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    清华大学化工实验基础圆盘塔吸收实验报告

    时间：2020-11-02 11:45:35 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人 蒲公英阅读网手机站

    相关热词搜索：实验 清华大学 圆盘

    　化工底子实验陈诉

    　实验名称

    　 圆盘塔 吸收液膜传质系数测定

    　 班级

    　 姓名

    　学号

    　 结果

    　实验时间

    　 同组成员

    　1 实验预习 1.1 实验目的 1、了解传质系数的测定要领； 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、掌握气液吸收历程液膜传质系数的实验测定要领； 4、关联圆盘塔液膜传质系数与液流速率之间的干系。

    　1.2 实验原理 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，流体在下降吸收历程中瓜代地进行了一系列殽杂和不稳定传质历程，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勾通四十个相互垂直交错的圆盘而成。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 图 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

    　及数据处理惩罚，淘汰了操纵历程产生的误差。实验证明，本要领的实验结果与 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 0.78~0.54 之间变革 而 Stephens-Morris 总结圆盘塔中的 准数干系为：

    　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干系式极相似。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。

    　本实验气相采取纯 气体，液相采取蒸馏水，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干系，求得模型参数 值。

    　基于双膜理论：

    　当采取纯 气体时，因为 ，所以 ，即 。

    　式中：

    　——液膜传质分系数，

    　—— 吸收速率， ；

    　 ——吸收外貌积， ；

    　——液相浓度的平均推动力， 。

    　1.3 实验步调及注意事项 在圆盘塔 吸收液膜传质系数测定实验中，按如下步调进行操纵：

    　（1）开启水泵，让水布满高位槽。

    　（2）开启加热设备以及二氧化碳钢瓶，将水流量调治到符合的范畴内，进行吸收操纵。

    　（3）打开二氧化碳阀门，向皂泡流量计中鼓入皂泡，用秒表丈量皂泡流量计中皂膜下降牢固长度（实为体积）的时间，盘算出二氧化碳吸收液膜传质系数。

    　（4）在 的水流量范畴中选取 5 种水流量进行实验，每组实验丈量 3 次。

    　（5）利用公式 ，拟合出参数 的值。

    　（6）使用 钢瓶务必遵守相关宁静操纵规定，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 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（ ）

    　4 24.00 54.21 21.7 23.9 22.4 24.2 23.9 63.22 65.78 6 24.00 58 21.6 23.9 22.4 24.4 23.9 61.15 62.4 8 24.00 56.06 21.7 24 22.3 24.5 23.9 57.98 57.31 10 24.00 56.3 21.7 24 22.1 24.8 24 54.34 55.86 12 24.00 52.58 21.7 24.1 22.2 24.9 24.1 52.41 54.81

    　3 实验结果及讨论 3.1 数据处理惩罚

    　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 表 2

    　皂膜平均下降时间 水流量（ ）

    　4 6 8 10 12 皂膜平均下降时间（ ）

    　61.07 60.52 57.12 55.50 53.27

    　下以水流量为 实验组为例，进行数据处理惩罚：

    　（1）盘算纯 系统的液膜总传质系数

    　凭据双膜理论：

    　，如果已知 吸收速率 、圆盘塔吸收外貌积 和液相浓度的平均推动力 ，就可以盘算出液膜总传质系数 的值：

    　① 盘算 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 ；实验历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 84.00 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。所以对付水流量为 的情况，可以得到：

    　② 盘算圆盘塔吸收外貌积 40 个圆盘，每一圆盘的尺寸为直径 ，厚度 ，为让最终盘算结果能提供更多的信息，假设这两个尺寸都是精确值。故圆盘塔的吸收外貌积为：

    　 ③ 盘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 为塔顶以液相浓度体现的传质推动力， 为塔底以液相浓度体现的传质推动力； 、 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。凭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，可以视为纯水处理惩罚； 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要领得到； 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 表 3

    　水溶液的亨利系数 数

    　0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60

    　0.738 0.888 1.05 1.24 1.44 1.66 1.88 2.12 2.36 2.60 2.87 3.46 实验后发明用二次多项式拟合亨利系数与温度的干系已能到达让人满意的效果，拟合结果为：

    　水在 时的安托因方程为：

    　所以对付水流量为 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 的盘算历程是相同的，将最终盘算结果汇总于下表：

