填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)的測定wm - 副本課件

1、專業(yè)：化學工程與工藝 姓名：高子岳 學號： 3110101849 日期：2013.12.4 地點：教十2109 實驗報告課程名稱：過程工程原理實驗 （甲） 指導老師：葉向群 成績： 實驗名稱：填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)的測定 實驗類型： 同組學生：李凌霄 周恒一、實驗目的和要求（必填）二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、實驗目的1.了解填料吸收塔的構造并熟悉吸收塔的操作。2.觀察填料吸收塔的液泛顯現(xiàn)，測定泛點空塔氣速。3.測定填料層壓降P與空塔氣速u的關系曲線。4.測定含氨空氣水系統(tǒng)的體積吸

2、收系數(shù)KY。二、實驗裝置1.本實驗裝置的流程示意圖見圖5-1。主體設備是內(nèi)徑70毫米的吸收塔，塔內(nèi)裝10×9×1陶瓷拉西環(huán)填料。2.物系是（水空氣氨氣）。惰性氣體空氣由漩渦氣泵提供，氨氣由液氨鋼瓶供應，吸收劑水采用自來水，它們分別通過轉(zhuǎn)子流量計測量。水蔥塔頂噴淋至填料層與自下而上的含氨空氣進行吸收過程，溶液由塔底經(jīng)液封管流出塔外，塔底有液相取樣口，經(jīng)吸收后的尾氣由塔頂排至室外，自塔頂引出適量尾氣，用化學分析法對其進行組成分析。1填料吸收塔2旋渦氣泵3空氣轉(zhuǎn)子流量計4液氨鋼瓶 5氨氣壓力表6氨氣減壓閥7氨氣穩(wěn)壓罐8氨氣轉(zhuǎn)子流量計9水轉(zhuǎn)子流量計 10洗氣瓶11濕式流量計12三通

3、旋塞13、14、15、16U型差壓計17、18、19溫度計20液位計圖5-1填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測定實驗裝置流程示意圖三、基本原理（一）填料層壓力降P與空塔氣速u的關系氣體通過干填料層時（噴淋密度L=0），其壓力降P與空塔氣速u如圖6中直線A所示，此直線斜率約為1.8，與氣體以湍流方式通過管道時P與u的關系相仿。如圖6可知，當氣速在L點以下時，在一定噴淋密度下，由于持液量增加而使空隙率減小，使得填料層的壓降隨之增加，又由于此時氣體對液膜的流動無明顯影響，在一定噴淋密度下，持液量不隨氣速變化，故其Pu關系與干填料相仿。在一定噴淋密度下，氣速增大至一定程度時，隨氣速增大，液膜增厚，即出現(xiàn)“

4、攔液狀態(tài)”（如圖6中L點以上），此時氣體通過填料層的流動阻力劇增；若氣速繼續(xù)加大，噴淋液的下流嚴重受阻，使極具的液體從填料表面擴展到整個填料層空間，謂之“液泛狀態(tài)”（如圖6中F點），此時氣體的流動阻力急劇增加。圖6中F點即為泛點，與之相對應的氣速稱為泛點氣速。原料塔在液泛狀態(tài)下操作，氣液接觸面積可達最大，其傳質(zhì)效率最高。但操作最不穩(wěn)定，通常實際操作氣速取泛點氣速的60%80%。塔內(nèi)氣體的流速以其體積流量與塔截面積之比來表示，稱之為空塔氣速u。（1）式中：u 空塔氣速，m/sV 塔內(nèi)氣體體積流量，m3/s 塔截面積，m2。實驗中氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計測量。但由于實驗測量條件與轉(zhuǎn)子流量計標定條件不一

5、定相同，故轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)值必須進行校正，校正方法詳見附錄四。填料層壓降P直接可由U型壓差計讀取，再根據(jù)式（1）求得空塔氣速u，便可得到一系列Pu值，標繪在雙對數(shù)坐標紙上，即可得到Pu關系曲線。（二）體積吸收系數(shù)KY的測定1.相平衡常數(shù)m對相平衡關系遵循亨利定律的物系（一般指低濃度氣體），氣液平衡關系式為： （2）相平衡常數(shù)m與系統(tǒng)總壓P和亨利系數(shù)E的關系如下：（3）式中： E 亨利系數(shù)，Pa； P 系統(tǒng)總壓（實驗中取塔內(nèi)平均壓力），Pa。亨利系數(shù)E與溫度T的關系為：（4）式中：T液相溫度（實驗中取塔底液相溫度），K。根據(jù)實驗中所測的塔頂表壓及塔頂塔底壓差P，即可求得塔內(nèi)平均壓力P。根據(jù)實驗中

