填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測(cè)定

1、裝 訂 線專業(yè)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 日期： 地點(diǎn)： 實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱： 過(guò)程工程原理實(shí)驗(yàn)（乙） 指導(dǎo)老師： 成績(jī)：_實(shí)驗(yàn)名稱： 填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測(cè)定 同組學(xué)生姓名： 實(shí)驗(yàn)類型： 傳質(zhì)實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅ū靥睿┒?、?shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、實(shí)驗(yàn)材料與試劑（必填） 四、實(shí)驗(yàn)器材與儀器（必填）五、操作方法和實(shí)驗(yàn)步驟（必填） 六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析（必填） 八、討論、心得1 實(shí)驗(yàn)?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(cè)定泛點(diǎn)空塔氣速；3. 測(cè)定填料層壓降P與空塔氣速u的關(guān)系曲線；4. 測(cè)定含氨空氣水系統(tǒng)的體積吸收系數(shù)KYa。

2、 2 實(shí)驗(yàn)原理（一）填料層壓力降P與空塔氣速u的關(guān)系氣體通過(guò)干填料層時(shí)（噴淋密度L=0），其壓力降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(guò)管道時(shí)P與u的關(guān)系相仿。如圖6可知，當(dāng)氣速在L點(diǎn)以下時(shí)，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(shí)氣體對(duì)液膜的流動(dòng)無(wú)明顯影響，在一定噴淋密度下，持液量不隨氣速變化，故其Pu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(shí)，隨氣速增大，液膜增厚，即出現(xiàn)“攔液狀態(tài)”（如圖6中L點(diǎn)以上），此時(shí)氣體通過(guò)填料層的流動(dòng)阻力劇增；若氣速繼續(xù)加大，噴淋液的下流嚴(yán)重受阻，使極具的液體從填料表

3、面擴(kuò)展到整個(gè)填料層空間，謂之“液泛狀態(tài)”（如圖6中F點(diǎn)），此時(shí)氣體的流動(dòng)阻力急劇增加。圖6中F點(diǎn)即為泛點(diǎn)，與之相對(duì)應(yīng)的氣速稱為泛點(diǎn)氣速。裝 訂 線原料塔在液泛狀態(tài)下操作，氣液接觸面積可達(dá)最大，其傳質(zhì)效率最高。但操作最不穩(wěn)定，通常實(shí)際操作氣速取泛點(diǎn)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(lái)表示，稱之為空塔氣速u。 ······················&

4、#183;············（1）式中：u 空塔氣速，m/sV 塔內(nèi)氣體體積流量，m3/s 塔截面積，m2。實(shí)驗(yàn)中氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。但由于實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件與轉(zhuǎn)子流量計(jì)標(biāo)定條件不一定相同，故轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)值必須進(jìn)行校正，校正方法詳見(jiàn)附錄四。填料層壓降P直接可由U型壓差計(jì)讀取，再根據(jù)式（1）求得空塔氣速u，便可得到一系列Pu值，標(biāo)繪在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，即可得到Pu關(guān)系曲線。（二）體積吸收系數(shù)KY的測(cè)定1.相平衡常數(shù)m對(duì)相平衡關(guān)系遵循亨利定律的物系（一般指低濃度氣體），氣

5、液平衡關(guān)系式為： ································（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：············

6、······················（3）式中： E 亨利系數(shù)，Pa；裝 訂 線 P 系統(tǒng)總壓（實(shí)驗(yàn)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：··················&

7、#183;········（4）式中：T液相溫度（實(shí)驗(yàn)中取塔底液相溫度），K。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的塔頂表壓及塔頂塔底壓差P，即可求得塔內(nèi)平均壓力P。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所測(cè)的塔底液相溫度T，利用式（3）、（4）便可求得相平衡常數(shù)m。2.體積吸收系數(shù)KY體積吸收系數(shù)KY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(jì)填料塔的重要依據(jù)。本實(shí)驗(yàn)中屬于低濃度氣體吸收，近似取Yy，Xx。吸收速率方程式為：則 ···········

