試驗五吸收試驗

1、實驗五吸收實驗一、實驗任務(wù)1-填料吸收塔填料特性一一外形尺寸、單位體積填料個數(shù)、比表面積、空隙率、堆積 密度、干填料因子、填料因子等測取方法的設(shè)計。2-填料塔流體力學特性一一壓降規(guī)律與液泛規(guī)律的研究。3、流體的流動對傳質(zhì)阻力影響的研究。4、吸收劑用量對傳質(zhì)系數(shù)影響的研究。5、吸收過程調(diào)節(jié)的研究。6、傳質(zhì)阻力較小側(cè)流體的流量變化對吸收過程影響的研究。二、基本原理：（一）填料塔流體力學特性氣體通過干填料層時，流體流動引起的壓降和湍流流動引起的壓降規(guī)律相一致。在雙對數(shù)坐標系中 P/Z對G，作圖得到一條斜率為 1.82的直線（圖1中的aa線）。而有噴淋量 時，在低氣速時（c點以前）壓降也比例于氣速的1

2、.82次哥，但大于同一氣速下干填料的壓降（圖中bc段）。隨氣速增加，出現(xiàn)載點（圖中 c點），持液量開始增大。圖中不難看 出載點的位置不是十分明確，說明汽液兩相流動的相互影響開始出現(xiàn)。壓降氣速線向上彎曲，斜率變徒（圖中cd段）。當氣體增至液泛點（圖中 d點，實驗中可以目測出）后在幾乎 不變的氣速下，壓降急劇上升，此時液相完全轉(zhuǎn)為連續(xù)相，氣相完全轉(zhuǎn)為分散相，塔內(nèi)液體返混和氣體的液沫夾帶現(xiàn)象嚴重，傳質(zhì)效果極差。測定填料塔的壓降和液泛氣速是為了計算填料塔所需動力消耗和確定填料塔的適宜操 作范圍，選擇合適的氣液負荷。實驗可用空氣與水進行。在各種噴淋量下，逐步增大氣速， 記錄必要的數(shù)據(jù)直至剛出現(xiàn)液泛時止。

3、但必須注意，不要使氣速過分超過泛點，避免沖跑和沖破填料。（二）傳質(zhì)系數(shù)K y的測定1.傳質(zhì)系數(shù)的計算公式（低濃度）填料層高度的表示式:hh 二 ,0dhGV、 dyK y ay2 y - y(1)式中：h 填料層高度mG混合氣體通過塔截面的摩爾流速kmol/ m 2?hA 單位體積填料的有效表面積m2/m32Ky以A y為推動力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)kmol/ m ?h?Ayy氣相摩爾分率。y * -平衡時的氣相摩爾分率。對于低濃度氣體的吸收， 在xy坐標上所繪的操作近于 直線；若在操作濃度范圍內(nèi)平衡關(guān)系符合亨利定律，則平衡線亦為直線。在本實驗的條件下，操作線和平衡線均可看作是直 線。如圖2所示。在

4、此情況下，對應于某一 x值的這兩直線的 縱坐標值之差 y-y*與x或y亦成直線關(guān)系。令任一位置上的差值為Ay ,濃端Ayi= yi_ y:，稀端為Ay?=y2 y2。因Ay與y成直線關(guān)系，故d (.：y) _ (；：y)i -( .7)dyyi - y2yidy _jyi、dy_ yi-y?pd(Ay)= yi y?ln (Ay)i = yi - y?y2 y-y* =(；：y)iy2:y ( ：y)i-( 7)2( ”2 外其中.Rm把積分結(jié)果代入式y(tǒng)i 一竺寸ln . -72(i),得G (yi - y2 ) h 二Kya WmG( yi - y2 )K y 二 ； ha. ym(2)(3

5、)在（3）式中的a , 一般不等于干填料的比表面積即 a = aat,而應乘以填料的表面效率Y。填料表面潤濕效率 YII00. 20 0.5 U.S 0.70.80.9LO00. 1 0.20,3 0.4 0.50.6 0. T 0.8 0.91.0Y可根據(jù)最小潤濕分率由圖3查出。日曰八多操作的潤濕率最小潤濕分率= 規(guī)定的最小潤濕率一般填料規(guī)定的最小潤濕率為0.08m2/m列操作的潤濕率=液體噴淋密度m3/m?h最小潤濕分率圖3填料表面潤濕效率圖亦可用以下函數(shù)關(guān)系計算Y-i.34iiRi2 2.ii5Ri 0.0463式中：Ri-最小潤濕分率。2.傳質(zhì)系數(shù)的測定方法從公式（3）可見，要測定 K