6、所測的塔底液相溫度T，利用式（3）、（4）便可求得相平衡常數(shù)m。2.體積吸收系數(shù)KY體積吸收系數(shù)KY是反映填料吸收塔性能的主要參數(shù)之一，其值也是設計填料塔的重要依據(jù)。本實驗中屬于低濃度氣體吸收，近似取Yy，Xx。吸收速率方程式為：則（5）式中：KY氣相體積吸收系數(shù)，kmol/m3·h；單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2/m3；GA單位時間內(nèi)NH3的吸收量，kmol/h；塔截面積，m2；h填料層高度，m；Ym吸收推動力，氣相對數(shù)平均濃度差。為求得KY，需求取GA及Ym。（1）被吸收的NH3量GA，可由物料衡算求得：（6）式中：V惰性氣體空氣的流量，kmol/h； L吸收劑水的流量

7、，kmol/h； Y1進塔氣相的組成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)； Y2出塔氣相（尾氣）的組成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)； X1出塔液相的組成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)； X2進塔液相的責成，本實驗中為清水吸收，X2=0。 （a）進塔氣相濃度Y1的確定（7）式中：VA氨氣的流量，kmol/h。根據(jù)實驗中轉(zhuǎn)子流量計測取的空氣和氨氣的體積流量和實際測量狀態(tài)（壓力、溫度），對其刻度流量進行校正而得到其實際體積流量，再由氣體狀態(tài)方程得到空氣和氨氣的摩爾流量，并由式（7）可求取進塔氣相組成Y1。（b）出塔氣相（尾氣）組成Y2的確定用移液管移取Vaml濃

8、度為Ma的標準H2SO4溶液置于吸收瓶中，加入適量去離子水機23滴溴百里酚蘭，將吸收瓶如圖12-1連接在抽樣尾氣管線上。當吸收塔操作穩(wěn)定時，尾氣通過吸收瓶后尾氣中的氨氣被H2SO4吸收，其余空氣通過濕式流量計計量。為使所取尾氣樣能反映塔內(nèi)實際情況，在取樣分析前應使取樣管尾氣保持流通，然后改變?nèi)ㄐ鲃臃较颍刮矚馔ㄟ^吸收瓶。（8）式中： 氨氣的摩爾數(shù)，mol； 空氣的摩爾數(shù)，mol。（I）尾氣樣品中氨的摩爾數(shù)可用下列方式之一測得：（i）若尾氣通入吸收瓶吸收至終點（瓶內(nèi)溶液顏色由黃棕色變至黃綠色），則：（9）式中：Ma標準H2SO4溶液的摩爾濃度，mol/l。（ii）若通入吸收瓶的尾氣已過量（

9、瓶中溶液呈蘭色），可用同樣標準H2SO4溶液滴定至終點（瓶內(nèi)溶液呈黃綠色）。若耗去的滴定用酸量為Va，則：（10）（II）尾氣樣品中空氣摩爾數(shù)的測取尾氣樣品中的空氣量由濕式流量計讀取，并測其溫度、壓力。（11）式中：P0尾氣通過濕式流量計時的壓力（由室內(nèi)大氣壓代替），Pa； V0通過濕式流量計的空氣量，l； T0通過濕式流量計的空氣溫度，K； R氣體常數(shù)，R=8314N·m/(mol·K)。由式（9）、（10）可求得和，代入式（8）中即可得到Y(jié)2。根據(jù)得到的Y1和Y2，代入式（6）中即可求得GA。（2）對數(shù)平均濃度差其中式中：、與液相濃度、相對應的氣相平衡濃度，kmolA/

10、kmolB。出塔液相濃度可取塔底液相樣品進行化學分析得到，也可用物料衡算式（6）得到。求得GA、后，由式（5）即可求得KY。四、操作步驟及注意事項1.先開啟吸收劑（水）調(diào)節(jié)閥，當填料充分潤濕后，調(diào)節(jié)閥門使水流量控制在適當?shù)臄?shù)值，維持恒定。2.啟動風機，調(diào)節(jié)風量由小到大，觀察填料塔內(nèi)的流體力學狀況，并測取讀數(shù)，根據(jù)液泛時空氣轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，來選擇合適的空氣流量，本實驗要求在兩至三個不同的氣體流量下測定KY。3.為使進塔氣相濃度Y1約為5%，須根據(jù)空氣的流量來估算氨氣的流量，然后打開氨氣鋼瓶，調(diào)節(jié)閥門，使氨氣流量滿足要求。4.水吸收氨，在很短時間內(nèi)操作過程便達到穩(wěn)定，故應在通氨氣之前將一切準備工

