化工原理試驗報告-填料塔吸收試驗

1、填料吸收塔吸收操作及體積吸收系數(shù)的測定課程名稱：過程工程原理實驗（乙）指導老師：成績：實驗名稱：.同組學生姓名：一、實驗?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、實驗?nèi)容和原理（必填）三、主要儀器設(shè)備（必填）四、操作方法和實驗步驟五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理六、實驗結(jié)果與分析（必填）七、討論、心得一、實驗?zāi)康? .了解填料吸收塔的構(gòu)造并熟悉吸收塔的操作。2 .觀察填料吸收塔的液泛顯現(xiàn)，測定泛點空塔氣速。3 .測定填料層壓降A(chǔ)P與空塔氣速u的關(guān)系曲線。4 .測定含氨空氣一水系統(tǒng)的體積吸收系數(shù)KY。二、實驗裝置1 .本實驗裝置的流程示意圖見圖5-1。主體設(shè)備是內(nèi)徑70毫米的吸收塔，塔內(nèi)裝10X9 X1陶瓷拉西環(huán)填料。2 .

2、物系是（水一空氣一氨氣）。惰性氣體空氣由漩渦氣泵提供，氨氣由液氨鋼瓶供應(yīng)，吸 收劑水采用自來水，它們分別通過轉(zhuǎn)子流量計測量。水蔥塔頂噴淋至填料層與自下而上的含 氨空氣進行吸收過程，溶液由塔底經(jīng)液封管流出塔外，塔底有液相取樣口，經(jīng)吸收后的尾氣 由塔頂排至室外，自塔頂引出適量尾氣，用化學分析法對其進行組成分析。1填料吸收塔6一氨氣減壓閥11濕式流量計2一旋渦氣泵7一氨氣穩(wěn)壓罐12一三通旋塞3空氣轉(zhuǎn)子流量計8氨氣轉(zhuǎn)子流量計4液氨鋼瓶5氨氣壓力表9水轉(zhuǎn)子流量計10一洗氣瓶13、14、15、16U 型差壓計 17、18、19溫度計20液位計圖51填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測定實驗裝置流程示意圖三、基本

3、原理（一）填料層壓力降A(chǔ)P與空塔氣速u的關(guān)系氣體通過干填料層時（噴淋密度L=0），其壓力降A(chǔ)P與空塔氣速u如圖6中直線A所 示，此直線斜率約為1.8,與氣體以湍流方式通過管道時AP與u的關(guān)系相仿。如圖6可知， 當氣速在L點以下時，在一定噴淋密度下，由于持液量增加而使空隙率減小，使得填料層的 壓降隨之增加，又由于此時氣體對液膜的流動無明顯影響，在一定噴淋密度下，持液量不隨 氣速變化，故其APu關(guān)系與干填料相仿。在一定噴淋密度下，氣速增大至一定程度時，隨氣速增大，液膜增厚，即出現(xiàn)“攔液狀 態(tài)”（如圖6中L點以上），此時氣體通過填料層的流動阻力劇增；若氣速繼續(xù)加大，噴淋液 的下流嚴重受阻，使極具的液

4、體從填料表面擴展到整個填料層空間，謂之“液泛狀態(tài)”（如 圖6中F點），此時氣體的流動阻力急劇增加。圖6中F點即為泛點，與之相對應(yīng)的氣速稱 為泛點氣速。原料塔在液泛狀態(tài)下操作，氣液接觸面積可達最大，其傳質(zhì)效率最高。但操作最不穩(wěn)定， 通常實際操作氣速取泛點氣速的60%80%。塔內(nèi)氣體的流速以其體積流量與塔截面積之比來表示，稱之為空塔氣速u。（1）式中：u空塔氣速，m/sV塔內(nèi)氣體體積流量，m3/sQ塔截面積，m2。實驗中氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計測量。但由于實驗測量條件與轉(zhuǎn)子流量計標定條件不一定 相同，故轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)值必須進行校正，校正方法詳見附錄四。填料層壓降A(chǔ)P直接可由U型壓差計讀取，再根據(jù)式（

