填料塔吸收操作及体积吸收系数的测定.docx
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填料塔吸收操作及体积吸收系数的测定
专业：
环境工程
姓名：
陈俊杰
学号：
3120104314
日期：
2014.1.7
地点：
教十2109
实验报告
课程名称：
过程工程原理实验指导老师：
叶向群成绩：
实验名称：
填料塔吸收操作及体积吸收系数的测定实验类型：
同组学生姓名：
赵正华、李乐
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的和要求（必填）
1.了解填料吸收塔的构造并熟悉吸收塔的操作。
2.观察填料吸收塔的液泛现象，测定泛点空塔气速。
3.测定填料层压降ΔP与空塔气速u的关系曲线。
4.测定含氨空气—水系统的体积吸收系数KYα。
二、主要仪器设备
1.本实验装置的流程示意图见图一。
主体设备是内径为70毫米的吸收塔，塔内装10×9×1陶瓷拉西环填料。
2.物系是（水—空气—氨气）。
惰性气体空气由漩涡气泵提供，氨气由液氨钢瓶供应，吸收剂水采用自来水，它们的流量分别通过转子流量计测量。
水从塔顶喷淋至填料层与自下而上的含氨空气进行吸收过程，溶液由塔底经液封管流出塔外，塔底有液相取样口，经吸收后的尾气由塔顶排至室外，自塔顶引出适量尾气，用化学分析法对其进行组成分析。
1—填料吸收塔2—旋涡气泵3—空气转子流量计4—液氨钢瓶5—氨气压力表
6—氨气减压阀7—氨气稳压罐8—氨气转子流量计9—水转子流量计10—洗气瓶
11—湿式流量计12—三通旋塞13、14、15、16—U型差压计17、18、19—温度计
20—液位计
图一填料塔吸收操作及体积吸收系数测定实验装置流程示意图
二、实验内容和原理（必填）
（一）填料层压力降ΔP与空塔气速u的关系
气体通过干填料层时（喷淋密度L=0），其压力降ΔP与空塔气速u与气体以湍流方式通过管道时ΔP与u的关系相仿。
当气速在L点以下时，在一定喷淋密度下，由于持液量增加而使空隙率减小，使得填料层的压降随之增加，又由于此时气体对液膜的流动无明显影响，在一定喷淋密度下，持液量不随气速变化，故其ΔP~u关系与干填料相仿。
在一定喷淋密度下，气速增大至一定程度时，随气速增大，液膜增厚，即出现“拦液状态”（L点以上），此时气体通过填料层的流动阻力剧增；若气速继续加大，喷淋液的下流严重受阻，使积聚的液体从填料表面扩展到整个填料层空间，谓之“液泛状态”（F点），此时气体的流动阻力急剧增加。
F点即为泛点，与之相对应的气速称为泛点气速。
填料塔在液泛状态下操作，气液接触面积可达最大，其传质效率最高。
但操作最不稳定，通常实际操作气速取泛点气速的60%~80%。
塔内气体的流速以其体积流量与塔截面积之比来表示，称之为空塔气速u。
（1）
式中：
u——空塔气速，m/s
V’——塔内气体体积流量，m3/s
Ω——塔截面积，m2。
图二填料层压降与空塔速度的关系图
实验中气体流量由转子流量计测量。
但由于实验测量条件与转子流量计标定条件不一定相同，故转子流量计的读数值必须进行校正。
填料层压降ΔP直接可由U型压差计读取，再根据式
（1）求得空塔气速u，便可得到一系列ΔP~u值，标绘在双对数坐标纸上，即可得到ΔP~u关系曲线。
（二）体积吸收系数KYα的测定
1.相平衡常数m
对相平衡关系遵循亨利定律的物系（一般指低浓度气体），气液平衡关系式为：
（2）
相平衡常数m与系统总压P和亨利系数E的关系如下：
（3）
式中：
E——亨利系数，Pa；
P——系统总压（实验中取塔内平均压力），Pa。
亨利系数E与温度T的关系为：
（4）
式中：
T——液相温度（实验中取塔底液相温度），K。
根据实验中所测的塔顶表压及塔顶塔底压差ΔP，即可求得塔内平均压力P。
根据实验中所测的塔底液相温度T，利用式（3）、（4）便可求得相平衡常数m。
2.体积吸收系数KYα
体积吸收系数KYα是反映填料吸收塔性能的主要参数之一，其值也是设计填料塔的重要依据。
本实验中属于低浓度气体吸收，近似取Y≈y，X≈x。
吸收速率方程式为：
则
（5）
式中：
KYα——气相体积吸收系数，kmol/m3·h；
α——单位体积填料层所提供的有效接触面积，m2/m3；
