填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測(cè)定

1、專業(yè)： 姓名：_ 學(xué)號(hào)： 日期： 地點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱：過程工程原理實(shí)驗(yàn)（甲） 指導(dǎo)老師： 成績(jī)：_實(shí)驗(yàn)名稱：填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測(cè)定 實(shí)驗(yàn)類型：工程實(shí)驗(yàn) 同組學(xué)生姓名：_ 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填） 四、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1.1 了解填料吸收塔的構(gòu)造并熟悉吸收塔的操作；1.2 觀察填料塔的液泛現(xiàn)象，測(cè)定泛點(diǎn)空塔氣速；1.3 測(cè)定填料層壓降p與空塔氣速u的關(guān)系曲線； 1.4 測(cè)定含氨空氣水系統(tǒng)的體積吸收系數(shù)Kya。2 實(shí)驗(yàn)裝置：2.1 本實(shí)驗(yàn)的裝置流程圖如

2、圖1：主體設(shè)備是內(nèi)徑為70mm的吸收塔，塔內(nèi)裝10*9*1陶瓷拉西環(huán)填料。 2.2物系：水空氣氨氣。惰性氣體由漩渦氣泵提供,氨氣由液氮鋼瓶提供，吸收劑水采用自來水，它們的流量分別通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定。水從塔頂噴淋至調(diào)料層與自下而上的含氨空氣進(jìn)行吸收過程，溶液由塔底經(jīng)過液封管流出塔外，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(xué)分析法對(duì)其進(jìn)行組成分析。3 基本原理：3.1.填料塔壓力降與空塔氣速u的關(guān)系填料塔的壓力降與泛點(diǎn)氣速是填料塔設(shè)計(jì)與操作的重要流體力學(xué)參數(shù)。氣體通過填料層的壓力降將隨氣液流量的變化而改變。填料層的壓力降與空塔氣速u的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)無(wú)液體噴淋(

3、L=0)時(shí)， u關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中為一斜率在1.82.0之間的直線，如圖2中AB線。當(dāng)液體噴淋密度達(dá)到一定值(如)后，液體以液膜狀流經(jīng)填料表面， u關(guān)系如圖2中A1B1C1D1線所示，由兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)B1、C1分為三個(gè)區(qū)段。其中第一區(qū)段A1B1為恒持液區(qū)，在此區(qū)段中空塔氣速較低，氣體流速對(duì)填料表面上覆蓋的液膜厚度無(wú)明顯影響，填料層內(nèi)的持液量與空塔氣速無(wú)關(guān)，僅隨噴淋量的增加而增大。此區(qū)段的u關(guān)系線與AB線平行，由于持液使填料層空隙率減小，故壓降高于相同空塔氣速下的干塔壓降。當(dāng)空塔氣速增大至一定程度時(shí)，氣體對(duì)液體的流動(dòng)產(chǎn)生明顯的牽制作用，隨空塔氣速增大，液膜增厚，出現(xiàn)填料層持液量增加的所謂"

4、攔液狀態(tài)"(或稱截液現(xiàn)象)，此時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)稱為載點(diǎn)或攔液點(diǎn)，即圖2中的B1點(diǎn)?？账馑俅笥谳d點(diǎn)氣速后，填料層內(nèi)的持液量隨空塔氣速增加而增大，在空塔氣速增大與空隙率下降的雙重作用下， u關(guān)系線呈向上彎曲的形狀，即圖中的第二區(qū)段B1C1。當(dāng)氣體速度繼續(xù)增大，達(dá)到點(diǎn)C1相當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，上升氣流對(duì)液體所產(chǎn)生的曳力使得液體向下流動(dòng)嚴(yán)重受阻，積聚的液體充滿填料層空隙，氣體只能以鼓泡的形式上升，致使填料層壓降急劇上升， u關(guān)系線變得非常陡峭，如圖2中C1D1區(qū)段。此現(xiàn)象稱為液泛，C1點(diǎn)稱為泛點(diǎn)。填料塔在液泛狀態(tài)(C1D1區(qū)段)下操作，氣液相間的接觸面積最大，傳質(zhì)效率最高，但操作最不穩(wěn)定，因此實(shí)際操作氣速