11、作做好，在操作穩(wěn)定后，開啟三通旋塞，使尾氣通入吸收瓶進行尾氣組成分析。在實驗過程中，尤其是在測量時，要確保空氣、氨氣和水流量的穩(wěn)定。5.改變氣體流量或吸收劑（水）流量重復實驗。6.實驗完畢，關閉氨氣鋼瓶閥門、水調(diào)節(jié)閥，切斷風機電源，洗凈分析儀器等。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理實驗原始數(shù)據(jù)見附頁實驗原始數(shù)據(jù)記錄表。1. 轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)的校正測量液體的轉(zhuǎn)子流量計在標定時采用水作為標定介質(zhì)，測量氣體的轉(zhuǎn)子流量計則采用空氣作為標定介質(zhì)，介質(zhì)狀態(tài)都為20、1.013×105Pa。當使用條件與工廠標定條件不符合，其讀數(shù)必須進行校正。當轉(zhuǎn)子流量計測量水時，雖然水溫的不同引起密度和黏度的變化，但它對實驗流

12、量值影響較小，一般不予校正。當被測介質(zhì)是氣體時，其操作狀況的密度、溫度、壓強與標定空氣狀態(tài)不同時，其校正公式為：式中：Q 實際流量值； QN 轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)值； P0、T0 標定的空氣狀況，P0 = 1.013×105Pa，T0 = 293K； P、T 實際測量時被測氣體的絕對壓強、絕對溫度，Pa、K。空氣和氨氣在標準狀態(tài)下的密度均已知，分別為1.205kg/m3和0.771kg/m3。在測量狀態(tài)下，空氣與氨氣可近似為理想氣體，用氣體狀態(tài)方程PM =RT可以得出在不同的氣壓和溫度下的氣體密度。則修正公式可以變化為： 從流量計到塔底的測量過程，也可以用方程PV=nRT進行校正。裝 訂

13、 線2. 水流量為0時的Pu關系曲線 以第一組數(shù)據(jù)為例，計算過程如下： T = 293.15K流量計處空氣壓力=102.35 + 0.23 = 102.58 kPa因此，流量計處壓力校正結(jié)果為而入塔空氣壓力為P = 102.35 + 0.055 + 0.27 = 102.675 kPa由PV = nRT可知，塔內(nèi)空氣實際流量Q = Q0 * P0 / P = 2.97 * 102.58 / 102.675 = 2.96 m3/h則塔內(nèi)氣速u = 2.96 / (* 0.0352*3600) = 0.21 m/s對所有數(shù)據(jù)的計算如下表：序號QN / (m3/h)T / K流量計表壓/ kPa校正

14、流量 / (m3/h)塔頂?shù)讐翰頟/ kPa塔頂表壓/ kPa入塔空氣壓力p / kPa實際流量Q / (m3/h)u / (m/s)13293.15102.582.97 0.0550.27102.6752.96 0.21 24.45293.15102.834.39 0.10.4102.854.39 0.32 36.67293.15103.236.55 0.190.68103.226.55 0.47 410293.15104.339.72 0.381.56104.299.72 0.70 515289.65106.4414.12 0.8653.055106.2714.14 1.02 在雙對數(shù)坐標

15、系下做出Pu曲線如下：裝 訂 線2. 水流量為30L/h時的Pu關系曲線數(shù)據(jù)計算與水流量為0時的數(shù)據(jù)計算基本一致，差別僅為在校正入塔氣體實際流量時要考慮溫度的影響。對所有數(shù)據(jù)的計算如下表：序號QN / (m3/h)T / K流量計表壓/ kPa校正流量 / (m3/h)塔頂?shù)讐翰頟/ kPa塔頂表壓/ kPa入塔空氣壓力p / kPa入塔空氣溫度T / K實際流量Q / (m3/h)u / (m/s)12.50 293.15 102.53 2.47 0.08 0.13 102.56 287.15 2.52 0.18 23.13 293.15 102.55 3.09 0.11 0.15 102.