6、y值，應把公式右邊各項分別求出。在本實驗中， 測定進氣中的氨量和空氣量求出；y2由尾氣分析器測出，填料高度h為已知值;介紹的方法求得；y2可用平衡關(guān)系式求出。下面介紹整理數(shù)據(jù)的步驟：（i）求空氣流量標準狀態(tài)的空氣流量用下式計算：(4)G yi由a值用上面式中：Vi-標定狀態(tài)下的空氣流量T0, F0標準狀態(tài)下空氣的溫度V0=V1T0 . PiP2 m3/h0 i RT2Tim3/hK和壓強mmHg(5)1,P1標定狀態(tài)下空氣的溫度 K和壓強mmHg2,P2使用狀態(tài)下空氣的溫度 K和壓強mmHg(2)求氨氣流量標準狀態(tài)下氨氣流量 Vo，用下式計算:式中：P01 -標準狀態(tài)下空氣的密度P02 -標準

7、狀態(tài)下氨的密度 本實驗中取 ；02 =0.7810 kg/m 3 因本實驗所采用的液氨中含純氨為'To：01 P2 P,V0 =V1 001 2 1P002T21kg/m 3kg/m 3(6)98%則純氨在標準狀態(tài)下的流量V -0.98V0V/可用下式計算：(3)計算混合氣體通過塔截面的摩爾流速(8)Vo VoG =二一222.4 D；4式中：Dt-填料塔內(nèi)徑m(4)求進氣濃度y1yi必n1n2(9)式中： 1-氨氣的摩爾數(shù)n2-空氣的摩爾數(shù)根據(jù)理想狀態(tài)方程式:n1PoVoRT 0所以PoVon2 二RTo一Voy1 一"Vo Vo(10)(5)平衡關(guān)系式如果水溶液是v 10

8、%的稀溶液，平衡關(guān)系式服從亨利定律。液相濃度用一 一 . 、 . . * 一 . . 一 一氣相濃度用y表不，則平衡關(guān)系式如下：x表示，平衡的式中：m-相平衡常數(shù)*y 二 mx m = EP(11)E -亨利系數(shù)N/m 2或大氣壓P -系統(tǒng)總壓強N/m 2或mmHg本實驗系統(tǒng)總壓強=大氣壓強+塔頂表壓+1/2塔內(nèi)壓差*P(12)kgNH 3NH 3的平衡分壓(毫米汞柱)100kgH2O0C10C20 C25 C30 C40 C10.025.141.869.61101677.517.729.950.079.7120xP*平衡時的氨氣分壓 mmHg其數(shù)值可以從表1查得：由公式(12)可以計算出亨利

9、系數(shù)。通常資料中記載的是較濃的氨溶液的亨利系數(shù)。本 實驗中的溶液認為較稀，氨的亨利系數(shù)有變化，下面根據(jù)稀溶液的平衡數(shù)據(jù)計算亨利系數(shù)。表1氨的平衡溶解度5.011.219.931.751.076.54.016.124.940.160.83.011.318.223.529.6452.515.019.424.4(37.6)2.012.015.319.3(30.6)1.612.015.3(24.1)1.29.111.5(18.3)1.07.1(15.4)0.53.7注：括號內(nèi)的數(shù)值為外推值例1：求溫度為0C,液相氨的濃度為 10kgNH 3 時的亨利系數(shù)。100kgH2。解：根據(jù)上述條件，在表液相摩爾

10、分率x1中查得的平衡分壓10二一17=0.09571010017 T8"*P=25.1 mmHg。(17為氨的分子量,18為水的分子量）*25 1P =.-=0.03303 大氣壓 760_* P 0.03303E =0.345大氣壓x 0.0957用上例的方法計算出稀溶液在不同溫度下一定濃度范圍內(nèi)的亨利系數(shù)列于表2中。從表2可見同一溫度亨利系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)變化不大，但不同的濃度范圍有不同的數(shù)值， 本實驗濃度在5%以內(nèi)，取平均值得表 3的數(shù)據(jù)。亨利系數(shù)可用下式計算：E = 7.92857 父10-2 +7.511905 M10,t+0.3254167 大氣壓（13）式中：t-塔底

11、氨水溶液溫度（C）。（6）求出塔液相濃度x1根據(jù)物料衡算得操作線方程式:Gb(Y1 Y2)=Ls(X1 X2)(14)表2 氨的亨利系數(shù)濃相濃度亨利系數(shù)（大氣壓）(%)0C10C20 C25 C30 C40 C103.3450.5750.9571.5122.297.50.3160.5350.8941.432.155.00.2930.5000.8291.332.004.00.5220.8071.301.973.00.4830.7781.001.271.922.50.7650.8981.241.922.00.7630.9731.231.951.60.9451.211.901.20.9501.201

