填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn)

1、實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn) 1實(shí)驗(yàn)4 填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)了解填料吸收塔的基本結(jié)構(gòu)，熟悉吸收實(shí)驗(yàn)裝置的基本流程，搞清楚每一個(gè)附屬設(shè)備的作用和設(shè)計(jì)意圖。(2)掌握產(chǎn)生液泛現(xiàn)象的原因和過(guò)程。(3)明確吸收塔填料層壓降P與空塔氣速u(mài)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中的關(guān)系曲線及其意義，了解實(shí)際操作氣速與泛點(diǎn)氣速之間的關(guān)系。(4)掌握測(cè)定含氨空氣-水系統(tǒng)的體積吸收系數(shù)Kya的方法。(5)熟悉分析尾氣濃度的方法。(6)掌握氣液體積轉(zhuǎn)子流量計(jì)使用方法和安裝要求，濕式流量計(jì)的使用方法和連接要求。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)(1)觀察在一定液體噴淋密度下，當(dāng)氣速增大到一定程度時(shí)產(chǎn)生的液泛現(xiàn)象，測(cè)得液泛氣速，并根據(jù)液泛氣速確定操

2、作氣速。(2)根據(jù)實(shí)際測(cè)得的原始數(shù)據(jù)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中畫(huà)出填料層壓降P與空塔氣速u(mài)的關(guān)系曲線。(3)測(cè)定含氨空氣-水系統(tǒng)在一定的操作條件下的體積吸收系數(shù)Kya。(4)根據(jù)改變氣相流量和改變液相流量測(cè)得不同的Kya的變化值的大小，判斷此吸收過(guò)程是屬氣膜控制還是液膜控制。(5)討論影響吸收操作系統(tǒng)穩(wěn)定的因素。三、實(shí)驗(yàn)裝置填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖見(jiàn)圖1。本實(shí)驗(yàn)裝置的主要設(shè)備有填料吸收塔1、旋渦泵2、空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)3、四個(gè)U形管差壓計(jì)(13、14、15、16)、氨氣鋼瓶4、氨氣壓力表5、氨氣減壓閥6、氨氣穩(wěn)壓罐7、氨氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)8、水轉(zhuǎn)子流量計(jì)9、吸收瓶10、濕式流量計(jì)11、

3、三通旋塞12、溫度計(jì)17、18、19。本實(shí)驗(yàn)物系為水-空氣-氨氣。由旋渦氣泵產(chǎn)生的空氣與從液氮鋼瓶經(jīng)過(guò)減壓閥后的氨氣混合后進(jìn)入填料塔底部。吸收劑水從塔頂噴淋而下，從塔底經(jīng)液封裝置排出。氣液在填料層內(nèi)接觸、傳質(zhì)，經(jīng)吸收后的尾氣從塔頂排出。很少量的一小部分尾氣通過(guò)三通閥引進(jìn)洗氣瓶，洗氣瓶?jī)?nèi)裝有已知濃度和一定體積量的稀硫酸，尾氣與稀硫酸進(jìn)行中和反應(yīng)，經(jīng)吸收后的尾氣通入濕式流量計(jì)后放空。從濕式流量計(jì)可以測(cè)出此小部分尾氣經(jīng)過(guò)洗氣瓶的空氣體積量。四、實(shí)驗(yàn)原理和方法1.填料塔壓力降 p與空塔氣速u(mài)的關(guān)系填料塔的壓力降與泛點(diǎn)氣速是填料塔設(shè)計(jì)與操作的重要流體力學(xué)參數(shù)。氣體通過(guò)填料層的壓力降將實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收

4、過(guò)程實(shí)驗(yàn) 2隨氣液流量的變化而改變。填料層的壓力降p與空塔氣速u(mài)的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)無(wú)液體噴淋(L=0)時(shí)， pu關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中為一斜率在1.82.0之間的直線，如圖2中AB線。當(dāng)液體噴淋密度達(dá)到一定值(如L=L1)后，液體以液膜狀流經(jīng)填料表面， pu關(guān)系如圖2中A1B1C1D1線所示，由兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)B1、C1分為三個(gè)區(qū)段。其中第一區(qū)段A1B1為恒持液區(qū)，在此區(qū)段中空塔氣速較低，氣體流速對(duì)填料表面上覆蓋的液膜厚度無(wú)明顯影響，填料層內(nèi)的持液量與空塔氣速無(wú)關(guān)，僅隨噴淋量的增加而增大。此區(qū)段的pu關(guān)系線與AB線平行，由于持液使填料層空隙率減小，故壓降高于相同空塔氣速下的干塔壓降。當(dāng)空塔氣速增大至一

