實(shí)驗(yàn)七 板式塔流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn) - 植物保護(hù)學(xué)院

1、實(shí)驗(yàn)七 板式塔流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康哪壳肮I(yè)上普遍應(yīng)用的兩相流體的傳質(zhì)設(shè)備，主要有填料塔和板式塔兩大類。板式塔的應(yīng)用比較廣泛，研究工作也十分活躍，因此，新型塔板層出不窮。目前化學(xué)工業(yè)中常用的板式塔主要泡罩塔、篩板塔或浮閥塔。從某種意義上講，板式塔的傳質(zhì)效率主要取決與兩相流體在塔板上的流動(dòng)特性。因此，本實(shí)驗(yàn)采用目前工業(yè)上常用的篩板塔或浮閥塔，實(shí)驗(yàn)測(cè)定兩相流體在塔板上的流動(dòng)特性，考察塔板上的氣液接觸方式、操作狀況及其變化規(guī)律，尋求適宜操作范圍。通過(guò)實(shí)驗(yàn)掌握板式塔在結(jié)構(gòu)、操作狀況和性能上的特點(diǎn)，以及板式塔流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究方法。二、實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)氣體通過(guò)塔板時(shí)，因阻力造成的壓強(qiáng)降 p應(yīng)為氣體通過(guò)干塔

2、板的壓力降Pd與氣體通過(guò)塔板上液層的壓力降 p1之和，即 p = Pd + p1 (1) 干板壓力降又可表達(dá)為如下關(guān)系式： Pa (2a)或 m液柱 (2b)式中ua 氣體通過(guò)篩孔或閥孔時(shí)的速度，m · s 1； g 、1 氣體和液體的密度，kg · m 3； 干板阻力系數(shù)。 對(duì)于篩孔塔板，干板壓降Pd與篩孔速度ua的變化關(guān)系可由實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定，并可在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上給出一條直線。實(shí)驗(yàn)曲線如圖1所示，并可由此曲線擬合得出干板阻力系數(shù)值。氣體通過(guò)塔板上液層的壓力降 p1主要是由克服液體表面張力和液層重力所造成的。液層壓力降 p1可簡(jiǎn)單地表示為 p1 = p pd= h f 1g P

3、a (4a) 或 h f = h hd = h f m液柱 (4b)式中h f 塔板上液層高度，m，相當(dāng)于溢流堰的高度h w與堰上液面高度h ow之和。 比例系數(shù)。該比例系數(shù)常稱為充氣系數(shù)（或發(fā)泡系數(shù)）。圖1 篩孔塔板干板壓頭降hd 圖3 板式塔的h與空塔速度的關(guān)系曲線 與篩孔速度ua之間的關(guān)系 氣體通過(guò)濕塔板的總壓力降 p和塔板上液層的狀況，將隨著氣流速度的變化而發(fā)生如下階段性的變化，如圖3所示。(1)當(dāng)氣流速度較小時(shí)，塔板上未能形成液層，液體全部由篩孔漏下。在這階段，塔板的壓力降隨氣速增大而增大。(2)當(dāng)氣流速度增大到某一數(shù)值時(shí)，氣體開(kāi)始攔截液體，使塔板上開(kāi)始積存液體而形成液層。該轉(zhuǎn)折點(diǎn)稱

4、為攔液點(diǎn)，如圖中A點(diǎn)。這時(shí)氣體的空塔速度稱為攔液速度。(3)當(dāng)氣流速度略微增加時(shí)，塔板上積液層將很快上升到溢流堰的高度，塔板壓力降也隨之急劇增大。當(dāng)液體開(kāi)始由溢流堰溢出時(shí)，為另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如圖中B點(diǎn)。這時(shí)，仍有部分液體從篩孔中泄漏下去。自該轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后，隨著氣流速度增大，液體的泄漏量不斷減少，而塔板壓力降卻變化不大。(4)當(dāng)氣流速度繼續(xù)增大到某一數(shù)值時(shí)，液體基本上停止泄漏，則稱該轉(zhuǎn)折點(diǎn)為泄漏點(diǎn)，如圖中C點(diǎn)。自C點(diǎn)以后，塔板的壓力降隨氣速的增加而增大。(5)當(dāng)氣速高達(dá)某一極限值時(shí)，塔板上方的霧沫挾帶將會(huì)十分嚴(yán)重、或者發(fā)生液泛。自該轉(zhuǎn)折點(diǎn)（如圖中D點(diǎn)）之后，塔板壓降會(huì)隨氣速迅速增大。塔板上形成穩(wěn)定液

