試驗(yàn)二吸收試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)九 填料塔吸收實(shí)驗(yàn)一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．了解填料吸收裝置的設(shè)備結(jié)構(gòu)及操作。2．測(cè)定填料吸收塔的流體力學(xué)特性。3．測(cè)定填料吸收塔的體積吸收總系數(shù) KYα。4．了解氣體空塔流速與壓力降的關(guān)系。二．實(shí)驗(yàn)原理1．填料塔流體力學(xué)特性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(guò)填料層時(shí)，由于有局部阻力和摩擦阻力而產(chǎn)生壓強(qiáng)降。填料塔的流體力學(xué)特性是吸收設(shè)備的重要參數(shù)，它包括壓強(qiáng)降和液泛規(guī)律。測(cè)定填料塔的流體力學(xué)特性是為了計(jì)算填料塔所需動(dòng)力消耗和確定填料塔的適宜操作范圍，選擇適宜的氣液負(fù)荷，因此填料塔的流體力學(xué)特性是確定最適宜操作氣速的依據(jù)。氣體通過(guò)干填料（ L=0）時(shí)，其壓強(qiáng)降與空塔氣速之間的函數(shù)關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上為一直線，如左圖中AB線，其斜率為 1.8～2。當(dāng)有液體噴淋時(shí)，在低氣速時(shí)，壓強(qiáng)降和氣速間的關(guān)聯(lián)線與氣體通過(guò)干填料時(shí)壓強(qiáng)降和氣速間的關(guān)聯(lián)線AB線幾乎平行，但壓降大于同一氣速下干填料的壓降，如圖中CD段。隨氣速的進(jìn)一步增加出現(xiàn)載點(diǎn)（圖中D點(diǎn)），填料層持液量開始增大，壓強(qiáng)降與空塔氣速的關(guān)聯(lián)線向上彎曲，斜率變大，如圖中DE段。當(dāng)氣速增大到E點(diǎn)，填料層持液量越積越多，氣體的壓強(qiáng)幾乎是垂直上升，氣體以泡狀通過(guò)液體，出現(xiàn)液泛現(xiàn)象，此點(diǎn)E稱為泛點(diǎn)。2．傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)填料塔與板式塔內(nèi)氣液兩相的接觸情況有著很大的不同。在板式塔中，兩相接觸在各塊塔板上進(jìn)行，因此接觸是不連續(xù)的。但在填料塔中，兩相接觸是連續(xù)地在填料表面上進(jìn)行，需計(jì)算的是完成一定吸收任務(wù)所需填料的高度。填料層高度計(jì)算方法有傳質(zhì)系數(shù)法、傳質(zhì)單元法以及等板高度法等。氣相體積吸收總系數(shù)KYα是單位填料體積、單位時(shí)間吸收的溶質(zhì)量，它是反映填料吸收塔性能的主要參數(shù)，是設(shè)計(jì)填料高度的重要數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)是用水吸收空氣-氨混合氣體中的氨?；旌蠚怏w中氨的濃度很低。吸收所得的溶液濃度也不高。氣液兩相的平衡關(guān)系可以認(rèn)為服從亨利定律（即平衡線在x-y坐標(biāo)系為直線）。故可用對(duì)數(shù)平均濃度差法計(jì)算填料層傳質(zhì)平均推動(dòng)力，相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程式為：GAKYVpYm（1）所以KYGA/(VpYm)（2）其中Ym(Y1Ye1)(Y2Ye2)（3）lnY1Ye1Y2Ye21式中GA—單位時(shí)間內(nèi)氨的吸收量 [kmol/h]3KYα—體積吸收總系數(shù) [kmol/m·h]3Vp—填料層體積[m]△Ym—?dú)庀鄬?duì)數(shù)平均濃度差Y1—?dú)怏w進(jìn)塔時(shí)的摩爾比Ye1—與出塔液體相平衡的氣相摩爾比Y2—?dú)怏w出塔時(shí)的摩爾比Ye2—與進(jìn)塔液體相平衡的氣相摩爾比3．