5、1）求得空塔氣速u，便可得到 一系列APu值，標繪在雙對數(shù)坐標紙上，即可得到APu關(guān)系曲線。（二）體積吸收系數(shù)KYa的測定1 .相平衡常數(shù)m對相平衡關(guān)系遵循亨利定律的物系（一般指低濃度氣體），氣液平衡關(guān)系式為：y * mx（2）相平衡常數(shù)m與系統(tǒng)總壓P和亨利系數(shù)E的關(guān)系如下:Em =(3)P式中：E亨利系數(shù)，Pa；P系統(tǒng)總壓(實驗中取塔內(nèi)平均壓力)，Pa。亨利系數(shù)E與溫度T的關(guān)系為:lg E = 11.468 1922/ T(4)式中：T液相溫度(實驗中取塔底液相溫度)，K。根據(jù)實驗中所測的塔頂表壓及塔頂塔底壓差A(yù)P，即可求得塔內(nèi)平均壓力P。根據(jù)實驗 中所測的塔底液相溫度T，利用式(3)、(4

6、)便可求得相平衡常數(shù)m。2 .體積吸收系數(shù)KYa體積吸收系數(shù)KYa是反映填料吸收塔性能的主要參數(shù)之一，其值也是設(shè)計填料塔的重 要依據(jù)。本實驗中屬于低濃度氣體吸收，近似取Y7y，X7x。吸收速率方程式為:=KYa 。 h AY(5)式中：KYa氣相體積吸收系數(shù)，kmol/m3 - h；a單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2/m3；G”一一單位時間內(nèi)NH3的吸收量，kmol/h；Q塔截面積，m2；h填料層高度，m；AYm吸收推動力，氣相對數(shù)平均濃度差。為求得KYa，需求取GA及AYm。(1)被吸收的NH3量GA，可由物料衡算求得:GA = V(4 - Y2) = L(X1 - X2)(6)式中

7、：V惰性氣體空氣的流量，kmol/h；L吸收劑水的流量，kmol/h；Y1進塔氣相的組成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)；Y2出塔氣相(尾氣)的組成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)；X1出塔液相的組成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)；用進塔液相的責成，本實驗中為清水吸收，X2=0。(a)進塔氣相濃度Y.1的確定(7)式中：VA氨氣的流量，kmol/ho根據(jù)實驗中轉(zhuǎn)子流量計測取的空氣和氨氣的體積流量和實際測量狀態(tài)(壓力、溫度), 對其刻度流量進行校正而得到其實際體積流量，再由氣體狀態(tài)方程得到空氣和氨氣的摩爾流 量，并由式(7)可求取進塔氣相組成Y1o(b)出塔

8、氣相(尾氣)組成Y2的確定用移液管移取Vaml濃度為Ma的標準H2sO4溶液置于吸收瓶中，加入適量去離子水機 23滴澳百里酚蘭，將吸收瓶如圖121連接在抽樣尾氣管線上。當吸收塔操作穩(wěn)定時，尾 氣通過吸收瓶后尾氣中的氨氣被H2sO4吸收，其余空氣通過濕式流量計計量。為使所取尾氣 樣能反映塔內(nèi)實際情況，在取樣分析前應(yīng)使取樣管尾氣保持流通，然后改變?nèi)ㄐ鲃臃?向，使尾氣通過吸收瓶。式中：nNH 3nairnNHc 3nair(8)氨氣的摩爾數(shù)，mol；空氣的摩爾數(shù)，molo(I)尾氣樣品中氨的摩爾數(shù)nNH可用下列方式之一測得：(i)若尾氣通入吸收瓶吸收至終點(瓶內(nèi)溶液顏色由黃棕色變至黃綠色)，則

9、：n= 2 MaVa x 10 -3(9)NH 3式中：Ma標準H2sO4溶液的摩爾濃度，mol/lo(ii)若通入吸收瓶的尾氣已過量(瓶中溶液呈蘭色)，可用同樣標準H2sO4溶液滴定至 終點(瓶內(nèi)溶液呈黃綠色)。若耗去的滴定用酸量為Va,則：n= 2 Ma (Va + Va') x 10 -3(10)(II)尾氣樣品中空氣摩爾數(shù)nair的測取 尾氣樣品中的空氣量由濕式流量計讀取，并測其溫度、壓力。(11)PV n = oo air RT 0式中：P0尾氣通過濕式流量計時的壓力（由室內(nèi)大氣壓代替），Pa；v0通過濕式流量計的空氣量，1；T0通過濕式流量計的空氣溫度，K；R氣體常數(shù)，R=

