1、吸收与解吸实验装置 说 明 书 一、实验目的及任务： 1、熟悉填料塔的构造与操作。 2、观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。 3、掌握总传质系数 Kxa 的测定方法并分析影响因素。 4、学习气液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法。 二、基本原理： 本装置先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作） ，送入解吸塔顶 再用空气进行解吸，实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数 Kxa，并 进行关联，得到 Kxa=ALaVb 的关联式，同时对四种不同填料的传质效果及流 体力学性能进行比较。本实验引入了计算机在线数据采集技术，加快了数据记 录与处理的速度。 1、填料
2、塔流体力学特性： 气体通过干填料层时，流体流动引起的压 降和湍流流动引起的压降规律相一致。在双对 数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为 1.82 的直线（图中 aa 线） 。当有喷淋量时， 在低气速下（c 点以前）压降也正比于气速的 1.82 次幂，但大于同一气速下干填料的压降 （图中 bc 段） 。随气速的增加，出现载点（图 1 中 c 点） ，持液量开 始增大，压降-气速线 向上弯，斜率变陡 （图中 cd 段） 。到液泛点 （图中 d 点）后，在 几乎不变的气速下，压降急剧上升。 2、传质实验： 填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。在填料塔中，两相传质主要是在 填料有效湿表面上进行，需
3、要计算完成一定吸收任务所需填料高度，其计算方 法有：传质系数法、传质单元法和等板高度法。 本实验是对富氧水进行解吸。由于富氧水浓度很小，可认为气液两相的平 衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也是直线，因此可以用对数平 均浓度差计算填料层传质平均推动力。整理得到相应的传质速率方式为： mpxAVaKG 其中 2 11ln)()(eeex 图 1 填料层压降空 塔气速关系示意图 21xLGA ZVp 相关的填料层高度的基本计算式为： OLxex NHdaKZ12 即 OLLN/ 其中 mxeOLx N2112 ， aKx 式中： GA 单位时间内氧的解吸量Kmol/h Kxa 总体积传质系
4、数 Kmol/m3hx VP 填料层体积 m3 x m液相对数平均浓度差 x1 液相进塔时的摩尔分率（塔顶） xe1 与出塔气相 y1 平衡的液相摩尔分率（塔顶） x2 液相出塔的摩尔分率（塔底） xe2 与进塔气相 y2 平衡的液相摩尔分率（塔底） Z 填料层高度m 塔截面积m 2 L 解吸液流量Kmol/h HOL以液相为推动力的传质单元高度 NOL以液相为推动力的传质单元数 由于氧气为难溶气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中 于液膜中，即 Kx=kx, 由于属液膜控制过程，所以要提高总传质系数 Kxa，应增 大液相的湍动程度。 在 yx 图中，解吸过程的操作线在平衡线下方，
5、本实验中还是一条平行于 横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小） 。 备注：本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分率而不用摩尔比，这 是因为在 yx 图中，平衡线为直线，操作线也是直线，计算比较简单。 三、装置说明与操作： 1基本数据： 解吸塔径 =0.1m，吸收塔径 =0.032m，填料层高度 0.8m（陶瓷拉西环、 陶瓷波纹板、金属波纹丝网填料）和 0.83m（金属 环） 。 填料参数： 瓷拉西环 金属 环 12121.3mm 10100.1mm at=403m2/m3 at540m-1 =0.764m 3/m3 0.97 at/=903m 2/m3 2实验流程： 图 2 是氧气吸收解吸装置
6、流程图。氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀 2 进入 氧气缓冲罐 4，稳压在 0.030.04Mpa,为确保安全，缓冲罐上装有安全阀 6， 由阀 7 调节氧气流量，并经转子流量计 8 计量，进入吸收塔 9 中，与水并流吸 收。含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。空气由风机 13 供给，经缓冲罐 14，由阀 16 调节流量经转子流量计 17 计量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解 吸后的尾气从塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐 19 排出。 自来水经调节阀 10，由转子流量计 17 计量后进入吸收柱。 由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度 计。空气流量计前装有计前表压计 23。为了测
