填料吸收塔的操作和吸收系数的测定.pdf

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1、昆明理工大学实验报告 课题名称：化工原理实验 实验名称：填料吸收塔的操作和吸收系数的测定 姓名：成绩： 学号：班级： 实验日期： 实验内容： 1. 测定干填料及不同液体喷淋密度下填料的阻力降P与空塔气速u的关 系曲线，并确定液泛气速。 2. 测量固定液体喷淋量下，不同气体流量时，用水吸收空气氨混合气体中氨的体积吸收系 数 KYa。 - 1 - 填料吸收塔的操作和吸收系数的测定 一、实验目的 1.了解填料吸收塔的结构、填料特性及吸收装置的基本流程。 2.熟悉填料塔的流体力学特性。 3.掌握总传质系数KYa 测定方法。 4.了解空塔气速和液体喷淋密度对传质系数的影响。 二、基本原理 1. 填料塔流

2、体力学特性 填料塔是一种重要的气液传质设备，其主体为圆柱形的塔体，底部有一块带孔的支撑板 来支承填料， 并允许气液顺利通过。支撑板上的填料有整堆和乱堆两种方式，填料分为实体 填料和网体填料两大类，如拉西环、 鲍尔环、 网环都属于实体填料。填料层上方有液体分 布装置， 可以使液体均匀喷洒在填料塔上。液体在填料中有倾向于塔壁的流动，故当填料层 较高时，常将其分段，段与段之间设置液体再分布器，以利液体的重新分布。 吸收塔中填料的作用主要是增加气液两相的接触面积，而气体在通过填料层时，由于克 服摩擦阻力和局部阻力而导致了压强降P 的产生。 填料塔的流体力学特性是吸收设备的主 要参数， 它包括压强降液泛

3、规律。了解填料塔的流体力学特性是为了计算填料塔所需动力消 耗，确定填料塔适宜操作范围以及选择适宜的气液负荷。填料塔的流体力学特性的测定主要 是确定适宜操作气速。 在填料塔中，当气体自下而上通过干填料（L=0）时，与气体通过其它固体颗粒床层一 样，气压降 P与空塔气速 u的关系可用式P=u 1.82.0表示。在双对数坐标系中为一条直线， 斜率为 1.8 2.0 。在有一条喷淋（L0）时，气体通过床层的压降除与气速和填料有关外， 还取决于喷淋密度等因素。在一定的喷淋密度下，当气速小时， 阻力与空塔速度仍然遵守 Pu 1.82.0这一关系。但在同样的空塔速度下，由于填料表面有液膜存在，填料中的空隙减

4、 小，填料空隙中的实际速度增大，因此床层阻力降比无喷淋时的值高。当气速增加到某一值 时。由于上升气流与下降液体的摩擦阻力增大，开始阻碍液体的顺利下流，以致于填料层内 的气液量随气速的增加而增加，此现象称为拦液现象，此点为载点， 开始拦液时的空塔气速 称为载点气速。 进入载液区后， 当空塔气速再进一步增大，则填料层内拦液量不断增高，到 达某一气速时， 气、液间的摩擦力完全阻止液体向下流动，填料层的压力将急剧升高，在 Pu n关系式中， n的数值可达 10左右，此点称为泛点。在不同的喷淋密度下，在双对数坐标 中可得到一系列这样的折线。随着喷淋密度的增加，填料层的载点气速和泛点气速下降。 本实验以水

5、和空气为工作介质，在一定喷淋密度下，逐步增大气速， 记录填料层的压降 与塔顶表压的大小，直到发生液泛为止。 2. 体积吸收系数KYa 的测定 在吸收操作中， 气体混合物和吸收剂分别从塔底和塔顶进入塔内，气液两相在塔内逆流 接触， 使气体混合物中的溶质溶解在吸收质中，于是塔顶主要为惰性组分，塔底为溶质与吸 收剂的混合液。 反映吸收性能的主要参数是吸收系数，影响吸收系数的因素很多，其中有气 体的流速、 液体的喷淋密度、温度、 填料的自由体积、比表面积以及气液两相的物理化学性 质等。 吸收系数不可能有一个通用的计算式，工程上常对同类型的生产设备或中间试验设备 进行吸收系数的实验测定。对于相同的物料系