10、8314Nm/（mo1K）。由式（9）、（10）可求得nNH和na.r，代入式（8）中即可得到丫2。根據(jù)得到的丫1和丫2,代入式（6）中即可求得ga。（2）對數(shù)平均濃度差 YAY-AY AY 2 lnuA Y2其中A Y2 = Y2 - Y222與液相濃度XX 2相對應(yīng)的氣相平衡濃度，kmolA/kmolBo出塔液相濃度X 1可取塔底液相樣品進行化學分析得到，也可用物料衡算式（6）得到。求得GA、AY后，由式（5）即可求得KYao四、操作步驟及注意事項1 .先開啟吸收劑（水）調(diào)節(jié)閥，當填料充分潤濕后，調(diào)節(jié)閥門使水流量控制在適當?shù)臄?shù) 值，維持恒定。2 .啟動風機，調(diào)節(jié)風量由小到大，觀察填料塔內(nèi)的

11、流體力學狀況，并測取讀數(shù)，根據(jù)液泛時空氣轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，來選擇合適的空氣流量，本實驗要求在兩至三個不同的氣體流量下測定KYa o3 .為使進塔氣相濃度Y1約為5%,須根據(jù)空氣的流量來估算氨氣的流量，然后打開氨氣 鋼瓶，調(diào)節(jié)閥門，使氨氣流量滿足要求。4 .水吸收氨，在很短時間內(nèi)操作過程便達到穩(wěn)定，故應(yīng)在通氨氣之前將一切準備工作做好，在操作穩(wěn)定后，開啟三通旋塞，使尾氣通入吸收瓶進行尾氣組成分析。在實驗過程中，尤其是在測量時，要確保空氣、氨氣和水流量的穩(wěn)定。5 .改變氣體流量或吸收劑(水)流量重復(fù)實驗。6 .實驗完畢，關(guān)閉氨氣鋼瓶閥門、水調(diào)節(jié)閥，切斷風機電源，洗凈分析儀器等。五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理

12、實驗數(shù)據(jù)記錄：組號123空氣流量轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)/ (m3/h)7.87.89.4空氣溫度/口21.02223空氣表壓/kPa1.131.111.66氨氣流量轉(zhuǎn)子流量計/(l/h)240240290氨氣溫度/口13.814.014.0氨氣表壓/kPa1.131.141.98水轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)/(l/h)303630塔頂?shù)讐翰?kPa0.320.320.44塔頂表壓/kPa0.820.791.21塔底液溫/口14.015.015.5吸收瓶加酸量/ml101010脫氨后空氣量/l6.066.443.42脫氨后空氣溫度/口12.013.013.01、轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)的校正轉(zhuǎn)子流量計在標定時采用水作為標定介

13、質(zhì)，測量氣體的轉(zhuǎn)子流量計則采用空氣作為標定 介質(zhì)，介質(zhì)狀態(tài)都為20、1.013 x 105Pa。當轉(zhuǎn)子流量計測量水時，雖然水溫的不同引起 密度和黏度的變化，但它對實驗流量值影響較小，一般不予校正。當被測介質(zhì)是氣體時，校 正公式為：Q = Q :當空，氣體的流量校正過程如下：n，pPT0Q氣體的絕壓：實驗測得大氣壓力為1025.3MB,得到大氣壓的值為：1.025X 105Pa,用 得到的表壓加上大氣壓值即為氣體的絕壓。Q氣體的溫度：均采用開爾文單位，溫度的值為攝氏溫度加上273K。Q氣體的密度：由于空氣和氨氣在標準狀態(tài)下的密度均已知，分別為 1.205kg/m3和P、0.771kg/m3,因此