5、定程度時(shí)，氣體對(duì)液體的流動(dòng)產(chǎn)生明顯的牽制作用，隨空塔氣速增大，液膜增厚，出現(xiàn)填料層持液量增加的所謂"攔液狀態(tài)"(或稱截液現(xiàn)象)，此時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)稱為載點(diǎn)或攔液點(diǎn)，即圖2中的B1點(diǎn)?？账馑俅笥谳d點(diǎn)氣速后，填料層內(nèi)的持液量隨空塔氣速增加而增大，在空塔氣速增大與空隙率下降的雙重作用下， pu關(guān)系線呈向上彎曲的形狀，即圖中的第二區(qū)段B1C1。當(dāng)氣體速度繼續(xù)增大，達(dá)到點(diǎn)C1相當(dāng)?shù)闹禃r(shí)，上升氣流對(duì)液體所產(chǎn)生的曳力使得液體向下流動(dòng)嚴(yán)重受阻，積聚的液體充滿填料層空隙，氣體只能以鼓泡的形式上升，致使填料層壓降急劇上升， pu關(guān)系線變得非常陡峭，如圖2中C1D1區(qū)段。此現(xiàn)象稱為液泛，C1點(diǎn)稱為泛

6、點(diǎn)。填料塔在液泛狀態(tài)(C1D1區(qū)段)下操作，氣液相間的接觸面積最大，傳質(zhì)效率最高，但操作最不穩(wěn)定，因此實(shí)際操作氣速應(yīng)控制在既接近于液泛，但又不發(fā)生液泛時(shí)的氣速。一般操作氣速取液泛氣速的60%80%。2.填料層壓降和空塔氣速的測(cè)定填料層壓降定義為p=Rg （4-1）式中 p填料塔頂、底的壓降，Pa ；R一一直接與塔頂、底相連的U形管壓差計(jì)讀數(shù)，m； 一一指示劑的密度，kg/m3。塔內(nèi)氣體流速用空塔氣速u(mài)表示，其定義為氣體體積流量與塔截面之比。即u=式中 u空塔氣速，m/s； Q （4-2） Q一一塔內(nèi)氣體體積流量，m3/s；一一塔截面積，m2。實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn) 3流量計(jì)的標(biāo)定條件為t

7、=293.15K，p0=101325Pa，氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的標(biāo)定介質(zhì)為空氣，液體轉(zhuǎn)子流量計(jì)的標(biāo)定介質(zhì)為水。實(shí)驗(yàn)測(cè)量氣體、液體體積時(shí)操作條件與標(biāo)定條件不同，所以必須經(jīng)過(guò)校正。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)是氣體，則其體積流量校正式為：Q=QN0P0T0 （4-3） =QNS0PT0式中 Q一一實(shí)際氣體體積流量，m3/h；QN一一操作條件下轉(zhuǎn)子流量計(jì)中讀得的氣體流量， m3/h；0一一標(biāo)定條件下空氣的密度，kg/m3；S0一一被測(cè)氣體在標(biāo)定條件下的密度，kg/m3；一一指實(shí)際測(cè)量條件下被測(cè)氣體的密度，kg/m3；P0一一標(biāo)定條件的絕對(duì)壓力，101325Pa；T0一一標(biāo)定條件的絕對(duì)溫度，293.15K；P一一實(shí)際操作條件

