填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測(cè)定

專業(yè)：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)（甲）指導(dǎo)老師：成績(jī)：__________________實(shí)驗(yàn)名稱：填料塔吸取操作及體積吸取系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)類型：工程實(shí)驗(yàn)同組學(xué)生姓名：_一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?guī)定（必填） 二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和原理（必填）三、重要儀器設(shè)備（必填） 四、操作辦法和實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和解決 六、實(shí)驗(yàn)成果與分析（必填）七、討論、心得1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?.1理解填料吸取塔的構(gòu)造并熟悉吸取塔的操作；1.2觀察填料塔的液泛現(xiàn)象，測(cè)定泛點(diǎn)空塔氣速；1.3測(cè)定填料層壓降?p與空塔氣速u的關(guān)系曲線；1.4測(cè)定含氨空氣—水系統(tǒng)的體積吸取系數(shù)Ky2實(shí)驗(yàn)裝置：2.1本實(shí)驗(yàn)的裝置流程圖如圖1：主體設(shè)備是內(nèi)徑為70mm的吸取塔，塔內(nèi)裝10*9*1陶瓷拉西環(huán)填料。2.2物系：水—空氣—氨氣。惰性氣體由漩渦氣泵提供,氨氣由液氮鋼瓶提供，吸取劑水采用自來(lái)水，它們的流量分別通過(guò)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)定。水從塔頂噴淋至調(diào)料層與自下而上的含氨空氣進(jìn)行吸取過(guò)程，溶液由塔底通過(guò)液封管流出塔外，塔底有液相取樣口，經(jīng)吸取后的尾氣由塔頂排至室外，自塔頂引出適量尾氣，用化學(xué)分析法對(duì)其進(jìn)行構(gòu)成分析。3基本原理：3.1.填料塔壓力降與空塔氣速u的關(guān)系填料塔的壓力降與泛點(diǎn)氣速是填料塔設(shè)計(jì)與操作的重要流體力學(xué)參數(shù)。氣體通過(guò)填料層的壓力降將隨氣液流量的變化而變化。填料層的壓力降與空塔氣速u的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)無(wú)液體噴淋(L=0)時(shí)，~u關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中為一斜率在1.8~2.0之間的直線，如圖2中AB線。當(dāng)液體噴淋密度達(dá)成一定值(如)后，液體以液膜狀流經(jīng)填料表面，~u關(guān)系如圖2中A1B1C1D1線所示，由兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)B1、C1分為三個(gè)區(qū)段。其中第一區(qū)段A1B1為恒持液區(qū)，在此區(qū)段中空塔氣速較低，氣體流速對(duì)填料表面上覆蓋的液膜厚度無(wú)明顯影響，填料層內(nèi)的持液量與空塔氣速無(wú)關(guān)，僅隨噴淋量的增加而增大。此區(qū)段的~u關(guān)系線與AB線平行，由于持液使填料層空隙率減小，故壓降高于相似空塔氣速下的干塔壓降。當(dāng)空塔氣速增大至一定程度時(shí)，氣體對(duì)液體的流動(dòng)產(chǎn)生明顯的牽制作用，隨空塔氣速增大，液膜增厚，出現(xiàn)填料層持液量增加的所謂"攔液狀態(tài)"(或稱截液現(xiàn)象)，此時(shí)的狀態(tài)點(diǎn)稱為載點(diǎn)或攔液點(diǎn)，即圖2中的B1點(diǎn)?？账馑俨徊淮笥谳d點(diǎn)氣速后，填料層內(nèi)的持液量隨空塔氣速增加而增大，在空塔氣速增大與空隙率下降的雙重作用下，~u關(guān)系線呈向上彎曲的形狀，即圖中的第二區(qū)段B1C1。