6、统和一定的设备（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。 本实验用水吸收空气氨混合气体中的氨气。氨气为易溶气体，操作属于气膜控制。在 - 2 - 其他条件不变的情况下，随着空塔气速增加，吸收系数相应增大。当空塔气速达到某一值时， 将会出现液泛现象， 此时塔的正常操作被破坏。所以适宜的空塔气速应控制在液泛速度之下。 本实验所用的混合气中氨气的浓度很低（10%） ，吸收所得溶液浓度也不高，气液两 相的平衡关系可以被认为服从亨利定律，相应的吸收速率方程式为： GA=KYaVP Ym(1) 式中， GA为单位时间在塔内吸收的组分量，kmol（吸收质） /h ；KYa 为气

7、相总体积吸收系数， kmol（吸收质） /m 3 （填料）h ；VP为填料层体积， m 3；Y m为塔顶、 塔底气相浓度差 （Y-Y * ） 的对数平均值，kmol （吸收质） /kmol （惰性气体） 。 （1）填料层体积VP VP=DT 2 Z/4 (2) 式中， DT为塔内径， m ；Z 为填料层高度，m 。 （2） GA由吸收塔的物料衡算求得 GA=V（Y1-Y2）（3） 式中， V 为空气流量， kmol/h ；Y1为塔底气相浓度，kmol （NH3）/kmol （空气）；Y2为塔顶 气相浓度， kmol（ NH3）/kmol（空气）。 （3）标准状态下空气的体积流量V0空 21 2

8、1 0 0 0 TT pp p T VV 空（4） 式中， V0空为标准状态下空气的体积流量，m 3/h； V 空为转子流量计的指示值，m 3/h；T 0,、 p0为标准状态下空气的温度和压强，273K、101.33kPa；T1、p1为标准状态下空气的温度和 压强， 273K、101.33kPa；T2、p2为操作状态下温度和压强，K、Pa。 （4）标准状态下氨气的体积流量 3 0 NH V 12 12 0 0 0 0 0 3 33 TT pp p T VV NH NHNH 空 （5） 式中， 3 0 NH V为转子流量计的指示值，m 3/h；T 0,、p0为标准状态下空气的温度和压强， 273

9、K、 101.33kPa；T1、p1为标准状态下空气的温度和压强，273K、101.33kPa； T2、p2为操作状态 下温度和压强，K、Pa； 0空为标准状态下空气的密度，1.293kg/m 3； 3 0NH 为标准状态下 氨气的密度， 0.771kg/m 3。 （5）塔底气相浓度Y1和塔顶气相浓度Y2 空空 n n V V Y NHNH 33 0 0 1 （6） 式中， 3 NH n为 NH3的摩尔数； n空为空气的摩尔数。 用一定浓度，一定体积的硫酸溶液分析待测气体，有 3 102 42423 SOHSOHNH VMn（7） 式中， 42SO H M为硫酸的摩尔浓度，mol/L ； 42

10、SO H V为硫酸溶液体积，mL 。 - 3 - 4.22/ 2 2 0 0 ）（ 空空 T p p T Vn （8） 式中， V空为湿式气体流量计测出的空气体积，L；T0,、p0为标准状态下空气的温度和压强， 273K、101.33kPa；22.4 为标准状态下一摩尔气体所占有的体积，22.4L/mol 。则 空 nnY NH / 3 2（9） 同样塔顶气相浓度Y2也可通过取样分析来获得。 （6）平衡关系 ）（mX mX Y 11 * （10） m=E/P （11） 式中， m 为相平衡常数；E 为亨利系数，由表1 中低浓度（ 5%以下）氨水的亨利系数与温 度的关系数据，用内插的方法获得，P