8、·················（5）式中：KY氣相體積吸收系數(shù)，kmol/m3·h；單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2/m3；GA單位時(shí)間內(nèi)NH3的吸收量，kmol/h；塔截面積，m2；h填料層高度，m；Ym吸收推動(dòng)力，氣相對(duì)數(shù)平均濃度差。為求得KY，需求取GA及Ym。（1）被吸收的NH3量GA，可由物料衡算求得：········

9、;··············（6）式中：V惰性氣體空氣的流量，kmol/h； L吸收劑水的流量，kmol/h； Y1進(jìn)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)； X2進(jìn)塔液相的責(zé)成，本實(shí)驗(yàn)中為清水吸收，X2=0。 裝 訂 線 （a）進(jìn)塔氣相濃度Y1的確定····

10、···························（7）式中：VA氨氣的流量，kmol/h。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)取的空氣和氨氣的體積流量和實(shí)際測(cè)量狀態(tài)（壓力、溫度），對(duì)其刻度流量進(jìn)行校正而得到其實(shí)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(jìn)塔氣相組成Y1。（b）出塔氣相（尾氣）組成Y2的確定用

11、移液管移取Vaml濃度為Ma的標(biāo)準(zhǔn)H2SO4溶液置于吸收瓶中，加入適量去離子水機(jī)23滴溴百里酚蘭，將吸收瓶如圖12-1連接在抽樣尾氣管線上。當(dāng)吸收塔操作穩(wěn)定時(shí)，尾氣通過(guò)吸收瓶后尾氣中的氨氣被H2SO4吸收，其余空氣通過(guò)濕式流量計(jì)計(jì)量。為使所取尾氣樣能反映塔內(nèi)實(shí)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?dòng)方向，使尾氣通過(guò)吸收瓶。 ·····················

12、;········（8）式中： 氨氣的摩爾數(shù)，mol； 空氣的摩爾數(shù)，mol。 （I）尾氣樣品中氨的摩爾數(shù)可用下列方式之一測(cè)得： （i）若尾氣通入吸收瓶吸收至終點(diǎn)（瓶?jī)?nèi)溶液顏色由黃棕色變至黃綠色），則：·························（9）式中：Ma標(biāo)

13、準(zhǔn)H2SO4溶液的摩爾濃度，mol/l。 （ii）若通入吸收瓶的尾氣已過(guò)量（瓶中溶液呈蘭色），可用同樣標(biāo)準(zhǔn)H2SO4溶液滴定至終點(diǎn)（瓶?jī)?nèi)溶液呈黃綠色）。若耗去的滴定用酸量為Va，則：·····················（10） （II）尾氣樣品中空氣摩爾數(shù)的測(cè)取尾氣樣品中的空氣量由濕式流量計(jì)讀取，并測(cè)其溫度、壓力。·····

14、3;························（11）裝 訂 線式中：P0尾氣通過(guò)濕式流量計(jì)時(shí)的壓力（由室內(nèi)大氣壓代替），Pa； V0通過(guò)濕式流量計(jì)的空氣量，l； T0通過(guò)濕式流量計(jì)的空氣溫度，K； R氣體常數(shù)，R=8314N·m/(mol·K)。由式（9）、（10）可求得和，代入式（8）中即可得到Y(jié)2。根據(jù)得到的Y1和Y2，代入式

15、（6）中即可求得GA。（2）對(duì)數(shù)平均濃度差其中 式中：、與液相濃度、相對(duì)應(yīng)的氣相平衡濃度，kmolA/kmolB。出塔液相濃度可取塔底液相樣品進(jìn)行化學(xué)分析得到，也可用物料衡算式（6）得到。求得GA、后，由式（5）即可求得KYa。3 實(shí)驗(yàn)儀器1.本實(shí)驗(yàn)裝置的流程示意圖見(jiàn)下圖。主體設(shè)備是內(nèi)徑70毫米的吸收塔，塔內(nèi)裝10×9×1陶瓷拉西環(huán)填料。2.物系是（水空氣氨氣）。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(lái)水，它們分別通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量。水蔥塔頂噴淋至填料層與自下而上的含氨空氣進(jìn)行吸收過(guò)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