8、下被測(cè)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)，Pa；T一一實(shí)際操作條件下被測(cè)氣體的絕對(duì)溫度，K。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)是液體，則其體積流量校正式為：Q=QN0(f-) (4-4) (f-0)式中 Q一一實(shí)際液體體積流量， m3/h；QN一一操作條件下轉(zhuǎn)子流量計(jì)中讀得的液體流量， m3/h；f一一轉(zhuǎn)子的密度，kg/m3；一一指實(shí)際測(cè)量條件下被測(cè)液體的密度，kg/m3；0一一標(biāo)定條件下水的密度，kg/m3。根據(jù)實(shí)測(cè)的p與求得的空塔氣速u(mài)值，可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中作出關(guān)系曲線，即在圖2中可以得到液泛氣速，也就確定了實(shí)際氣速操作的范圍。3.體積吸收系數(shù)的測(cè)定(1)相平衡常數(shù)由空氣和氨氣混合后進(jìn)入塔底，液相清水由塔頂噴淋而下，系統(tǒng)總壓P一般取塔

9、內(nèi)的平均壓力，根據(jù)塔頂壓力和塔頂、底壓差可以得出塔內(nèi)平均壓力。p=p底+p頂 (4-5)p=亨利系數(shù)的計(jì)算式子為： p頂+p底2=p底+p (4-6) 2lgE=11.468-1922/T (4-7)式中 E一一亨利系數(shù)，Pa；T一一塔內(nèi)液相平均溫度，K。實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn) 4實(shí)驗(yàn)中因塔底液相溫度與塔內(nèi)平均溫度非常接近，所以T取塔底液相溫度。進(jìn)塔混合氣中溶質(zhì)的摩爾組成小于10%，屬于低濃度氣體吸收。在雙膜理論的基礎(chǔ)上，操作范圍之內(nèi)，塔內(nèi)任一截面處的氣液兩相成平衡關(guān)系，氣液相平衡關(guān)系為y*=mx，此式中m為相平衡常數(shù)，且m=E。 P(2)總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)對(duì)于低濃氣體吸收，傳質(zhì)系數(shù)可視

10、為常數(shù)。對(duì)于塔內(nèi)填料的類(lèi)型與尺寸一定，單位體積填料的有效氣液接觸面積，主要取決于流體流動(dòng)情況。因氣、液流率幾乎不變，全塔的流動(dòng)狀況相同，故傳質(zhì)系數(shù)在全塔可視為常數(shù)?？傮w積吸收系數(shù)反映了填料吸收傳質(zhì)性能的主要參數(shù)之一，也是設(shè)計(jì)填料塔的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對(duì)低濃氣體吸收，可近似取：yy （4-8a） 1+yxX=x （4-8b） 1+x(3)吸收塔內(nèi)NH3為被水吸收的量GA Y=對(duì)整個(gè)吸收塔進(jìn)行物料衡算：GA=V(Y1-Y2)=L(X1-X2) (4-9)式中 V一一空氣的摩爾流量，kmol/h；L一一吸收劑水的摩爾流量， kmol/h；Y1、Y2一一進(jìn)、出塔氣體組成的比摩爾分?jǐn)?shù)，kmolNH3/ km

11、olAIR；X1、X2一一出、進(jìn)塔液相組成的比摩爾分?jǐn)?shù)， kmolNH3/ kmolAIR。(4)進(jìn)塔氣體濃度Y1的確定Y1=nNH3nAir （4-10）式中 nNH3進(jìn)塔混合氣體中氨氣的物質(zhì)的量，kmol；nAir進(jìn)塔混合氣體中空氣的物質(zhì)的量，kmol。(5)出塔氣體(尾氣)組成Y2的確定因?yàn)槌鏊怏w(尾氣)還含有很少量的氨，是弱堿性的，所以可以通人濃度已標(biāo)定，體積數(shù)一定的酸中進(jìn)行中和反應(yīng)，測(cè)出尾氣中氨氣的濃度。具體測(cè)定是，取Va(ml)濃度為Ma(mol/L)的硫酸置于吸收瓶中，加23滴指示劑(例溴百里酚蘭)，少量的尾氣通人洗氣瓶?jī)?nèi)，硫酸吸收后再經(jīng)濕式流量計(jì)放空，尾氣一直通到中和反應(yīng)的終