11、a；X 为溶液浓度，kmol（吸收质） /kmol （水）；P 为 塔内混合气体总压，Pa（绝压）。 P=大气压 +塔顶表压 +填料层压降 /2 （12） 表 1 低浓度（ 5%以下）氨水的亨利系数与温度的关系数据 温度 /0 10 20 25 30 40 亨利系数（ E10 -5 ）/Pa 0.297 0.509 0.788 0.959 1.266 1.963 （7）塔底液相浓度X1，塔顶液相浓度X2 当吸收剂为纯水时，塔顶X2=0，而 ）（ 211 YY L V X（13） 式中， V 为空气流量， kmol/h；L 为液体喷淋量，kmol/h ； Y1、Y2为塔底、塔顶气相浓度， kmo

12、l（NH3）/kmol （空气）； X1、X2为塔底、塔顶液相浓度，kmol （NH3）/kmol （水） 。 因 GA=V（ Y1-Y2） ，故 X1=GA/L （14） L=V水水/M水（15） 式中，V水为水的体积流量， m 3/m； 水为水的密度， kg/m 3 ； M 水为水的平均分子量， 18kg/kmol 。 （8）气相平均浓度差Ym * 22 * 11 * 22 * 11 ln YY YY YYYY Ym ）（）（ （16） 式中， * 1 Y为与 X1相平衡的气相浓度，kmol（ NH3）/kmol （空气）； * 2 Y为与 X2相平衡的气 相浓度， kmol（NH3） /

13、kmol（空气）。 三、实验装置与流程 1. 试验流程 吸收装置流程如图所示。实验装置由填料塔、微音气泵、液氮钢瓶、转子流量计、压差 计（单管压差计、U 型管压差计）及气体分析系统构成。空气由气泵送出，由放空阀及空气 流量调节阀配合调节流量后，经过转子流量计记录流量的大小，并与氨气混合， 由塔底自下 而上通过填料层。混合气在塔中经水吸收其中的氨后，尾气从塔顶排出。出口处装有尾气调 - 4 - 节阀，用以维持塔顶具有一定的表压，以此作为尾气通过尾气分析装置的推动力。 氨气由液氨钢瓶供给，经氨气减压阀、 流量调节阀后， 经氨转子流量计记录流量的大小， 之后进入空气管道，与空气混合形成混合气体从塔底

14、入塔。水由泵房进入系统，经流量计记 录流量后，在塔顶由液体分布器喷出，在吸收塔中与混合气体逆流接触，吸收其中的溶质， 吸收液由塔底排出流入地沟。为了测量塔内和填料层压强降，装有塔顶表压计和填料层压差 计。 填料吸收塔仿真实验界面 2. 主要设备及尺寸 （1）填料塔 - 5 - 有机玻璃塔内径：D=120mm；填料层高度：Z=800mm 900mm；填料：不锈钢网环 及陶瓷拉西环；规格：8，10，15。 （2） DC4 型微音气泵一台。 （3） LZB40 气体流量计，流量范围0 60m 3/h，数量一个； LZB15 气体流量计，流量 范围 02.5m 3/h，数量一个； LZB15 气体流量

15、计，流量范围0160m 3/h，数量一个。 （4） LML 2 型湿式气体流量计，容量5L，数量一台。 （5）水银温度计，规格0100，数量三只。 四、实验步骤 1. 流体力学特性实验 （1）熟悉实验装置及流程，弄清各部分的作用，并记录各压差计的零位读数。 （2）检查气路系统。开风机之前必须全开放空阀，以免风机烧坏。检查转子流量计阀 门是否关闭，以免风机开动转子突然上升将流量计管打破。 （3）启动风机，首先测定干填料阻力降与空塔气速的大小。注意不要开水泵，以免淋 湿干填料。由气泵送气，经放空阀、流量调节阀配合调节流量从小到大变化，测量89 组 数据，记录每次流量下的塔顶表压、填料层压降、流量大