16、頂排至室外，自塔頂引出適量尾氣，用化學(xué)分析法對(duì)其進(jìn)行組成分析。裝 訂 線1填料吸收塔2旋渦氣泵3空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)4液氨鋼瓶 5氨氣壓力表6氨氣減壓閥7氨氣穩(wěn)壓罐8氨氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)9水轉(zhuǎn)子流量計(jì) 10洗氣瓶 11濕式流量計(jì) 12三通旋塞 13、14、15、16U型差壓計(jì) 17、18、19溫度計(jì) 20液位計(jì)填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖 4 實(shí)驗(yàn)步驟1. 先開(kāi)啟吸收劑（水）調(diào)節(jié)閥，當(dāng)填料充分潤(rùn)濕后，調(diào)節(jié)閥門使水流量控制在適當(dāng)?shù)臄?shù)值，維持恒定；2. 啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)風(fēng)量由小到大，觀察填料塔內(nèi)的流體力學(xué)狀況，并測(cè)取讀數(shù)，根據(jù)液泛時(shí)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)，來(lái)選擇合適的空氣流量，本實(shí)驗(yàn)要求在兩

17、至三個(gè)不同的氣體流量下測(cè)定KYa；3. 為使進(jìn)塔氣相濃度Y1約為5%，須根據(jù)空氣的流量來(lái)估算氨氣的流量，然后打開(kāi)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(shí)間內(nèi)操作過(guò)程便達(dá)到穩(wěn)定，故應(yīng)在通氨氣之前將一切準(zhǔn)備工作裝 訂 線做好，在操作穩(wěn)定后，開(kāi)啟三通旋塞，使尾氣通入吸收瓶進(jìn)行尾氣組成分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，尤其是在測(cè)量時(shí)，要確?？諝?、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(shí)驗(yàn)；6. 實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉氨氣鋼瓶閥門、水調(diào)節(jié)閥，切斷風(fēng)機(jī)電源，洗凈分析儀器等； 5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及分析1. 轉(zhuǎn)子流量計(jì)讀數(shù)的校正轉(zhuǎn)子流量計(jì)在出廠前都經(jīng)過(guò)標(biāo)定，測(cè)量液體的轉(zhuǎn)子流量計(jì)在標(biāo)定時(shí)采

18、用水作為標(biāo)定介質(zhì)，測(cè)量氣體的轉(zhuǎn)子流量計(jì)則采用空氣作為標(biāo)定介質(zhì)，介質(zhì)狀態(tài)都為20、1.013×105Pa。當(dāng)使用條件與工廠標(biāo)定條件不符合，其讀數(shù)必須進(jìn)行校正。當(dāng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量水時(shí)，雖然水溫的不同引起密度和黏度的變化，但它對(duì)實(shí)驗(yàn)流量值影響較小，一般不予校正。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)是氣體時(shí)，其操作狀況的密度、溫度、壓強(qiáng)與標(biāo)定空氣狀態(tài)不同時(shí)，其校正公式為：式中：Q 實(shí)際流量值； QN 轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)值； P0、T0 標(biāo)定的空氣狀況，P0 = 1.013×105Pa，T0 = 293K； P、T 實(shí)際測(cè)量時(shí)被測(cè)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)、絕對(duì)溫度，Pa、K?？諝庠跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度均查表得：空氣=1.205

