實驗七填料塔吸收實驗

實驗七填料吸收塔的操作和吸收系數(shù)的測定一、 實驗?zāi)康牧私馓盍衔账慕Y(jié)構(gòu)、填料特性及吸收裝置的基本流程。熟悉填料塔的流體力學(xué)性能。.掌握總傳質(zhì)系數(shù)KYa測定方法。.了解空塔氣速和液體噴淋密度對傳質(zhì)系數(shù)的影響。二、 實驗內(nèi)容測定干填料及不同液體噴淋密度下填料的阻力降€P與空塔氣速u的關(guān)系曲線，并確定液泛氣速。測量固定液體噴淋量下，不同氣體流量時，用水吸收空氣—氨混和氣體中氨的體積吸收系數(shù)KYa。三、 基本原理填料塔流體力學(xué)特性填料塔是一種重要的氣液傳質(zhì)設(shè)備，其主體為圓柱形的塔體，底部有一塊帶孔的支撐板來支承填料，并允許氣液順利通過。支撐板上的填料有整堆和亂堆兩種方式，填料分為實體填料和網(wǎng)體填料兩大類，如拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、0網(wǎng)環(huán)都屬于實體填料。填料層上方有液體分布裝置，可以使液體均勻噴灑在填料上。液體在填料中有傾向于塔壁的流動，故當(dāng)填料層較高時，常將其分段，段與段之間設(shè)置液體再分布器，以利液體的重新分布。吸收塔中填料的作用主要是增加氣液兩相的接觸面積，而氣體在通過填料層時,由于克服摩擦阻力和局部阻力而導(dǎo)致了壓強降€P的產(chǎn)生。填料塔的流體力學(xué)特性是吸收設(shè)備的主要參數(shù),它包括壓強降和液泛規(guī)律。了解填料塔的流體力學(xué)特性是為了計算填料塔所需動力消耗，確定填料塔適宜操作范圍以及選擇適宜的氣液負荷。填料塔的流體力學(xué)特性的測定主要是確定適宜操作氣速。在填料塔中,當(dāng)氣體自下而上通過干填料丄=0〕時,與氣體通過其它固體顆粒床層一樣,氣壓降€P與空塔氣速u的關(guān)系可用式€P=u表示。在雙對數(shù)坐標(biāo)系中為一條直線，斜率為。在有液體噴淋〔L,0〕時，氣體通過床層的壓降除與氣速和填料有關(guān)外,還取決于噴淋密度等因素。在一定的噴淋密度下，當(dāng)氣速小時，阻力與空塔速度仍然遵守AP^u這一關(guān)系。但在同樣的空塔速度下，由于填料外表有液膜存在,填料中的空隙減小,填料空隙中的實際速度增大,因此床層阻力降比無噴淋時的值高。當(dāng)氣速增加到某一值時,由于上升氣流與下降液體間的摩擦阻力增大,開始阻礙液體的順利下流,以致于填料層內(nèi)的氣液量隨氣速的增加而增加,此現(xiàn)象稱為攔液現(xiàn)象,此點為載點，開始攔液時的空塔氣速稱為載點氣速。進入載液區(qū)后,當(dāng)空塔氣速再進一步增大,則填料層內(nèi)攔液量不斷增高,到達某一氣速時,氣、液間的摩擦力完全阻止液體向下流動，填料層的壓力將急劇升高，在APxun關(guān)系式中,n的數(shù)值可達10左右，此點稱為泛點。在不同的噴淋密度下,在雙對數(shù)坐標(biāo)中可得到一系列這樣的折線。隨著噴淋密度的增加，填料層的載點氣速和泛點氣速下降。本實驗以水和空氣為工作介質(zhì)，在一定噴淋密度下，逐步增大氣速，記錄填料層的壓

降與塔頂表壓的大小,直到發(fā)生液泛為止。體積吸收系數(shù)KYa的測定在吸收操作中，氣體混合物和吸收劑分別從塔底和塔頂進入塔內(nèi),氣液兩相在塔內(nèi)逆流接觸,使氣體混合物中的溶質(zhì)溶解在吸收質(zhì)中，于是塔頂主要為惰性組分,塔底為溶質(zhì)與吸收劑的混合液。反映吸收性能的主要參數(shù)是吸收系數(shù)，影響吸收系數(shù)的因素很多,其中有氣體的流速、液體的噴淋密度、溫度、填料的自由體積、比外表積以及氣液兩相的物理化學(xué)性質(zhì)等。吸收系數(shù)不可能有一個通用的計算式，工程上常對同類型的生產(chǎn)設(shè)備或中間試驗設(shè)備進行吸收系數(shù)的實驗測定。對于相同的物料系統(tǒng)和一定的設(shè)備（填料類型與尺寸），吸收系數(shù)將隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。本實驗用水吸收空氣-氨混合氣體中的氨氣。氨氣為易溶氣體,操作屬于氣膜控制。在其他條件不變的情況下,隨著空塔氣速增加，吸收系數(shù)相應(yīng)增大。當(dāng)空塔氣速到達某一值時,將會出現(xiàn)液泛現(xiàn)象,此時塔的正常操作被破壞。所以適宜的空塔氣速應(yīng)控制在液泛速度之下。