14、用氣體狀態(tài)方程PM = pRT可以得出px亍，因此在不同的氣壓和溫度p PT下的氣體密度可以由公式=芾得到。計算得到參數(shù)如下：ro 0組號123空氣壓力kPa103.66103.64104.19空氣溫度/K294.15295.15296.15空氣密度/（kg/m3）1.2285781.2241791.22652氨氣壓力kPa103.66103.67104.51氨氣溫度/K286.95287.15287.15氨氣密度/（kg/m3）0.805810.8053260.811852根據(jù)公式Q = Q :'巳坐得到修正后的氣體流量為:nh pPT 00修正后流量123空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)/（m3

15、/h）7.6503097.6777989.235072氨氣轉(zhuǎn)子流量計/Q/h）229.6323229.7702275.40752、體積吸收系數(shù)KYa的測定（1）相平衡常數(shù)m對相平衡關(guān)系遵循亨利定律的物系（一般指低濃度氣體），氣液平衡關(guān)系式為：y* = mx相平衡常數(shù)m與系統(tǒng)總壓P和亨利系數(shù)E的關(guān)系如下：m =號。其中P為系統(tǒng)總壓（實驗中取塔內(nèi)平均壓力）。亨利系數(shù)E與溫度T的關(guān)系為：lgE=11.4681922/T。組號123塔頂絕壓/kPa102.82102.82102.94塔底絕壓/kPa103.64103.61104.15塔內(nèi)平均壓力/kPa103.48103.45103.93塔內(nèi)液相溫度

16、/141515.5亨利系數(shù)E/Pa590386228663967平衡常數(shù)m0.5705260.6020880.615482（2）體積吸收系數(shù)KYa（a）被吸收的NH 3量Gj可由物料衡算求得：GA = V（Y1 -Y2） = L（X 1 - X2）v進塔氣相濃度Y1的確定：廠丁組號123空氣體積流量/（m3/h）7.650308797.6777989.23507159空氣摩爾流量V（mol/h）0.324273380.3242730.390790995氨氣體積流量/Q/h）229.632302229.7702275.4074504氨氣摩爾流量VA（kmol/h）0.009977640.0099

17、780.012056318Y10.030769230.0307690.030851064出塔氣相濃度組成丫2的確定:Y =n-NH3.2nairnPV式中：nMq為氨氣的摩爾數(shù)，n二2MV，air為空氣的摩爾數(shù)n . 方才nh3nh3a aair KMa=0.03mol/L。X1可以利用物料衡算得到X1=GA/L.組號123nNH3/(mol)0.00060.00060.0006nair/(mol)0.2620838050.2775447740.14739179Y20.0022893440.0021618130.00407078GA(kmol/h)0.0092352690.0092766240

18、.01106549L/(kmol/h)1.66721.667X10.0055400530.0046383120.00627804（b）對數(shù)平均濃度差A(yù) Ym。A Y-A Y2其中 A Y1 =Y1- Y1*= Y1- mX 1，AY2=Y2- Y2*= Y2 - mX 2 = Y2組號123AY10.027187450.0269890.026987046A Y20.002289340.0021620.00407078AYm0.010061910.0098350.01211525（3）體積吸收系數(shù)KYaGd2KYa _ Qh7y，其中 Q =匚=0.0038465 m2, h=0.36m.m4組

19、號123K ya /(kmol/m3 h)662.827884681.1861673.8196583計算式例以第三組數(shù)據(jù)為例：1.轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)的校正第三組空氣流量轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)/ (m3/h)9.4空氣溫度/23空氣表壓/kPa1.66氨氣流量轉(zhuǎn)子流量計/(l/h)290氨氣溫度/14.0氨氣表壓/kPa1.98,n PT對于空氣：Q = Q ，旦PTN pPT0QN=9.4m3/h，空氣溫度T=23 +273.15=296.15K，T0 =293.15K，P0 =1.205kg/m3P0 =1-013 xl05Pa，p=1.66+102.53=104.19kPa，PTTP0，得至U p =

20、1.205*104.19*293.15/(296.15*101.3)=1.227 kg/m30p PT 八 /；1. 205 x 101. 325 x 296. 15Q = Q= 9.4 x -= 9. 23m3 / h空 n pPT。1.227 x 104. 19 x 293. 15同樣得到：對于氨氣：Q = Q :PLN. pPT 00TQN=0.29m3/h氨氣溫度 T=14 +273.15=287.15K, 0 =293.15K,00 =0.771kg/m3P0 = L。13 x 105Pa , P=1.98+102.53=104.51kPa,PTTp°，得至U P =0.7