5、層后，塔板上氣液兩相的接觸和混和狀態(tài)，也將隨著氣速的改變而發(fā)生變化。當(dāng)氣速較較小時(shí)，氣體以鼓泡方式通過(guò)液層。隨著氣速增大，鼓泡層逐漸轉(zhuǎn)化為泡沫層，并在液面上形成的霧沫層也將隨之增大。對(duì)傳質(zhì)效率有著重要作用的因素是充氣液層的高度及其結(jié)構(gòu)。充氣液層的結(jié)構(gòu)通常用其平均密度大小來(lái)表示。如果充氣液層的氣體質(zhì)量相對(duì)于液體質(zhì)量可略而不計(jì)，則 h f f = h1L (5)式中h f h1 分別為充氣液層和靜液層的高度，m；f e 分別為充氣液層的平均密度和靜液層的密度，kg · m 3；若將充氣液層的平均密度與靜液層的密度之比定義為充氣液層的相對(duì)密度，即則單位體積充氣液層中滯留的氣體量，即持氣量可

6、按下式計(jì)算： m3 · m 3 (6)單位體積充氣液層中滯留的液體量，即持液量又可按下式計(jì)算： m3 · m 3 (7)氣體在塔板上的平均停留時(shí)間為 s (8)液體在塔板上的平均停留時(shí)間為 s (9)式中S 空塔橫截面積，m2； W 噴淋密度 m3/m2 · hVs 氣體體積流率，m3 · s 1；Ls 液體體積流率，m3 · s 1；uo 氣體的空塔速度，m · s 1；顯然，氣體和液體在塔板上的停留時(shí)間對(duì)塔板效率有著顯著的影響。塔板的壓力降和氣液兩相的接觸與混合狀態(tài)不僅與氣流的空塔速度有關(guān)，還與液體的噴淋密度、兩相流體的物理化學(xué)性

7、質(zhì)和塔板的型式與結(jié)構(gòu)（如開(kāi)孔率和溢流堰高度）等因素有關(guān)。這些復(fù)雜關(guān)系只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定，才能掌握其變化規(guī)律。對(duì)于確定型式和結(jié)構(gòu)的塔板，則可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定來(lái)尋求其適宜操作區(qū)域。三、實(shí)驗(yàn)裝置及流程本實(shí)驗(yàn)裝置篩板塔，采用單層塔板和外溢流結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖4 篩板塔 1塔體 2篩孔塔板 3漏液排放口 4溫度計(jì) 5溢流裝置 實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖5示。水自高位槽，通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)，由塔板上方一側(cè)的進(jìn)水口進(jìn)如入，并由塔板上另一側(cè)溢流堰溢入溢流裝置。通過(guò)塔板泄漏的液體，可由塔底排放口排出。來(lái)自空氣源的空氣，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥和孔板流量計(jì)進(jìn)入塔底。通過(guò)塔板的尾氣由塔頂排出。氣體通過(guò)塔板的壓力降由壓差計(jì)顯示。四、實(shí)驗(yàn)方法