12、.911.00.9271.930.50.844表3液相濃度5%以下的亨利系數(shù)與溫度關(guān)系溫度（C）01020253040亨利系數(shù)（大氣壓）0.2930.5020.7780.9471.2501.938式中：G-單位時間通過塔任一截面單位面積的惰性氣體量（ kmol/ m 2?h）Ls-單位時間通過塔任一截面單位面積溶劑（水）量（ kmol/ m 2?h）Y i, Y2-在塔底，塔頂氣相中溶質(zhì)與惰性氣體的摩爾比X 1, X2-在塔底，塔頂中溶質(zhì)與溶劑的摩爾比本實驗進塔液為清水X2 =0Xi 辛（Yi 一丫?）LS由式（15）算出X1 ,再由下式算出X1(15)(Xi1 Xi二ym*)(yi -

13、9;yi ) -l(y2 -V2w(17)Lnyi - yi*y2 - y2Xi用Xi值代入式（11）即求得yi ,因X2 =0所以y2 =0 ,將yi, y2, yi等值代入式（17） 即可求得AymO 求ky：將G,y1, y2,h,a,Aym等值代入式（3）即可求得ky。三、裝置與流程圖4是吸收實驗裝置流程圖（ 插入：教案下載 圖片實驗五流程圖）?？諝庥娠L機1 （定容式 風機安裝在室外）供給，閥2用于調(diào)節(jié)空氣流量（放空法）。在氣管中空氣與氨混合后入塔，經(jīng)吸收后排出，出口處有尾氣調(diào)壓閥 9,這個閥在不同的流量下能自動維持一定的尾氣壓力， 作為尾氣通過分析器的推動力。水經(jīng)總閥15進入水過濾減

14、壓器 16,經(jīng)調(diào)節(jié)閥17及流量計18入塔。氨氣由氨瓶 23供 給，開啟氨瓶閥 24,氨氣即進入自動減壓閥25中，這閥能自動將輸出氨氣壓力穩(wěn)定在0.050.1 （mPa范圍內(nèi)，氨壓力表26指示氨瓶內(nèi)部壓力， 而氨壓力表27則指示減壓后的 壓力。為了測量塔內(nèi)壓力和填料層下強降，裝有表壓計20和壓差計19。此外，實驗室還備有大氣壓力計測量大氣壓力。排液管7可以上下移動，使液面控制在管子內(nèi)部而不上升到塔截面內(nèi)。閥31不是用來調(diào)節(jié)空氣流量的，它的作用是提高風機利用率，當不做吸收實驗時，可 將此閥關(guān)閉，從油分離器 3的預留管口接出旁管以供應其他地方用氣。四、操作要點1、填料塔流體力學測定操作（1） 這項操

15、作不要開動氨氣系統(tǒng)，僅用水對空氣進行操作即可。（2） 測定干填料壓強降時，塔內(nèi)填料務(wù)必事先潤濕一遍。（3） 測定濕填料壓強降：a.先開動供水系統(tǒng)。開動供水系統(tǒng)中的濾水器時，要注意首先打開出水端閥門才慢慢 打開進水閥，如果在水端閥門關(guān)閥情況下開進水閥，濾水器就可能超壓。b.開動空氣系統(tǒng)。開動時要首先全開室內(nèi)的葉氏風機旁通閥，然后再啟動葉氏風機， 否則風機一開動，系統(tǒng)內(nèi)氣速突然上升可能碰壞空氣轉(zhuǎn)子流量計。風機啟動后再用關(guān)小旁通閥的辦法調(diào)節(jié)空氣流量。同理，實驗完畢要停機時，也要全開旁通閥，待 轉(zhuǎn)子降下來以后再停機，如果突然停機，氣流突然停止，轉(zhuǎn)子就會猛然掉下，打壞 流量計。c. 一般總是慢慢加大氣速

