填料塔吸收 徐铖晋.doc

过程工程原理实验（乙） 徐铖晋 3100103919专业：控制自动化 姓名：_徐铖晋 学号：3100103919 日期：2012.12.16 地点：教十2210 实验报告课程名称：过程工程原理实验（乙） 指导老师： 杨国成 成绩：_实验名称：填料塔吸收操作及体积吸收系数测定 同组学生姓名：_ 刘原、韩超、吴海青 一 实验目的： 1.了解填料吸收塔的构造并熟悉吸收塔的操作。 2.观察填料吸收塔的液泛显现，测定泛点空塔气速。 3.测定填料层压降P与空塔气速u的关系曲线。 4.测定含氨空气水系统的体积吸收系数KY。 二 实验装置： 1.本实验装置的流程示意图见图1。主体设备是内径70毫米的吸收塔，塔内装1091陶瓷拉西环填料。 2.物系是（水空气氨气）。惰性气体空气由漩涡气泵提供，氨气由液氨钢瓶供应，吸收剂水采用自来水，它们的流量分别通过转子流量计测量。水葱塔顶喷淋至填料层与自下而上的含氨空气进行吸收过程，溶液由塔底经液封管流出塔外，塔底有液相取样口，经吸收后的尾气由塔顶排至室外，自塔顶引出适量尾气，用化学分析法对其进行组成分析。1填料吸收塔2旋涡气泵3空气转子流量计4液氨钢瓶 5氨气压力表6氨气减压阀7氨气稳压罐8氨气转子流量计9水转子流量计 10洗气瓶11湿式流量计12三通旋塞13、14、15、16U型差压计17、18、19温度计20液位计图1填料塔吸收操作及体积吸收系数测定实验装置流程示意图 三、基本原理（一）填料层压力降P与空塔气速u的关系气体通过干填料层时（喷淋密度L=0），其压力降P与空塔气速u如图2中直线A所示，此直线斜率约为1.8，与气体以湍流方式通过管道时P与u的关系相仿。如图6可知，当气速在L点以下时，在一定喷淋密度下，由于持液量增加而使空隙率减小，使得填料层的压降随之增加，又由于此时气体对液膜的流动无明显影响，在一定喷淋密度下，持液量不随气速变化，故其Pu关系与干填料相仿。F图2在一定喷淋密度下，气速增大至一定程度时，随气速增大，液膜增厚，即出现“拦液状态”（如图2中L点以上），此时气体通过填料层的流动阻力剧增；若气速继续加大，喷淋液的下流严重受阻，使极具的液体从填料表面扩展到整个填料层空间，谓之“液泛状态”（如图2中F点，此时气体的流动阻力急剧增加。图2中F点即为泛点，与之相对应的气速称为泛点气速。原料塔在液泛状态下操作，气液接触面积可达最大，其传质效率最高。但操作最不稳定，通常实际操作气速取泛点气速的60%80%。塔内气体的流速以其体积流量与塔截面积之比来表示，称之为空塔气速u。（1）式中：u 空塔气速，m/sV 塔内气体体积流量，m3/s 塔截面积，m2。实验中气体流量由转子流量计测量。但由于实验测量条件与转子流量计标定条件不一定相同，故转子流量计的读数值必须进行校正，校正方法详见附录四。填料层压降P直接可由U型压差计读取，再根据式（1）求得空塔气速u，便可得到一系列Pu值，标绘在双对数坐标纸上，即可得到Pu关系曲线。（二）体积吸收系数KY的测定1.相平衡常数m对相平衡关系遵循亨利定律的物系（一般指低浓度气体），气液平衡关系式为： （2）相平衡常数m与系统总压P和亨利系数E的关系如下：（3）式中： E 亨利系数，Pa； P 系统总压（实验中取塔内平均压力），Pa。亨利系数E与温度T的关系为：（4）式中：T液相温度（实验中取塔底液相温度），K。根据实验中所测的塔顶表压及塔顶塔底压差P，即可求得塔内平均压力P。根据实验中所测的塔底液相温度T，利用式（3）、（4）便可求得相平衡常数m。2.体积吸收系数KY体积吸收系数KY是反映填料吸收塔性能的主要参数之一，其值也是设计填料塔的重要依据。本实验中属于低浓度气体吸收，近似取Yy，Xx。吸收速率方程式为：则（5）式中：KY气相体积吸收系数，kmol/m3h；单位体积填料层所提供的有效接触面积，m2/m3；GA单位时间内NH3的吸收量，kmol/h；塔截面积，m2；h填料层高度，m；Ym吸收推动力，气相对数平均浓度差。为求得KY，需求取GA及Ym。（1）被吸收的NH3量GA，可由物料衡算求得：（6）式中：V惰性气体空气的流量，kmol/h； L吸收剂水的流量，kmol/h； Y1进塔气相的组成，比摩尔分率，kmol(A)/kmol(B)； Y2出塔气相（尾气）的组成，比摩尔分率，kmol(A)/kmol(B)； X1出塔液相的组成，比摩尔分率，kmol(A)/kmol(B)； X2进塔液相的责成，本实验中为清水吸收，X2=0。 （a）进塔气相浓度Y1的确定（7）式中：VA氨气的流量，kmol/h。