薄膜蒸发实验、吸收实验

实验九薄膜蒸发实验一、实验目的1. 熟悉单管升膜蒸发器的结构和流型。2. 观察在垂直管内汽液两相的流型。3 .掌握不同流型下的对流传热系数及蒸汽的干度的测量方法。二、实验原理在垂直管内汽液两相的流型一般可分为泡状流，弹状流，搅拌流以及环 状流。泡状流是指在液相中有近似均匀分散的小气泡的流动；弹状流是指大 多数气体是以较大的枪弹形气泡存在并流动，在弹性泡与管壁之间以及两个 弹性泡之间的液层中充满了小气泡；搅拌流是弹状流的发展，枪弹形泡被破 坏，成狭条状，流型较混乱；环状流则是指含有液滴的连续气相沿管中心向 上流动，含有小气泡的液相则沿管壁向上爬行。图19-1垂直管内两相流流型示意图影响汽液两相流型的主要因素有流体物性(粘度表面张力，密度等)，流道 的集合形状、放置方式(水平、垂直或倾斜)、尺寸、流向以及汽液相的流速 等，对于垂直汽液两相向上流动得升膜蒸发器,当流道直径及物料性质固定 后,各流型的转变主要决定于汽液流量，而关键参数为汽速。环状流的出现一 般是在汽速不小于10m/s,此时料液贴在管内壁拉曳成薄膜状向上流动，环状 液膜上升，必须克服其重力以及与壁面的摩擦力。本实验通过在单管升膜蒸发器中以水为物料，通过改变加热功率来观察 它们的不同流型，计算出他们的传热系数、干度，由此结果分析总结出它们 的规律。根据物料衡算，有(9-1)(9-2)质量衡算：Fx =(F-W)x式中： F 原料液流量L/hx初始液浓度W蒸发量L/hx 完成液浓度1热量衡算：Q = ax S x (t - t )w bw/m.2. oC(9-3)WX gW + Wgl其中：a对流传热系数t 内壁温度oCS 传热面积m2 Le 有效管长mw/m.2. oCQ 传热量 Wt王体温度Cbd 测量管内径mX干度（无因次）W 蒸发器内流出蒸汽量gWl蒸发器内流出液体量三、实验装置及流程0lOOKPa 0賤冲罐 匸蕙汽.发生黑电加热器1罗电加热琴2护图-2(9-4)(9-5)砂 转子谧蚤计2进料泉单管升膜蒸发实验装置流程示意图实验装置面板图见图-3主休濫度C 进科温度壁曲溫度CAI-501BAJ-501BAJ-701B燕汽入口温度t蕴汽出口涨度t v AAI-501BAI-501b| 白毫厂莫空泵-高咱泵电图3设备面板图四、实验步骤1. 实验前准备工作：(1) 关闭水箱底阀，箱内充满待测液体，泵出口回流阀处于全开状态，转 子流量计下的流量调节阀门全部关闭。(2) 将蒸汽发生器内注入四分之三的蒸馏水。2. 实验步骤：(1) 合上电源开关，打开冷却水，启动泵，开启转子流量计调节阀，调节流 量为所 设定的流量值。待蒸发管内充满待测液体后,关闭进料阀。(2) 把蒸汽发生器通电加热100V电压左右，注意观察蒸汽的产生过程。(3) 当有蒸汽产生后，通过玻璃段观察管内流体的流型并将液体流量调 整到到8 l/h。(4) 稳定操作30分钟以上，开始记录下观察到的流型、进料流量、内壁、 主体及蒸汽进出口温度、加热电压、电流及真空度等。(5) 记录蒸汽冷凝量为300毫升时所用的时间。(6) 记录从冷凝器下端出口测取的蒸汽冷凝液量和冷却器下端出口液 体冷却液的量。(7) 启动真空泵，调节真空度为O.OIMpa,观察实验现象，适当提高加 热电压使蒸汽出口温度维持在100度左右。稳定后测取实验数据。(8) 再次改变真空度，待操作稳定后重复上述操作。(9) 实验结束，先切断加热电路、关闭流量计调节阀、停泵、最后切断 电源。五、实验数据表-1 原始数据记录表序 号主体出口 温度。C蒸汽入口 温度C蒸汽出口 温度C壁温C水量L/h电压V电流A真空Mpa蒸汽出口冷 凝量ml1234表-2 数据处理结果序 号回水量mm冷凝量mm现象时间 分钟蒸发量 kg/s传热量 kj/s换热面积m2传热系数 KW/m瓜s干度11234六、思考题1影响汽液两相流型的因素有哪些？2你认为本实验装置的关键部分是什么？为什么？实验十 填料吸收实验一、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1、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AP与气速u的关系如图一所示：图一填料层的APu关系当液体喷淋量L0 = 0时，干填料的APu的关系是直线，如图中的 直线0。当有一定的喷淋量时，APu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AP u 关系分为三个区段：既恒持液量区、载液区及液泛区。2、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。