5、應(yīng)控制在既接近于液泛，但又不發(fā)生液泛時(shí)的氣速。一般操作氣速取液泛氣速的60%80%。塔內(nèi)氣體流速用空塔氣速u表示，其定義為氣體體積流量與塔截面之比。即 （1）式中 空塔氣速，m/s；一一塔內(nèi)氣體體積流量，m3/s；一一塔截面積，m2。1、實(shí)驗(yàn)中氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件與轉(zhuǎn)子流量計(jì)標(biāo)定條件不一定相同，故轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)值必須進(jìn)行校正。校正方法如下：Q=QN0P0T/PT0 （2）式中：0標(biāo)定狀況下空氣的密度，1.205kg/m3； 被測(cè)氣體在標(biāo)定狀況下下的密度，kg/m3； P0、T0標(biāo)定的空氣狀況，P0=1.013×105Pa，T0=293K； P、T實(shí)際測(cè)量時(shí)候

6、被測(cè)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)、絕對(duì)溫度，Pa，K。2、當(dāng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于測(cè)量水時(shí)，雖然水溫的不同要引起密度和粘度的變化，但它對(duì)流量值影響較小，一般不予校正。3.2 體積吸收系數(shù)KYa的測(cè)定 3.2.1相平衡常數(shù)m對(duì)相平衡關(guān)系遵循亨利定律的物系（一般指低濃度氣體），氣液平衡關(guān)系為： y*=mx （3）相平衡常數(shù)m與系統(tǒng)總壓P和亨利系數(shù)E的關(guān)系如下： m=EP （4）式中：E亨利系數(shù)，Pa P系統(tǒng)總壓（實(shí)驗(yàn)中取塔內(nèi)平均壓力），Pa亨利系數(shù)E與溫度T的關(guān)系為： lg E= 11.468-1922 / T （5）式中：T液相溫度（實(shí)驗(yàn)中取塔底液相溫度），K。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的塔頂表壓及塔頂塔底壓差p，即可求得塔內(nèi)平

7、均壓力P。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的塔底液相溫度T，利用式（4）、（5）便可求得相平衡常數(shù)m。 3.2.2 體積吸收常數(shù)KYa體積吸收常數(shù)KYa是反映填料塔性能的主要參數(shù)之一，其值也是設(shè)計(jì)填料塔的重要依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)屬于低濃氣體吸收，近似取Yy、Xx。吸收速率方程為： GA=KYa··h· Ym則 KYa=GA·h·Ym （6）式中：KYa氣相體積吸收系數(shù)，kmol/m3·h； a單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2/m3； GA單位時(shí)間內(nèi)氨氣的吸收量，kmol/h； 塔截面積，m2； h填料層高度，m； Ym吸收推動(dòng)力，氣相對(duì)數(shù)平均濃度差。為

8、求得KYa ，需求取GA及Ym。 3.2.3被吸收的氨氣量GA ,可由物料衡算 GA=VY1-Y2=L(X1-X2) （7）式中：V惰性氣體空氣的流量，kmol/h； Y1進(jìn)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出塔液相組成，比摩爾分率，kmol（A）/ kmol（B）； X2進(jìn)塔液相組成，清水吸收，X2=0； L吸收劑水的流量，kmol/h。3.2.3.1 進(jìn)塔氣相濃度Y1的確定 Y1=VAV （8）式中：VA氨氣的流量，kmol/h。根據(jù)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)取得空氣和氨氣的體積流量和實(shí)際測(cè)量狀態(tài)

9、（壓力、溫度）。應(yīng)對(duì)其刻度流量進(jìn)行校正而得到實(shí)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（8）即可求取進(jìn)塔氣相濃度Y1。 3.2.3.2 出塔氣相（尾氣）的組成Y2的確定用移液管移取體積為Va ml、濃度為Ma mol/l的標(biāo)準(zhǔn)硫酸溶液置于吸收瓶中，加入適量的水及2-3滴百里酚蘭（指示劑），將吸收瓶連接在抽樣尾氣管線上（如裝置圖）。當(dāng)吸收塔操作穩(wěn)定時(shí)，尾氣通過吸收瓶后尾氣中的氨氣被硫酸吸收，其余空氣通過濕式流量計(jì)計(jì)量。為使所取尾氣能反映塔內(nèi)實(shí)際情況，在取樣分析前應(yīng)使取樣管尾氣保持暢通，然后改變?nèi)ㄐ鲃?dòng)方向，使尾氣通過吸收瓶。 Y2=nNH3/nair （9）式中：nNH3

