氧解吸實(shí)驗(yàn)操作條件的優(yōu)化研究

劉 放，王金鳳

(1.吉林化工學(xué)院石油化工學(xué)院，吉林吉林132022;2.吉林石化第三中學(xué)，吉林 吉林132022)

化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對化工類技術(shù)人才的綜合能力培養(yǎng)具有非常重要的作用，填料塔吸收解吸實(shí)驗(yàn)是化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生熟悉填料塔的構(gòu)造與操作，觀察填料塔流體力學(xué)狀況，測定壓降與氣速的關(guān)系曲線，掌握了測定液相總體積傳質(zhì)系數(shù)的方法分析影響因素，學(xué)習(xí)利用傳質(zhì)速率方程處理傳質(zhì)問題.但傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)已滿足不了現(xiàn)代教育的需要，學(xué)生只是按實(shí)驗(yàn)講義的要求完成實(shí)驗(yàn)，缺少了創(chuàng)新性和實(shí)驗(yàn)的設(shè)計性，為此，針對氧解吸實(shí)驗(yàn)裝置通過正交實(shí)驗(yàn)找出最佳工藝條件，既達(dá)到傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，又做到學(xué)以致用，掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計理念，為以后的畢業(yè)環(huán)節(jié)打下良好的基礎(chǔ)［1-3］.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置和填料特性在文獻(xiàn)［2］中已有報道.

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

在常溫常壓下，利用氧氣、空氣、水物系，先用吸收塔并流操作使水吸收氧氣形成富氧水后，送入解吸塔塔頂，再用空氣進(jìn)行解吸，實(shí)驗(yàn)中引進(jìn)計算機(jī)在線數(shù)據(jù)采集技術(shù)，用單因素的方法，通過改變氧氣流量、水流量、空氣流量，測定解吸塔的解吸效率，考察各操作變量對解吸效果的影響.用正交試驗(yàn)的方法，對操作條件進(jìn)行優(yōu)化，用極差的方法確定解吸塔的最佳操作條件.

2 結(jié)果與討論

2.1 氧氣流量對解吸率的影響

保持水流量為120 L/h，空氣流量為22 m3/h，改變氧氣流量，20℃下操作，測試過程中，為獲得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，待各實(shí)驗(yàn)條件達(dá)到穩(wěn)定后，每次要保持氣液兩相接觸10 min以上才能取樣，每個氧濃度下取3個樣進(jìn)行測定，以減小誤差，計算出解吸過程的解吸率，結(jié)果如圖1所示.由圖1可知，解吸率隨氧氣流量的增大而增大，常溫常壓下，氧氣在水中的溶解度很小，吸收過程是典型的液膜控制過程，實(shí)驗(yàn)過程中氧氣流量不宜過大，造成不必要的浪費(fèi).

圖1 氧流量與解吸率的關(guān)系

2.2 空氣流量對吸收率的影響

在氧氣流量為0.5 L/min，水流量為120 L/h，常溫常壓下，改變空氣流量進(jìn)行操作，解吸率和空氣流量的關(guān)系見圖2.由圖2可以看出，空氣流量對解吸效果影響較小，所以空氣流量對解吸效果的影響相對較小，所以實(shí)驗(yàn)過程中可以適當(dāng)?shù)目刂瓶諝饬髁浚?-5］.

圖2 空氣流量與解吸率的關(guān)系

2.3 水流量對解吸率的影響

保持氧氣濃度為 0.5 L/min，空氣流量為22 m3/h，改變水流量，水流量與解吸率的關(guān)系見圖3.由圖3可以看出，隨水量的增大，解吸效果變差，因隨水量的增加，雖可增大液膜的湍動程度，減小在吸收過程中液膜的傳質(zhì)阻力，但水流量的增大，仍導(dǎo)致富氧水濃度降低，減小了解吸過程的傳質(zhì)推動力，使解吸效果變差.

圖3 流量與解吸率的關(guān)系

2.4 正交實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)，采用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析.對空氣、水、氧氣流量等因素進(jìn)行考察，選擇三因素三水平的L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表［6］，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做極差分析，從而確定解吸塔的最佳操作條件，其中各因素及水平見表1，正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果和極差分析結(jié)果見表2.

表1 水平因素L9(34)

由表2中數(shù)據(jù)可知，A1B1C1各因子極差數(shù)值R的大小順序:R3＞R1＞R2，其中影響因素最大的為水流量，氧流量次之，空氣流量影響最小，所以控制水流量是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵.

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與極差分析結(jié)果*

3 結(jié) 論

(1)用單因素和正交試驗(yàn)的方法，對氧氣、水和空氣流量操作條件進(jìn)行研究分析，優(yōu)化解吸塔解吸效果為前提，由表2中數(shù)據(jù)得知最優(yōu)條件組合為氧氣流量為0.6 L/min，空氣流量為24 m3/h，水流量為100 L/h.

(2)本實(shí)驗(yàn)結(jié)論確定的最優(yōu)操作條件，針對學(xué)生教學(xué)實(shí)驗(yàn)，為以后實(shí)驗(yàn)條件的改進(jìn)提供參考，鍛煉學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計理念，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)滿足教育發(fā)展要求.

［1］ 徐洪軍，王衛(wèi)東.化工原理實(shí)驗(yàn)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2014:127-131.

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［3］ 陳秀宇，陳國奮，楊金環(huán)，等.填料塔吸收塔實(shí)驗(yàn)操作條件的優(yōu)化.廣東化工［J］.2012，39(12):190-191.

［4］ 王志魁.化工原理［M］.3版，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008:202-250.

［5］ 唐忠利，趙行健，劉佰潭，等.規(guī)整填料塔中氨水吸收 CO2的體積總傳質(zhì)系數(shù)［J］.化工學(xué)報，2012，63(4):1102-1106.

［6］ 羅傳義，時景榮.試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理.［M］長春:吉林人民出版社，2002，204-223.