    　表 表 4

    　量 差别水流量 下圆盘塔中的液膜总传质系数

    　水流量（ ）

    　4 6 8 10 12 N A （ ）

    　1.60 1.61 1.70 1.75 1.82 （ ）

    　27.9 30.7 31.7 32.5 32.9 液膜总传质系数 （ ）

    　2.77 2.55 2.61 2.61 2.69 （2）关联液膜传质系数与液流速率之间的干系，盘算模型参数 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：

    　视察上式中的变量，撤除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 ）以及重力加快度 和方程参数（方程系数 、幂指数 ）。在本实验体系里，设备参数、重力加快度都是常数；Stephens-Morris 总结圆盘塔中的 准数干系，报告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革，但塔顶、塔底的气温和水温都没有明显的变革，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，采取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。盘算 对应干系如表 5 所示。

    　表 表 5

    　对应干系（撤除量纲）

    　 1.39 1.79 2.08 2.30 2.48

    　-10.1 -9.70 -9.61 -9.58 -9.31 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：

    　拟合直线的表达式为：

    　，相干系数 。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 图 2

    　无量纲散点图及其拟合直线 图 图 3

    　无量纲散点图及其拟合直线（ 四组数据）

    　）

    　 图 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：

    　，相干系数 。通过这组拟合，实验确定的模型参数的值为 。

    　3.2

    　结果 结果阐发 阐发

    　（ （1 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 的干系：

    　表 表 6

    　量 差别水流量 下圆盘塔中的液膜总传质系数

    　水流量（ ）

    　4 6 8 10 12 液膜总传质系数 （ ）

    　2.77 2.55 2.61 2.61 2.69 ② 上表所示干系可采取 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 2 ）误差阐发

    　吸收液膜总传质系数 与水流量 的对应数值没有步伐直接查验其公道性，但模型参数 可以间接反应出液膜总传质系数 与水流量 的干系。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 的符合范畴为 0.54~0.78，Stephens-Morris 总结圆盘塔中的 准数干系时，给出对应的模型参数 的值为 0.7；但是本次实验给出 ，并不在发起范畴之内。造成这一差别的原因有许多：

    　① 数据处理惩罚造成的误差。为了简化数据处理惩罚的历程，在盘算历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革，都市对盘算结果造成一定的影响。有时候还要考虑盘算历程中数据有效数字位数的影响。

    　② 丈量误差。丈量 流量所使用的皂膜流量计和秒表都市带来可观的误差。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历程中会受到外界情况的一些影响，造成下降速度不稳定，流量计玻璃管内径也无法包管上下完全一致。使用秒表计时，人为操纵造成的误差很明显，这其中包罗开始计时和停止计时的人为判断和反响时间的差别，有时这种影响是比力显著的。转子流量计在调定水流量的时候也有很大的不确定因素，在操纵历程中，水流量会出现一定的颠簸。

    　本次实验中，我和同组同学分别卖力计时和开关，所测得皂膜下降时间变革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明数据整体异常，求得的 m 参数也不在公道范畴内。可能原因之一在于阀门调治水平不符合，有可能出现左右板阀门没有操纵到位的情况；另外，在实验中途，当我们视察到流量计示数变革较明显、没能保持在设定值时，我们采取立即调治流量的步伐，使得实验中液体流量出现明显颠簸，这可能是造成实验结果禁绝的另一原因。

    　4 小结与 自评 通过本次实验，我和组内同学一起告竣了实验目的：通过助教解说，我们复兴了传质系数的测定要领；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干系；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。虽然没有得到公道的实验数据，但通过撰写实验陈诉并对其可能原因进行阐发，能更清晰地认识每步操纵及其所获取的数据的联系与意义，也得到相应的收获。

    　在实验中，我们内组员之间不绝进行讨论，配合认识、阐发着所面对的新设备，相互答疑解惑，配合进步；通过实验，我们不但收获了书本知识外的经验，也对收罗有效的实验数据有了越发明确的认识；同时，看到实验室里数字化的设备，我也感触现在科研条件相比以前的简化和进步。

    　最后，谢谢老师们为建立优秀的化工实验基地所支付的辛勤劳动！

    　5 指导西席批阅意见 实验陈诉评分表 实验预习 实验记录 结果及讨论 自评 总分 实验原理 10 预习思考 10 实验现象 10 原始数据 10 盘算举例 15 数据图表 15 结果讨论 20 10

    　指导西席批阅意见

    　西席签名

    　 日

    　期

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