7、量填料层压降，解吸塔装有压差 计 22。 在解吸塔入口设有入口采出阀 12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排 液平衡罐上采出阀 20 取样。 两水样液相氧浓度由 9070 型测氧仪测得。 排空 排入地沟水 图 2、氧气吸收与解吸实验流程图 1、氧气钢瓶 9、吸收塔 17、空气转子流量计 2、氧减压阀 10、水流量调节阀 18、解吸塔 3、氧压力表 11、水转子流量计 19、液位平衡罐 4、氧缓冲罐 12、富氧水取样阀 20、贫氧水取样阀 5、氧压力表 13、风机 21、温度计 6、安全阀 14、空气缓冲罐 22、压差计 7、氧气流量调节阀 15、温度计 23、流量计前表压计 8、氧转子流量计
8、 16、空气流量调节阀 24、防水倒灌阀 3操作要点 、流体力学性能测定 (1)(1) 测定干填料压降时，塔内填料务必事先吹干。 (2)(2) 测定湿填料压降 a. a. 测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。 b. b. 实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减小，否则图中泛点不 容易找到。密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变 化幅度，务必让各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎 不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍稍增加气量，再取 一、两个点即可。注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑 填料。 (3)注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。 、
9、传质实验 (1)(1) 氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持 0.030.04Mpa,不要 过高，并注意减压阀使用方法。为防止水倒灌进入氧气转子流量计中， 开水前要关闭防倒灌阀 24，或先通入氧气后通水。 (2)(2) 传质实验操作条件选取 水喷淋密度取 1015m 3/m2h，空塔气速 0.50.8m/s氧气入塔流 量为 0.010.02m 3/h，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度 控制在19.9ppm 。 (3)(3) 塔顶和塔底液相氧浓度测定： 分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水，用测氧仪分析各自氧的含量。 （测氧仪的使用见附录） (4)(4) 实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶
10、总阀，然后才能关 闭减压阀 2 及调节阀 8。检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全 后方可离开。 四、吸收与解吸实验数据采集程序的安装与使用 （一）硬件与系统配制要求 1.CPU: 奔腾/166 以上; 2.内存: 16 兆以上; 3.显示器: VGA 彩显，1024768 像素点; 4.系统: WIN98,WINXP; 5.通讯口: 1 个 RS-232 串行通讯口。 （二）计算机与仪表间的通讯 AI 工业调节器（它是以 RS-485 方式进行通讯的，所以一个通讯口可以接 多块仪表）的 17、18 号接线柱分别与通讯控制器的端口 1 或 2 连接，变频仪通 讯端口与通讯控制器的端口 3
11、连接，通讯控制器端口 4 与计算机的串行通讯口 （即 COM1）相连接，实现数据通讯（见图 3） 。 图 3 （三）软件安装 在 WIN98 或 WINXP 系统下运行软盘中的 SETUP.EXE，启动安装向导，安装 数据采集程序。安装程序自动在“开始”菜单的“程序”项中建立一个“氧解 吸实验”的快捷方式。点击此快捷方式，便可运行数据采集软件。 （四）吸收与解吸实验数据采集系统的运行与使用 当系统安装完毕后，启动程序。若为第一次运行此软件，屏幕中会出现一 个提示框，要求用户输入孔板流量计的参数和换热器的管长及管径。点击“确 定” ，屏幕上会出现初始画面(见图 4) 若用户第一次使用此软件，会出
