填料吸收实验.docx
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填料吸收实验
吸收实验
一、实验目的
1、了解吸收装置的流程、设备和操作；
2、了解填料吸收塔流体力学性能；
3、熟悉吸收塔传质系数的测定方法；了解气速和喷淋密度对吸收总传质系数的影响；
二、实验原理
实验原理分为两部分，一是填料塔流体力学性能测定，二是传质系数的测定。
㈠、填料塔流体力学性能测定
气体在填料层内的流动一般处于湍流状态。
在干填料层内，气体通过填料层的压降与流速（或风量）的关系成正比。
当气液两相逆流流动时，液膜占去了一部分气体流动的空间。
在相同的气体流量下，填料空隙间的实际气速有所增加，压降也有所增加。
同理，在气体流量相同的情况下，液体流量越大，液膜越厚，填料空间越小，压降也越大。
因此，当气液两相逆流流动时，气体通过填料层的压降要比干填料层大。
当气液两相逆流流动时，低气速操作时，膜厚随气速变化不大，液膜增厚所造成的附加压降并不显著。
此时压降曲线基本与干填料层的压降曲线平行。
再气速提高到一定值时，由于液膜增厚对压降影响显著，此时压降曲线开始变陡，这些点称之为载点。
不难看出，载点的位置不是十分明确的，但它提示人们，自载点开始，气液两相流动的交互影响已不容忽视。
自载点以后，气液两相的交互作用越来越强，当气液流量达到一定值时，两相的交互作用恶性发展，将出现液泛现象，在压降曲线上压降急剧升高，此点称为泛点。
对本实验装置，我们为避免由于液泛导致测压管线进水，更为严重的是防止取样管线进水，对在线取样泵和色谱造成损坏，因此，我们只要一看到塔内明显出现液泛（一般在最上填料表面先出现液泛，液泛开始时，上填料层开始积聚液体），即刻调小风量，这点希望用户切记切记。
本装置采用某一定水量不变时，测出不同风量下的压降：
1、风量的测定
①、空气实际密度的计算；
②、根据孔板流量计，可采用以下计算：
[m3/h]
2、全塔压差的读取
可从表上直接读取P2，单位为[Kpa]。
㈡、体积传质系数的测定
对于水吸收空气中的CO2，在常温常压下，由于亨利常数很大，溶解度很小，可知CO2属难溶气体，吸收属于液膜控制。
因此，在本实验过程中，只对某一气量下，进行不同喷淋密度下吸收系数的测定。
根据吸收速率方程：
（条件：
Kxa为常数、等温、低吸收率[或低浓、难溶等]）
Ga=Kxa·V·Δxm
则：
Kxa=Ga/（V·Δxm）
式中：
Kxa——填料塔体积传质系数[kmolCO2/m3hrΔxm]
Ga——填料塔的吸收量[KmolCO2/hr]
V——填料层的体积[m3]
Δxm——填料塔的平均推动力
1、Ga的计算
已知可测出：
水流量qs[m3/h]，空气流量q1[m3/h]，水温t2，气温t1和气压P1
塔底进口组成y1和塔顶出口组成y2可由色谱直接读出；
由全塔物料衡算：
Ga=Ls（X1-X2）=GB（Y1-Y2）
假定：
Xa=0，则可计算出Ga和X1
2、Δxm的计算
根据测出的水温可插值求出亨利常数E[atm]，本实验为P=1[atm]则m=E/P
[附]不同温度下CO2——H2O的亨利常数
温度（t）
5
10
15
20
25
30
E（大气压）
877
1040
1220
1420
1640
1860
三、实验装置
本实验是在填料塔中用水吸收空气—CO2混合气中的CO2，以求取填料吸收塔的流体力学和体积传质系数，其主要设备填料吸收塔的流程简图见下页图。
流程描述：
空气：
空气由风机送来，经流量计与来自钢瓶的二氧化碳气混合后进入填料吸收塔底部，与塔顶喷淋下来的吸收剂（水）逆流接触吸收，吸收后的尾气进入大气。
CO2：
钢瓶中的CO2经根部阀、减压阀、针型调节阀和CO2流量计后，与空气混合。
水：
吸收用水经流量计计量后送入吸收塔顶，吸收液自塔底水封流出排入地沟。
取样：
在吸收塔气相进、出口管上设有取样口，取样可采用在线和手工取样。
吸收实验流程示意图
其主设备仪表参数：
1、填料塔：
陶瓷拉西环φ10；内塔径100mm；填料层高600+600=1200mm
2、水槽：
不锈钢350×450×500
3、水泵：
不锈钢离心泵750W380V
4、气泵：
旋涡气泵750W380V
5、流量计：
孔板流量计：
全不锈钢，标准环隙取压，管内径φ22，孔径φ14，m=0.4，C0=0.9
涡轮流量计：
不锈钢LW10，0.2—1.2m3/h，4—20mA输出
转子流量计：
空气LZB6[100-1000l/h]，LZB4[16-160l/h]
6、压力：
风压差传感器：
P1风压可由P2、P3计算出，P1=P2+P3，用于风压校正
P2风压传感器，0-10Kpa全塔压差
