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实验二 圆盘塔中二氧化碳吸收的液膜传质系数测定
传质系数的实验测定方法一般有两类，即静力法和动力法。动力法是在一定的实验条件下，在气液两相都处于逆向流动状态下，测定其传质系数。本实验基于动力法，又与动力法不完全相同。其差异在于液相是处于流动状态，而气相在测试时处在不流动的封闭系统中。实验结果与Stephens-Morris总结的圆盘塔中KL的准数关联式相吻合，不足的是只适合在常压(0.1MPa)测试条件下进行。 一、实验目的
（1）掌握气液吸收过程液膜传质系数的实验求取方法。
（2）根据实验数据关联圆盘塔的液膜传质系数与液流速率之间的关系式。 二、实验原理
圆盘塔是一种小型实验室吸收装置：Stephens和Morris根据Higbien的不稳定传质理论. 用水吸收纯CO2气体，实验测得的结果是一致的，且与塔高无关，消除了设备液膜控制时，因波纹现象所产生的端末效应。
（1）Sherwood及Hollowag，将有关填充塔液膜传质系数数据整理成如下形式：
KL??2???2??D?g??K式中 LD
1/3?4??????a??????????D?? (1 )
????1/3m0.5??2???g?2????── 修正修伍德准数Sh
4? ── 雷诺数Re ?
? ── 许密特准数Sc ?D m ── 系数，在0.78 – 0.54之间变化 而Stephens-Morris总结圆盘塔中KL的准数关系式为
K LD??2???g?2????1/3?4???3.22?10?3???????0.7??????D?? ( 2 ) ??0.5在实验围，Stephens-Morris与Sherwood-Hollowag的数据极为吻合。
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（2）基于双膜理论：
NA?KL?F??cm?KG?F??pm (3 ) 1/KL?H/kg?1/kL (4 ) kg?DG?p (5 )
RTZG(pB)m当采用纯CO2气体时，因为(pB)m?0，所以kg??，即KL?kL。
?molm3?式中 kL ── 液膜传质分系数，??hm2?mol??
?? NA── CO2吸收速度，（mol/h）;
F── 吸收表面积，（m）;
2
F?40?(2?d2/4??d?)
3
Δcm── 液相浓度的平均推动力，（mol/m）。 三、实验装置
采用圆盘塔测定液膜传质系数的装置如图3.1所示。设备特点如下：
34T678T9TT12513121011图3.1 圆盘塔实验流装置
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；12－三通玻璃活塞；13－琵琶形液封器
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液相的流向：贮液罐中的吸收液经泵打至高位槽，多余的液体由高位槽溢流口回流到贮液罐，借以维持高位槽液位稳定。由高位槽流出的吸收液由调节阀调节，经转子流量计计量和恒温加热系统加热至一定温度，进入圆盘塔塔顶的喷口，沿圆盘流下并在圆盘的表面进行气液传质。出圆盘塔的吸收液由琵琶形液封溢口排出。液相进出圆盘塔顶、塔底的温度由玻璃水银温度计测得。
气相的流向：纯度在99.8％以上的CO2由高压钢瓶放出，经减压阀调节进入水饱和器和恒温加热系统，通过三通考克切换进入圆盘塔底部。CO2在塔中与自上而下的吸收液逆流接触，之后从塔顶部出来经U型压力计至皂膜流量计排空。
圆盘塔塔套径为30mm、塔外径为55mm、塔高710mm。圆盘塔中的圆盘为素瓷材质，圆盘塔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d=14.3mm，厚度δ=4.3mm，平均液流周边数l?(2?d/4??d?)/d，吸收面积
2F?40?(2?d2/4??d?)，圆盘间用502胶水（或环氧树脂）粘结在不锈钢丝上。
四、实验操作指导 1 开车步骤
（1）系统用CO2置换3～5分钟； （2）开启高位槽进水泵；
（3）根据设置操作温度开启超级恒温槽、气、液加热温控表。 2 实验步骤
（1）系统的气体置换：调节减压阀。切换三通考克使气体进入塔底自下而上由塔顶出来，经皂膜流量计后排空。先将CO2钢瓶减压阀关闭，开启钢瓶总阀，缓慢开启减压阀使气体有一个稳定的流量，一般经10min置换，即可着手进行测定。
（2）开启超级恒温槽，调节接触温度计至操作温度值，由水泵将恒温水注入圆盘塔的隔套层，使恒温水不断地循环流动。
（3）开启高位槽进水泵，当吸收液由高位槽溢流口开始溢出时方可进行下述操作。 （4）调节转子流量计的阀门，使吸收液的流量稳定在设置值上。
（5）调节气体和液体温度控制装置，使气体和液体温度稳定在操作温度值上，其气、液温度间的误差不大于±1℃。
（6）调节琵琶形液封器，使圆盘塔中心管的液面保持在喇叭口处。
（7）液相的流量、温度和气相温度和圆盘塔水隔套中的恒温水温度达到设定值，稳定数分
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钟后，即可进行测定，每次重复做三个数据。
（8）实验操作是在常压下以CO2的体积变化来测定液膜传质系数。当皂膜流量计鼓泡，皂膜至某一刻度时，即切换三通考克的导向，（CO2 直接排空），此时塔体至皂膜流量计形成一个封闭系统，随着吸收液液膜不断更新，塔CO2的体积也随之变小，皂膜流量计中的皂膜开始下降，依据原设置的要求将体积变化ΔV所用的时间Δs记录下来，同时记录下各处的温度。测试一点后即将三通阀恢复至初始状态(CO2进入塔体)。 （9）改变液体流量，继续如上的操作，上下行共做9－10次。 3 停车步骤
（1）关闭水泵及钢瓶气源，仪表温度设置为室温。 （2）切断总电源。 五、思考题：
1本实验中CO2流量的变化对KL有无影响，为什么？
2若液流量小于设置的下限或大于设置的上限将会产生什么后果？五、数据处理及计算方法
（1）液流速率?(kg?m?1?h?1) 的计算：
???Ll ( 式中 ?── 液体的密度，（Kg/m3
）； L── 液体的流量，（m3
/h）； l── 平均液流周边，（m）。
l??2?d24??d??d
（2）气体吸收速率N?1A(mol?h) 的计算：
NA?pVCO2/SRT (7 )
式中 p ── 吸收压力，（Pa）； VCO2── CO2吸收量，（m3
）；
S── 吸收时间，（h)； R── 气体常数，R=8.314；
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6 )
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