計(jì)算方法、公式（1）關(guān)于GA的求法GA可以通過(guò)進(jìn)塔和出塔氣體摩爾組分量的測(cè)定和計(jì)算求出，即：GA=G●(Y1-Y2)（4）式中：G—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下惰性氣體的摩爾流量[kmol/h]①由進(jìn)塔的空氣流量求G首先把由空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得的空氣流量V1，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣流量V0：V0V1T0P1P2[m3/h]（5）P0T1T2式中：V1——空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)示值[m3/h]T0、P0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣的溫度（273K）和壓強(qiáng)（760mmHg）T1、P1——標(biāo)定狀態(tài)下的空氣的溫度（20+273K）和壓強(qiáng)（760mmHg）T2——流量計(jì)前測(cè)定的溫度+273（K）P2——流量計(jì)前測(cè)定的表壓+實(shí)驗(yàn)處的大氣壓(mmHg)把求得的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣流量V0代入下式求出惰性氣體的摩爾流量G：G=V0/22.4②由進(jìn)塔空氣量和氨氣量求Yl由氨氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)得的氨氣流量 V1'，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氨氣流量 V0'：V0'V1'T001P1P2[m3/h]（6）P002T1T2式中：V1'——氨氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)示值[m3/h]ρ01——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的密度1.293[kg/m3]ρ02——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氨氣的密度0.771[kg/m3]T1、P1——標(biāo)定狀態(tài)下的氨氣的溫度（20+273K）和壓強(qiáng)（760mmHg）T2——流量計(jì)前測(cè)定的溫度+273（K）P——流量計(jì)前測(cè)定的表壓+實(shí)驗(yàn)處的大氣壓(mmHg)2如果氨氣中純氨為 99%，則純氨在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的流量 V0’’為：V0'' 0.99V0'2把氨氣流量 V0’’和空氣流量 V0，由氣態(tài)方程換算成摩爾的量。P0V0''P0V0n1n2RT0RT0根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氨氣的摩爾進(jìn)氣量n1和空氣摩爾進(jìn)氣量n2求出Yl。n1V0''Y1V0n2③由出塔尾氣分析求得尾氣濃度Y2：尾氣通過(guò)吸收器，當(dāng)其中的硫酸被尾氣中的氨剛好完全中和時(shí)，若所通過(guò)的空氣體積為V0[ml]（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），被吸收的氨的體積為V0’’[ml]（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），則尾氣濃度Y2為：Y2V0''V0計(jì)算Y2時(shí)，由濕式氣體流量計(jì)測(cè)得的空氣體積V1換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣體積V0，換算公式：V0P1T0V1（7）P0T1式中：V1——濕式氣體流量計(jì)所測(cè)得的空氣體積[L]P1，T1——空氣流經(jīng)濕式氣體流量計(jì)的壓強(qiáng)（既當(dāng)?shù)卮髿鈮海mmHg或KPa]和溫度（K）P0，T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣的壓強(qiáng)和溫度氨的體積V0’’可根據(jù)加入吸收管的硫酸溶液體積和濃度用下面公式求出：V0''22.1VsCsr''（8）rs式中：22.1——1毫摩爾氨在標(biāo)準(zhǔn)狀況下體積Cs——加入分析盒中的硫酸濃度 [mol/l]Vs——加入分析盒中的硫酸溶液體積 [L]rs——反應(yīng)式中硫酸配平系數(shù)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)， rs 