當(dāng)氣體速度繼續(xù)增大，達(dá)成點(diǎn)C1相稱的值時(shí)，上升氣流對(duì)液體所產(chǎn)生的曳力使得液體向下流動(dòng)嚴(yán)重受阻，積聚的液體充滿填料層空隙，氣體只能以鼓泡的形式上升，致使填料層壓降急劇上升，~u關(guān)系線變得非常陡峭，如圖2中C1D1區(qū)段。此現(xiàn)象稱為液泛，C1點(diǎn)稱為泛點(diǎn)。填料塔在液泛狀態(tài)(C1D1區(qū)段)下操作，氣液相間的接觸面積最大，傳質(zhì)效率最高，但操作最不穩(wěn)定，因此實(shí)際操作氣速應(yīng)控制在既靠近于液泛，但又不發(fā)生液泛時(shí)的氣速。普通操作氣速取液泛氣速的60%~80%。塔內(nèi)氣體流速用空塔氣速u表達(dá)，其定義為氣體體積流量與塔截面之比。即（1）式中——空塔氣速，m/s；一一塔內(nèi)氣體體積流量，m3/s；一一塔截面積，m2。1、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)定條件不一定相似，故轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)值必須進(jìn)行校正。校正辦法以下：Q=QN式中：ρ0—標(biāo)定狀況下空氣的密度，1.205kg/m3ρ—被測(cè)氣體在標(biāo)定狀況下下的密度，kg/m3；P0、T0—標(biāo)定的空氣狀況，P0=1.013×10P、T—實(shí)際測(cè)量時(shí)候被測(cè)氣體的絕對(duì)壓強(qiáng)、絕對(duì)溫度，Pa，K。2、當(dāng)轉(zhuǎn)子流量計(jì)用于測(cè)量水時(shí)，即使水溫的不同要引發(fā)密度和粘度的變化，但它對(duì)流量值影響較小，普通不予校正。3.2體積吸取系數(shù)KY3.2.1相平衡常數(shù)m對(duì)相平衡關(guān)系遵照亨利定律的物系（普通指低濃度氣體），氣液平衡關(guān)系為：y*相平衡常數(shù)m與系統(tǒng)總壓P和亨利系數(shù)E的關(guān)系以下：m=E式中：E—亨利系數(shù)，PaP—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：lgE=11.468-1922/T（5）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，運(yùn)用式（4）、（5）便可求得相平衡常數(shù)m。3.2.2體積吸取常數(shù)K體積吸取常數(shù)KYa是反映填料塔性能的重要參數(shù)之一，其值也是設(shè)計(jì)填料塔的重要根據(jù)。本實(shí)驗(yàn)屬于低濃氣體吸取，近似取Y≈y、X吸取速率方程為：G則KYa=式中：KYa—?dú)庀囿w積吸取系數(shù)，kmol/m3a—單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2/m3；GA—Ω—塔截面積，m2；h—填料層高度，m；?Ym為求得KYa，需求取GA3.2.3被吸取的氨氣量GAGA=VY1-式中：V—惰性氣體空氣的流量，kmol/h；Y1—Y2—X1—出塔液相構(gòu)成，比摩爾分率，kmol（A）/kmol（B）；X2—進(jìn)塔液相構(gòu)成，清水吸取，X2=0；L—吸取劑水的流量，kmol/h。3.2.3.1進(jìn)塔氣相濃度Y1Y1式中：VA—根據(jù)轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)獲得空氣和氨氣的體積流量和實(shí)際測(cè)量狀態(tài)（壓力、溫度）。應(yīng)對(duì)其刻度流量進(jìn)行校正而得到實(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（8）即可求取進(jìn)塔氣相濃度Y13.2.3.2出塔氣相（尾氣）的構(gòu)成Y2用移液管移取體積為Vaml、濃度為Mamol/l的原則硫酸溶液置于吸取瓶中，加入適量的水及2-3滴百里酚蘭（批示劑），將吸取瓶連接在抽樣尾氣管線上（如裝置圖）。當(dāng)吸取塔操作穩(wěn)定時(shí)，尾氣通過(guò)吸取瓶后尾氣中的氨氣被硫酸吸取，其它空氣通過(guò)濕式流量計(jì)計(jì)量。為使所取尾氣能反映塔內(nèi)實(shí)際狀況，在取樣分析前應(yīng)使取樣管尾氣保持暢通，然后變化三通旋塞流動(dòng)方向，使尾氣通過(guò)吸取瓶。