12、现一窗口，要求用户输入： 空气孔板流量计的参数 A1，A2； 填料层高度 m；(见图 5) 图 5 其中：A1、A2 见附录二。 这些参数只需要输入一次，将来运行软件时，若这些参数不需要修改，则 不用再输入这些数据了。 1.数据采集 当选择数据采集项时，程序则要求用户输入保存数据的文件名。当用户输 入文件名后，程序进入主画面，即吸收实验的流程图（见图 6） ，在此图中 1-数 字显示框为空气进口温度（）,2-数字显示框空气压力（kPa） ，3-数字显示框 为空气流量（m 3/h） ，4-数字显示框为填料塔压降（kPa） ，5-数字显示框为水流 量（l/h） ，6-数字显示框水温（） ，7-数字
13、显示框为入塔富氧水含氧量 （mg/l） ，8-数字显示框为出塔贫氧水含氧量（mg/l） 。在画面上方有一排 4 个 按钮，其分别为: “实验选择” ，“记录数据“，“查看数据“，“退出“ 图 6 实验选择 选此功能时，出现第一级下拉菜单，分别为“流体力学实验” ， “传质实验” （见 图 7） 。此时，若选“流体力学实验” ，则又出现第二级下拉菜单，为“干填料” ， “湿填料 ”（见图 8） 。若选 “干填料” ，则说明用户要做干填料时的流体力 图 7 学实验。若选“湿填料” ，则出现第三级下拉菜单，分别为“第一喷淋量” 、 “第 二喷淋量” 、 “第三喷淋量” 、 “第四喷淋量” ， （见图
14、 9）本软件可以允许用户一 次实验做四组喷淋量下的湿填料流体力学实验数据，当用户调整好水的流量时， 确定第几喷淋量，则软件将第一次记录的水流量 图 8 图 9 做为基准，进行实验，当实验中水的流量改变了5 l/h 时，软件会自动提醒 用户水量改变，要求用户调整水量，或选择另一喷淋量做实验。当用户改变了 水的流量后，准备做另一喷淋量下的实验时，必须选择另一喷淋量，如：前面 实验选的是“第一喷淋量” ，水的流量为 100 l/h，则当实验者改变水量为 150 l/h 时，则必须选择“第二喷淋量”或“第三喷淋量”或“第四喷淋量” ，否则 计算机将不给记录数据。若前面已经做过“第一喷淋量”的实验了，现
15、在想返 回再补几组数据，如前面做了水流量为 100 l/h 的实验，并将其定为“第一喷 淋量” ，现在要补几组数据，则要将水流量调整到 95-105 l/h 之间，之后选择 “第一喷淋量” ，此时就可以继续做“第一喷淋量”下的实验了。 在第一级菜单下选则“传质实验” ，则可以进行氧的吸收与解吸实验。由于富氧 水的含氧量与贫氧水的含氧量必须由溶氧仪来测定，不能在线数据采集，所以 必须人工输入。 具体做法是用鼠标电击数字显示框 7 旁边的“测氧仪” ，则屏幕中出现一询问窗 口，要求实验者输入入塔水中氧的含量，此时实验者将由溶氧仪测定的富氧水 的含氧量输入，则在数字显示框 7 中显示富氧水的含氧量。
16、用鼠标电击数字显 示框 8 旁边的“测氧仪” ，按照前面的操作方法一样操作，则在数字显示框 8 中 显示贫氧水的含氧量。 记录数据 将当前最新的数据存入前面选定的数据文件中。 查看数据 选此功能时，出现一下拉菜单，分别为“实验数据”及“实验结果” （见图 10） 。 当选择“实验数据 ”时，画面中出现 图 10 一列表框，将前面所有记录当前实验的数据全部列出来，供用户查看，如当前 做的是“干填料 ”的流体力学实验，则显示 “干填料 ”的流体力学实验的实验 数据，若做的是“第二喷淋量 ”下的流体力学实验，则显示 “第二喷淋量”下 的流体力学实验的实验数据。若用户对某一组数据不满意，可以删除。当选
17、择 “实验结果” 时，若做流体力学实验，则屏幕中出现一横坐标为空塔气速，纵 坐标为单位填料高度下的填料塔压降的双对数坐标系，将用户当前实验的实验 结果绘出。若做传质实验，则出现一列表框，给出实验结果，即 Kxa 及 Hol。 退出 选此按钮时，程序退出采集回到主菜单。 2.显示结果 当用户在图 4 画面中选择“显示结果“，程序会要求用户输入数据文件名， 之后屏幕中出现（图 11）： 图 11 选择“打开文件” ，屏幕中出现一询问框，要求用户输入要打开的数据文件 名。 图 12 点击“查看数据” ，出现一下拉菜单，分别为“流体力学实验” ， “传质实验” 。当用户选择之后，屏幕中出现一个列表，将
18、用户要查看的数据文件中的数据 列于表内（见图 12） 。此时，若发现某组数据不好，点击此数据行，此时“删 除”项变黑，然后选择“删除” ，可删除此组数据。若要打印数据，点击“打印 数据” ，则可在打印机中打出此表中的全部数据。 点击“实验结果” ，也出现一下拉菜单，分别为“流体力学实验” ， “传质实 验” （见图 13） 。此时若选“流体力学实验” ，着屏幕中出现一横坐标为空塔气 速，纵坐标为单位填料高度下的填料塔压降的双对数坐标系，将用户全部流体 里学实验（包括“干填料”及湿填料）的实验结果绘出（见图 14） 。若选择 “传质实验” ，则出现一列表框，给出实验结果，即 Kxa 及 Hol。