GA——单位时间内NH3的吸收量，kmol/h；
Ω——塔截面积，m2；
h——填料层高度，m；
ΔYm——吸收推动力，气相对数平均浓度差。
为求得KYα，需求取GA及ΔYm。
（1）被吸收的NH3量GA，可由物料衡算求得：
（6）
式中：
V——惰性气体空气的流量，kmol/h；
L——吸收剂水的流量，kmol/h；
Y1——进塔气相的组成，比摩尔分率，kmol（A）/kmol（B）；
Y2——出塔气相（尾气）的组成，比摩尔分率，kmol（A）/kmol（B）；
X1——出塔液相的组成，比摩尔分率，kmol（A）/kmol（B）；
X2——进塔液相的责成，本实验中为清水吸收，X2=0。
（a）进塔气相浓度Y1的确定
（7）
式中：
VA——氨气的流量，kmol/h。
根据实验中转子流量计测取的空气和氨气的体积流量和实际测量状态（压力、温度），对其刻度流量进行校正而得到其实际体积流量，再由气体状态方程得到空气和氨气的摩尔流量，并由式（7）可求取进塔气相组成Y1。
（b）出塔气相（尾气）组成Y2的确定
用移液管移取Vaml浓度为Ma的标准H2SO4溶液置于吸收瓶中，加入适量去离子水机2—3滴溴百里酚兰，将吸收瓶如图12-1连接在抽样尾气管线上。
当吸收塔操作稳定时，尾气通过吸收瓶后尾气中的氨气被H2SO4吸收，其余空气通过湿式流量计计量。
为使所取尾气样能反映塔内实际情况，在取样分析前应使取样管尾气保持流通，然后改变三通旋塞流动方向，使尾气通过吸收瓶。
（8）
式中：
——氨气的摩尔数，mol；
——空气的摩尔数，mol。
（I）尾气样品中氨的摩尔数
可用下列方式之一测得：
（i）若尾气通入吸收瓶吸收至终点（瓶内溶液颜色由黄棕色变至黄绿色），则：
（9）
式中：
Ma——标准H2SO4溶液的摩尔浓度，mol/L。
（ii）若通入吸收瓶的尾气已过量（瓶中溶液呈兰色），可用同样标准H2SO4溶液滴定至终点（瓶内溶液呈黄绿色）。
若耗去的滴定用酸量为Va’，则：
（10）
（II）尾气样品中空气摩尔数
的测取
尾气样品中的空气量由湿式流量计读取，并测其温度、压力。
（11）
式中：
P0——尾气通过湿式流量计时的压力（由室内大气压代替），Pa；
V0——通过湿式流量计的空气量，l；
T0——通过湿式流量计的空气温度，K；
R——气体常数，R=8314N·m/（mol·K）。
由式（9）、（10）可求得
和
，代入式（8）中即可得到Y2。
根据得到的Y1和Y2，代入式（6）中即可求得GA。
（2）对数平均浓度差
其中
式中：
、
——与液相浓度
、
相对应的气相平衡浓度，kmolA/kmolB。
出塔液相浓度
可取塔底液相样品进行化学分析得到，也可用物料衡算式（6）得到。
求得GA、
后，由式（5）即可求得KYα。
四、操作方法与实验步骤
1.先开启吸收剂（水）调节阀，当填料充分润湿后，调节阀门使水流量控制在适当的数值，维持恒定。
2.启动风机，调节风量由小到大，观察填料塔内的流体力学状况，并测取读数，根据液泛时空气转子流量计的读数，来选择合适的空气流量，本实验要求在两至三个不同的气体流量下测定KYα。
3.为使进塔气相浓度Y1约为5%，须根据空气的流量来估算氨气的流量，然后打开氨气钢瓶，调节阀门，使氨气流量满足要求。
4.水吸收氨，在很短时间内操作过程便达到稳定，故应在通氨气之前将一切准备工作做好，在操作稳定后，开启三通旋塞，使尾气通入吸收瓶进行尾气组成分析。
在实验过程中，尤其是在测量时，要确保空气、氨气和水流量的稳定。
5.改变气体流量或吸收剂（水）流量重复实验。
6.实验完毕，关闭氨气钢瓶阀门、水调节阀，切断风机电源，洗净分析仪器等。
五、实验数据记录和处理
表1填料塔吸收操作及体积吸收系数测定实验数据记录表
第2套装置
大气压1029.2MB
填料层高度37cm
填料塔直径70mm
标准酸浓度0.03mol/L
体积吸收系数实验
1
2
3
空气流量
转子流量计读数/（m3/h）
9.0
9.0
10.8
空气温度/℃
21.9
22.5
23.8
空气表压/kPa
1.51
1.52
2.18
氨气流量
转子流量计读数/（L/h）
270
270
320
氨气温度/℃
12.8
13.0
12.5
氨气表压/kPa
1.59
1.61
2.29
水转子流量计读数/（L/h）
30.0
36.0
