填料吸收塔实验概要.docx
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填料吸收塔实验概要
填料吸收塔实验
【实验目的】
⒈了解填料吸收塔的结构和流体力学性能。
⒉学习填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法。
【实验内容】
1．测定填料层压强降与操作气速的关系，确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速。
2．采用水吸收二氧化碳，空气解吸水中二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数和总传质系数。
【实验原理】
1．气体通过填料层的压强降
ΔP,kPa
压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。
压强降与气液流量有关，不同喷淋量下的填料层的压强降ΔP与气速u的关系如图6-1-1所示：
图6-1-1填料层的ΔP～u关系
当无液体喷淋即喷淋量L0=0时，干填料的ΔP～u的关系是直线，如图中的直线0。
当有一定的喷淋量时，ΔP～u的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。
这两个转折点将ΔP～u关系分为三个区段：
恒持液量区、载液区与液泛区。
2．传质性能
吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，而实验测定是获取吸收系数的根本途径。
对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数将随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。
（1）膜系数和总传质系数
根据双膜模型的基本假设，气相侧和液相侧的吸收质A的传质速率方程可分别表达为
气膜
（6-1-7）
液膜
（6-1-8）
式中：
—A组分的传质速率，
；
A—两相接触面积，m2；
—气侧A组分的平均分压，Pa；
—相界面上A组分的平均分压，Pa；
—液侧A组分的平均浓度，
—相界面上A组分的浓度
kg—以分压表达推动力的气侧传质膜系数，
;
kl—以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，
。
P2=PA2CA2，FL
PA
PAi
CAi
CAPACA
PA+dPACA+dCA
P1=PA1CA1，FL
图6-1-2双膜模型的浓度分布图图6-1-3填料塔的物料衡算图
以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为
（6-1-9）
（6-1-10）
式中：
—液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；
—气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，
；
KG—以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，
；
KL—以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，
。
若气液相平衡关系遵循享利定律：
，则
（6-1-11）
（6-1-12）
当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式受气膜传质速率控制，此时，KG=kg；
反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，KL=kl。
如图6-1-3所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A的物料衡算可得：
（6-1-13a）
式中：
FL—液相摩尔流率，
；
ρL—液相摩尔密度，
。
根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程：
（6-1-13b）
联立上两式可得：
（6-1-13c）
式中：
a—气液两相接触的比表面积，m2·m-1；
S—填料塔的横载面积，m2。
本实验采用水吸收二氧化碳，已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小，因此，液相摩尔流率FL和摩尔密度ρL的比值，亦即液相体积流率（Vs）L可视为定值，且设总传质系数KL和两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分式（6-1-13c），可得填料层高度的计算公式：
h=0，
h=h，
（6-1-14）
令
，且称HL为液相传质单元高度（HTU）；
，且称NL为液相传质单元数（NTU）。
因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即