10、氨氣的摩爾數(shù)，mol； nair 空氣的摩爾數(shù)，mol。尾氣樣品中氨的摩爾數(shù)nNH3可用下列方式之一測(cè)得：(i)若尾氣通入吸收瓶吸收至終點(diǎn)（瓶?jī)?nèi)溶液顏色由黃棕色變至黃綠色），則 nNH3=2Va·Ma×10-3 mol （10）(ii)若通入吸收瓶中的尾氣已過量（瓶中溶液顏色呈藍(lán)色），可用同樣標(biāo)準(zhǔn)硫酸溶液滴定至終點(diǎn)（瓶中溶液呈黃綠色）。若耗去酸量為Va'ml,則 nNH3=2(Va+Va')·Ma×10-3 mol （11）尾氣樣品中空氣摩爾數(shù)nair的求取尾氣樣品中的空氣量由濕式流量計(jì)讀取，并測(cè)定溫度 nair=P0V0/RT0 mol

11、 （12）式中：P0尾氣通過濕式流量計(jì)時(shí)的壓力（由室內(nèi)大氣壓代替），Pa； V0通過濕式流量計(jì)的空氣量，l； T0通過濕式流量計(jì)的空氣溫度， K；R氣體常數(shù)，R=8314N·m/(mol·K)。由式（10）（11）可求得nNH3和nair，代人（9）即可得到Y(jié)2，根據(jù)得到的Y1和Y2，由（7）即可得到GA。 3.2.4對(duì)數(shù)平均濃度差 Ym Ym=(Y1-Y2)/ln(Y1/Y2) （13）其中：Y1=Y1-Y1*=Y1-mX1 ； Y2= Y2 X1出塔液相的組成，比摩爾分率，kmol（A）/ kmol（B）；出塔液相濃度X1可取塔底液相樣品進(jìn)行化學(xué)分析得到，也可用物料衡算

12、式（7）得到。求得GA、Ym ，即可由式（6）得到KYa。4 實(shí)驗(yàn)步驟： 4.1先開啟吸收劑（水）調(diào)節(jié)閥，當(dāng)填料充分潤(rùn)濕后，調(diào)節(jié)閥門使水流量控制在適當(dāng)?shù)臄?shù)值，維持恒定； 4.2啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)量由小到大，觀察填料塔內(nèi)的流體力學(xué)狀況，并測(cè)取數(shù)據(jù)，根據(jù)液泛時(shí)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)，來選擇合適的空氣流量，本實(shí)驗(yàn)要求在兩至三個(gè)不同氣體流量下測(cè)定KYa； 4.3為使進(jìn)塔氣相濃度Y1約為3%，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； 4.4水吸收氨，在很短時(shí)間內(nèi)操作過程便達(dá)到穩(wěn)定，故應(yīng)在通氨氣之前將一切準(zhǔn)備工作做好，在操作穩(wěn)定之后，開啟三通閥，使尾氣通入吸收瓶進(jìn)行尾

13、氣組成分析。在實(shí)驗(yàn)過程中，尤其是測(cè)量時(shí)，要確保空氣、氨氣和水流量的穩(wěn)定； 4.5 改變氣體流量或吸收劑（水）流量重復(fù)實(shí)驗(yàn)；4.6 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉氨氣鋼瓶閥門、水調(diào)節(jié)閥，切斷風(fēng)機(jī)電源，洗凈分析儀器等。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理： 5.1 大氣壓：1018.3mbar；填料層高度：39.0 cm；填料塔內(nèi)徑：70mm；標(biāo)準(zhǔn)酸濃度：0.03M 5.2（1）填料層壓降p與空塔氣速u的關(guān)系1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格 1水流量Vw為0時(shí)原始數(shù)據(jù)表空氣塔頂?shù)讐翰頺Pa塔頂表壓kPa流量讀數(shù)m3/h溫度表壓kPa2.5240.110.030.074.1250.260.060.26.8250.710.130.5911.2251