Y2式中：nNHnair—尾氣樣品中氨的摩爾數(shù)nN(=1\*romani)若尾氣通入吸取瓶吸取至終點(diǎn)（瓶?jī)?nèi)溶液顏色由黃棕色變至黃綠色），則nNH3(=2\*romanii)若通入吸取瓶中的尾氣已過(guò)量（瓶中溶液顏色呈藍(lán)色），可用同樣原則硫酸溶液滴定至終點(diǎn)（瓶中溶液呈黃綠色）。若耗去酸量為Va'ml,則nNH3尾氣樣品中空氣摩爾數(shù)nair尾氣樣品中的空氣量由濕式流量計(jì)讀取，并測(cè)定溫度nair式中：P0—V0—T0—R—?dú)怏w常數(shù)，R=8314N·m/(mol·K)。由式（10）（11）可求得nNH3和nair，代人（9）即可得到Y(jié)2，根據(jù)得到的Y3.2.4對(duì)數(shù)平均濃度差??Y其中：?Y1=Y1X1—出塔液相濃度X1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（7）得到。求得GA、?Y4實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)：4.1先啟動(dòng)吸取劑（水）調(diào)節(jié)閥，當(dāng)填料充足潤(rùn)濕后，調(diào)節(jié)閥門使水流量控制在適宜的數(shù)值，維持恒定；4.2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)取數(shù)據(jù)，根據(jù)液泛時(shí)空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)的讀數(shù)，來(lái)選擇適宜的空氣流量，本實(shí)驗(yàn)規(guī)定在兩至三個(gè)不同氣體流量下測(cè)定KY4.3為使進(jìn)塔氣相濃度Y14.4水吸取氨，在很短時(shí)間內(nèi)操作過(guò)程便達(dá)成穩(wěn)定，故應(yīng)在通氨氣之前將一切準(zhǔn)備工作做好，在操作穩(wěn)定之后，啟動(dòng)三通閥，使尾氣通入吸取瓶進(jìn)行尾氣構(gòu)成分析。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，特別是測(cè)量時(shí)，要確?？諝狻睔夂退髁康姆€(wěn)定；4.5變化氣體流量或吸取劑（水）流量重復(fù)實(shí)驗(yàn)；4.6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)解決：5.1大氣壓：1018.3mbar；填料層高度：39.0cm；填料塔內(nèi)徑：70mm；原則酸濃度：0.03M5.2（1）填料層壓降△p與空塔氣速u的關(guān)系1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表格SEQ表格\*ARABIC1水流量Vw為0時(shí)原始數(shù)據(jù)表空氣塔頂?shù)讐翰頺Pa塔頂表壓kPa流量讀數(shù)m^3/h溫度℃表壓kPa2.5240.110.030.074.1250.260.060.26.8250.710.130.5911.2251.930.31.5617.5274.750.693.9表格SEQ表格\*ARABIC2水流量Vw為30L/h時(shí)原始數(shù)據(jù)表空氣流量塔頂?shù)讐翰頺Pa塔頂表壓kPa塔底液溫℃讀數(shù)m^3/h溫度℃表壓kPa2.527.50.120.040.0719.53.1270.160.060.1119.53.826.50.260.080.1719.54.726.50.390.110.2819.55.926.50.590.170.4319.57.3270.930.250.6619.5927.51.410.391.0119.511.228.22.170.591.5319.813.9303.771.222.392015325.362.462.75212、數(shù)據(jù)解決：塔截面積Ω=π4D2表格SEQ表格\*ARABIC3水流量Vw為0時(shí)數(shù)據(jù)解決V空氣讀數(shù)/(m^3/s)T空氣/Kρ空氣kg/m^3P空氣P塔內(nèi)/kPaV空氣校正值/(m^3/s)V塔內(nèi)空氣/(m^3/s)空塔氣速u(m/s)0.000694297.151.189101.94101.920.0007020.0007020.1820.001139298.151.185102.09102.060.0011540.0011540.3000.001889298.151.185102.54102.490.0019100.