16、小、计前表压、温度等参数。 （4）开动供水系统，慢慢调节流量接近液泛，使填料完全润湿后再降到预定气速进行 实验。 （5）测定湿填料压降，固定两个不同的液体喷淋量分别进行测定。每固定一个喷淋量， 调节空气流量，从小到大测量89 组数据。并随时观察塔内的操作现象，记下发生液泛时 的气体流量。发生液泛之后，再继续空气流量，测取2 组数据。 2. 体积吸收系数KYa 的测定 （1）在流体力学特性测试实验的基础上，维持一个液体喷淋量。 （2）确定操作条件，包括空气流量、氨气流量，准备好气体浓度分析装置及其所用试 剂，一切准备就绪后开动氨气系统。 （3）启动氨气系统。首先将液氨钢瓶上的自动减压阀的顶针松开

17、（左旋为松开，右旋 为拧紧），使自动减压阀处于关闭状态。然后打开氨气瓶阀，此时减压阀压力表显示瓶内压 力的大小。然后略旋紧减压阀的顶针，用转子流量计调节氨流量至预定值。 （4）当空气、氨、水的流量计读数稳定后（约23 分钟），记录各流量计的读数、温 度及各压差计的读数，并分析进塔和出塔气体浓度。 （5）气体浓度分析方法： 用硫酸吸收气体中的氨，反应方程如下 2NH3+H2SO4+2H2O=（NH4）2SO4+2H2O 酸碱中和到达等当点时加有甲基橙指示剂的溶液变黄。 A.进气浓度。.迅速打开进气管路中的考克，让混合气通过吸收盒，再立即关闭此考 克，以使待测气体的管路全部充满此气体。.取高浓度硫

18、酸液23mL 放入分析瓶，用适 当的蒸馏水冲洗瓶壁，再加入12 滴甲基橙指示剂。.打开进气管路中的考克，让气体流 经分析瓶， 吸收后的空气由湿式气体流量计来计量，待颜色刚刚变黄，关闭分析系统， 记录 气体体积量。 注意考克的开度要适中，太大气流夹带吸收液，太小拖延分析时间，只要气体 在吸收盒中连续不断地以气泡形式溢出就可以。 B.尾气浓度。取1 2mL 的低浓度硫酸溶液放入分析瓶中，重复上述步骤，每一步浓度 重复分析两次。 （6）固定另一液体喷淋量，改变空气流量，保证气体吸收为低浓度气体吸收，重复上 述操作，测定实验数据。 - 6 - （7）实验完毕，首先关闭氨气系统，其次为水系统，最后停风机

19、。 （8）整理好物品，做好清洁卫生工作。 五、数据记录与数据处理 1. 绘制原始数据表和数据整理表 （1）原始数据表 表 2 填料塔流体阻力学实验测定记录 .水流量 0kmol/h 序号 空气流量压强降 流量计示值 （m 3/h ） 计前表压 （mmH 20） 气温（） 塔顶表压 （mmH 20） 填料层压降 1 5 22 21 21 14 2 8 23 21 36 15 3 11 25 21 56 16 4 14 27 21 109 17 5 17 31 21.5 122 18 6 20 32 21.5 164 19 7 29 41 21.5 270 29 .水流量 60kmol/h 序号空

20、气流量压强降 流量计示值 （m 3/h ） 计前表压 （mmH20） 气温（） 塔顶表压 （mmH20） 填料层压降 1 5 23 22 26 12 2 8 24 22 59 14 3 14 28 22 90 17 4 20 35 22 168 23 5 23 38 22.5 213 27 6 26 44 22.5 271 31 . 水流量 120kmol/h 序号空气流量压强降 流量计示值 （m 3/h ） 计前表压 （mmH 20） 气温（） 塔顶表压 （mmH 20） 填料层压降 1 5 24 24.5 17 13 2 11 27 24.5 54 16 3 14 30 25 85 18