19、kg/m3；氨氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度由公式PM =RT計(jì)算得：氨氣=0.708kg/m3。在測(cè)量狀態(tài)下，空氣與氨氣可近似為理想氣體，用氣體狀態(tài)方程PM =RT可以得出在不同的氣壓和溫度下的氣體密度。則修正公式可以變化為： 裝 訂 線2. 填料層壓力降P與空塔氣速u的關(guān)系原始數(shù)據(jù)如下表所示：（實(shí)驗(yàn)室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa 填料塔內(nèi)徑d=35mm 水流量為30L/h ）序號(hào)空氣流量QN / (m3/h)空氣溫度T / K空氣表壓/ kPa塔頂?shù)讐翰頟/ kPa塔頂表壓/ kPa塔液溫度T / K13290.150.160.050.13286.1523.5289.350.390.09

20、0.15286.1534.3289.650.420.080.21285.6545.1290.150.480.080.28285.6556290.150.780.160.50285.1567290.650.850.220.63285.1578.5291.151.290.330.92286.15810293.151.760.471.23286.15912294.152.530.721.74286.151014.5297.154.571.832.57286.151115298.655.602.362.85286.65以第一組數(shù)據(jù)為例，計(jì)算過(guò)程如下：T = 290.15K流量計(jì)空氣絕對(duì)壓力=102.7

21、4 + 0.16 = 102.9kPa因此，流量計(jì)處壓力校正結(jié)果為：（其中0 = 空氣=1.205kg/m3 M空氣=28.95kg/kmol）則塔內(nèi)氣速為：對(duì)所有數(shù)據(jù)的計(jì)算如下表：（實(shí)驗(yàn)室大氣壓為1027.4Mb=102.74kPa 填料塔內(nèi)徑d=35mm 水流量為30L/h）序號(hào)空氣流量QN/(m3/h)空氣溫度T/K空氣表壓/kPa空氣絕壓/kPa塔頂?shù)讐翰頟/kPa校正流量Q/(m3/h)塔內(nèi)氣速u/(m/s)13290.150.16102.90.052.9260.21123.5289.350.39103.130.093.3960.24534.3289.650.42103.160.08

22、4.1760.30145.1290.150.48103.220.084.9580.35856290.150.78103.520.165.8160.42067290.650.85103.590.226.7930.49078.5291.151.29104.030.338.2270.594810293.151.76104.50.479.7020.700912294.152.53105.270.7211.5970.837裝 訂 線1014.5297.154.57107.311.8313.8861.0021115298.655.60108.342.3614.3011.032在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下做出Pu曲線如

23、下：(舍棄誤差較大的第2組數(shù)據(jù))按照實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，認(rèn)定液泛時(shí)空氣的流量為13 m3/h（轉(zhuǎn)子流量計(jì)示數(shù)），所以，理論上后續(xù)試驗(yàn)的操作點(diǎn)可定為空氣流量為10 m3/h（轉(zhuǎn)子流量計(jì)示數(shù)）。3. 體積吸收系數(shù)KYa的測(cè)定再上一個(gè)實(shí)驗(yàn)中通過(guò)觀察得到了填料塔達(dá)到表觀液泛時(shí)的空氣流量計(jì)讀數(shù)為14m3/h, 通常實(shí)際操作氣速取泛點(diǎn)氣速的60%80%，所以此次實(shí)驗(yàn)中取空氣氣速為10m3/h。原始數(shù)據(jù)如下表所示：（實(shí)驗(yàn)室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa 填料層高度37.5cm 標(biāo)準(zhǔn)算濃度0.02mol/L）序號(hào)123空氣流量計(jì)讀數(shù)QN / (m3/h)101012空氣溫度 / K298.15297.65

24、298.15空氣表壓 / kPa1.952.102.85氨氣流量計(jì)讀數(shù) / (L/h)0.30.30.36氨氣溫度 / K289.15289.15288.15氨氣表壓 / kPa2.012.022.82水流量讀數(shù) / (m3/h)303630塔頂?shù)讐翰頟/ kPa0.520.540.76塔頂表壓/ kPa1.371.391.99塔底液溫 / K288.15289.15289.15吸收瓶加酸量 / mL101010脫氨后空氣量 V0/ L4.643.423.09裝 訂 線脫氨后空氣溫度T0/ K285.65285.65285.65(注：其中氨氣流量計(jì)讀數(shù)由于單位換算及記錄原因，使得記錄結(jié)果與實(shí)測(cè)