14、.930.31.5617.5274.750.693.9表格 2水流量Vw為30L/h時(shí)原始數(shù)據(jù)表空氣流量塔頂?shù)讐翰頺Pa塔頂表壓kPa塔底液溫讀數(shù)m3/h溫度表壓kPa2.527.50.120.040.0719.53.1270.160.060.1119.53.826.50.260.080.1719.54.726.50.390.110.2819.55.926.50.590.170.4319.57.3270.930.250.6619.5927.51.410.391.0119.511.228.22.170.591.5319.813.9303.771.222.392015325.362.462.752

15、12、數(shù)據(jù)處理：塔截面積=4D2=0.00385m2 表格 3水流量Vw為0時(shí)數(shù)據(jù)處理V空氣讀數(shù)/(m3/s)T空氣/K空氣kg/m3P空氣P塔內(nèi)/kPaV空氣校正值/(m3/s)V塔內(nèi)空氣/(m3/s)空塔氣速u(m/s)0.000694297.151.189101.94101.920.0007020.0007020.1820.001139298.151.185102.09102.060.0011540.0011540.3000.001889298.151.185102.54102.490.0019100.0019110.4970.003111298.151.185103.76103.540

16、.0031270.0031340.8140.004861300.151.177106.58106.080.0048530.0048761.267表格 4水流量Vw為30L/h時(shí)數(shù)據(jù)處理V空氣讀數(shù)/(m3/s)T空氣/K空氣kg/m3P空氣P塔內(nèi)/kPaV空氣校正值/(m3/s)V塔內(nèi)空氣/(m3/s)空塔氣速u(m/s)0.000694300.651.175101.95101.920.000710 0.00071040.185 0.000861300.151.177101.99101.970.000879 0.00087910.228 0.001056299.651.179102.09102.

17、040.001075 0.00107580.280 0.001306299.651.179102.22102.1650.001329 0.00132980.346 0.001639299.651.179102.42102.3450.001667 0.00166820.434 0.002028300.151.177102.76102.6150.002063 0.00206620.537 0.0025300.651.175103.24103.0350.002543 0.00254790.662 0.003111301.351.1722104103.6550.003162 0.00317290.82

18、5 0.003861303.151.165105.6104.830.003926 0.00395531.028 0.004167305.151.157107.19105.810.004246 0.00430141.118 計(jì)算示例（以Vw=30L/h的第二組數(shù)據(jù)為例）：V空氣=3.1/3600=8.61*10-4m3/s由空氣溫度查表得空氣密度=1.177 kg/m3，壓強(qiáng)P=101.83+0.16=101.99kPaV空氣校正 =V空氣0P0TPT0=3.1/3600*1.205*101.3*(27+273.15)/(1.177*101.99*293.15)=8.79*10-4m3/s 流量

19、計(jì)內(nèi)壓強(qiáng)與塔內(nèi)壓強(qiáng)有差別，使得流量有差別。常壓、室溫下可視為理想氣體，PV=nRTP塔內(nèi)=(P塔頂+p/2)=0.11+0.06/2+101.83=101.97kPaV塔內(nèi)= V空氣校正* P空氣/ P塔內(nèi)=8.791*10-4m3/su= V塔內(nèi)/=8.791*10-4/0.00385=0.228m/s3、以填料層壓降p對(duì)空塔氣速u做雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，如圖1圖 1填料層壓降p與空塔氣速u雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖4、由圖中L=30L/h的曲線可得，達(dá)到液泛點(diǎn)時(shí)，泛點(diǎn)氣速約為14m3/h。通常操作氣速取泛點(diǎn)氣速的60%80%，故取操作氣速為8.5m3/h。（2）體積吸收系數(shù)KYa的測(cè)定1、數(shù)據(jù)記錄表格 5 體積

20、吸收系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表組別123空氣流量流量計(jì)讀數(shù)Q空氣m3/h8.58.510.2空氣溫度T空氣29.52928.5空氣表壓P空氣kPa1.281.291.85氨氣流量流量計(jì)讀數(shù)QNH3 L/h250250300氨氣溫度TNH3201919氨氣表壓PNH3kPa1.31.321.86水流量計(jì)讀數(shù)Vw L/h303630塔頂?shù)讐翰頟kPa0.350.380.53塔頂表壓P塔頂kPa0.890.891.26塔底液溫T液2322.523塔頂氣相濃度分析吸收瓶加酸量V酸ml101010脫氨后空氣量L空氣L3.065.163.83脫氨后空氣溫度T空氣19.219.2192、數(shù)據(jù)處理表格 6體積吸收