P3风压传感器，0-1500pa孔板流量计
7、温度：
Pt100，t1风温校正；t2水温
8、温度差压数显表头：
808，8点巡检仪
四、实验方法
㈠、填料塔流体力学性能测定
实验前阀F1为全开，其他阀均为全关闭状态。
1、开总电源、仪表上电；
2、调节自来水F5，维持一定流量。
流量可按下表分别控制在0、200、300、400L/h。
3、启动风机。
4、开启F2约3/4开，逐渐关闭F1，调节风量使孔板压差或风量如下表调节。
5、风量每调节后约稳定1分钟，记录全塔压差数据P2入下表。
流体力学数据测定记录表
水量=0[l/h]
水量=200[l/h]
水量=300[l/h]
水量=400[l/h]
孔板P3[Pa]
风量
[m3/h]
全塔P2[Pa]
孔板P3[Pa]
风量
[m3/h]
全塔P2[Pa]
孔板P3[Pa]
风量
[m3/h]
全塔P2[Pa]
孔板P3[Pa]
风量
[m3/h]
全塔P2[Pa]
10
2
10
2
10
2
10
2
22
3
22
3
22
3
22
3
40
4
40
4
40
4
40
4
62
5
62
5
62
5
62
5
90
6
90
6
90
6
90
6
122
7
122
7
122
7
液泛区
160
8
160
8
液泛区
200
9
200
9
250
10
液泛区
以上表格内孔板压差与风量的简化关系为：
ΔP3[Pa]=2.491q2[m3/h]
表中兰色代表中间计算结果，不是原始数据也不是最终计算结果。
6、分别将水量稳定在200、300、400[l/h]，重复第4步。
一定注意，在水量大于200后，最大风量达不到10[m3/h]时，就出现液泛现象。
应及时调小风量。
……
7、水和空气流量调到0。
8、全开F1，关闭F2、F5。
9、关闭风机。
㈡、体积传质系数的测定
实验前阀F1为全开，两气体转子流量计阀F3、F4适当开启，其他阀均为全关闭状态。
本测定适合小风量下进行，所以只开启小空气转子流量计，因为风量很小，经过孔板压差计的压差几乎读不出来，又因风量不变，因此风量可作为输入值。
这里采用小风量有两个原因，一是风量大，液量变化范围受限制，风量大很容易造成液泛，影响实验数据点数量；二是风量大，CO2的用量也随着消耗大增，可能一瓶气用的时间很短。
但主要原因还是实验点受限制。
1、开自来水F5流量大约调到200升/时。
2、启动风机，一个F1大约1/2关，调节空气风量转子流量计到0.4～0.5[m3/h]。
3、全开CO2钢瓶总阀（必须全开，否则容易漏气），将减压阀调节到用户压力约0.1MPa，调节CO2转子流量计到预定值0.08～0.12[m3/h]（CO2流量数据对计算过程无用，可作为参考数据记录）。
一旦调节好后空气和CO2流量后，就应该保持在整个实验过程中不能发生变化。
CO2流量稳定需要一段时间，可提前调节好。
空气风量和CO2流量用量少，为保证两个流量稳定，转子流量计前均需要保持一定压力，但压力太高又易使连接胶管憋坏，因此，需要合理调节。
4、进出口气样分析。
一般情况下，在维持进口风量和CO2流量不变情况下，进口组成只取一次即可。
而出口组成则随水量改变而改变。
5、改变水量[300、450、600]，因至少稳定5分种后再取样分析，可只取出口分析即可。
……
6、实验完毕后，先关CO2钢瓶总阀，等用户压力为0时，关闭减压阀；关F5停自来水；；全开F1后停气泵；关总电源。
7、若长时间不作实验。
放净塔下部水封和水槽中的水。
原始数据记录、计算结果表格（参考）：
水温=空气流量=气温=气压=CO2流量=空气进口组成=
No
水Ls
l/h
气相组成
空气Ga
Kmol/h
Δxm
L’s
Kmol/m2h
Kxa
Kmol/m3.h.Δxm
备注
y1
y2
1
200
2
300
3
450
4
600
五、注意事项
1、避免2相电损坏电机。
2、在初次使用、线路改动或搬动装置时，应检查风机的转向是否正确。
3、在操作时，一定要注意液泛的发生，若测压管线进水应拔掉管插头放出水，检验测压管线内是否有水，应在无风量和水量的情况下所有压力显示均在初始的“0”位置，若相差很小可认为是仪表零点飘逸，若相差大则需要检查。
4、若长时间不作实验。
放净塔下部水封和水槽中的水。
以免冬天结冰损坏设备。
六、实验报告要求
1、在双对数坐标上绘出作出不同水量下的流体力学性能，找出规律和载液点；
2、计算不同条件下的填料吸收塔的液相体积总传质系数；
3、在双对数坐标上绘出KXA与水喷淋密度[Kmol/m2h]之间的关系图线；
吸收实验数据调试计算示例
计算示例：
以第1组为计算示例
已知：
