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吸收與解吸實驗裝置 說 明 書 一、實驗目的及任務： 1、熟悉填料塔的構造與操作。 2、觀察填料塔流體力學狀況，測定壓降與氣速的關系曲線。 3、掌握總傳質系數Kxa的測定方法并分析影響因素。 4、學習氣液連續(xù)接觸式填料塔，利用傳質速率方程處理傳質問題的方法。 二、基本原理： 本裝置先用吸收柱將水吸收純氧形成富氧水后（并流操作），送入解吸塔頂再用空氣進行解吸，實驗需測定不同液量和氣量下的解吸總傳質系數Kxa，并進行關聯，得到Kxa=ALaVb的關聯式，同時對四種不同填料的傳質效果及流體力學性能進行比較。本實驗引入了計算機在線數據采集技術，加快了數據記錄與處理的速度。 1、填料塔流體力學特性： 圖1 填料層壓降–空塔氣速關系示意圖 氣體通過干填料層時，流體流動引起的壓降和湍流流動引起的壓降規(guī)律相一致。在雙對數坐標系中，此壓降對氣速作圖可得一斜率為1.8～2的直線（圖中aa線）。當有噴淋量時，在低氣速下（c點以前）壓降也正比于氣速的1.8～2次冪，但大于同一氣速下干填料的壓降（圖中bc段）。隨氣速的增加，出現載點（圖1中c點），持液量開始增大，壓降-氣速線向上彎，斜率變陡（圖中cd段）。到液泛點（圖中d點）后，在幾乎不變的氣速下，壓降急劇上升。 2、傳質實驗： 填料塔與板式塔氣液兩相接觸情況不同。在填料塔中，兩相傳質主要是在填料有效濕表面上進行，需要計算完成一定吸收任務所需填料高度，其計算方法有：傳質系數法、傳質單元法和等板高度法。 本實驗是對富氧水進行解吸。由于富氧水濃度很小，可認為氣液兩相的平衡關系服從亨利定律，即平衡線為直線，操作線也是直線，因此可以用對數平均濃度差計算填料層傳質平均推動力。整理得到相應的傳質速率方式為： 其中 相關的填料層高度的基本計算式為： 即 其中 ， 式中： GA —單位時間內氧的解吸量[Kmol/h] Kxa —總體積傳質系數[Kmol/m3?h?Δx] VP —填料層體積[m3] Δxm—液相對數平均濃度差 x1 —液相進塔時的摩爾分率（塔頂） xe1 —與出塔氣相y1平衡的液相摩爾分率（塔頂） x2 —液相出塔的摩爾分率（塔底） xe2 —與進塔氣相y2平衡的液相摩爾分率（塔底） Z —填料層高度[m] Ω —塔截面積[m2] L —解吸液流量[Kmol/h] HOL—以液相為推動力的傳質單元高度 NOL—以液相為推動力的傳質單元數 由于氧氣為難溶氣體，在水中的溶解度很小，因此傳質阻力幾乎全部集中于液膜中，即Kx=kx, 由于屬液膜控制過程，所以要提高總傳質系數Kxa，應增大液相的湍動程度。 在y—x圖中，解吸過程的操作線在平衡線下方，本實驗中還是一條平行于橫坐標的水平線（因氧在水中濃度很?。?。 備注：本實驗在計算時，氣液相濃度的單位用摩爾分率而不用摩爾比，這是因為在y—x圖中，平衡線為直線，操作線也是直線，計算比較簡單。 三、裝置說明與操作： 1．基本數據： 解吸塔徑Φ=0.1m，吸收塔徑Φ=0.032m，填料層高度0.8m（陶瓷拉西環(huán)、陶瓷波紋板、金屬波紋絲網填料）和0.83m（金屬θ環(huán)）。 填料參數： 瓷拉西環(huán) 金屬θ環(huán) 12121.3[mm] 10100.1[mm] at=403[m2/m3] at—540[m-1] ε=0.764[m3/m3] ε—0.97 at/ε=903[m2/m3] 2．實驗流程： 圖2是氧氣吸收解吸裝置流程圖。氧氣由氧氣鋼瓶供給，經減壓閥2進入氧氣緩沖罐4，穩(wěn)壓在0.03～0.04[Mpa],為確保安全，緩沖罐上裝有安全閥6，由閥7調節(jié)氧氣流量，并經轉子流量計8計量，進入吸收塔9中，與水并流吸收。含富氧水經管道在解吸塔的頂部噴淋?？諝庥娠L機13供給，經緩沖罐14，由閥16調節(jié)流量經轉子流量計17計量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解吸后的尾氣從塔頂排出，貧氧水從塔底經平衡罐19排出。 自來水經調節(jié)閥10，由轉子流量計17計量后進入吸收柱。 