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 G 二 k A(p - p )(10-1)AgAAi液膜 G 二 k A(C C )(10-2)AlAiA式中：G 一A组分的传质速率，kmoI - s-i ；AA 一两相接触面积， m2；P 气侧A组分的平均分压，Pa；AP 相界面上 A 组分的平均分压， Pa；AiC 液侧A组分的平均浓度，kmol - m -3AC 相界面上A组分的浓度kmol - m -3Aik 以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol - m-2 - s-1 - Pa-1;gk 以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m s-1。l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G = K A(p - p*)(10-3)AGAAG 二 K A(C* C )(10-4)ALAA式中：p* 液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；AC* 气相中 A 组分的实际分压所要求的液相平衡浓度， kmol m-3；AK 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，Gkmol m -2 s-1 Pa -1 ；K -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，Lm s-1。若气液相平衡关系遵循享利定律：C = Hp，贝y：AA111二 + K k HKG g l1 H 1= + -K k k10-5)10-6)L g l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，K = k ；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过 Gg程受液膜传质速率控制，此时，K二k。Ll 如图三所示，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：FdG 二-LdC(10-7a)A p AL液相摩尔流率，kmol - s-1 ；Lp液相摩尔密度，kmol - m-3。L 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：dG = K (C * - C )aSdh(10-7b)AL A A- dC联立上两式可得：dh二 -l - dCA(10-8)K aSp C* - CL L A A式中：a气液两相接触的比表面积，m2 m-1；S 填料塔的横载面积， m2。本实验采用水吸收空气中的二氧化碳，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-和摩尔密度p的比值，亦即液相体积流LL率（V ）可视为定值，且设总传质系数Kl和两相接触比表面积a,在整个填 s L L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：h = 0 C 二 C h = h C 二 CAA.2AA 110-9)V C dC h 二 sL - J CA1AK aS c C 一 CLA 2 AAVsLK aSL，且称Hl为液相传质单元高度（HTU）；dCN =J Cai，且称Nl为液相传质单元数（NTU）。 L C C * - CLA 2 AA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 二 H x N（10-10）LL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：Z V C - C K aS ACLAmLHL10-11)10-12 )式中 AC 为液相平均推动力，即A.mAC - ACAC= A2AmACInAiACA2(C* -C ) -(C* -C )A1A2A2C* - CIn A1A1_C * CA2A 210-13 )其中： C* = Hp = Hy p ,A1A11 0二氧化碳的溶解度常数：C*A2=HPA2 = Hy2P0，P0 为大气压。koml - m -3 - Pa-11014 )式中：pw水的密度，kg - m -3;M水的摩尔质量，kg - kmol-i ；wE 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k a = K a = li l hS10-15)C - CA1A2ACAm四、实验装置及流程图六 二氧化碳吸收与解吸实验装置流程示意图1- CO2钢瓶；2- CO2瓶减压阀；3-吸收用气泵；4-吸收液水泵；5-解吸液水泵；6-风机；7-空气旁通阀；描针电压战（皿）吸收液诜粘F：丨股：K；也）1）；1 （灯3 ）%脑度口 （匸： 液悴据度卍re）奴吨治气体谁度C2 （Jil吸收爺悴诫度 ri lft）肥喪闻器开关L：P2O O开关?1P4开关?3O开关图七实验装置面板图五、实验方法及步骤：1. 