清华大学化工实验基础圆盘塔吸收实验报告.doc

化工基础实验报告实验名称圆盘塔吸收液膜传质系数测定班级姓名学号成绩实验时间同组成员1 实验预习11 实验目的1、了解传质系数的测定方法;2、测定氧解吸塔内空塔气速与液体流量对传质系数的影响；3、掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验测定方法;4、关联圆盘塔液膜传质系数与液流速率之间的关系1.2 实验原理图1 圆盘塔吸收实验流程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、三通阀 13、琵琶型液封器圆盘塔是一种小型实验室吸收装置，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，整个流程装置如图1所示装置中的有关尺寸：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,厚度,平均液流周边数,吸收面积在圆盘塔中进行液膜传质系数的测定，液相处于流动状态，气相处于静止状态.简化了实验手段及数据处理，减少了操作过程产生的误差实验证明，本方法的实验结果与Stephens—Morris总结的圆盘塔中的准数关联式相吻合。

Sherwood和Hollowag将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式:式中:—-修正后的舍伍德准数--雷诺准数 —-施密特准数—-模型参数,在0.78~054之间变化而Stephens—Morris总结圆盘塔中的准数关系为：实验证明，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采用纯气体，液相采用蒸馏水,测定纯系统的液膜传质系数，并通过关联液膜传质系数与液流速率之间的关系，求得模型参数值基于双膜理论:当采用纯气体时，因为，所以,即式中：-—液膜传质分系数,——吸收速率，；——吸收表面积，；—-液相浓度的平均推动力，1.3 实验步骤及注意事项在圆盘塔吸收液膜传质系数测定实验中，按如下步骤进行操作：（1）开启水泵，让水充满高位槽2)开启加热设备以及二氧化碳钢瓶，将水流量调节到合适的范围内，进行吸收操作3）打开二氧化碳阀门，向皂泡流量计中鼓入皂泡,用秒表测量皂泡流量计中皂膜下降固定长度（实为体积)的时间，计算出二氧化碳吸收液膜传质系数。

4）在的水流量范围中选取5种水流量进行实验,每组实验测量3次.(5）利用公式，拟合出参数的值.(6）使用钢瓶务必遵守相关安全操作规定,不得急速开关阀门，以防损坏设备2 数据记录原始数据记录如表1所示表1 圆盘塔吸收实验原始数据记录表水流量（）体积（)下降时间（）塔顶水温（）塔顶气温（）塔底水温(）塔底气温()隔套温度（）42400542121.723922.424963.2265.78624.005821.623423.9611562.4824.0056.0621.72422324.523.957.9857.311024.0056321.72422124.824543455.861224.0052.5821122.224.924152.4154.813 实验结果及讨论3.1 数据处理求算每一水流量下，所测得三组皂膜下降时间的平均值，结果如表2所示表2 皂膜平均下降时间水流量（）4681012皂膜平均下降时间（）61.0760.525712555053.27下以水流量为实验组为例,进行数据处理：（1）计算纯系统的液膜总传质系数根据双膜理论：，如果已知吸收速率、圆盘塔吸收表面积和液相浓度的平均推动力，就可以计算出液膜总传质系数的值：①计算吸收速率由于，由此可以得到：所以吸收速率被吸收时，皂膜近似匀速下降，皂膜内的压力与实验气压相等，取实验前后气压值的平均数,即；实验过程中所计量的时长始终是皂膜流量计中皂膜从60。

00 mL刻度下降到8400 mL刻度所经历的时长，故；摩尔气体常数;温度为皂膜流量计中的温度，即为圆盘塔气体进口处的温度值所以对于水流量为的情况，可以得到:②计算圆盘塔吸收表面积40个圆盘，每一圆盘的尺寸为直径，厚度，为让最终计算结果能提供更多的信息，假设这两个尺寸都是精确值.故圆盘塔的吸收表面积为:③计算液相浓度的平均推动力对数平均推动力的表达式为：其中为塔顶以液相浓度表示的传质推动力,为塔底以液相浓度表示的传质推动力；、分别为塔顶和塔底的实际液相浓度，、分别为与塔顶和塔底气相平衡的液相浓度.根据圆盘塔吸收的实际情况，可近似取:微溶于水，在水中的平衡浓度可以用亨利定律描述：其中为溶液的密度，由于溶液浓度低，可以视为纯水处理；为溶剂水的摩尔质量；为水溶液在液相温度下的亨利系数，可以利用文献数据通过曲线拟合的方法得到；为塔顶或塔底的分压，，为塔顶或塔底水温对应的水饱和蒸汽压，可以通过水的安托因方程得到表3 水溶液的亨利系数0510152025303540455060073808881.051241.441.661882.122.362602.873.46尝试后发现用二次多项式拟合亨利系数与温度的关系已能达到让人满意的效果，拟合结果为:水在时的安托因方程为：所以对于水流量为的情况，可以得到：所以液相浓度的平均推动力为④综上，纯系统的液膜总传质系数为当水流量取其他值时，液膜总传质系数的计算过程是相同的,将最终计算结果汇总于下表：表4 不同水流量下圆盘塔中的液膜总传质系数水流量(）4681012NA（)1.601.611。