21、4 17 34 25 119 21 5 20 37 25 169 24 6 23 40 25 219 28 表 3 体积吸收系数测定记录 序号1 2 空气 流量计示值15 20 计前表压30 32 温度25 26 - 7 - 氨气 流量计示值5 5 计前表压10 10 温度21 21 水 温度计示值80 80 温度20 20 压强 塔顶表压98 171 填料层压降18 24 尾气 硫酸浓度0.044125 0.044125 硫酸体积1 1 空气体积0.689 1.353 空气温度21 21 （2）数据整理表 表 4 填料塔流体阻力学实验数据处理结果 .水流量 0kmol/h 空气质量速度kg/

22、 （m 2s） 0.140 0.224 0.309 0.394 0.481 0.566 0.831 每米填料压降（mmH 2O ）15.56 16.69 17.78 18.89 20.00 21.11 32.22 .水流量 60kmol/h 空气质量速度kg/ （m 2s） 0.140 0.224 0.393 0.567 0.654 0.745 每米填料压降（mmH 2O ）13.33 15.58 18.89 25.56 30.00 34.44 . 水流量 120kmol/h 空气质量速度kg/ （m 2s） 0.139 0.306 0.391 0.477 0.563 0.650 每米填料压降

23、（mmH 2O ） 14.44 17.78 20.00 23.33 26.67 31.11 表 5 体积吸收系数数据处理结果 序号1 2 体积吸收系数0.0339 0.065 2.计算不同空塔气速下填料层阻力，在双对数坐标中绘制塔内压强P/Z 与空塔气速u 的关系图。 3.计算一定喷淋量下不同气速下的体积传质系数KYa 值。 解：已知V 空=20m3/h；空气计前表压 p 空=32mmH 2O=0.3138kPa； p=101.64kPa；T 空 =299.15K ；hmVNH/5.0 3 3 ； 氨气计前表压kPammHp NH 0981.0010 2 3 ； p=101.43kPa； KT

24、NH15.294 3 ； 水 的 流 量 计 示 值V 水=80m 3/h ； T 水=293.15K ； 塔 顶 表 压p顶 =171mmH2O=1.1474kPa ；填 料 层压 降 p=24mmH2O=0.2354kPa； 硫 酸浓度 Lmolc SOH /044125.0 42 ；硫酸体积mLV SOH 1 42 ；空气体积V 空=1.107L ；空气温度 KT15.294 空 ；水=998kg/m 3；M 水=18kg/mol ；Z=0.9m ；DT=0.12m. 由吸收速率方程式G A=KYaVP Ym知 求 VP（填料层体积） 即 VP=DT 2Z/4=3.14 0.122 0.

25、9=0.0102m 3 - 8 - 求 G A（单位时内在塔内吸收的组分量） GA=V（Y1-Y2） 由标准气体状态方程知空气流量hkmolV/8152.0 2615.273 15.273 4.22 20 由标准状态下空气的体积流量V0空（T0=273.15K ，T1=293.15K，p1=p2=101.33kPa） hm TT pp p T VV/475.18 15.29915.293 64.10133.101 33.101 15.273 20 3 21 21 0 0 0空 由标准状态下氨气体积 3 00 /771.0: 33 mkgV NHNH ；0空=1.293kg/m 3 hm TT

26、pp p T VV NH NHNH /603.0 15.29315.294 33.10143.101 771.0 293.1 33.101 15.273 5.0 3 12 12 0 0 0 0 0 3 33 空 塔底气相浓度Y1和塔顶气相浓度Y2 由（空气）（ 空 kmolNHkmol V V Y NH /03264.0 475.18 603.0 3 0 0 1 3 用一定浓度一定体积硫酸溶液分析待测气体，则有 m o lVcn SOHSOHNH 00008825.01044125.0102102 33 42423 那么mol T p p T Vn0311.14.22/ 15.294 64.1

27、01 33.101 15.273 107.14.22/ 2 2 0 0 ）（）（ 空空 则（空气）（ 空 kmolNHkmol n n Y NH /00008559.0 0311.1 00008825.0 32 3 那么 G A=V（Y1-Y2）=0.8152 （0.03264-0.00008559）=0.0265kmol/h 由平衡关系 ）（mX mX Y 11 * ，m=E/P 塔内混合气体总压p=大气压 +塔顶表压 +填料层压降 /2=101325+9.80665 171+（24 9.80665）/2=103119.5Pa 再根据内插法，当t=21时PaE E 5 5 5 10822.0