实验前准备工作：实验前将吸收液水箱、解吸液水箱充满去离子水，将空气流量调节阀门7 全部打开，关闭转子流量计下的阀门。检查二氧化碳气瓶和减压阀是否安装好并 测试是否漏气。配置0.1M的Ba （OH） 2溶液、指示剂酚酞和0.1M的盐酸溶液，准备150ml三角瓶若干、20ml. 10ml移液管、酸式滴定管、铁架台等化学 分析仪器所用的仪器。2. 测量填料塔干填料层（AP/Z）u关系曲线（只做解吸塔）：打开空气旁路调节阀7至全开，启动风机。打开空气流量计,逐渐关小阀门7的开度，调节进塔的空气流量。稳定后读取填料层压降AP的数值，然后改变 空气流量，空气流量从小到大共测定8-10组数据。在对实验数据进行分析处理后，在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标，单位高度的压降厶P/Z为纵坐标， 标绘干填料层(P / Z)u关系曲线。3. 测量填料塔在喷淋量下填料层(AP /Z)u关系曲线：启动解吸液体水泵P3,打开解吸液流量计F4下流量调节阀调节其流量为350 l/h (水流量大小可因设备调整)，采用上面相同步骤调节空气流量，空气流量 从小到大进行调节，稳定后分别读取并记录填料层压降AP、转子流量计读数和 流量计处所显示的空气温度，操作中随时注意观察塔内现象，一旦出现液泛，立 即记下对应空气转子流量计读数。根据实验数据在对数坐标纸上标出液体喷淋量 为400 l/h时的(AP/z)u关系曲线(见图2A )，并在图上确定液泛气速， 与观察到的液泛气速相比较是否吻合。4. 二氧化碳吸收传质系数测定：(1) 启动吸收液水泵P2将液体经流量计F3计量后进入吸收塔中，流量为210 (l/h )左右，启动解吸液水泵P3向解吸塔输送液体，进入解吸塔流量应与进入吸收塔的液体相同。开启风机6对解吸塔液体进行解吸。(2) 开启风机2调节空气流量为0.51.5m3/h，然后打开二氧化碳钢瓶顶上的 减压阀2，向吸收塔内通入二氧化碳气体流量控制在0.2m3/h左右。(3) 吸收操作达到稳定状态20分钟后，测量塔底的水温，同时在塔顶、塔底取 样，测定两塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。(4) 二氧化碳含量测定用移液管吸取0.1M左右的Ba (OH)溶液10mL，放入三角瓶中，并从塔底2附设的取样口处接收塔底溶液10 mL，用胶塞塞好振荡。溶液中加入23滴酚 酞指示剂摇匀，用0.1M的盐酸滴定到粉红色消失即为终点。按下式计算得出溶液中二氧化碳浓度：2CVCVmol,Ba (OH)2 Ba (OH )2HCl HClCO22V溶液六、实验数据记录及处理：表一二氧化碳在水中的亨利系数EX10-5, Kpa气体温度，。C0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46表二干填料时厶P/zu关系测定（L=0填料层高度Z=1.30m塔径D=0.10m）序号填料层压强降(Kpa)单位高度填料层压强降(Pa/m )空气转子流量 计读数 (m3/h )空塔气速(m/s)123456789表三、湿填料时 P/zU关系测定（L= 350l/h 填料层高度 Z=1.30m塔径 D=0.10m）序号填料层压强降(Kpa)单位高度填料层压强降(Pa/m )空气转子流量 计读数 (m3/h )空塔气速(m/s)123456789表四：实验装置填料吸收塔传质实验技术数据表：被吸收的气体：空气+C02混合气体；吸收剂:水； 塔内径:100mm序号121填料种类不锈钢鲍尔环2填料层高度（m）1.301.303CO2转子流量计读数（m3 / h）4流量计处CO2的体积流量（m3 / h）5空气转子流量计读数 （m3/h）6水转子流量计读数（1/h）7中和CO2用Ba(OH)2的浓度 M( mol/l)8中和CO2用Ba（OH）2的体积 （ml）9滴定用盐酸的浓度M （mol/l）10滴定塔底吸收液用盐酸的体积（ml）11滴定空白液用盐酸的体积 （ml）12样品的体积（ml）13塔底液相的温度（C）14亨利常数E108（Pa）15塔底液相浓度 CA1 (kmoI / m3 )16空白液相浓度CA2kmoL / m317CO2 溶解度常数 H 10-7 (kmol/m3*Pa)18Y119吸收塔入口气体浓度y1 （%）20平衡浓度 CA1*(kmol / m3)21Y222吸收塔出口气体浓度y2 （%）23平衡浓度 CA2*( kmol/m3 )24CA1* - CA125CA2* - CA226平均推动力 ACae (kmolCO? / m3)27液相体积传质系数 KXa （ m / s）28吸收率（%）