水温t2=17℃，则水的密度ρ=998.7[Kg/m3]亨利常数m=E/P=1298/1=1298
气温t1=21.5，气压P1=450Pa，大气压=101325Pa
风量q1=0.48[m3/h]，水量qs=0.21[m3/h]
进口组成y1=10.55,出口组成y2=8.223
1、Ga的计算
Ls=qs×ρ水/M水=0.21*998.7/18=11.64[kmol/h]
[kg/m3]
[m3/h]
[Kmol/h]
Y1=y1/（1-y1）=0.1055/（1-0.1055）=0.1179
Y2=y2/（1-y2）=0.08233/（1-0.08233）=0.08972
由全塔物料衡算：
Ga=Ls（X1-X2）=GB（Y1-Y2）
假定：
Xa=0，则可计算出Ga和X1
Ga=Ls（X1-X2）=GB（Y1-Y2）=11.64*（X1-0）=0.02048*（0.1179-0.08972）=5.660*10-4kmol/h
X1=4.859*10-5
2、Δxm的计算
根据测出的水温可插值求出亨利常数E[atm]，本实验为P=1[atm]则m=E/P=1298
xe2=y2/m=0.08233/1298=6.343*10-5
xe1=y1/m=0.1055/1298=8.128*10-5
Δx2=xe2-x2=6.343*10-5-0=6.343*10-5
Δx1=xe1-x1=8.128*10-5-4.954*10-5=3.172*10-5
3、体积传质系数的测定：
塔内填料体积V=πd2/4*h=π*0.12/4*1.2=0.009425[m3]
[Kmol/m3hΔX]
4、喷淋密度：
塔内截面积S=πd2/4=π*0.12/4=0.007854[m2]
Ls’=Ls/S=11.64/0.007854=1482[Kmol/m2h]
说明：
手算和程序计算存在误差。
吸收装置流体力学性能实验数据处理
原始数据
水量=0[l/hr]
水量=200[l/hr]
q风量[m3/hr]
全塔压降[kPa]
风量[m3/hr]
全塔压降[kPa]
2.0
30
2.0
200
3.0
50
3.0
290
4.0
60
4.0
380
4.9
90
4.9
480
5.9
120
5.9
590
6.9
150
6.9
750
7.9
200
7.9
1020
8.9
240
8.9
1350
9.9
290
9.9
2060
水量=300[l/hr]
水量=400[l/hr]
风量[m3/hr]
全塔压降[kPa]
风量[m3/hr]
全塔压降[kPa]
2.0
360
2.0
490
3.0
450
3.0
700
4.0
610
4.0
980
4.9
770
4.9
1290
5.9
1020
5.9
1740
6.9
1370
6.9
2610
7.9
2460
结果图示
吸收（体积传质系数测定）实验数据处理
原始数据1
塔内径
填料高
塔横截面积（m2）
填料体积（m3）
100
1200
0.007854
0.009425
水温
水密度
亨利常数m
17.0
998.7
1298
气温
P1气压Pa
大气压
气体实际密度
21.5
450
101325
1.2042
原始数据2
水流量
气相组成
空气流量
No
Vs
y1
y2
VB
l/h
m3/h
1
200
10.55
8.223
0.48
2
300
10.55
7.074
0.48
3
450
10.55
5.848
0.48
4
600
10.55
4.780
0.48
中间计算值
摩尔流量
气\液比摩尔组成
吸收量
液相平衡组成
平均推动力
Ls
GB
Y1
Y2
X1
Ga
xe1
xe2
ΔXm
Kmol/h
×E4
mol/h
×E4
×E4
×E4
11.08
0.0199
0.118
0.090
0.510
0.565
0.813
0.633
0.4479
16.63
0.0199
0.118
0.076
0.501
0.834
0.813
0.545
0.4171
24.94
0.0199
0.118
0.062
0.446
1.113
0.813
0.450
0.4069
33.25
0.0199
0.118
0.050
0.406
1.351
0.813
0.368
0.3870
计算结果
喷淋密度
体积传质系数
液气比
L's
Kxa
L's/GB
Kmol/m2h
Kmol/m3hΔxm
1411
1339
556
2117
2121
834
3175
2903
1251
4234
3704
1668
结果图示
传值系数结果：
操作线图示：
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