本實驗所用的混和氣中氨氣的濃度很底〔€10%〕,吸收所得溶液濃度也不高,氣液兩相的平關(guān)系可以被認(rèn)為服從亨利定律,相應(yīng)的吸收速率方程式為：式中GA—KYaVp—pAYm7—1〕G式中GA—KYaVp—pAYm7—1〕GA=KYa?vp?AY-單位時間在塔內(nèi)吸收的組分量，氣相總體積吸收系數(shù)，填料層體積，—塔頂、塔底氣相濃度差（Y—Y*）的對數(shù)平均值，kmol吸收質(zhì)/kmol惰性氣kmol吸收質(zhì)/h；kmol吸收質(zhì)/〔m3填料?h〕；m3；體。（1）7—2〕式中DT——塔內(nèi)經(jīng)，m；Z——填料層高度，m。〔2〕GA由吸收塔的物料衡算求得GA=V〔Y1—Y2〕式中V——空氣流量，kmol/h；Y1——塔底氣相濃度，kmolNH3/kmol空氣；Y2——塔頂氣相濃度，kmolNH3/kmol空氣。T3〕標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的體積流量v0空Vp=n?Dt2?Z/4填料層體積vp7—3〕式中Ti'ppV—V?亠， 120 空p TT012〔7—4標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的體積流量，m3/h；轉(zhuǎn)子流量計的指示值，m3/h；—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，273K、101.33kPa；—標(biāo)定狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，293K、101.33kPa；P0P1V0空V空-T0、T1、T2、P2——操作狀態(tài)下溫度和壓強，K、kPa?！?〕標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氨氣的體積流量V°nh3T ip p?pV —V?亠? 斗厶1oNH3 NH3p p T?T°H0NH3 2 1〔7—5式中V0NH3——轉(zhuǎn)子流量計的指示值，m3/h；T0、P0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，273K、101.33kPa；T1、P1——標(biāo)定狀態(tài)下空氣的溫度和壓強，293K、101.33kPa；T2、P2——操作狀態(tài)下溫度和壓強，K、kPa；€0空標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度，3；€0NH3——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氨氣的密度，3?！?〕塔底氣相濃度Y］和塔頂氣相濃度Y2VnY- 0空一NH3亠1V nJ0NH3 空〔7—6式中nNH3nh3的摩爾數(shù)；空氣的摩爾數(shù)—空氣的摩爾數(shù)n—空用一定濃度，一定體積的硫酸溶液分析待測氣體，有7—7〕式中M式中H2SO4VnNH3=2XMnNH3=2XMH2SO4XVH2SO4X10—3硫酸的摩爾濃度， mol/l;硫酸溶液體積ml。n，（V空空Zo?斜/22.4027—8〕式中V空氣一T0、式中V空氣一T0、P022.4—濕式氣體流量計測出的空氣體積，—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度和壓強，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下一摩爾氣體所占有的體積Y2=nNH3/n空L;273K、101.33kPa；7—9〕同樣塔頂氣相濃度丫2也可通過取樣分析來獲得。6〕平衡關(guān)系式中m式中m—相平衡常數(shù);mXYmXY*,1?(1-m)Xm=E/P7—m=E/P7—10〕7—11〕E——亨利系數(shù)，由表7-1中低濃度〔5%以下〕氨水的亨利系數(shù)與溫度的關(guān)系數(shù)據(jù)，用內(nèi)插的方法獲得， Pa。X 溶液濃度, kmol吸收質(zhì)/kmol水；P——塔內(nèi)混合氣體總壓，Pa〔絕壓〕。P=大氣壓Pa+塔頂表壓+填料層壓降/2 〔7—12〕表7-1低濃度〔5%以下〕氨水的亨利系數(shù)與溫度關(guān)系數(shù)據(jù)溫度°C0]020253040亨利系數(shù)EX]0-5,Pa〔7〕塔底液相濃度X],塔頂液相濃度X]