16、到接近液泛，然后回復到預定氣速再進行正式測定，目的是使填料全面潤濕一次。d.正式測定某一噴淋量時，務(wù)必讓各參數(shù)穩(wěn)定后再讀取數(shù)據(jù)。e.接近液泛時，進塔氣體量應緩慢增加，密切觀察填料表面氣液接觸狀況，并注意填 料層壓降變化幅度。要注意，此時壓降變化是一個隨機變化過程，無穩(wěn)定過程，因 此讀取數(shù)據(jù)和調(diào)節(jié)空氣量的動作要快，否則測出的曲線會不完整。液泛后填料層壓降在幾乎不變的氣速下明顯上升，切不可使氣速過分超過泛點。2、傳質(zhì)系數(shù)測定的操作(1)事先確定好操作條件。可在以下范圍內(nèi)選?。喊睔饬髁?.81.0 (m3/h),空氣流量2025 (m3/h)，水流量90120 (l/h)。準備好尾氣分析器，用前項的

17、方法開動水系 統(tǒng)和空氣系統(tǒng)，一切準備就緒后再開動氨氣系統(tǒng)。實驗完畢隨即關(guān)閉氨氣系統(tǒng)，以盡可能節(jié)約氨氣?？諝庀到y(tǒng)的關(guān)閉方法也和前項相同。(2)氨氣系統(tǒng)的開動方法：事先要弄清氨氣自動減壓的構(gòu)造。開動時首先將自動減壓 閥的彈簧放松，使自動減壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打開氨瓶瓶頂閥，此時自動減壓閥的高壓壓力表應有示值。下一步先關(guān)閉氨氣轉(zhuǎn)子流量計前的調(diào)節(jié)閥，再緩緩壓緊減壓閥的彈簧，使閥門打開，同時注視低壓氨氣壓力表示值達到0.050.08 (MPa),(即0.5或者0.8kgf/cm 2)時即可停止。然后用轉(zhuǎn)子流量計前的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氨氣流量，便可正常使用。關(guān)閉氨氣系統(tǒng)的步驟和開動步驟相反。(3)尾氣分析器的操

18、作(詳見下節(jié)介紹)五、尾氣濃度測定方法1 .尾氣分析由取樣管 3,吸收管8,濕式氣體流量計 9等組成，如圖5所示(插入：教案下 載圖片實驗五氣體分析流程圖)。在吸收管中裝入一個定濃度的稀硫酸1 (ml)后再加進蒸儲水至刻線處(紅漆線)并加入批示劑(甲基紅)12滴，當被分析的尾氣樣品通過吸收管后，尾氣中的氨被硫酸吸收，其余部分(空氣)由濕式氣體流量計計量。由于所加入的硫 酸數(shù)量和濃度是已知量，所以被吸收的氨量便可計算出來。濕式氣體流量計所計量的空氣量可以反映出尾氣濃度，空氣量越大表示濃度越低。2 .操作方法：分析操作開始時，先記錄濕式氣體流量計的初始值，即紅指針所在位置，然后開啟閥5讓尾氣通過取

19、樣管并觀察吸收液的顏色(吸收管是透明的， 可以看清吸收液的顏色)，當吸收液剛改變顏色(由紅變黃)時，表示吸收到達終點，應立即關(guān)閉閥5,讀取濕式氣體流量計終示值。 操作時要注意控制閥 5的開度，使尾氣成單個氣泡連續(xù)不斷地進入 吸收管如果開度過大，氣泡將逞大氣團通過，則吸收不完全，開度過小，則拖延分析時間。3 .尾氣濃度的計算：尾氣通過吸收器，當其中的硫酸被尾氣中的氨剛好完全中和時， 若所通過的空氣體積因 Vo (ml)(標準狀態(tài))，被吸收的氨的體積為 V。(ml)(標準狀態(tài))， 則尾氣濃度y2為： "Voy2 二-Vo Vo因為M>> V；,分母中v。'、一項可以忽

20、略(18)Vi換算為標準狀態(tài)下的空氣體積Vo,(19)ml)。(mmHg (即大氣壓壓強)和溫度(K)。Voy2 =Vo計算y2時，由濕示氣體流量計測得的空氣，體積 換算公式：V?！彼腜0Ti式中：Vi-濕式氣體流量計所量得的空氣體積( P 1, Ti-空氣流經(jīng)濕式氣體流量計的壓強 P o, To-標準狀態(tài)下空氣的壓強和溫度。氨的體積Vo'可根據(jù)加入吸收管的硫酸溶液體積和濃度用下面公式求出:(2o)Vo =22.1VsNs式中：Vs一加入吸收管中的硫酸溶液體積(ml)Ns一硫酸的當量濃度(mg當量/ml )現(xiàn)將2o式的推導如下：22.1是1毫摩爾氨在標準狀態(tài)下的體積( ml/mmol)

