填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測定

1、裝 訂 線專業(yè)： 姓名： 學號： 日期： 地點： 實驗報告課程名稱： 過程工程原理實驗（乙） 指導老師： 成績：_實驗名稱： 填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測定 同組學生姓名： 實驗類型： 傳質實驗 一、實驗目的和要求（必填）二、實驗內容和原理（必填）三、實驗材料與試劑（必填） 四、實驗器材與儀器（必填）五、操作方法和實驗步驟（必填） 六、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理七、實驗結果與分析（必填） 八、討論、心得1 實驗目的1. 了解填料吸收塔的構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P與空塔氣速u的關系曲線；4. 測定含氨空氣水系統(tǒng)的體積吸收系數(shù)KYa。

2、 2 實驗原理（一）填料層壓力降P與空塔氣速u的關系氣體通過干填料層時（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管道時P與u的關系相仿。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Pu關系與干填料相仿。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，使極具的液體從填料表

3、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，與之相對應的氣速稱為泛點氣速。裝 訂 線原料塔在液泛狀態(tài)下操作，氣液接觸面積可達最大，其傳質效率最高。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。 ······················&

4、#183;············（1）式中：u 空塔氣速，m/sV 塔內氣體體積流量，m3/s 塔截面積，m2。實驗中氣體流量由轉子流量計測量。但由于實驗測量條件與轉子流量計標定條件不一定相同，故轉子流量計的讀數(shù)值必須進行校正，校正方法詳見附錄四。填料層壓降P直接可由U型壓差計讀取，再根據(jù)式（1）求得空塔氣速u，便可得到一系列Pu值，標繪在雙對數(shù)坐標紙上，即可得到Pu關系曲線。（二）體積吸收系數(shù)KY的測定1.相平衡常數(shù)m對相平衡關系遵循亨利定律的物系（一般指低濃度氣體），氣

5、液平衡關系式為： ································（2）相平衡常數(shù)m與系統(tǒng)總壓P和亨利系數(shù)E的關系如下：············

6、······················（3）式中： E 亨利系數(shù)，Pa；裝 訂 線 P 系統(tǒng)總壓（實驗中取塔內平均壓力），Pa。亨利系數(shù)E與溫度T的關系為：··················&

7、#183;········（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P，即可求得塔內平均壓力P。根據(jù)實驗中所測的塔底液相溫度T，利用式（3）、（4）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單位時間內NH3的吸收量，kmol/h；塔截面積，m2；h填料層高度，m；Ym吸收推動力，氣相對數(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進塔液相的責成，本實驗中為清水吸收，X2=0。 裝 訂 線 （a）進塔氣相濃度Y1的確定····

10、···························（7）式中：VA氨氣的流量，kmol/h。根據(jù)實驗中轉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的標準H2SO4溶液置于吸收瓶中，加入適量去離子水機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實際情況，在取樣分析前應使取樣管尾氣保持流通，然后改變三通旋塞流動方向，使尾氣通過吸收瓶。 ·····················

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得： （i）若尾氣通入吸收瓶吸收至終點（瓶內溶液顏色由黃棕色變至黃綠色），則：·························（9）式中：Ma標

13、準H2SO4溶液的摩爾濃度，mol/l。 （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。·····

14、3;························（11）裝 訂 線式中：P0尾氣通過濕式流量計時的壓力（由室內大氣壓代替），Pa； V0通過濕式流量計的空氣量，l； T0通過濕式流量計的空氣溫度，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Y2。根據(jù)得到的Y1和Y2，代入式

15、（6）中即可求得GA。（2）對數(shù)平均濃度差其中 式中：、與液相濃度、相對應的氣相平衡濃度，kmolA/kmolB。出塔液相濃度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、后，由式（5）即可求得KYa。3 實驗儀器1.本實驗裝置的流程示意圖見下圖。主體設備是內徑70毫米的吸收塔，塔內裝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，吸收劑水采用自來水，它們分別通過轉子流量計測量。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

16、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。裝 訂 線1填料吸收塔2旋渦氣泵3空氣轉子流量計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氨氣轉子流量計9水轉子流量計 10洗氣瓶 11濕式流量計 12三通旋塞 13、14、15、16U型差壓計 17、18、19溫度計 20液位計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 4 實驗步驟1. 先開啟吸收劑（水）調節(jié)閥，當填料充分潤濕后，調節(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，調節(jié)風量由小到大，觀察填料塔內的流體力學狀況，并測取讀數(shù)，根據(jù)液泛時空氣轉子流量計的讀數(shù)，來選擇合適的空氣流量，本實驗要求在兩