30.0
塔顶底压差/kPa
0.51
0.560
0.78
塔顶表压/kPa
0.95
0.89
1.34
塔底液温/℃
13.2
13.9
14.2
塔顶气象浓度分析
吸收瓶加酸量/mL
10.00
10.00
10.00
脱氨后空气量/L
6.88
7.98
5.90
脱氨后空气温度/℃
11.0
11.0
11.0
1.转子流量计读数的校正
转子流量计在标定时采用水作为标定介质，测量气体的转子流量计则采用空气作为标定介质，介质状态都为20℃、
。
当转子流量计测量水时，虽然水温的不同引起密度和黏度的变化，但它对实验流量值影响较小，一般不予校正。
当被测介质是气体时，校正公式为：
，气体的流量校正过程如下：
1气体的绝压：
实验测得大气压力为1029.2MB，即1.0292*105Pa，用得到的表压加上大气压值即为气体的绝压。
2气体的温度：
均采用开尔文单位，温度的值为摄氏温度加上273K。
3气体的密度：
由于空气和氨气在标准状态下的密度均已知，分别为1.205kg/m3和0.771kg/m3，因此用气体状态方程
可以得出
，因此在不同的气压和温度下的气体密度可以由公式
得到。
计算得到参数如下：
组号
1
2
3
空气压力绝压修正后/Pa
104430
104440
105100
空气温度/K
294.9
295.5
296.8
空气密度/（kg/m3）
1.149698
1.147473
1.149667
氨气绝压修正后/Pa
104510
104530
105210
氨气温度/K
285.8
286
285.5
氨气密度/（kg/m3）
0.7596
0.7592
0.7655
根据公式
得到修正后的气体流量为：
修正后流量
1
2
3
空气转子流量计读数/（m3/h）
9.43292
9.45120
11.3198
氨气转子流量计/（L/h）
274.045
274.184
322.295
2.体积吸收系数
的测定
（1）相平衡常数m
对相平衡关系遵循亨利定律的物系（一般指低浓度气体），气液平衡关系式为：
相平衡常数m与系统总压P和亨利系数E的关系如下：
。
其中P为系统总压（实验中取塔内平均压力）。
亨利系数E与温度T的关系为：
lgE=11.468-1922/T。
组号
1
2
3
塔顶绝压/Pa
102275
102215
102665
塔底绝压/Pa
102785
102775
103445
塔内平均压力/Pa
102530
102495
103055
塔内液相温度/℃
286.2
286.9
287.2
亨利系数E/Pa
56547.9
58722.11
59675.96
平衡常数m
0.551525
0.572927
0.579069
（2）体积吸收系数
（a）被吸收的
量
，可由物料衡算求得：
进塔气相浓度Y1的确定：
组号
1
2
3
空气体积流量/（m3/h）
9.43292
9.45120
11.3198
空气摩尔流量V（mol/h）
401.7783
401.7783
482.1339
氨气体积流量/（L/h）
274.045
274.184
322.295
氨气摩尔流量VA（mol/h）
12.05335
12.05335
14.28545
Y1
0.03
0.03
0.02963
出塔气相浓度组成Y2的确定：
式中：
为氨气的摩尔数，
，
为空气的摩尔数
。
。
X1可以利用物料衡算得到X1=GA/L.
组号
1
2
3
nNH3/（mol/h）
0.000723
0.000723
0.000857
nair/（mol/h）
0.299889
0.347836
0.257172
Y2
0.002412
0.002079
0.003333
GA（mol/h）
11.08443
11.21799
12.67855
L/（mol/h）
1666.6667
2000
1666.6667
X1
0.006651
0.005609
0.007607
（b）对数平均浓度差
。
。
其中
，
组号
1
2
3
detaY1
0.026332
0.026786
0.025225
detaY2
0.002412
0.002079
0.003333
detaYm
0.010006
0.009667
0.010816
（3）体积吸收系数
其中
，h=0.4m.