h=HL×NL（6-1-15）
若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（6-1-14）为可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：
（6-1-16）
（6-1-17）
式中
为液相平均推动力，即
（6-1-18）
因为本实验采用纯水吸收二氧化碳，则
（6-1-19）
二氧化碳的溶解度常数，
（6-1-20）
式中：
ρw—水的密度，
Mw—水的摩尔质量，
；
E—二氧化碳在水中的享利系数，Pa。
因此，式（6-1-18）可简化为
因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计，在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即
（6-1-21）
【实验条件】
（1）仿真工艺图
图1.CO2吸收解吸现场图
（2）主体设备
根据对装置的认识，在下面的表格中填写相关内容。
表1干燥设备的结构认识
位号
名称
用途
类型
V2
CO2钢瓶
存储液态CO2之用
压力容器
V101
水槽
存储吸收剂（纯水）之用
敞口容易
T101
解吸塔
解吸吸收过CO2的吸收剂
填料塔
T102
吸收塔
吸收CO2设备
填料塔
V1
缓冲罐
吸收液储罐
密封罐
P101
风机
提供空气流量
非变频动力装置
P102
水泵
提供吸收液流量
非变频动力装置
P103
水泵
解吸泵
非变频动力装置
（3）测量仪表
根据对流程的认识，在下面的表格中填写相关内容。
表2测量仪表认识
仪表
位号
单位
流量
CO2流量计
FI01
m3/h
吸收剂流量计
FI02
L/h
解吸液流量计
FI03
L/h
空气流量计
FI04
m3/h
压降
吸收塔压降
PI02
mmH2O
解析塔压降
PI01
mmH2O
温度
空气温度
TI01
℃
吸收液温度
TI02
℃
（4）实验流程说明
吸收质（纯二氧化碳气体）由钢瓶经二次减压阀和转子流量计FI01，进入吸收塔塔底，气体由下向上经过填料层与液相水逆流接触，到塔顶经放空；吸收剂（纯水）由泵P102提供，经转子流量计FI02进入塔顶，再喷洒而下；吸收后溶液由塔底流入塔底液料罐中由解吸泵P103经流量计FI03进入解吸塔，空气由FI04流量计进入解吸塔塔底由下向上经过填料层与液相逆流接触，流量由旁路阀VA101调节，对吸收液进行解吸，然后自塔顶放空，U形液柱压差计用以测量填料层的压强降。
【实验步骤】
⒈测量吸收塔干填料层（△P／Z）～u关系曲线（只做吸收塔）：
先全开阀门VA101与进入吸收塔的空气进气阀VA102，打开空气流量计FI04上的阀门，将VA105的阀门打开少许，关闭解吸塔的空气进气阀VA103，启动风机，（先全开阀VA101和空气流量计阀,再利用阀VA101调节进塔的空气流量。
空气流量按从小到大的顺序）读取填料层压降△P（U形液柱压差计），然后在对数坐标上以空塔气速u为横坐标，以单位高度的压降△P／Z为纵坐标，标绘干填料层（△P／Z）～u关系曲线。
⒉测量吸收塔在某喷淋量下填料层（△P／Z）～u关系曲线：
先打开流量计FI02上的阀门，然后打开泵P102的开关，将水流量固定在40L／h（水的流量因设备而定），然后用上面相同方法调节空气流量，并读取填料层压降△P、转子流量计读数和流量计处空气温度，并注意观察塔内的操作现象，一旦看到液泛现象时，记下对应的空气转子流量计读数。
在对数坐标纸上标出液体喷淋量为40L／h时的（△P／z）～u关系曲线，从图上确定液泛气速，并与观察的液泛气速相比较。
⒊二氧化碳吸收传质系数的测定：
吸收塔（水流量为60L/h）
⑴打开阀门VA101、VA102、VA103、VA104，关闭阀门VA105。
打开四个流量计上的阀门。
⑵调节水流量计FI02到给定值，然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，二氧化碳流量一般控制在0.1m3/h左右为宜，操作达到稳定状态之后，测量塔底的水温，同时点击取样阀VA3（VA1或VA2）取样，测定两塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。
取样时只能同时开一个取样阀。
（实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位，对各流量计及时调节以达到实验时的操作条件不变）
⑶二氧化碳含量的测定
设定中和用氢氧化钡浓度，氢氧化钡体积，滴定盐酸浓度，取样体积，然后点击取样阀就能得出消耗的盐酸体积。
【注意事项】
⒈开启CO2总阀前，要先关闭自动减压阀，开启开度不宜过大。
⒉实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位。
【报告内容】
⒈实验数据的计算及结果
⑴填料塔流体力学性能测定（以设备填料塔干填料时第4组数据为例）
转子流量计读数：
1.5.0m3/h；转子流量计处空气温度：
16.1℃；填料层压降U管读数：