21、,在標準狀 態(tài)下氨的密度=o.77o8 (mg/ml) , 1毫摩爾氨的質(zhì)量是17.o3 (mg),所以1毫摩爾氨在標準 狀態(tài)下的體積：17.o3x (1/o.77o8 ) =22.1 (ml/mmol)硫酸吸收氨時的反應方程式如下：2NH3 H2SO4(NH4)2SO4從反應式可以看出，當吸收管中的硫酸達到中和時， 參與反應的氨的毫克摩爾數(shù)在數(shù)值 上與所加入的硫酸的毫克當量數(shù)相等。加入吸收管中的硫酸的毫克當量數(shù)為：(21)(22)VsNsVS(ml), NS(mg當量 /ml)參加反應的氨毫克摩爾數(shù)為：Vo22.11毫克摩爾的氨在標準狀態(tài)下的體積為22.1 (ml) 21式和22式相等，所以

22、Vo =22.1VsNs現(xiàn)將18, 19, 2o式合并：T1Po VSNS/ 、y2 =22.1(- *-)(23)To P1V1例2：某次尾氣分析數(shù)據(jù)為：Ns=o.o4637 (mg當量/ml), Vs=1 (ml),尾氣體積V1=1.5 (l),尾氣溫度為3oc,當?shù)卮髿鈮?P1=76o.4 (mmHg),問尾氣濃度為多少?解：y2=22.1T1poVsNsToRW=22M (273 + 30) M 760MlM O。4637 = o.ooo768(摩爾分率)273 76。4 1.5 1。五、填料特性(見表4)序號裝置編號項目-第一套第二套第三套第四套1填料高度Z （m）0.8250.85

23、00.8350.8202填料塔內(nèi)徑D （m）0.0980.1080.1040.1043填;料 西； 環(huán)7 ）尺寸Do (mm)10.510.3712.111.9H (mm)1312.7712.012.168 (mm)1.21.071.81.32、3o (mm )8308088939254單位體積填料個數(shù)（個/m3） 個數(shù)n 20.785D Z672X 103531X103423X103436X 1035比表面積at （m2/m3）5584293784046空隙率£ =1-nV00.6930.7880.7040.7707堆積質(zhì)量Pp （kg/m3）6995525926068干填因子at

24、/£ 3 (1/m)16778771083884六、記錄表格形式填料塔流體阻力實驗記錄表實驗設(shè)備編號實驗日期20 年月日1 .基本數(shù)據(jù)：實驗介質(zhì)：空氣，水填料種類：拉西環(huán)填料層高度： （米）塔內(nèi)徑： （米）填料規(guī)格：12X12X1.3 （毫米）2 .操作記錄：(mmHg)序 號空氣流量（流量計標定狀態(tài) T=293K , P=760mmHg ）水流量填料層壓強降（mmH 2。）塔內(nèi) 現(xiàn)象流里“小值m3/h流量計前表壓（mmHg）溫度C示值 (l/h)水溫（C）*塔內(nèi)現(xiàn)象欄用以記錄“塔頂積液”“霧沫夾帶嚴重”等現(xiàn)象。傳質(zhì)系數(shù)測定記錄表實驗設(shè)備編號：xs填料吸收塔實驗記錄20 年月 日1

25、.基本數(shù)據(jù)：氣體種類：氨，空氣混合氣吸收劑：水填料種類：瓷環(huán)（拉西環(huán)）填料裝填高度 （米）自由體積：填料規(guī)格： （外徑X高X壁厚）比表面積： （米2/米3） 塔內(nèi)徑（米）2 .操作記錄：大氣壓強（ mmHgj一序號項目123456空 氣 流 量流量計計前表壓強（mmHg流量計溫度（C）流量計指示值（m3/h ）氨 氣 流 量流量計計前表壓強（mmHg流量計溫度（C） 流重計指不值（m/h ）氨氣含純氨百分數(shù) 98%水 流 量溫度（C）流量計不值（l/h ）尾 氣 濃 度吸收液： 硫酸 濃度：N吸收液量（毫升）尾氣體積（升）尾氣溫度（C）塔 內(nèi) 壓 強塔頂表壓強（mm2O） 塔頂、塔底壓表（mmH）備注七、報告要求1 、計算干填料以及一定噴淋量下濕填料在不同空塔氣速下單位填料層高度的壓強降，即 P/Z （mmHO/m）,并在雙對數(shù)坐標系作圖，找出載點和泛點。2、計算實驗條件下（一定噴淋量，一定空塔氣速）的總傳質(zhì)系數(shù)Ky。八、討論題1、填料孔隙率有幾種測定方法？2、填料塔的液泛與哪些因數(shù)有關(guān)？3、填料塔氣液兩相的流動特點是什么?4、闡述干