21、系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)處理組別123E95070.592697.995070.5m0.9240.90080.9198VNH3 kmol/h0.014450.014420.01726V空氣kmol/h0.38880.38840.4645Y10.037170.0371330.037167nNH3 mol0.00060.00060.0006n空氣mol0.12820.21620.1606Y20.004680.00277550.0037367GA kmol/h0.012630.013350.01553X10.007590.0066850.009333Y10.030150.0311110.028582Y20.00

22、4680.0027750.003737Ym0.013670.0117250.012212KYa615.5758.45847.28吸收效率87.4%92.5%89.9%計(jì)算示例：取第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)lgE=11.468-1922/T液=11.468-1922/(23+273.15)=4.9780，亨利系數(shù)E=104.9780=95070P=P/2+P塔頂+P大氣=0.35/2+0.89+101.83=102.895kPa=102895Pam=E/P=95070/95070=0.92395NH3=PM/RT=101.3*17/(8.314*293.15)=0.7065kg/m3氨氣體積流量校正QNH3

23、=250*1.205*101.3*(20+273.15)/(0.7065*1.3+101.83*293)=323.355L/h氨氣摩爾流量VNH3= QNH3/22.4=14.4355mol/h=0.01445kmol/h空氣=1.165kg/m3 故空氣體積流量校正：Q空氣=8.5*1.205*101.3*(29.5+273.15)/(1.165*1.28+101.83*293)=8.7084m3/h空氣摩爾流量V空氣= Q空氣/22.4=0.3888kmol/hY1= VNH3/V空氣=0.01445/0.3888=0.03717nNH3=2*M酸*V酸=2*0.03*10*10-3=6*

24、10-4moln空氣=PL空氣/R T空氣=101.83*103*3.06*10-3/(8.314*(19.2+273.15)=0.1282molY2= nNH3/ n空氣=6*10-4/0.1282=0.004680GA=V空氣*(Y1-Y2)= 0.3888*(0.03717-0.00468)=0.01263kmol/hLW=VW*W/M=30*998.2*10-3/18=1.6637kmol/hX1=V空氣*(Y1-Y2)/ LW= 0.3888*(0.03717-0.00468)/1.6637=0.007593Y1=Y1-mX1=0.03717-0.92395*0.007593=0.0

25、3015Y2=Y2-mX2=Y2=0.004680Ym=(Y1-Y2)/ln(Y1/Y2)=( 0.03015-0.004680)/ln(0.03015/0.004680)=0.01367KYa= GA/(*h*Ym)= 0.01263/(0.00385*0.39*0.01367)=615.33=1-Y2/Y1=(1-0.00468/0.03717)*100%=87.4%3、 KYa與空氣流量Q空氣和水流量Vw L/h的關(guān)系組號(hào)123空氣流量Q空氣m3/h8.58.510.2氨氣流量QNH3 L/h250250300水流量Vw L/h303630Y20.004680.00277550.0037

26、367X10.007590.0066850.009333GA kmol/h0.012630.013350.01553Ym0.013670.0117250.012212KYa615.50758.45847.286 結(jié)果分析、討論：本次實(shí)驗(yàn)分別通過改變吸收劑水流量和空氣流量來討論對(duì)吸收的影響。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果可以看出：1、 第1組和第2組之間，空氣流量不變，增大水的流量，出口氣體濃度Y2變小，出口液體濃度X1減小，體積吸收系數(shù)KYa變大。分析：按化工原理相關(guān)知識(shí)分析，增大吸收劑流量，使得吸收劑側(cè)的傳質(zhì)阻力減小，由傳質(zhì)速率N=傳質(zhì)推動(dòng)力/阻力，得N增大，故氣相出口濃度Y2減小，而液相出口濃度X1因吸收劑用量增多，故減小。G/ KYa表示氣相總傳質(zhì)單元高度，KYa增大則氣相總傳質(zhì)單元高度減小，表明傳質(zhì)效果好。2、 第1組和第3組，水流量保持不變，增大氣體流量，則Y2減小，X1增大，體積吸收系數(shù)增大。分析：傳質(zhì)速率