6填料塔液侧传质膜系数的测定

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1、实验六填料塔液侧传质膜系数的测定一、实验目的填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛。实验研究传质过程的控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数，尤为重要。本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数和传质单元高度，并通过实验确立液侧传质膜系数与各项操作条件的关系。通过实验，学习掌握研究物质传递过程的一种实验方法，并加深对传质过程原理的理解。二、实验原理图1双膜模型浓度分布图　　　　　　　图2填料塔的物料衡算图双膜模型的基本假设，气侧和液测得吸收质A的传质速率方程可分别表达为气

2、膜　　　GA=kgA(pA－pAi)　　(1)液膜　　　GA=klA(CAi－CA)　　(2)式中：GA－A组分的传质速率，kmol·s-1A－两相接触面积，m2；pA－气侧A组分的平均分压，Pa；pAi－相界面上A组分的分压，Pa；CA－液侧A组分的平均浓度，kmol·m3；CAi－相界面上A组分的浓度，kmol·m3；kg－以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol·mv·s-1·Pa-1；kl－以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m·s-1。以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际

3、传质速率方程又可分别表达为GA=KGA(pA－pA*)　　　　(3)GA=KLA(CA*－CA)　　　　(4)式中：pA*为液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；CA*为气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol·m3；KG为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，kmol·m2·s-1·Pa-1；KL为以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m·s-1。若气液相平衡关系遵循亨利定律：CA=HpA，则　　　(5)　　　　(6)当气膜阻力远大于液

4、膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，KG=kg；反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，KL=kl。如图2所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得：　　　　(a)式中：FL为液相摩尔流率，kmol·s-1；ρL为液相摩尔密度，kmol·s3；根据传质速率基本方程，可写出该为分段的传质速率微分方程：dGA=KL(CA*－CA)aSdh　　(b)联立(a)和(b)两式可得：　　(c)式中:a为气液两相接触的

5、比表面积，m2/m3，S为填料塔的横截面积，m2本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔流率FL和摩尔密度ρL的比值，亦即液相体积流率(Vs)L可视为定值，且设总传质系数KL和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分(c)式，可得填料层高度的计算公式：h=0　CA=CA，2h=h　CA=CA，1；　　　　(7)令，且称HL为液本传质单元高度（HTU）；，且称NL为液相传质单元数（NTU）。因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即

6、h=HL×NL　　　(8)若气液平衡关系遵循亨利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可用下列平均推动力法计算填料层高度和液相传质单元高度：　　　(9)　　　(10)式中ΔCA,m为液相平均推动力，即　　　(11)因为本实验采用纯水吸收纯二氧化碳，则CA,1*=CA,1*=CA*=HpA=Hp　　　(12)二氧化碳的溶解度常数，　　　kmol·m3·Pa-1　(13)式中ρc为水的密度，kg·m-3；Mc为水的摩尔质量，kg·kmol-1；E为亨利系数，Pa。因此，

7、（10）式可简化为　　　　(14)又因本实验采用的物系有仅遵循亨利定律，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　　(15)对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素之间的关系，曾有不少研究者由实验得出各种关联式。其中，Sherwood－Holloway得出如下关联式：　　　(16)式中：DL－吸收质在水中的扩散系数，m2·s-1；L－液体质量流速，kg·m2·s-1；μL－液体粘度，Pa·s或kg·m-1·

8、s-1；ρL－液体密度，kg·m3。应该注意的是Sherwood－Hollwoay关联式中，(kla/DL)和(L/μL)两相没有特性长度。因此，该式也不是真正无因次准数关联式。该式中A，m和n的具体数值需在一定条件下由实验求取。三、实验装置本实验装置由清华华教公司制造安装。本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、高位稳压水槽和各种测量仪表组成，其流程如图3所示。图3填料吸收塔液侧传质膜系数测定实验装置流程1、二氧化碳钢瓶　2、减压阀　3、二氧化碳流量计　4、填料塔5、