8、實(shí)驗(yàn)前，先檢查空氣調(diào)節(jié)閥和進(jìn)水閥是否關(guān)嚴(yán)，放空閥是否全部開(kāi)啟。然后將高位水槽充滿水，并保持適當(dāng)?shù)囊缌髁俊?shí)驗(yàn)時(shí)，可按如下步驟進(jìn)行操作：(1)啟動(dòng)空氣源。空氣流量由空氣調(diào)節(jié)閥和旁路放空閥聯(lián)合調(diào)節(jié)。通過(guò)不斷改變氣體流量，測(cè)定干板壓降與氣速的變化關(guān)系。對(duì)于篩板塔，一般測(cè)取56組數(shù)據(jù)即可。(2)當(dāng)進(jìn)行塔板流動(dòng)特性試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先緩慢打開(kāi)水調(diào)節(jié)閥，調(diào)定水的噴淋密度（一般噴淋密度在510m3 · m 2 · h 1范圍內(nèi)為宜，相當(dāng)與水流量為4080 L· h 1），然后再按上述方法調(diào)節(jié)空氣流量。在一定噴淋密度下，測(cè)定塔板總壓降、塔板上充氣液層高度等數(shù)據(jù)。在全部量程范圍內(nèi)，一般需測(cè)

9、取15組以上數(shù)據(jù)，尤其是在各轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近，空塔速度變化的間隔以小一些為宜。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中要仔細(xì)觀察并記錄塔板上氣液接觸和混合狀態(tài)的發(fā)展變化過(guò)程，特別要注意各階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。圖5 板式塔實(shí)驗(yàn)裝置流程圖1空氣源 2放空閥 3消聲器 4孔板流量計(jì) 5水柱壓差計(jì)6汞柱壓差計(jì) 7板式踏 8轉(zhuǎn)子流量計(jì) 9水柱壓差計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉水調(diào)節(jié)閥和高位槽的進(jìn)水閥門，先完全打開(kāi)旁路放空閥，再將空氣調(diào)節(jié)閥關(guān)嚴(yán)，記下靜液層高度，再關(guān)閉水，最后關(guān)掉空氣源的電源。實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：(1)空氣源切不可在所有出口全部關(guān)閉下啟動(dòng)和運(yùn)行，以防燒壞設(shè)備；空氣源的啟動(dòng)和空氣流量的調(diào)節(jié)，必須嚴(yán)格按上述操作步驟，用旁路閥和調(diào)節(jié)閥聯(lián)合調(diào)節(jié)。(2)

10、實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)密切注意高位水槽的液面和溢流水量，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)水流量的變化，隨時(shí)調(diào)節(jié)自來(lái)水的進(jìn)水量。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與整理1測(cè)量并記錄實(shí)驗(yàn)設(shè)備及操作的基本參數(shù)。 (1)設(shè)備結(jié)構(gòu)參數(shù) 篩板塔規(guī)格： 塔的內(nèi)徑：d = 100 mm 篩孔直徑：dn = 2.7 mm 篩孔數(shù)目：n = 91個(gè) 篩孔開(kāi)孔率：= 6.6% 篩板厚度： = 1.2mm 溢流堰高度：h w = 40mm孔板流量計(jì)： 銳孔直徑 d0 = 10 mm 管道直徑 d = 26mm 孔流系數(shù) Co = 0.61mm(2)操作參數(shù)： 室溫 Ta = 氣壓 Pa = Pa 操作氣壓 p = Pa2記錄和整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： (1)干板實(shí)驗(yàn)塔板

11、形式： 實(shí) 驗(yàn) 序 號(hào)1234567 空氣溫度 Tg / 空氣密度 Pg / kg · m 3 空氣流量 R / mmH2O Vs / m3 · s 1空塔氣速 Uo / m · s 1 孔氣速 Ua / m · s 1干板壓降 hd /mmH2O Pd / Pa (2)塔板流動(dòng)特性實(shí)驗(yàn)塔板形式： 實(shí) 驗(yàn) 序 號(hào)1234567 水 溫 Tg / 水的流量 Lh / m3 · h 1 噴淋密度 W / m3 · m 2 · h 1 空氣溫度 Tg / 空氣密度 Pg / kg · m 3 空氣流量 R d / mmH2O Vs / m3 · s 1空塔速度 Uo / m · s 1單板壓降 h /mmH2O Pd / Pa 靜液層高度 h1 / mm 充氣液層高度 hf /mm充氣系數(shù) / 實(shí) 驗(yàn) 序 號(hào)1234567 持 氣 量 Vg / m3 · m 3 持 液 量 V1 / m3 · m 3 氣體平均停留