1r''——反應(yīng)式中氨配平系數(shù)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，r''2因此，尾氣中氨的比摩爾分率Y2可用下式求出：Y222.1(T1P0VsCsr'')（9）T0P1V1rs由求得的G、Y1、Y2代入式（4）就可以求出單位時(shí)間內(nèi)氨的吸收量GA（2）關(guān)于Vp的求法：Vp=ΩZ[m2]式中：Ω——填料塔截面積Z——填料層的高度[m]（3）關(guān)于△Ym的求法(Y1Ye1)(Y2Ye2)YmlnY1Ye1Y2Ye23從上式中，不難看出 Y1和Y2是已求出項(xiàng)，在此的關(guān)鍵是求出 Ye1和Ye2：Ye2=0Ye1=mX1而m=E/PPPaP頂1P2X1=GA/Ls式中：m——相平衡常數(shù)E——亨利常數(shù)P——塔內(nèi)總壓Pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮篜頂——塔頂表壓△P——填料層壓強(qiáng)降Ls——單位時(shí)間噴淋水量[kmol/h]其中單位時(shí)間噴淋水量：LSV水水M水式中：V水——進(jìn)水轉(zhuǎn)子流量計(jì)示值（3m／h）ρ水一—水的密度（kg／m3）M水一—水的分子量18由于本實(shí)驗(yàn)的液相是5%以下的氨溶液，所以就取氨的亨利系數(shù)表中5%以下的平均值，列出專用表。這樣就可根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)水的溫度，查對(duì)出E的值，把P和E的值代入就可求出m值是多少了。因下表E的單位是大氣壓（atm），計(jì)算塔內(nèi)總壓P時(shí)注意也要換算為大氣壓（atm）單位才能正確計(jì)算出相平衡常數(shù)m。對(duì)應(yīng)本實(shí)驗(yàn)當(dāng)?shù)卮髿鈮篜a測(cè)量單位為KPa，塔頂表壓P頂及填料層壓強(qiáng)降△P單位為mmH2O，應(yīng)參照如下公式換算塔內(nèi)總壓P：PPaP頂0.5P1033210332101.325表3-1氨的亨利系數(shù)表（E）液相濃度亨利系數(shù)E(大氣壓)KgNH3/100kgH200℃10℃20℃25℃30℃40℃100.3450.5750.9571.5122.297.50.3160.5350.8941.432.1550.2930.5OO0.8291.332.0040.5220.8071.301.9730.4830.7781.001.271.9242.50.765O.9891.241.9220.7630.9731.231.951.60.9451.211.901.20.95O1.201.9110.9271.930.50.844表3-25%以下濃度的氨的亨利系數(shù)專用表溫度(℃)01020253040亨利系數(shù)E<大氣壓)0.2930.5020.7780.9471.2501.938即：E7.92857104t27.511905103t0.3254167把已求得的Yl、Y2、Ye1代入式（3）即可求出△Ym。這樣到此為止，要求的GA、VP、△Ym都已求出，代入式(2)就可完成體積吸收總系數(shù)KYα的測(cè)定。三．實(shí)驗(yàn)裝置和工藝流程本實(shí)驗(yàn)的設(shè)備裝置如圖 3-9所示。空氣由風(fēng)機(jī) 1（容積式風(fēng)機(jī)）供給、經(jīng)空氣流量調(diào)節(jié)閥2調(diào)節(jié)進(jìn)氣的流量。 進(jìn)來(lái)的空氣和氨氣在管內(nèi)混合后入塔， 經(jīng)吸收后排出，出口末端有尾氣調(diào)壓閥 9，自動(dòng)控制尾氣壓力，作為尾氣通過(guò)分析器的推動(dòng)力，經(jīng)尾氣吸收盒 13后到達(dá)濕式氣體流量計(jì) 14進(jìn)行計(jì)量。氨氣由氨氣鋼瓶 23供給，開啟氨瓶閥，氨氣即進(jìn)入自動(dòng)減壓閥 25中，減壓閥上的氨壓力表26指示氨瓶?jī)?nèi)部壓力， 而氨壓力表 27則指示減壓后的壓力。 氨氣經(jīng)自動(dòng)減壓閥減壓后進(jìn)入緩沖罐，再經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì) 30，進(jìn)入管道與空氣混合，進(jìn)入吸收塔的底部。為確保安全，緩沖罐上還裝有安全閥 29，以保證進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的氨壓不超過(guò)安全允許規(guī)定值（1.2kg/cm2），安全閥的排出口用塑料管引到室外。