19、 （见图 15） 图 13 图 14 3.修改参数 在图 4 画面中选“修改参数”时，屏幕中会出现一个提示框，要求用户输 入： 空气孔板流量计的参数 A1，A2； 填料层高度 m；（见图 5） 其中：A1、A2 见附录二。 这些参数只需要输入一次，将来运行软件时，若这些参数不需要修改，则 不用再输入这些数据了。 4.退出 当用户在初始画面中选“退出“时，即结束程序的运行。 图 15 附录一 吸收装置各个仪表的单位及参数设定 仪 表 空气温度 空气压力 空气孔板 塔压降 涡轮流 量计 水温度 单 位 C kPa kPa kPa l/h C Sn 21 33 33 33 33 21 DIP 1 2
20、 2 2 2 1 Frd 600 FdIP 0 FdIH 1532 DIL 0 0 0 DIH 20 20 20 CF 0 0 0 0 0 0 Addr 1 2 3 4 5 6 bAud 9600 9600 9600 9600 9600 9600 注：若孔板压差与管路压降在无流量时，仪表显示的测量值不为 0，说明压力传感器出现 漂移，则利用仪表中的 SC 进行零点调整。例： 无流量时仪表显示的测量值为 3，则将 SC 设定为 -3。 附录二 孔板流量计的计算公式与参数 11 孔板流量计计算公式 空气： V=A1 RA2 V：流量，单位 m3/h R：孔板压差，单位 kPa 2孔板流量计参数 A
21、1=20.1 A2=0.47 附录三： 1、氧气不同温度下的亨利系数 E 可用下式求取：625 105.20714.1694.8ttE Kpa 2、不同温度氧在水中的浓度： 温度 浓度 ppm 温度 浓度 ppm 温度 浓度 ppm 0.00 14.6400 12.00 10.9305 24.00 8.6583 1.00 14.2453 13.00 10.7027 25.00 8.5109 2.00 13.8687 14.00 10.4838 26.00 8.3693 3.00 13.5094 15.00 10.2713 27.00 8.2335 4.00 13.1668 16.00 10.0
22、699 28.00 8.1034 5.00 12.8399 17.00 9.8733 29.00 7.9790 6.00 12.5280 18.00 9.6827 30.00 7.8602 7.00 12.2305 19.00 9.4917 31.00 7.7470 8.00 11.9465 20.00 9.3160 32.00 7.6394 9.00 11.6752 21.00 9.1357 33.00 7.5373 10.00 11.4160 22.00 8.9707 34.00 7.4406 11.00 11.1680 23.00 8.8116 35.00 7.3495 附录四：溶氧仪使
23、用说明书 A、初次使用 1、1、装入电池。 2、2、将氧探头与温度探头插在仪表上。 3、3、准备一杯清水，在空气中静止数小时，使其成为饱和氧水溶液。 4、4、将氧探头与温度探头同时插入饱和水溶液中，约十分钟使其极 化。 5、5、若探头一直保持连接状态，就不再需要极化操作，关闭仪表不 受影响。 B、测量 1、1、 按 ON 键打开仪表。 2、2、 将两探头同时插入饱和氧水溶液中，并要溶液保持流动， 若不流动，需要搅拌。 3、3、 按 MODE 键，使屏幕中右下脚显示 %，调节 Slope 旋扭，使 屏中数据达到 100%。 4、4、 按 MODE 键，使左下脚显示 zero，调节 zero 键，
24、使屏中数 据为 0。 5、5、 重复以上 3、4 步，使 zero 指示为 0 时，满度保持在 100%。 6、6、 将探头放入被测溶液中，同时需要搅拌。 7、7、 按 MODE 键，使右上角显示 mg/l，此时屏幕中的数据即为此 溶液的含氧量（PPM 或 mg/l） 。 C、其他注意事项 1、1、 测量完毕，按 OFF 键关闭仪表，不要卸掉电池与探头。 2、2、 将氧探头插入装有足量水的保护套内。 3、3、 探头与仪表使用时，要轻拿轻放，特别要注意，不要使氧 探头的膜与其他硬物相碰，以免将膜碰破。 4、4、 仪表测量范围，含氧 019.9mg/l 的水溶液，测量温度在- 30150之间。 D
25、、大气压校正 % 大气压 mmHg E、氧探头结构示意图 温 度 补 偿 器 2银 电 极 3金 电 极 4膜 固 定 器 5海 绵 体 (保 持 湿 润 )6保 护 套 附录五：总传质系数 Kxa 及液相总传质单元高度 HoL整理步骤: 使用状态下的空气流量 V212.TPV m3/h V1 空气转子流量计示值m 3/h T1、P 1 标定状态下空气的温度和压强，K、Kpa。 T2、P 2 使用状态下空气的温度和压强，K、Kpa。 单位时间氧解吸量 GA)(21xLGA L 水流量 Kmol/h x1、x 2 液相进塔、出塔的摩尔分率 进塔气相浓度 y2，出塔气相浓度 y1 y1= y2=0.21 对数平均浓度差 mx 211lneeemxxye/1 ， my/ 式中：m 相平衡常数（m=E/P） E 亨利常数 P 系统总压强 P=大气压+1/2（填料层压差） 液相总体积传质系数 Kxa （kmol/m 3h）mPAxVGa Vp 填料层体积 m 3 液相总传质单元高度 HoL（m） HoL=L/Kxa L水的流量 kmol/s 填料塔截面积 m 2