17、至三個不同的氣體流量下測定KYa；3. 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，調節(jié)閥門，使氨氣流量滿足要求；4. 水吸收氨，在很短時間內操作過程便達到穩(wěn)定，故應在通氨氣之前將一切準備工作裝 訂 線做好，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?？諝?、氨氣和水流量的穩(wěn)定；5. 改變氣體流量或吸收劑（水）流量重復實驗；6. 實驗完畢，關閉氨氣鋼瓶閥門、水調節(jié)閥，切斷風機電源，洗凈分析儀器等； 5 實驗數(shù)據(jù)記錄及分析1. 轉子流量計讀數(shù)的校正轉子流量計在出廠前都經(jīng)過標定，測量液體的轉子流量計在標定時采

18、用水作為標定介質，測量氣體的轉子流量計則采用空氣作為標定介質，介質狀態(tài)都為20、1.013×105Pa。當使用條件與工廠標定條件不符合，其讀數(shù)必須進行校正。當轉子流量計測量水時，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。當被測介質是氣體時，其操作狀況的密度、溫度、壓強與標定空氣狀態(tài)不同時，其校正公式為：式中：Q 實際流量值； QN 轉子流量計的讀數(shù)值； P0、T0 標定的空氣狀況，P0 = 1.013×105Pa，T0 = 293K； P、T 實際測量時被測氣體的絕對壓強、絕對溫度，Pa、K?？諝庠跇藴薁顟B(tài)下的密度均查表得：空氣=1.205

19、kg/m3；氨氣在標準狀態(tài)下密度由公式PM =RT計算得：氨氣=0.708kg/m3。在測量狀態(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的關系原始數(shù)據(jù)如下表所示：（實驗室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa 填料塔內徑d=35mm 水流量為30L/h ）序號空氣流量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，計算過程如下：T = 290.15K流量計空氣絕對壓力=102.7

21、4 + 0.16 = 102.9kPa因此，流量計處壓力校正結果為：（其中0 = 空氣=1.205kg/m3 M空氣=28.95kg/kmol）則塔內氣速為：對所有數(shù)據(jù)的計算如下表：（實驗室大氣壓為1027.4Mb=102.74kPa 填料塔內徑d=35mm 水流量為30L/h）序號空氣流量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在雙對數(shù)坐標系下做出Pu曲線如

23、下：(舍棄誤差較大的第2組數(shù)據(jù))按照實驗的結果，認定液泛時空氣的流量為13 m3/h（轉子流量計示數(shù)），所以，理論上后續(xù)試驗的操作點可定為空氣流量為10 m3/h（轉子流量計示數(shù)）。3. 體積吸收系數(shù)KYa的測定再上一個實驗中通過觀察得到了填料塔達到表觀液泛時的空氣流量計讀數(shù)為14m3/h, 通常實際操作氣速取泛點氣速的60%80%，所以此次實驗中取空氣氣速為10m3/h。原始數(shù)據(jù)如下表所示：（實驗室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa 填料層高度37.5cm 標準算濃度0.02mol/L）序號123空氣流量計讀數(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：其中氨氣流量計讀數(shù)由于單位換算及記錄原因，使得記錄結果與實測

25、結果相差了1000倍，應將0.3、0.3、0.36改為300、300、360單位仍為L/h)以第一組數(shù)據(jù)為例，計算體積吸收系數(shù)KY的過程如下：由亨利系數(shù)E與塔底液溫T的關系 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則塔內平均壓力相平衡常數(shù) 對轉子流量計測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 線故出臺氣體中氨氣的比摩爾分率為：被吸收氨氣的量同時，因進塔液相組成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)的計算如下：（實驗室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa 填料層高度37.5cm 標準算濃度0.02mol/L）序號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 實驗討論及誤差分析實驗中氨氣極易溶于水，所以該傳質過程為氣膜控制的傳質過程，傳質阻力主要集中在氣相。由理論知識可知：KYa3 > KYa1 > KYa2 ，其中KYa1與KYa2 較為接近而KYa3與兩者相差較大。而實驗結果中并沒有滿足“KYa1與KYa2 較為接近而KYa3與兩者相差較大”這一要求。說明測量有一定的誤差。通過分析測量數(shù)據(jù)以及計算過程初步得出誤差應該在于第一組中測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，進而使得計算得到的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到終點還沒有經(jīng)驗，在判斷方面出現(xiàn)誤差，造成實驗結果的誤差，以后應多加注意。實驗中