25、結(jié)果相差了1000倍，應(yīng)將0.3、0.3、0.36改為300、300、360單位仍為L(zhǎng)/h)以第一組數(shù)據(jù)為例，計(jì)算體積吸收系數(shù)KY的過(guò)程如下：由亨利系數(shù)E與塔底液溫T的關(guān)系 得到亨利系數(shù) 塔頂絕壓 = 102.74 + 1.37 = 104.11 kPa塔底絕壓 = 104.11 + 0.52 = 104.63 kPa則塔內(nèi)平均壓力相平衡常數(shù) 對(duì)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得的空氣與氨氣的流量校正如下：（其中空氣=1.205kg/m3 氨氣=0.708kg/m3 M空氣=28.95kg/kmol M氨氣=17.03kg/kmol） 由PV = nRT可以計(jì)算得到空氣與氨氣的摩爾流率： 故入塔氣體中氨氣的比摩爾

26、分率為：對(duì)于脫氨前后：硫酸吸收的氨氣量脫氨后空氣的摩爾量裝 訂 線故出臺(tái)氣體中氨氣的比摩爾分率為：被吸收氨氣的量同時(shí)，因進(jìn)塔液相組成X2 = 0，吸收劑水流量L = 30 / 18 = 1.667 kmol/h由全塔物料衡算可以求得： 則因此故有： 所有數(shù)據(jù)的計(jì)算如下：（實(shí)驗(yàn)室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa 填料層高度37.5cm 標(biāo)準(zhǔn)算濃度0.02mol/L）序號(hào)123空氣校正后體積流量 / (m3/h)9.8509.81911.719氨氣校正后體積流量 / (m3/h)0.2860.2860.340空氣摩爾流率 / (kmol/h)0.4160030.4159860.49919

27、3氨氣摩爾流率 / (kmol/h)0.0124620.0124720.014966Y10.0299570.0299820.029981脫氨摩爾量 / mol4×10-44×10-44×10-4脫氨后空氣摩爾量 / mol0.200730.147950.13368Y20.00199270.00270360.0029922GA / (kmol/h)0.0116330.0113470.013473L / (kmol/h)1.66721.667X10.00697840.00567350.0080822Y10.0257560.0265660.025116Y2= Y20.0

28、0199270.00270360.0029922Ym0.00928550.0104430.010399KYa / (kmol/m3·h)868.0989752.9305897.736裝 訂 線6 實(shí)驗(yàn)討論及誤差分析實(shí)驗(yàn)中氨氣極易溶于水，所以該傳質(zhì)過(guò)程為氣膜控制的傳質(zhì)過(guò)程，傳質(zhì)阻力主要集中在氣相。由理論知識(shí)可知：KYa3 > KYa1 > KYa2 ，其中KYa1與KYa2 較為接近而KYa3與兩者相差較大。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果中并沒(méi)有滿足“KYa1與KYa2 較為接近而KYa3與兩者相差較大”這一要求。說(shuō)明測(cè)量有一定的誤差。通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)以及計(jì)算過(guò)程初步得出誤差應(yīng)該在于第一組中測(cè)得的脫氨后空氣量偏大，使得脫氨后空氣摩爾量偏大，使得Y2偏小也就是Y2偏小，使得Ym偏小，進(jìn)而使得計(jì)算得到的KYa偏大。出現(xiàn)誤差的原因可能為第一次判斷尾氣吸收是否達(dá)到終點(diǎn)還沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，在判斷方面出現(xiàn)誤差，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差，以后應(yīng)多加注意。實(shí)驗(yàn)中