水經(jīng)總閥 15進(jìn)入水過(guò)濾減壓閥 16，經(jīng)調(diào)節(jié)閥 17進(jìn)入水流量計(jì) 18，經(jīng)計(jì)量后從吸收塔的上部進(jìn)入，二者在吸收塔內(nèi)逆向流動(dòng)進(jìn)行傳質(zhì)。排液管7可以上下移動(dòng)，使液面控制在管子內(nèi)部而不上升到塔截面內(nèi)。為了測(cè)量塔內(nèi)壓力和填料層壓強(qiáng)降，裝有塔頂表壓計(jì) 20和填料層壓差計(jì) 19，此外，還有大氣壓力計(jì)測(cè)量大氣壓力。 排液管7可以上下移動(dòng)，使液面控制在管子內(nèi)部而不上升到塔截面內(nèi)。閘閥32不是調(diào)節(jié)流量的，它的作用是提高風(fēng)機(jī)利用率，當(dāng)不做吸收實(shí)驗(yàn)時(shí)，可將此閥關(guān)閉，從油分離器 3的頂留管口處接出旁管以供應(yīng)其他地方用氣。設(shè)備參數(shù)：基本數(shù)據(jù)：填料塔的內(nèi)徑為0.111m，填料層高0.825m填料參數(shù)：12×12×1.3[mm]3瓷拉西環(huán)，a1—403[m-1]，ε—0.764，a1/ε—903[m-1]5圖3-9吸收裝置流程圖1—風(fēng)機(jī)；2—空氣調(diào)節(jié)閥； 3—油分離器；4—轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 5—填料塔；6—柵板；7—排液管；8—蓮蓬頭；9—尾氣調(diào)節(jié)閥；10—尾氣取樣管；11—穩(wěn)壓管；12—旋塞；13—吸收盒；14—濕式氣體流量計(jì)； 15—總閥；16—水過(guò)濾減壓閥； 17—水調(diào)節(jié)閥；18—水流量計(jì)；19—壓差計(jì)；20—塔頂表壓；21—表壓計(jì)；22—溫度計(jì)；23—氨瓶；24—氨瓶閥；25—氨自動(dòng)減壓閥； 26、27—氨壓力表；28—緩沖罐；29—膜式安全閥； 30—轉(zhuǎn)子流量計(jì)； 31—表壓計(jì)；32—閘閥。從塔頂出來(lái)的尾氣進(jìn)到尾氣分析裝置進(jìn)行分析 （見圖3-10），分析裝置由穩(wěn)壓瓶 4、尾氣吸收盒7及濕式氣體流量計(jì) 9組成。穩(wěn)壓瓶是防止壓力過(guò)高的裝置， 尾氣吸收盒內(nèi)放置一定體積（一般為 1ml）的稀硫酸作為吸收液， 用數(shù)滴甲基紅作為指示劑， 并加蒸餾水至刻度線。當(dāng)吸收液到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，指示劑由紅色變?yōu)辄S色。圖3-10尾氣分析儀流程圖1—尾氣管；2—尾氣調(diào)壓閥； 3—取樣管（管口正對(duì)氣流方向） ；4—穩(wěn)壓瓶；5—玻璃旋塞；6—快裝接頭；7—吸收盒；8—吸收管；9—濕式氣體流量計(jì)。 注：穩(wěn)壓瓶就是一錐形瓶。四．實(shí)驗(yàn)操作步驟和方法1．填料塔流體力學(xué)特性測(cè)定操作該操作不開動(dòng)氨氣系統(tǒng)，僅開動(dòng)水、空氣系統(tǒng)進(jìn)行操作即可。1）開動(dòng)供水系統(tǒng)，開動(dòng)供水系統(tǒng)中的過(guò)濾減壓閥時(shí)，要注意首先打開出水端閥門再慢慢打開進(jìn)水閥，如在出水端閥門關(guān)閉情況下開進(jìn)水閥，過(guò)濾減壓閥就有可能超壓。調(diào)水流量計(jì)到70升/時(shí)。2）開動(dòng)空氣系統(tǒng)，開動(dòng)時(shí)要首先全開風(fēng)機(jī)的旁通閥，再打開電源開關(guān)，風(fēng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。否則風(fēng)機(jī)一開動(dòng)，系統(tǒng)內(nèi)氣速突然上升可能碰壞空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后再用關(guān)小旁通6閥的辦法調(diào)節(jié)空氣流量。同理，當(dāng)實(shí)驗(yàn)完畢要停機(jī)時(shí)，也要全開旁通閥，待轉(zhuǎn)子降下來(lái)后再停機(jī)，如果突然停機(jī)，氣流突然停止，轉(zhuǎn)子就會(huì)猛然掉下，打壞流量計(jì)。（3）慢慢加大氣速，到接近液泛，然后回復(fù)到預(yù)定氣速（調(diào)節(jié)空氣流量到 16m3/h），再進(jìn)行正式測(cè)定，目的是使填料全面潤(rùn)濕一次。