12、點(diǎn)(即指示劑由黃棕色變至黃綠色)馬上停止通氣。按式(4-11)計(jì)算出Y2。Y2=nNH3nAir2MaVa10-3 （4-11） =P0V0RT0實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn) 5式中 Y2一一出塔氣體的比摩爾濃度，kmolNH3/kmolAIR；Ma硫酸的摩爾濃度，mol/L；Va所用硫酸的體積，ml；P0、V0、T0一一尾氣經(jīng)洗氣瓶吸收后，通過(guò)濕式流量計(jì)空氣的壓力(Pa)、體積(L)、溫度(K)；R一一氣體常數(shù)。(6)出塔液相組成X1的確定因進(jìn)塔液相是清水，X2=0，由式(4-9)可知：X1=V(Y1-Y2) （4-12） L也可以用酸堿中和滴點(diǎn)法測(cè)得(方法略)。(7)總傳質(zhì)推動(dòng)力的確定Y=

13、Y-Y*Ym=Y1-Y2(Y1-mX2)-(Y2-mX1) （4-13） =ln(Y1/Y2)ln(Y1-mX1)/(Y2-mX2)(8)總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)kya的計(jì)算溶質(zhì)被吸收的量GA由物料衡算可求得，又GA=KYahYm所以 KYa=GA （4-14） hYm式中 KYa總體積傳質(zhì)吸收系數(shù)，kmol/m3hGA溶質(zhì)被吸收的量，kmol/h；一一吸收塔的截面積，m2；h一一填料層高度，m。五、仿真實(shí)驗(yàn)操作步驟在仿真實(shí)驗(yàn)主界面中選擇"吸收實(shí)驗(yàn)"，點(diǎn)擊進(jìn)入吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn)界面，輸入學(xué)號(hào)，回車(chē)，點(diǎn)擊"仿真操作"，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作界面。1.Pu曲線的測(cè)定首先點(diǎn)擊&qu

14、ot;開(kāi)始實(shí)驗(yàn)"按鈕，雙擊吸收劑調(diào)節(jié)闊，得一閥門(mén)開(kāi)度放大圖，點(diǎn)"+"、"一"符號(hào)，可增減閥門(mén)的開(kāi)度，先增大水的流量，潤(rùn)濕塔內(nèi)填料，隨后調(diào)節(jié)水流量到一定值，例如取30L/h，然后點(diǎn)擊風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)的綠色按鈕，啟動(dòng)旋渦氣泵，雙擊空氣流量調(diào)節(jié)閥，慢慢增大風(fēng)量，同時(shí)注意觀察塔內(nèi)氣液流動(dòng)形態(tài)，直至填料層中產(chǎn)生乳化現(xiàn)象，即表明已發(fā)生液泛。記下液泛時(shí)的最大空氣量(例15m3/h)，再根據(jù)最大空氣量規(guī)劃各個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)的風(fēng)量值。為了使實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在坐標(biāo)軸上分布均勻，風(fēng)量應(yīng)按等比數(shù)列安排，比值取1/4。實(shí)驗(yàn)時(shí)風(fēng)量應(yīng)從小到大逐級(jí)調(diào)節(jié)，每改變一次風(fēng)量，需待系統(tǒng)穩(wěn)定后再點(diǎn)擊&quo

15、t;讀取數(shù)據(jù)"按鈕，以記錄該實(shí)驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。一個(gè)噴淋密度下一般測(cè)10組數(shù)據(jù)左右，最后一組數(shù)據(jù)應(yīng)在泛點(diǎn)下測(cè)取。2.體積吸收系數(shù)Kya的測(cè)定實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn) 6調(diào)節(jié)水量至0.03 m3/h不變，空氣量取液泛時(shí)的0.60.8倍，例如取12m3/h；打開(kāi)氨減壓閥。為了保證在低濃氣體下吸收，氨氣的體積流量應(yīng)小于空氣流量的7.7%，例如取4%，則氨氣流量為0.48 m3/h。等系統(tǒng)穩(wěn)定后，雙擊屏幕左上側(cè)的尾氣吸收瓶，使尾氣吸收瓶和濕式流量計(jì)相連，點(diǎn)擊三通閥門(mén)，尾氣引人吸收瓶與內(nèi)裝一定量的濃度已知的稀硫酸進(jìn)行中和反應(yīng)。當(dāng)指示劑由紅色變成黃綠色時(shí)，中和反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，此時(shí)計(jì)算機(jī)彈出一