由于氣體流量與氣體狀態(tài)有關，所以每個氣體流量計前均有表壓計和溫度計。空氣流量計前裝有計前表壓計23。為了測量填料層壓降，解吸塔裝有壓差計22。 在解吸塔入口設有入口采出閥12，用于采集入口水樣，出口水樣在塔底排液平衡罐上采出閥20取樣。 兩水樣液相氧濃度由9070型測氧儀測得。 圖2、氧氣吸收與解吸實驗流程圖 1、氧氣鋼瓶 9、吸收塔 17、空氣轉子流量計 2、氧減壓閥 10、水流量調節(jié)閥 18、解吸塔 3、氧壓力表 11、水轉子流量計 19、液位平衡罐 4、氧緩沖罐 12、富氧水取樣閥 20、貧氧水取樣閥 5、氧壓力表 13、風機 21、溫度計 6、安全閥 14、空氣緩沖罐 22、壓差計 7、氧氣流量調節(jié)閥 15、溫度計 23、流量計前表壓計 8、氧轉子流量計 16、空氣流量調節(jié)閥 24、防水倒灌閥 3．操作要點 ①、流體力學性能測定 (1) (1) 測定干填料壓降時，塔內填料務必事先吹干。 (2) (2) 測定濕填料壓降 a. a. 測定前要進行預液泛，使填料表面充分潤濕。 b. b. 實驗接近液泛時，進塔氣體的增加量要減小，否則圖中泛點不容易找到。密切觀察填料表面氣液接觸狀況，并注意填料層壓降變化幅度，務必讓各參數穩(wěn)定后再讀數據，液泛后填料層壓降在幾乎不變氣速下明顯上升，務必要掌握這個特點。稍稍增加氣量，再取一、兩個點即可。注意不要使氣速過分超過泛點，避免沖破和沖跑填料。 (3)注意空氣轉子流量計的調節(jié)閥要緩慢開啟和關閉，以免撞破玻璃管。 ②、傳質實驗 (1) (1) 氧氣減壓后進入緩沖罐，罐內壓力保持0.03～0.04[Mpa],不要過高，并注意減壓閥使用方法。為防止水倒灌進入氧氣轉子流量計中，開水前要關閉防倒灌閥24，或先通入氧氣后通水。 (2) (2) 傳質實驗操作條件選取 水噴淋密度取10～15[m3/m2?h]，空塔氣速0.5～0.8[m/s]氧氣入塔流量為0.01～0.02[m3/h]，適當調節(jié)氧氣流量，使吸收后的富氧水濃度控制在≤19.9[ppm]。 (3) (3) 塔頂和塔底液相氧濃度測定： 分別從塔頂與塔底取出富氧水和貧氧水，用測氧儀分析各自氧的含量。（測氧儀的使用見附錄） (4) (4) 實驗完畢，關閉氧氣時，務必先關氧氣鋼瓶總閥，然后才能關閉減壓閥2及調節(jié)閥8。檢查總電源、總水閥及各管路閥門，確實安全后方可離開。 四、吸收與解吸實驗數據采集程序的安裝與使用 （一）硬件與系統(tǒng)配制要求 1.CPU: 奔騰/166以上; 2.內存: 16兆以上; 3.顯示器: VGA彩顯，1024768像素點; 4.系統(tǒng): WIN98,WINXP; 5.通訊口: 1個RS-232串行通訊口。 （二）計算機與儀表間的通訊 AI工業(yè)調節(jié)器（它是以RS-485方式進行通訊的，所以一個通訊口可以接多塊儀表）的17、18號接線柱分別與通訊控制器的端口1或2連接，變頻儀通訊端口與通訊控制器的端口3連接，通訊控制器端口4與計算機的串行通訊口（即COM1）相連接，實現數據通訊（見圖3）。 圖3 （三）軟件安裝 在WIN98或WINXP系統(tǒng)下運行軟盤中的SETUP.EXE，啟動安裝向導，安裝數據采集程序。安裝程序自動在“開始”菜單的“程序”項中建立一個“氧解吸實驗”的快捷方式。點擊此快捷方式，便可運行數據采集軟件。 （四）吸收與解吸實驗數據采集系統(tǒng)的運行與使用 當系統(tǒng)安裝完畢后，啟動程序。若為第一次運行此軟件，屏幕中會出現一個提示框，要求用戶輸入孔板流量計的參數和換熱器的管長及管徑。點擊“確定”，屏幕上會出現初始畫面(見圖4) 若用戶第一次使用此軟件，會出現一窗口，要求用戶輸入： 空氣孔板流量計的參數A1，A2； 填料層高度m；(見圖5) 圖5 其中：A1、A2見附錄二。 這些參數只需要輸入一次，將來運行軟件時，若這些參數不需要修改，則不用再輸入這些數據了。 1.數據采集 當選擇數據采集項時，程序則要求用戶輸入保存數據的文件名。