ml 水中。
（ii ）电极预处理
①取出玻璃平板电极浸泡在去离子水中，活化24h 以上。但要注意，Ag —AgCI 电极在活化时不要浸入水中。
②活化后的玻璃平板电极用去离子水和电极内充液冲洗，套管亦先后用去离子水和电极内充液冲洗，然后往其中加入一定的内充液，装好电极。
③将电极置于去离子水中反复冲洗直至E ≥450mV ，这时取出电极，吸干水分，电极方可使用。
(iii)试验方法
取25ml 试液置于玻璃夹套杯中，开动恒温水浴和电磁搅拌器，并向杯中注人2.5ml 、0.333mol/L柠檬酸三钠溶液，等温度稳定后，再向杯内加5ml,0.5mol/L H2SO4溶液，等酸图4－
度计所显毫伏数降至最低时，记下该读数值，这就是所要测得的数据。
倒去杯内试液，用去离子水冲洗玻璃夹套杯和电极，使电极的毫伏数E ≥450mV ，用滤纸吸干电极套管外壳及膜外的水分，再测另一试液。
测量大量试样时，应尽可能先测低浓度，后测高浓度，这样可以缩短平衡时间。
3．数据处理
(1)E～lg[CO2]的关系：
按上述实验方法：在每次开实验前，由实验室人员测定30℃时NaHCO3标准液的毫伏数，并回归出E ～lg(CO2)关系式，并存于吸收实验的数据处理程序中，供实验者使用。
(2)实验测得试样的毫伏数代人回归方程，即可求得液相中CO2浓度。
(3)计算示例：
已知30℃条件下，NaHCO3标准液的回归方程为E ＝—45.5lg(CO2)+230.5 mV ，试问当吸收塔塔底液相试样在30℃相同条件下测得的电动势为346mV 时，其浓度为多少? 解：代人上述回归方程得
lg [CO 2]=
346230. 5=45. 52. 538
则塔底液相的摩尔分率为
X =10
2. 358/55. 56=5. 21×105