21、71*104.51*293.15/(287.15*101.3)=0.812kg/m30Qn'PPT0二 0.29 x ：°.771 * 1°L 325 x 287.15 二 0.275m3/h .0.812 x 104.51 x 293.152.體積吸收系數(shù)KYa的測定(1)相平衡常數(shù)mlgE=11.468-1922/T，W 1=15.5+273=288.5兄得 E=69367塔內(nèi)平均壓力P = A。+)塔頂 + 塔頂 + P = 103.93 kPa2大氣則相平衡常數(shù) m 二號=69367/103930=0.615482(2)體積吸收系數(shù)K,(a)被吸收的NH3量

22、Ga，可由物料衡算求得：GV(Y1 - Yp = L(XX?)一，一 V算 進塔氣相濃度Y1的確定：彳=/空氣流量(摩爾值)為V = P Q = 104. 19 x 9.32 = 0 390kmol /hRT'8. 314 x 296.15氨氣流量(摩爾值)為VART氨104. 51 x 0. 2754 二 0. 0121kmol / h8. 314 x 287. 150.0121=0.03085 0.390算出塔氣相濃度組成Y2的確定：Y = 工.2 nair吸收瓶加酸量/ml10脫氨后空氣量/l3.42脫氨后空氣溫度/口13.0式中："z4為氨氣的摩爾數(shù)，AhNH3NH3

23、=2MVnair為空氣的摩爾數(shù)nairarPV -0-0- RT0。Va = 10嘰 Ma=°-°3mOl/L得：得：Y2=102. 53kPa,V0nnh3nairnnair=3. 42L ,=13 + 273.15 = 276.15K2MVa aPV -0-0 RT02 x 0.03mol/L x 10ml = 0.0006nol102. 53 x 3. 42二 0. 1474mol8. 314 x 286. 15需二 0.0041算據(jù)此我們可以得到:GA = V(Y1 Y2) = 0.0111 kmol / h算 另外我們繼續(xù)利用GA求得X1：水流量(摩爾值)：L =

24、 = 30 = 1.6667kmol / hM 18X1=GA/L=0.00628(b)對數(shù)平均濃度差 YmA Ym其中 A4 = 4 - YJ = 4 - mXA Y-A Y/ A Y 2InA Y2AY2 = Y2 - Y2* = Y2 - mX 2 = Y2得：A Y1=Y1 - Y1* = Y1 - mX1=0. 03085 - 0. 615 x 0. 00628=0. 027=Y - Y* = Y - mXY = 0. 004122得：AY = * -12 = 0. 012 m 1 AY lnfAY2(c)體積吸收系數(shù)KYaK Gd2Ya QhAY，其中。=0.0038465 m2,

25、 h=0.36m.m4得:Ka =a丫QhAYm0.01110. 0038465 x 0. 36 x 0.012二 673. 82六、實驗結(jié)果與分析本實驗吸收的是具有堿性性質(zhì)且易溶于水的氨氣，故實驗中氣象阻力為主要阻力。根據(jù)理論知識推得K a2K a3K a1，上述實驗結(jié)果顯示為K a2K a3K a1，符合YYYYYY實驗推論。組一組二對比，組二液體的流量增大了 20%，液體的湍動加劇，因此傳質(zhì)效果應(yīng)變好。 即出塔氣相濃度變小，單位時間內(nèi)氨氣的吸收量變大。但是液體的濃度提升不如流量的提升, 所以X1減小，對數(shù)平均濃度差增大。體積吸收系數(shù)變大，符合實驗結(jié)果。組一組三對比，組三氣相的流量增大了 20%，因此氣體的湍動加劇，在泛點氣速以內(nèi)的 話傳質(zhì)效果變好，單位時間內(nèi)氨氣的吸收量變大，但是由于吸收量的變化不及流量的變化, 出塔的氣相組成變大，被吸收的氨氣量增大。液相組成增大，從而體積吸收系數(shù)增大。符合 實驗結(jié)果。組二組三對比，組三是氣相的流量增大20%，組二是液相的流量增大20%