當用戶輸入文件名后，程序進入主畫面，即吸收實驗的流程圖（見圖6），在此圖中1-數字顯示框為空氣進口溫度（℃）,2-數字顯示框空氣壓力（kPa），3-數字顯示框為空氣流量（m3/h），4-數字顯示框為填料塔壓降（kPa），5-數字顯示框為水流量（l/h），6-數字顯示框水溫（℃），7-數字顯示框為入塔富氧水含氧量（mg/l），8-數字顯示框為出塔貧氧水含氧量（mg/l）。在畫面上方有一排4 個按鈕，其分別為: “實驗選擇”，"記錄數據"，"查看數據"，"退出" 圖6 ①實驗選擇 選此功能時，出現第一級下拉菜單，分別為“流體力學實驗”，“傳質實驗”（見圖7）。此時，若選“流體力學實驗”，則又出現第二級下拉菜單，為“干填料”，“濕填料”（見圖8）。若選“干填料”，則說明用戶要做干填料時的流體力 圖7 學實驗。若選“濕填料”，則出現第三級下拉菜單，分別為“第一噴淋量”、“第二噴淋量”、“第三噴淋量”、“第四噴淋量”，（見圖9）本軟件可以允許用戶一次實驗做四組噴淋量下的濕填料流體力學實驗數據，當用戶調整好水的流量時，確定第幾噴淋量，則軟件將第一次記錄的水流量 圖8 圖9 做為基準，進行實驗，當實驗中水的流量改變了5 l/h 時，軟件會自動提醒用戶水量改變，要求用戶調整水量，或選擇另一噴淋量做實驗。當用戶改變了水的流量后，準備做另一噴淋量下的實驗時，必須選擇另一噴淋量，如：前面實驗選的是“第一噴淋量”，水的流量為100 l/h，則當實驗者改變水量為 150 l/h時，則必須選擇“第二噴淋量”或“第三噴淋量”或“第四噴淋量”，否則計算機將不給記錄數據。若前面已經做過“第一噴淋量”的實驗了，現在想返回再補幾組數據，如前面做了水流量為100 l/h的實驗，并將其定為“第一噴淋量”，現在要補幾組數據，則要將水流量調整到95-105 l/h之間，之后選擇“第一噴淋量”，此時就可以繼續(xù)做“第一噴淋量”下的實驗了。 在第一級菜單下選則“傳質實驗”，則可以進行氧的吸收與解吸實驗。由于富氧水的含氧量與貧氧水的含氧量必須由溶氧儀來測定，不能在線數據采集，所以必須人工輸入。 具體做法是用鼠標電擊數字顯示框7旁邊的“測氧儀”，則屏幕中出現一詢問窗口，要求實驗者輸入入塔水中氧的含量，此時實驗者將由溶氧儀測定的富氧水的含氧量輸入，則在數字顯示框7中顯示富氧水的含氧量。用鼠標電擊數字顯示框8旁邊的“測氧儀”，按照前面的操作方法一樣操作，則在數字顯示框8中顯示貧氧水的含氧量。 ②記錄數據 將當前最新的數據存入前面選定的數據文件中。 ③查看數據 選此功能時，出現一下拉菜單，分別為“實驗數據”及“實驗結果”（見圖10）。當選擇“實驗數據”時，畫面中出現 圖10 一列表框，將前面所有記錄當前實驗的數據全部列出來，供用戶查看，如當前做的是“干填料”的流體力學實驗，則顯示“干填料”的流體力學實驗的實驗數據，若做的是“第二噴淋量”下的流體力學實驗，則顯示“第二噴淋量”下的流體力學實驗的實驗數據。若用戶對某一組數據不滿意，可以刪除。當選擇“實驗結果”時，若做流體力學實驗，則屏幕中出現一橫坐標為空塔氣速，縱坐標為單位填料高度下的填料塔壓降的雙對數坐標系，將用戶當前實驗的實驗結果繪出。若做傳質實驗，則出現一列表框，給出實驗結果，即Kxa及Hol。 ④退出 選此按鈕時，程序退出采集回到主菜單。 2.顯示結果 當用戶在圖4畫面中選擇"顯示結果"，程序會要求用戶輸入數據文件名，之后屏幕中出現（圖11）： 圖11 選擇“打開文件”，屏幕中出現一詢問框，要求用戶輸入要打開的數據文件名。 圖12 點擊“查看數據”，出現一下拉菜單，分別為“流體力學實驗”，“傳質實驗”。當用戶選擇之后，屏幕中出現一個列表，將用戶要查看的數據文件中的數據列于表內（見圖12）。此時，若發(fā)現某組數據不好，點擊此數據行，此時“刪除”項變黑，然后選擇“刪除”，可刪除此組數據。若要打印數據，點擊“打印數據”，則可在打印機中打出此表中的全部數據。 點擊“實驗結果”，也出現一下拉菜單，分別為“流體力學實驗”，“傳質實驗”（見圖13）。此時若選“流體力學實驗”，著屏幕中出現一橫坐標為空塔氣速，縱坐標為單位填料高度下的填料塔壓降的雙對數坐標系，將用戶全部流體里學實驗（包括“干填料”及濕填料）的實驗結果繪出（見圖14）。若選擇“傳質實驗”，則出現一列表框，給出實驗結果，即Kxa及Hol。（見圖15） 圖13 圖14 3.