组号
1
2
3
平均
/（kmol/m3h）
777.9419
814.9907
823.2056
805.3794
六、实验结果与分析
本实验吸收的是具有碱性性质且易溶于水的氨气，故实验中气象阻力为主要阻力。
根据理论知识推得
，上述实验结果显示为
，符合实验推论。
七、讨论、心得
尽管此次实验结果与理论相符，但是测量一定是有误差的。
实验中可能产生误差的原因有：
1、难以准确判断尾气吸收是否达到终点，即难以判断变色点，因此对出塔氨气的浓度计算产生较大误差，进而影响最终测得的体积吸收系数KYa；在实验过程中，第一次的变色点判断明显比后两个的变色点要深，因此带来了误差。
最理想的情况是，应该在即将到达变色点时，调小排气的阀门，控制好三个实验的最终变色点颜色是一致的，这样才好进行比对。
2、U管压差计和转子流量计在读数时存在波动，带来误差。
3、取硫酸试剂的时候操作失误，导致实际加的硫酸量与计算时用的硫酸量不符。
4、实际空气与氨气并不符合理想气体状态方程，因此计算时产生系统误差。
5、在装置还没有稳定的时候就开始往硫酸中通氨气，这样一开始不稳定的那段通量必然给氨浓度的计算造成不小误差。
5、 在计算塔内空气、氨气流速时用流量计处的气体表压代替塔内的平均压力，可能会存在相应的误差。
①造成填料塔的液泛的因素：
填料的形状、大小以及气液两相的流量、性质等。
产生液泛的原因是塔板上汽相负荷过大。
实质上是上一块塔板的液体经过降液管与塔板的间隙来不及流下去，这样，该层塔板上斯渐积满了液体，后来，上一层塔板也积满液体，这时，液泛便会发生。
发生液泛后，塔板下部压力越来越大，流体更难往下流，如果减少加热量，塔底又会出现满液位。
防止产生液泛的措施包括按规定的进料量/回流量操作。
②流体通过干填料压降与湿填料压降的异同：
当气体自下而上通过填料时产生的压降主要用来克服流经填料层的形状阻力。
当填料层上有液体喷淋时，填料层内的部分空隙为液体所充满，减少了气流通道截面，在相同的条件下，随液体喷淋量的增加，填料层所持有的液量亦增加，气流通道随液量的增加而减少，通过填料层的压降将随之增加。
③从传质推动力和传质阻力两方面分析吸收剂流量和吸收剂温度对吸收过程的影响：
改变吸收剂用量是对吸收过程进行调节的最常用的方法，当气体流率G不变时，增加吸收剂流率，吸收速率NA增加，溶质吸收量增加，则出口气体的组成y2减小，回收率增大。
当液相阻力较小时，增加液体的流量，传质总系数变化较小或基本不变，溶质吸收量的增加主要是由于传质平均推动力ym的增大引起，此时吸收过程的调节主要靠传质推动力的变化。
当液相阻力较大时，增加液体的流量，传质系数大幅度增加，而平均推动力可能减小，但总的结果使传质速率增大，溶质吸收量增加。
对于液膜控制的吸收过程，降低操作温度，吸收过程的阻力将随之减小，结果使吸收效果变好，y2降低，而平均推动力ym或许会减小。
对于气膜控制的过程，降低操作温度，过程阻力。
④确定液泛点气速：
在一定量的喷淋液体之下，当气速低于载点时，液体沿填料表面流动很少受逆向气流的牵制，持液量（单位体积填料所持有的液体体积）基本不变。
当气速达载点时，液体向下流动受逆向气流的牵制开始明显气来，持液量随气速增加而增加，气流通道截面随之减少。
所以，自载点开始，压降随空塔气速有较大增加，压降—气速曲线的斜率加大。
当气速继续增加，气流通过填料层的压降迅速上升，并且压降有强烈波动，表示塔内已经发生液泛，这些点称为液泛点。
思考题：
1．测定及△P~u有什么实际意义？
答：
是吸收塔的体积传质系数，测定
可以用来计算对应吸收塔的传质单元数，进而推求塔高和吸收塔的吸收能力等参数，具有实际应用意义。
测得△P~u之后可以估算改吸收塔的液泛气速，从而得到载点的气速，确定合适的进气流量。
2.要确定，需测定哪些数据（在流程中标出测量点、控制点）?
使用哪些仪表？
答：
测量参数：
进口水流量，进口空气流量、温度和压力；塔顶表压，塔顶底压差，塔顶液温，塔内液温，脱氨后空气量，吸收瓶加酸量，脱氨后空气温度，大气压，氨气温度，填料层高度。
使用仪表：
转子流量计、U型管压差计、温度计等。
3.实验时，如何确定水、空气和氨气的流量?
答：
实验中使用转子流量计测定三者流量，再根据各流体物性与标准水的物性（密度比例关系）比例进行修正。
4.怎样判断实验过程处于稳定状态?
答：
三个流量计显示稳定时，则可认为实验过程处于稳定状态。
5.为什么吸收时氨气从气相转移到液相？
空气量改变对有何影响？
答：
因为进料时，氨气在气相中的摩尔浓度大于此时与液相浓度相平衡的气象浓度，因此存在传质推动力使得氨气从气相转移到液相。
改变空气量会改变塔内的空气湍动程度，从而改变了气膜传质阻力，因为氨气易溶于水，所以在传质过程中气膜阻力较大，因此改变空气量会大大影响
。
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