0019110.4970.003111298.151.185103.76103.540.0031270.0031340.8140.004861300.151.177106.58106.080.0048530.0048761.267表格SEQ表格\*ARABIC4水流量Vw為30L/h時(shí)數(shù)據(jù)解決V空氣讀數(shù)/(m^3/s)T空氣/Kρ空氣kg/m^3P空氣P塔內(nèi)/kPaV空氣校正值/(m^3/s)V塔內(nèi)空氣/(m^3/s)空塔氣速u(m/s)0.000694300.651.175101.95101.920.0007100.00071040.1850.000861300.151.177101.99101.970.0008790.00087910.2280.001056299.651.179102.09102.040.0010750.00107580.2800.001306299.651.179102.22102.1650.0013290.00132980.3460.001639299.651.179102.42102.3450.0016670.00166820.4340.002028300.151.177102.76102.6150.0020630.00206620.5370.0025300.651.175103.24103.0350.0025430.00254790.6620.003111301.351.1722104103.6550.0031620.00317290.8250.003861303.151.165105.6104.830.0039260.00395531.0280.004167305.151.157107.19105.810.0042460.00430141.118計(jì)算示例（以Vw=30L/h的第二組數(shù)據(jù)為例）：V空氣=3.1/3600=8.61*10^-4m^3/s由空氣溫度查表得空氣密度ρ=1.177kg/m^3，壓強(qiáng)P=101.83+0.16=101.99kPaV空氣校正=V=3.1/3600*1.205*101.3*(27+273.15)/(1.177*101.99*293.15)=8.79*10^-4m^3/s流量計(jì)內(nèi)壓強(qiáng)與塔內(nèi)壓強(qiáng)有差別，使得流量有差別。常壓、室溫下可視為抱負(fù)氣體，PV=nRTP塔內(nèi)=(P塔頂+△p/2)=0.11+0.06/2+101.83=101.97kPaV塔內(nèi)=V空氣校正*P空氣/P塔內(nèi)=8.791*10^-4m^3/su=V塔內(nèi)/Ω=8.791*10^-4/0.00385=0.228m/s3、以填料層壓降△p對(duì)空塔氣速u做雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，如圖1圖SEQ圖\*ARABIC1填料層壓降△p與空塔氣速u雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖4、由圖中L=30L/h的曲線可得，達(dá)成液泛點(diǎn)時(shí)，泛點(diǎn)氣速約為14m^3/h。普通操作氣速取泛點(diǎn)氣速的60%~80%，故取操作氣速為8.5m^3/h。（2）體積吸取系數(shù)KY1、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表格SEQ表格\*ARABIC5體積吸取系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表組別123空氣流量流量計(jì)讀數(shù)Q空氣m^3/h8.58.510.2空氣溫度T空氣℃29.52928.5空氣表壓P空氣kPa1.281.291.85氨氣流量流量計(jì)讀數(shù)QNH3L/h250250300氨氣溫度TNH3℃201919氨氣表壓PNH3kPa1.31.321.86水流量計(jì)讀數(shù)VwL/h303630塔頂?shù)讐翰睢鱌kPa0.350.380.53塔頂表壓P塔頂kPa0.890.891.26塔底液溫T液℃2322.523塔頂氣相濃度分析吸取瓶加酸量V酸ml101010脫氨后空氣量L空氣L3.065.163.83脫氨后空氣溫度T空氣’℃19.219.2192、數(shù)據(jù)解決表格SEQ表格\*ARABIC6體積吸取系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)解決組別123E95070