修改參數 在圖4畫面中選“修改參數”時，屏幕中會出現一個提示框，要求用戶輸入： 空氣孔板流量計的參數A1，A2； 填料層高度m；（見圖5） 其中：A1、A2見附錄二。 這些參數只需要輸入一次，將來運行軟件時，若這些參數不需要修改，則不用再輸入這些數據了。 4.退出 當用戶在初始畫面中選"退出"時，即結束程序的運行。 圖15 附錄一 吸收裝置各個儀表的單位及參數設定 儀 表 空氣溫度 空氣壓力 空氣孔板 塔壓降 渦輪流量計 水溫度 單 位 C kPa kPa kPa l/h C Sn 21 33 33 33 33 21 DIP 1 2 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：若孔板壓差與管路壓降在無流量時，儀表顯示的測量值不為0，說明壓力傳感器出現漂移，則利用儀表中的SC進行零點調整。例： 無流量時儀表顯示的測量值為3，則將SC設定為 -3。 附錄二 孔板流量計的計算公式與參數 1． 1． 孔板流量計計算公式 ① 空氣： V=A1 RA2 V：流量，單位m3/h R：孔板壓差，單位 kPa 2．孔板流量計參數 A1=20.1 A2=0.47 附錄三： 1、氧氣不同溫度下的亨利系數E可用下式求?。? [Kpa] 2、不同溫度氧在水中的濃度： 溫度℃ 濃度ppm 溫度℃ 濃度ppm 溫度℃ 濃度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 10.0699 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 附錄四：溶氧儀使用說明書 A、初次使用 1、 1、裝入電池。 2、 2、將氧探頭與溫度探頭插在儀表上。 3、 3、準備一杯清水，在空氣中靜止數小時，使其成為飽和氧水溶液。 4、 4、將氧探頭與溫度探頭同時插入飽和水溶液中，約十分鐘使其極化。 5、 5、若探頭一直保持連接狀態(tài)，就不再需要極化操作，關閉儀表不受影響。 B、測量 1、 1、 按ON鍵打開儀表。 2、 2、 將兩探頭同時插入飽和氧水溶液中，并要溶液保持流動，若不流動，需要攪拌。 3、 3、 按MODE鍵，使屏幕中右下腳顯示 %，調節(jié)Slope旋扭，使屏中數據達到100%。 4、 4、 按MODE鍵，使左下腳顯示zero，調節(jié)zero鍵，使屏中數據為0。 5、 5、 重復以上3、4步，使zero指示為0時，滿度保持在100%。 6、 6、 將探頭放入被測溶液中，同時需要攪拌。 7、 7、 按MODE鍵，使右上角顯示mg/l，此時屏幕中的數據即為此溶液的含氧量（PPM或mg/l）。 C、其他注意事項 1、 1、 測量完畢，按OFF鍵關閉儀表，不要卸掉電池與探頭。 2、 2、 將氧探頭插入裝有足量水的保護套內。 3、 3、 探頭與儀表使用時，要輕拿輕放，特別要注意，不要使氧探頭的膜與其他硬物相碰，以免將膜碰破。 4、 4、 儀表測量范圍，含氧0～19.9mg/l的水溶液，測量溫度在-30℃～150℃之間。 D、大氣壓校正 % 大氣壓 [mmHg] E、氧探頭結構示意圖 附錄五：總傳質系數Kxa及液相總傳質單元高度HoL整理步驟: ① ① 使用狀態(tài)下的空氣流量V2 [m3/h] V1 —空氣轉子流量計示值[m3/h] T1、P1 —標定狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，[K]、[Kpa]。 T2、P2 —使用狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，[K]、[Kpa]。 ②單位時間氧解吸量GA L —水流量 [Kmol/h] x1、x2 —液相進塔、出塔的摩爾分率 ③進塔氣相濃度y2，出塔氣相濃度y1 y1= y2=0.21 ④對數平均濃度差 ， 式中：m —相平衡常數（m=E/P） E —亨利常數 P —系統(tǒng)總壓強 P=大氣壓+1/2（填料層壓差） ⑤液相總體積傳質系數Kxa （kmol/m3??h） Vp –填料層體積 m3 ⑥液相總傳質單元高度HoL（m） HoL=L/Kxa??Ω L—水的流量 kmol/s Ω—填料塔截面積 m2