16、61 287.15 3.15 0.23 33.90 293.15 102.68 3.85 0.16 0.20 102.71 287.15 3.93 0.28 44.88 293.15 102.86 4.81 0.22 0.29 102.86 287.15 4.91 0.35 56.10 293.15 103.41 5.98 0.32 0.42 103.09 287.15 6.13 0.44 67.63 293.15 103.50 7.48 0.51 0.65 103.50 287.15 7.63 0.55 79.53 293.15 104.14 9.28 0.79 0.95 104.09 28

17、7.15 9.48 0.68 811.92 295.15 105.62 11.52 1.65 1.37 105.37 287.15 11.87 0.86 914.90 297.15 107.24 14.28 2.25 2.18 106.78 287.15 14.84 1.07 在雙對數(shù)坐標系下做出Pu曲線如下：按照實驗的結(jié)果，認定液泛時空氣的流量為11.9 m3/h（轉(zhuǎn)子流量計示數(shù)），因此后續(xù)試驗的操作點可定為空氣流量為8m3/h（轉(zhuǎn)子流量計示數(shù)）。3. 的裝 訂 線計算以第一組數(shù)據(jù)為例，計算體積吸收系數(shù)KY的過程如下：由亨利系數(shù)E與塔底液溫T的關系：lgE = 11.468 - 1922 /

18、 T得到亨利系數(shù)E = 10 (11.468 - 1922 / 288.15) = 62786.01Pa塔頂絕壓 = 102.35 + 0.97 = 103.32 kPa塔底絕壓 = 103.32 + 0.54 = 103.86 kPa則塔內(nèi)平均壓力P = (103.32 + 103.86) / 2 = 103.59 kPa相平衡常數(shù) m = E / P = 62786.01 / 103590 = 0.606對轉(zhuǎn)子流量計測得的空氣與氨氣的流量校正如下： 由PV = nRT可以計算得到空氣與氨氣的摩爾流率：n空氣 = 103880 * 7.92 / (8.314 * 297.15) = 0.33

19、28 kmol/hn氨氣 = 103920 * 0.32575 / (8.314 * 289.15) = 0.0141 kmol/h故入塔氣體中氨氣的比摩爾分率為：Y1 = n氨氣 / n空氣 = 0.04231對于脫氨前后：硫酸吸收的氨氣量n氨氣 = 2MaVa×10-3 = 2 * 0.02 *0.01 = 4×10-4 mol脫氨后空氣的摩爾量 n空氣 = 102350 * 0.0045 / (8.314 * 288.15) = 0.19225 mol故出臺氣體中氨氣的比摩爾分率為：Y2 = n氨氣 / n空氣 = 4×10-4 / 0.19225 = 0.

20、00208被吸收氨氣的量GA = V(Y1 - Y2) = 001396kmol/h同時，因進塔液相組成X2 = 0，吸收劑水流量L = 30 / 18 = 1.667 kmol/h由全塔物料衡算GA = V(Y1 - Y2) = L(X1 - X2) 可以求得：X1 = GA / L = 0.0115524 / 1.667 = 0.00837裝 訂 線則Y1 = Y1 - Y1* = Y1 - mX1 = 0.04231-0.606*0.00837 = 0.03724 Y2 = Y2 - Y2* = Y1 - mX2 = Y2 = 0.00208因此Ym = (Y1 - Y2) / ln(Y

21、1 / Y2) = 0.01219故有：所有計算數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)如下表：序號123空氣流量計讀數(shù)QN / (m3/h)889.6空氣溫度 / K297.15297.65298.15空氣表壓 / kPa103.88103.76104.29氨氣流量計讀數(shù) / (L/h)250250300氨氣溫度 / K289.15289.15289.15氨氣表壓 / kPa103.92103.81104.36水流量讀數(shù) / (m3/h)303630塔頂?shù)讐翰頟/ kPa0.540.60.86塔頂表壓/ kPa0.9650.761.04塔底液溫 / K288.15289.95289.65吸收瓶加酸量 / mL101010脫

22、氨后空氣量 / L4.54.863.08脫氨后空氣溫度 / K288.15288.65288.65空氣校正后體積流量 / (m3/h)7.92 7.94 9.49 氨氣校正后體積流量 / (L/h)325.75 326.10 389.26 空氣摩爾流率 / (kmol/h)0.3328 0.3328 0.3994 氨氣摩爾流率 / (kmol/h)0.0141 0.0141 0.0169 Y10.04231 0.04231 0.04231 脫氨后空氣摩爾量 / mol0.19225 0.20727 0.13136 Y20.00208 0.00193 0.00305 GA / (kmol/h)0.01396 0.01401 0.01635 L / (kmol/h)1.67 2.00 1.67 X10.00837