.592697.995070.5m0.9240.90080.9198VNH3kmol/h0.014450.014420.01726V空氣kmol/h0.38880.38840.4645Y10.037170.0371330.037167nNH3mol0.00060.00060.0006n空氣mol0.12820.21620.1606Y20.004680.00277550.0037367GAkmol/h0.012630.013350.01553X10.007590.0066850.009333△Y10.030150.0311110.028582△Y20.004680.0027750.003737△Ym0.013670.0117250.012212KYa615.5758.45847.28吸取效率η87.4%92.5%89.9%計(jì)算示例：取第一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)lgE=11.468-1922/T液=11.468-1922/(23+273.15)=4.9780，亨利系數(shù)E=10^4.9780=95070P=△P/2+P塔頂+P大氣=0.35/2+0.89+101.83=102.895kPa=102895Pam=E/P=95070/95070=0.92395ρNH3=PM/RT=101.3*17/(8.314*293.15)=0.7065kg/m^3氨氣體積流量校正QNH3=250*1.205*101.3*(20+2氨氣摩爾流量VNH3=QNH3/22.4=14.4355mol/h=0.01445kmol/hρ空氣=1.165kg/m^3故空氣體積流量校正：Q空氣=8.5*1.205*101.3*(29.5+2空氣摩爾流量V空氣=Q空氣/22.4=0.3888kmol/hY1=VNH3/V空氣=0.01445/0.3888=0.03717nNH3=2*M酸*V酸=2*0.03*10*10^-3=6*10^-4moln空氣=PL空氣/RT空氣’=101.83*10^3*3.06*10^-3/(8.314*(19.2+273.15))=0.1282molY2=nNH3/n空氣=6*10^-4/0.1282=0.004680GA=V空氣*(Y1-Y2)=0.3888*(0.03717-0.00468)=0.01263kmol/hLW=VW*ρW/M=30*998.2*10^-3/18=1.6637kmol/hX1=V空氣*(Y1-Y2)/LW=0.3888*(0.03717-0.00468)/1.6637=0.007593△Y1=Y1-mX1=0.03717-0.92395*0.007593=0.03015△Y2=Y2-mX2=Y2=0.004680△Ym=(△Y1-△Y2)/ln(△Y1/△Y2)=(0.03015-0.004680)/ln(0.03015/0.004680)=0.01367KYa=GA/(Ω*h*△Ym)=0.01263/(0.00385*0.39*0.01367)=615.33η=1-Y2/Y1=(1-0.00468/0.03717)*100%=87.4%3、KYa與空氣流量Q空氣和水流量VwL/h的關(guān)系組號(hào)123空氣流量Q空氣m^3/h8.58.510.2氨氣流量QNH3L/h250250300水流量VwL/h303630Y20.004680.00277550.0037367X10.007590.0066850.009333GAkmol/h0.012630.013350.01553△Ym0.013670.0117250.012212KYa615.50758.45847.286成果分析、討論：本次實(shí)驗(yàn)分別通過(guò)變化吸取劑水流量和空氣流量來(lái)討論對(duì)吸取的影響。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)解決的成果能夠看出：第1組和第2組之間，空氣流量不變，增大水的流量，出口氣體濃度Y2變小，出口液體濃度X1減小，體積吸取系數(shù)KYa變大。分析：按化工原理有關(guān)知識(shí)分析，增大吸取劑流量，使得吸取劑側(cè)的傳質(zhì)阻力減小，由傳質(zhì)速率N=傳質(zhì)推動(dòng)力/阻力，得N增大，故氣相出口濃度Y2減小，而液相出口濃度X1因吸取劑用量增多，故減小。G/KYa表達(dá)氣相總傳質(zhì)單元高度，KYa增大則氣相總傳質(zhì)單元高度減小，表明傳質(zhì)效果好。第1組和第3組，水流量保持不變，增大氣體流量，則Y2減小，X1增大，體積吸取系數(shù)