16、個(gè)對(duì)話框，提示中和反應(yīng)已達(dá)終點(diǎn)，點(diǎn)擊"確定"即可結(jié)束尾氣分析。再點(diǎn)擊"讀取數(shù)據(jù)"按鈕，則可自動(dòng)讀取第一個(gè)操作條件下的各測(cè)量參數(shù)。保持空氣和氨氣流量不變，改變水量，例如增大到0.036 m3/h，等系統(tǒng)穩(wěn)定后，重復(fù)以上數(shù)據(jù)測(cè)取操作。再在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，保持水流量不變，將空氣的流量減小到9 m3/h，則相應(yīng)的氨氣流量為0.36 m3/h，等系統(tǒng)穩(wěn)定后，再重復(fù)以上數(shù)據(jù)測(cè)取操作。如是得到三種操作條件下的Kya測(cè)試原始數(shù)據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理當(dāng)測(cè)完實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，可點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)操作界面上部的"數(shù)據(jù)處理"按鈕，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理界面，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

17、1. pu曲線的數(shù)據(jù)處理pu 原始數(shù)據(jù)pu數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn) 7pu數(shù)據(jù)處理圖點(diǎn)擊界面左側(cè)的"pu"按鈕，則列表顯示出原始測(cè)定數(shù)據(jù)，再點(diǎn)擊"數(shù)據(jù)處理"，又會(huì)列表顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果。再雙擊"作圖"。則可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中作出塔頂、底壓降p與空塔氣速u(mài)的關(guān)系，并在右上側(cè)顯示泛點(diǎn)氣速和載點(diǎn)氣速。圖5.6Apu曲線的原始數(shù)據(jù)記錄2. Kya的數(shù)據(jù)處理Kya"原始數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)題目：填料塔吸收過(guò)程實(shí)驗(yàn) 8Kya"數(shù)據(jù)處理表點(diǎn)擊界面左側(cè)的"Kya"按鈕，可得到在三種操作條件下的原始數(shù)據(jù)表格。再點(diǎn)擊&q

18、uot;數(shù)據(jù)處理"按鈕，則可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表，其中最終結(jié)果為Kya。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)水量不變，只改變氣量時(shí)的Kya值大于改變水量而氣量不變時(shí)的Kya值，因此表明水吸收氨是屬于氣膜控制的過(guò)程。七、實(shí)驗(yàn)裝置停車(chē)操作點(diǎn)擊"返回實(shí)驗(yàn)室"按鈕，返回實(shí)驗(yàn)操作界面。按以下順序執(zhí)行停車(chē)操作：(1)關(guān)閉氨氣閥門(mén)。(2)關(guān)閉空氣閥門(mén)和風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)。(3)關(guān)閉水閥門(mén)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。(4)點(diǎn)擊"EXIT"按鈕，退出實(shí)驗(yàn)室，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。八、實(shí)驗(yàn)仿真操作過(guò)程注意事項(xiàng)(1)測(cè)pu關(guān)系曲線時(shí)，空氣流量應(yīng)按等比數(shù)列變化，這樣可保證實(shí)驗(yàn)點(diǎn)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸上分布均勻。(2)左上側(cè)尾氣吸收瓶只有三只，只能分析三次尾氣濃度，如果超過(guò)三次，則吸收瓶不能復(fù)原，只能重新再做實(shí)驗(yàn)。(3)當(dāng)連接了尾氣吸收瓶后，別忘了還應(yīng)點(diǎn)擊三通，使部分尾氣通入吸收瓶進(jìn)行中和反應(yīng)，否則無(wú)法得到尾氣的濃度。九、思考題1.為什么要測(cè)pu的關(guān)系曲線?實(shí)際操作氣速與泛點(diǎn)氣速之間存在什么關(guān)系?2.什么是空塔氣速?空塔氣速是如何得到的?3.混合氣體經(jīng)