當(dāng)吸收劑為純水時，塔頂X2=0，而7—13〕式中因式中〔8〕V——空氣流量， kmol/h；L 液體噴淋量， kmol/h式中因式中〔8〕V——空氣流量， kmol/h；L 液體噴淋量， kmol/h；X]、X2——塔底、塔頂液相濃度，kmol/kmol水。GA=V〔丫]-丫2〕，故X]=GA/LL=V€/M水水水V——水的體積流量， m3/m；水€——水的密度， kg/m3；水M水——水的平均分子量， ]8kg/kmol。7—]4〕7—7—]4〕7—]5〕AYm7—]6〕式中Y]式中Y]*—與X]相平衡的氣相濃度,丫2—與X2相平衡的氣相濃度,Y]*=〔kmolNH3/kmol空氣〕；Y2*=〔kmolNH3/kmol空氣〕差計(單管壓差計、u型管壓差計)及氣體分析系統(tǒng)構(gòu)成?？諝庥蓺獗盟统?，由放空閥及空氣流量調(diào)節(jié)閥配合調(diào)節(jié)流量后，經(jīng)過轉(zhuǎn)子流量計記錄流量的大小，并與氨氣混合，由塔底自下而上通過填料層?；旌蠚庠谒薪?jīng)水吸收其中的氨后，尾氣從塔頂排出。出口處裝有尾氣調(diào)節(jié)閥，用以維持塔頂具有一定的表壓，以此作為尾氣通過尾氣分析裝置的推動力。氨氣由液氨鋼瓶供應(yīng)，經(jīng)氨氣減壓閥、流量調(diào)節(jié)閥后，經(jīng)氨轉(zhuǎn)子流量計記錄流量的大小，之后進入空氣管道，與空氣混合形成混合氣體從塔底入塔。水由泵房進入系統(tǒng)，經(jīng)流量計記錄流量后，在塔頂由液體分布器噴出，在吸收塔中與混合氣體逆流接觸，吸收其中的溶質(zhì)，吸收液由塔底排出流入地溝。為了測量塔內(nèi)壓力和填料層壓強降，裝有塔頂表壓計和填料層壓差計。2．主要設(shè)備及尺寸填料塔有機玻璃塔內(nèi)徑：D=120mm填料層高度：Z=800mm~900mm填料：不銹鋼€網(wǎng)環(huán)及陶瓷拉西環(huán)。規(guī)格：①8,①10,①15。DC—4型微音氣泵一臺。LZB40氣體流量計，流量范圍0~60m3/h，數(shù)量一個；LZB15氣體流量計，流量范圍0~3/h，數(shù)量一個；LZB15液體流量計，流量范圍0~160L/h，數(shù)量一個。LML—2型濕式氣體流量計，容量5L，數(shù)量一臺。水銀溫度計，規(guī)格0?100°C,數(shù)量三只。五、實驗步驟1．流體力學(xué)特性實驗熟悉實驗裝置及流程，弄清各部分的作用，并記錄各壓差計的零位讀數(shù)。檢查氣路系統(tǒng)。開風(fēng)機之前必須全開放空閥，以免風(fēng)機燒壞。檢查轉(zhuǎn)子流量計閥門是否關(guān)閉，以免風(fēng)機開動轉(zhuǎn)子突然上升將流量計管打破。啟動風(fēng)機，首先測定干填料阻力降與空塔氣速的大小。注意不要開水泵，以免淋濕干填料。由氣泵送氣，經(jīng)放空閥、流量調(diào)節(jié)閥配合調(diào)節(jié)流量從小到大變化，測量8~9組數(shù)據(jù),記錄每次流量下的塔頂表壓、填料層壓降、流量大小、計前表壓、溫度等參數(shù)。開動供水系統(tǒng)，慢慢調(diào)節(jié)流量接近液泛，使填料完全潤濕后再降到預(yù)定氣速進行實驗。測定濕填料壓降，固定兩個不同的液體噴淋量分別進行測定。每固定一個噴淋量，調(diào)節(jié)空氣流量，從小到大測量8~9組數(shù)據(jù)。并隨時觀察塔內(nèi)的操作現(xiàn)象，記下發(fā)生液泛時的氣體流量。發(fā)生液泛之后，再繼續(xù)增加空氣量，測取2組數(shù)據(jù)。2.體積吸收系數(shù)KYa的測定在流體力學(xué)特性測試實驗的基礎(chǔ)上，維持一個液體噴淋量。確定操作條件，包括空氣流量、氨氣流量，準(zhǔn)備好氣體濃度分析裝置及其所用試劑，一切準(zhǔn)備就緒后開動氨氣系統(tǒng)。啟動氨氣系統(tǒng)。首先將液氨鋼瓶上的自動減壓閥的頂針?biāo)砷_(左旋為松開，右旋為擰緊)，使自動減壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)。然后打開氨氣瓶閥，此時減壓閥壓力表顯示瓶內(nèi)壓力的大小。然后略旋緊減壓閥的頂針，用轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)氨流量至預(yù)定值。當(dāng)空氣、氨、水的流量計讀數(shù)穩(wěn)定后(約2?3分鐘)，記錄各流量計的讀數(shù)、溫度及各壓差計的讀數(shù)，并分析進塔和出塔氣體濃度。氣體濃度分析方法：用硫酸吸收氣體中的氨，反應(yīng)方程如下2NH3+H2SO4+2H2O=(NH4)2SO4+2H2O酸堿中和到達等當(dāng)點時加有甲基橙指示劑的溶液變黃。進氣濃度。1.迅速打開進氣管路中的考克，讓混合氣通過吸收盒，再立即關(guān)閉此考克，以使待測氣體的管路全部充滿此氣體。II.取高濃度硫酸液2?3ml放入分析瓶，用適當(dāng)?shù)恼麴s水沖洗瓶壁，再加入1?2滴甲基橙指示劑。III.打開進氣管路中的考克，讓氣體流經(jīng)分析瓶，吸收