28、 2025 2125 10788.0959.0 10959.0 ）（ 相平衡常数m=E/P= （0.822 10 5）/103119.6=0.7971 塔底液相浓度X1和塔顶液相浓度X2 因吸收剂为纯水，X2=0 而 ）（ 211 YY L V X ，因 GA=V（Y1-Y2） X1=GA/L ，而 L=V水水/M水 L=（80998）/18=4435.56kmol/h 则 X1=GA/L=0.0265/4435.56=0.000005974kmol（NH3） /kmol （水） - 9 - 令相平均浓度差Ym，因 * 22 * 11 * 22 * 11 ln YY YY YYYY Ym ）（

29、）（ ，而 ）（mX mX Y 11 * （空气）（ ）（）（ kmolNHkmol mX mX Y/000004762.0 000005974.07971.011 000005974.07971.0 11 3 1 1 * 1 由于 Y2=0，则0 * 2 Y，那么可求得Ym （空气）（ ）（）（）（）（ kmolNHkmol YY YY YYYY Ym/005476.0 000008559.0 000004762.003264.0 ln 000008559.0000004762.003264.0 ln 3 * 22 * 11 * 22 * 11 由此可知GA=KYa VP Ym，求得体积吸收

30、系数KYa KYa=GA/ （VP Ym） =0.0265/ （0.0102 0.005476 ）=474.4kmol m -3 h -1 4.写出典型数据的计算过程，分析和讨论实验现象。 六、思考题 1.测定吸收系数KYa 和 P/Zu 关系曲线有何实际意义？ 答： P/Zu 曲线是描述流体力学的特性也是吸收设备主要参数，为了计算填料塔的 动力消耗也需流体力学特性，确定填料塔适宜操作范围及选择适宜的气液负荷。 2.测定曲线和吸收系数分别需测哪些量？ 答：空塔气速u；填料层压降 P；塔顶表压大小； 吸收系数KYa；空气流量； 氨气流量； 进塔和出塔气体浓度；操作状态下的温度、压强；塔顶、塔底液

31、相浓度。 3.试分析实验过程中气速对KYa 和 P/Z 的影响。 答：由 P/Zu 曲线可知，当l=0 时，随 u 增大， P/Z 也增大，两者呈直线关系；当 l0 时，随 u 增大， P/Z 也增大，在截点与液泛点之间呈微小变化，P/Z 增加相对较快， 在液泛点以上u 稍微增加一些，P/Z 有明显变化，阻力增加，不能下流，而对KYa 由于随 u 增大在一定范围内吸收增大反而不吸收，KYa 变为 0。 4.当气体温度与吸收剂温度不同时，应按哪种温度计算亨利系数？ 答：以为E 随物系而变，一定物系T 增加 E 增大，当气体温度与吸收剂温度不同时应 用吸收剂温度来计算亨利系数。 5.分析实验结果：

32、在其他条件不变的情况，增大气体流量（空气的流量），吸收率、吸 收系数 KYa 及传质单元数NOG、传质单元高度HOG分别如何变化？是否与理论分析一致，为什 么？ 答：由记录测定两组体积吸收系数可以看出，若是增大空气流量吸收系数KYa 减小，那 么增大 V（空气流量）时则GA必增大，传质单元高度HOG不变，与理论分析差不多。 6.在不改变进塔气体浓度的前提下，如何提高出塔氨水浓度？ 答：当Y1不变时 12 12 / YY XX LG 知在 Y1、Y2都不变时增大X2，即吸收剂所含溶质 组成，则可使X1增大，则提高了出塔氨水浓度。 7.填料吸收塔塔底为什么必须设置液封管路？ 答：为了防止塔外气体进入塔内影响吸收效率，同时还可以起到稳定塔内气体压力的作 用。