701751.82（）27.930732.5329液膜总传质系数（）2.772.552.61269（2）关联液膜传质系数与液流速率之间的关系,计算模型参数值Sherwood与Hollowag将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式:观察上式中的变量，除去需要关联的液膜总传质系数和液体流量，剩下的都是物性参数（密度、粘度、扩散系数）和设备参数（平均液流周边数）以及重力加速度和方程参数（方程系数、幂指数）在本实验体系里，设备参数、重力加速度都是常数；Stephens-Morris总结圆盘塔中的准数关系，告诉我们此方程的方程参数也是常数物性参数是温度和压力的函数，此实验中尽管水流量在变化，但塔顶、塔底的气温和水温都没有明显的变化，可以认为上述物性参数均为常数如此可将原关联式简化为:为除和以外的各常数的函数在上式两边同取自然对数,可以得到：其中为函数的截距，是常数；我们所要求的模型参数为函数的斜率，为求其值,只需在直角坐标系中作出散点图，采用最小二乘法拟合出上述直线的表达式，即可得到模型参数的值计算对应关系如表5所示表5 对应关系（除去量纲)1391.79248-10.1—9.70-9.61—9。

58—9.31图2 无量纲散点图及其拟合直线在直角坐标系中作出液相总传质系数—液相流量的双对数无量纲散点图及其拟合直线如下:由上图知，自左至右第1个点误差较大，应予以剔除.剔除后得到的散点图及其拟合直线如下：图3 无量纲散点图及其拟合直线（四组数据）拟合直线的表达式为：,相关系数所以通过实验确定的模型参数的值为.若同时删去1、4两组数据，由三组数据，可以拟合出线性性较好的直线如如4所示图4无量纲散点图及其拟合直线（三组数据）此时拟合直线的表达式为：,相关系数.通过这组拟合,实验确定的模型参数的值为3.2 结果分析（1）实验结论汇总①圆盘塔中吸收液膜总传质系数与水流量的关系:表6不同水流量下圆盘塔中的液膜总传质系数水流量（）4681012液膜总传质系数（）2.772.552.612.61269②上表所示关系可采用Sherwood-Hollowag填充塔液膜传质系数与液相流量关联式进行来描述，上表结果确定该关联式中模型参数的值为0.0788（舍去误差点）2）误差分析吸收液膜总传质系数与水流量的对应数值没有办法直接检验其合理性，但模型参数可以间接反映出液膜总传质系数与水流量的关系Sherwood-Hollowag填充塔液膜传质系数与液相流量关联式模型给出模型参数的合适范围为0.54～0。

78，Stephens—Morris总结圆盘塔中的准数关系时，给出对应的模型参数的值为07；但是本次实验给出，并不在建议范围之内造成这一差别的原因有很多：①数据处理造成的误差为了简化数据处理的过程，在计算过程中做了一些假设和近似，如近似认为塔底液相中的实际浓度为0,塔顶液相中的实际浓度为；在求解Sherwood—Hollowag关联式中的模型参数时近似认为各物性参数没有变化，都会对计算结果造成一定的影响有时候还要考虑计算过程中数据有效数字位数的影响②测量误差测量流量所使用的皂膜流量计和秒表都会带来可观的误差.流量计中使用的皂液会对产生一定的吸收效果，轻薄易变形的皂膜在下降过程中会受到外界环境的一些影响,造成下降速度不稳定，流量计玻璃管内径也无法保证上下完全一致使用秒表计时,人为操作造成的误差很明显，这其中包括开始计时和停止计时的人为判断和反应时间的差异,有时这种影响是比较显著的.转子流量计在调定水流量的时候也有很大的不确定因素，在操作过程中，水流量会出现一定的波动.本次实验中,我和同组同学分别负责计时和开关，所测得皂膜下降时间变化虽然具有正确的趋势（随流量增大而下降速度提高,时间缩短）,但整体均保持在60s左右,与助教测得的时间相比，相差很大.如，在最后一组(12L/h）中，我们测得平均下降时间为53。

27s，助教测得16s左右但在整个实验中，我们每组的3个数据之间能保持相对稳定由于实验结束经助教审查时才发现数据整体异常，求得的m参数也不在合理范围内可能原因之一在于阀门调节程度不合适，有可能出现左右板阀门没有操作到位的情况;另外，在实验中途，当我们观察到流量计示数变化较明显、没能保持在设定值时，我们采取当即调节流量的措施，使得实验中液体流量出现明显波动，这可能是造成实验结果不准的另一原因.4 小结与自评通过本次实验，我和组内同学一起达成了实验目的:通过助教讲解，我们回复了传质系数的测定方法；通过实验，测定了圆盘塔吸收液膜传质系数，并关联了圆盘塔液膜传质系数与液流速率之间的关系;参考Sherwood—Hollowag填充塔液膜传质系数与液相流量关联式模型，求出参数虽然没有得到合理的实验数据，但通过撰写实验报告并对其可能原因进行分析，能更清晰地认识每步操作及其所获取的数据。