26.0mmH2O
因为空气流量计处温度不是20℃，需要对读数进行校正，所以空气实际体积流量为
m3／h
空塔气速
（m/s）
单位填料层压降
（mmH2O/m）
在对数坐标纸上以空塔气速
为横坐标，
为纵坐标作图，标绘
～
关系曲线，见图2。
⑵传质实验（以设备吸收塔的传质实验为例）
（a）.吸收液消耗盐酸体积V1=8.3ml，则吸收液浓度为：
kmol/m3
因纯水中含有少量的二氧化碳，所以纯水滴定消耗盐酸体积，则塔顶水中CO2浓度为：
由化工原理下册吸收这一章可查得CO2亨利系数
则CO2的溶解度常数为
塔顶和塔底的平衡浓度为
液相平均推动力为
因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计，在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，即
同样可以求得拉西环的传质实验结果。
⒉实验结果列表
表1
（1）干填料时△P/z～u关系测定
第1套填料层高度Z塔径D
序
号
填料层压强降mmH2O
单位高度填料层压强降
mmH2O/m
空气转子流量计读数m3/h
空气流量计处空气温度℃
空塔气速
m/s
1
2
3
4
5
6
表1
（1）干填料时△P/z～u关系测定
第1套L=100填料层高度Z=0.78m塔径D=0.037m
序
号
填料层压强降mmH2O
单位高度填料层压强降
mmH2O/m
空气转子流量计读数m3/h
空气流量计处空气温度℃
空塔气速
m/s
操作现象
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
表3
（1）填料吸收塔传质实验数据表
（一）
被吸收的气体:
纯CO2;吸收剂:
水;塔内径:
塔类型
吸收塔
解吸塔
填料种类
填料尺寸（m）
填料层高度（m）
CO2转子流量计读数m3／h
CO2转子流量计处氨温度℃
流量计处CO2的体积流量m3／h
水转子流量计读数
水流量
中和CO2用Ba（OH）2的浓度Ｍmol／l
中和CO2用Ba（OH）3的体积ml
滴定用盐酸的浓度Ｍmol／l
滴定塔底吸收液用盐酸的体积ｍl
滴定空白液用盐酸的体积ｍl
样品的体积ｍl
塔底液相的温度℃
亨利常数E
塔底液相浓度CA1kmoI／m3
空白液相浓度CA2kmoI／m3
传质单元高度HLE-7kmol/（m3*Pa）
平衡浓度CA*10-2kmol/m3
平均推动力△CAmkmoICO2／m2
液相体积传质系数ＫYam／s
附录
表五二氧化碳在水中的亨利系数E×10-5，kPa
气体
温度，℃
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
60
CO2
0.738
0.888
1.05
1.24
1.44
1.66
1.88
2.12
2.36
2.60
2.87
3.46
【思考题】
1、下列关于体积传质系数与液泛程度的关系正确的是：
a、液泛越厉害，Kya越小
b、液泛越厉害，Kya越大
c、Kya随液泛程度先增加后减少
d、Kya随液泛程度无变化
2、关于亨利定律与拉乌尔定律计算应用正确的是：
a、吸收计算应用亨利定律
b、吸收计算应用拉乌尔定律
c、精馏计算应用亨利定律
d、精馏计算应用拉乌尔定律
3、关于填料塔压降Δp与气速u和喷淋量l的关系正确的是：
a、u越大，Δp越大
b、u越大，Δp越小
c、l越大，Δp越大
d、l越大，Δp越小
4、判断下列诸命题是否正确？
a、喷淋密度是指通过填料层的液体量
c、喷淋密度是指单位时间通过填料层的液体量
d、喷淋密度是指单位时间通过单位面积填料层的液体体积
5、干填料及湿填料压降-气速曲线的特征：
a、对干填料u增大△P/Z增大
b、对干填料u增大△P/Z不变
c、对湿填料u增大△P/Z增大
d、载点以后泛点以前u增大△P/Z不变
e、泛点以后u增大△P/Z增大
6、测定压降-气速曲线的意义在于：
a、确定填料塔的直径
b、确定填料塔的高度
c、确定填料层高度
d、选择适当的风机
7、测定传质系数kya的意义在于：
a、确定填料塔的直径
b、计算填料塔的高度
c、确定填料层高度
d、选择适当的风机
8、为测取压降-气速曲线需测下列哪组数据？
a、测流速、压降和大气压
b、测水流量、空气流量、水温和空气温度
c、测塔压降、空气转子流量计读数、空气温度、空气压力和大气压
9、传质单元数的物理意义为：
a、反映了物系分离的难易程序
b、它仅反映设备效能的好坏（高低）
c、它反映相平衡关系和进出口浓度状况
10、HoG的物理意义为：
a、反映了物系分离的难易程序
b、它仅反映设备效能的好坏（高低）
c、它反映相平衡关系和进出口浓度状况
11、温度和压力对吸收的影响为：
a、T增大P减小，Y2增大X1减小
b、T减小P增大，Y2减小X1增大
c、T减小P增大，Y2增大X1减小
d、T增大P减小，Y2增大X1增大
12、气体流速U增大对Kya影响为：
a、U增大，Kya增大
b、U增大，Kya不变
c、U增大，Kya减少
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