氧解吸实验操作条件的优化研究

刘 放，王金凤

(1.吉林化工学院石油化工学院，吉林吉林132022;2.吉林石化第三中学，吉林 吉林132022)

化工原理实验教学对化工类技术人才的综合能力培养具有非常重要的作用，填料塔吸收解吸实验是化工原理实验教学中的一项重要内容，通过实验，使学生熟悉填料塔的构造与操作，观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线，掌握了测定液相总体积传质系数的方法分析影响因素，学习利用传质速率方程处理传质问题.但传统的实验教学已满足不了现代教育的需要，学生只是按实验讲义的要求完成实验，缺少了创新性和实验的设计性，为此，针对氧解吸实验装置通过正交实验找出最佳工艺条件，既达到传统实验教学目的，又做到学以致用，掌握实验设计理念，为以后的毕业环节打下良好的基础［1-3］.

1 实验部分

1.1 实验装置

实验装置和填料特性在文献［2］中已有报道.

1.2 实验过程

在常温常压下，利用氧气、空气、水物系，先用吸收塔并流操作使水吸收氧气形成富氧水后，送入解吸塔塔顶，再用空气进行解吸，实验中引进计算机在线数据采集技术，用单因素的方法，通过改变氧气流量、水流量、空气流量，测定解吸塔的解吸效率，考察各操作变量对解吸效果的影响.用正交试验的方法，对操作条件进行优化，用极差的方法确定解吸塔的最佳操作条件.

2 结果与讨论

2.1 氧气流量对解吸率的影响

保持水流量为120 L/h，空气流量为22 m3/h，改变氧气流量，20℃下操作，测试过程中，为获得可靠的实验数据，待各实验条件达到稳定后，每次要保持气液两相接触10 min以上才能取样，每个氧浓度下取3个样进行测定，以减小误差，计算出解吸过程的解吸率，结果如图1所示.由图1可知，解吸率随氧气流量的增大而增大，常温常压下，氧气在水中的溶解度很小，吸收过程是典型的液膜控制过程，实验过程中氧气流量不宜过大，造成不必要的浪费.

图1 氧流量与解吸率的关系

2.2 空气流量对吸收率的影响

在氧气流量为0.5 L/min，水流量为120 L/h，常温常压下，改变空气流量进行操作，解吸率和空气流量的关系见图2.由图2可以看出，空气流量对解吸效果影响较小，所以空气流量对解吸效果的影响相对较小，所以实验过程中可以适当的控制空气流量［4-5］.

图2 空气流量与解吸率的关系

2.3 水流量对解吸率的影响

保持氧气浓度为 0.5 L/min，空气流量为22 m3/h，改变水流量，水流量与解吸率的关系见图3.由图3可以看出，随水量的增大，解吸效果变差，因随水量的增加，虽可增大液膜的湍动程度，减小在吸收过程中液膜的传质阻力，但水流量的增大，仍导致富氧水浓度降低，减小了解吸过程的传质推动力，使解吸效果变差.

图3 流量与解吸率的关系

2.4 正交实验

为了进一步优化实验操作参数，采用正交实验进行分析.对空气、水、氧气流量等因素进行考察，选择三因素三水平的L9(34)正交实验表［6］，并对实验数据做极差分析，从而确定解吸塔的最佳操作条件，其中各因素及水平见表1，正交实验结果和极差分析结果见表2.

表1 水平因素L9(34)

由表2中数据可知，A1B1C1各因子极差数值R的大小顺序:R3＞R1＞R2，其中影响因素最大的为水流量，氧流量次之，空气流量影响最小，所以控制水流量是本实验的关键.

表2 正交实验结果与极差分析结果*

3 结 论

(1)用单因素和正交试验的方法，对氧气、水和空气流量操作条件进行研究分析，优化解吸塔解吸效果为前提，由表2中数据得知最优条件组合为氧气流量为0.6 L/min，空气流量为24 m3/h，水流量为100 L/h.

(2)本实验结论确定的最优操作条件，针对学生教学实验，为以后实验条件的改进提供参考，锻炼学生掌握实验设计理念，使实验教学满足教育发展要求.

［1］ 徐洪军，王卫东.化工原理实验［M］.北京:航空工业出版社，2014:127-131.

［2］ 刘放，姜建.塑料星型填料流体力学与传质性能研究［J］.化工机械，2011，38(6):683-686.

［3］ 陈秀宇，陈国奋，杨金环，等.填料塔吸收塔实验操作条件的优化.广东化工［J］.2012，39(12):190-191.

［4］ 王志魁.化工原理［M］.3版，北京:化学工业出版社，2008:202-250.

［5］ 唐忠利，赵行健，刘佰潭，等.规整填料塔中氨水吸收 CO2的体积总传质系数［J］.化工学报，2012，63(4):1102-1106.

［6］ 罗传义，时景荣.试验设计与数据处理.［M］长春:吉林人民出版社，2002，204-223.