（4）正式測(cè)定時(shí)固定噴淋量（ 90升/時(shí)），測(cè)定每間隔氣速下（每次增加空氣流量 1m3/h）的填料壓降（顯示單位為 cm，注意換算），每改變一次氣速，待穩(wěn)定后，讀取有關(guān)數(shù)據(jù)，按實(shí)驗(yàn)記錄表格記錄數(shù)據(jù)。（5）實(shí)驗(yàn)完畢，先關(guān)閉空氣系統(tǒng)，后關(guān)供水系統(tǒng)。2．吸收系數(shù)測(cè)定操作（1）實(shí)驗(yàn)前先確定好操作條件，如混合氣中氨的濃度（約 3%左右），氨的流量、空氣的流量、噴淋量等，見下頁(yè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表。（2）按前實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一樣開動(dòng)水系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)，一切準(zhǔn)備就緒后再開動(dòng)氨氣系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)完畢后隨即關(guān)閉氨氣系統(tǒng)，以盡可能節(jié)約氨氣。（3）氨氣系統(tǒng)的開動(dòng)方法：開動(dòng)時(shí)首先將自動(dòng)減壓閥的彈簧放松，使自動(dòng)減壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)，然后打開氨瓶瓶頂閥，此時(shí)自動(dòng)減壓閥的高壓壓力表應(yīng)有示值。下一步先關(guān)好氨氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)前的調(diào)節(jié)閥，再緩緩壓緊減壓閥的彈簧，使閥門打開，同時(shí)注意低壓氨氣壓力表的44示值達(dá)到5×10Pa~8×10Pa時(shí)即可停止。然后用轉(zhuǎn)子流量計(jì)前的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)氨氣流量，便可正常使用。關(guān)閉氨氣系統(tǒng)的步驟和開動(dòng)步驟相反。（4）尾氣分析器的操作用移液管從硫酸瓶中取出1毫升硫酸，放入吸收盒中，加入3滴甲基紅指示劑，并加蒸餾水至刻度線。關(guān)好尾氣分析系統(tǒng)的調(diào)節(jié)旋塞，將吸收盒放入固定架中，分別將出氣管和進(jìn)氣管連接好。分析操作開始時(shí)先記錄濕式氣體流量計(jì)的初示值，然后緩慢打開尾氣進(jìn)口旋塞，使尾氣通過(guò)吸收盒并觀察吸收液的顏色，尾氣中的氨氣與硫酸開始反應(yīng)，當(dāng)吸收液剛改變顏色（由紅變黃）時(shí)，表示吸收到達(dá)終點(diǎn)， 應(yīng)立即關(guān)閉尾氣進(jìn)口旋塞， 讀取濕式氣體流量計(jì)的終示值。操作時(shí)應(yīng)注意控制尾氣進(jìn)口旋塞的開度，使尾氣成單個(gè)氣泡連續(xù)不斷進(jìn)入吸收盒，如果開度過(guò)大，氣泡成大氣團(tuán)通過(guò)則吸收不完全，開度過(guò)小，則拖延分析時(shí)間。5）按吸收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表內(nèi)的規(guī)定項(xiàng)目作好記錄。實(shí)驗(yàn)完畢要先關(guān)閉氨氣系統(tǒng)，步驟和方法與開啟時(shí)相反，然后關(guān)閉空氣系統(tǒng)，最后關(guān)閉供水系統(tǒng)。請(qǐng)記錄實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)組號(hào)123水流量（L/h）6090110空氣流量（m3/h）192019氨氣流量（m3/h）0.7600.9700.7807五．?dāng)?shù)據(jù)記錄表格1．填料塔流體力學(xué)特性填料塔流體力學(xué)特性記錄表實(shí)驗(yàn)設(shè)備：XS—1吸收裝置 實(shí)驗(yàn)日期：20 年 月 日（1）基本數(shù)據(jù)： 實(shí)驗(yàn)介質(zhì)：空氣、水 填料類型：瓷拉西環(huán)填料規(guī)格：12×12×1.3[mm] 填料層高度：0.825m塔內(nèi)徑：0.111m（2）操作記錄：大氣壓強(qiáng)：KPa水流量空氣流量填料層壓強(qiáng)降空塔氣速序Pu塔內(nèi)現(xiàn)象號(hào)m3/hmmH2Om/hL/h12345678910塔內(nèi)現(xiàn)象欄用以記錄“有鼓泡