根据实验中转子流量计测取的空气和氨气的体积流量和实际测量状态（压力、温度），对其刻度流量进行校正而得到其实际体积流量，再由气体状态方程得到空气和氨气的摩尔流量，并由式（7）可求取进塔气相组成Y1。（b）出塔气相（尾气）组成Y2的确定用移液管移取Vaml浓度为Ma的标准H2SO4溶液置于吸收瓶中，加入适量去离子水机23滴溴百里酚兰，将吸收瓶如图12-1连接在抽样尾气管线上。当吸收塔操作稳定时，尾气通过吸收瓶后尾气中的氨气被H2SO4吸收，其余空气通过湿式流量计计量。为使所取尾气样能反映塔内实际情况，在取样分析前应使取样管尾气保持流通，然后改变三通旋塞流动方向，使尾气通过吸收瓶。（8）式中： 氨气的摩尔数，mol； 空气的摩尔数，mol。（I）尾气样品中氨的摩尔数可用下列方式之一测得：（i）若尾气通入吸收瓶吸收至终点（瓶内溶液颜色由黄棕色变至黄绿色），则：（9）式中：Ma标准H2SO4溶液的摩尔浓度，mol/l。（ii）若通入吸收瓶的尾气已过量（瓶中溶液呈兰色），可用同样标准H2SO4溶液滴定至终点（瓶内溶液呈黄绿色）。若耗去的滴定用酸量为Va，则：（10）（II）尾气样品中空气摩尔数的测取尾气样品中的空气量由湿式流量计读取，并测其温度、压力。（11）式中：P0尾气通过湿式流量计时的压力（由室内大气压代替），Pa； V0通过湿式流量计的空气量，l； T0通过湿式流量计的空气温度，K； R气体常数，R=8314Nm/(molK)。由式（9）、（10）可求得和，代入式（8）中即可得到Y2。根据得到的Y1和Y2，代入式（6）中即可求得GA。（2）对数平均浓度差其中式中：、与液相浓度、相对应的气相平衡浓度，kmolA/kmolB。出塔液相浓度可取塔底液相样品进行化学分析得到，也可用物料衡算式（6）得到。求得GA、后，由式（5）即可求得KY。四、操作步骤及注意事项1.先开启吸收剂（水）调节阀，当填料充分润湿后，调节阀门使水流量控制在适当的数值，维持恒定。2.启动风机，调节风量由小到大，观察填料塔内的流体力学状况，并测取读数，根据液泛时空气转子流量计的读数，来选择合适的空气流量，本实验要求在两至三个不同的气体流量下测定KY。3.为使进塔气相浓度Y1约为5%，须根据空气的流量来估算氨气的流量，然后打开氨气钢瓶，调节阀门，使氨气流量满足要求。4.水吸收氨，在很短时间内操作过程便达到稳定，故应在通氨气之前将一切准备工作做好，在操作稳定后，开启三通旋塞，使尾气通入吸收瓶进行尾气组成分析。在实验过程中，尤其是在测量时，要确保空气、氨气和水流量的稳定。5.改变气体流量或吸收剂（水）流量重复实验。6.实验完毕，关闭氨气钢瓶阀门、水调节阀，切断风机电源，洗净分析仪器等。五 数据记录1.原始数据记录表1 原始数据记录表大气压 767.0 （mmHg），填料层高度 40.5 （cm），标准酸浓度 0.025 （mol/L）次 序项 目123空气流量转子流量计读数 (m3/h)88.19.6空气温度 ()2626.527空气压力 (cmCCl4)1.601.602.28氨气流量转子流量计读数 (l/h)240240288氨气温度 ()1211.512氨气压力 (cmCCl4)1.811.812.57水转子流量计读数 (l/h)24.028.924.0塔顶底压差 (cmH2O)0.230.230.32塔顶表压 (cmH2O)1.321.321.89塔底液温 ()101113.5吸收瓶加酸量 (ml)101010脱氨后空气量 (l)1.080.740.56脱氨后空气温度 ()1010102.数据处理下面列出了第一组数据的处理方法和过程，第二和第三组数据按同样的方法处理。a) 空气体积校正及摩尔流量的换算 b) 氨气体积流量校正标定条件下空气的密度0=1.240kg/m3，氨气在标定条件下的密度s0=0.714kg/m3。c) 相平衡常数大气压P=763.0133.32=101723Pa塔内平均压力亨利系数相平衡常数 d) 进塔气体浓度Y1的确定e) 出塔气体（尾气）组成Y2的确定f) 出塔液相组成X1的确定因出塔液是清水，X20g) 总传质推动力的确定h) 吸收塔内NH3被水吸收的量GAi) 总体积传质吸收系数KYa的计算 实验数据处理结果如表2所示。表2 数据处理结果次 序项 目123校正后空气流量 (m3/h)8.048.0410.1校正后氨气流量 (l/h)316317360塔内平均压力P (Pa)101870101874101908进塔气体浓度Y10.03560.03530.0356出塔气体浓度Y20.0107530890.0156940.020738空气摩尔流量V 0.005190.005250.00878吸收剂水的摩尔流量L (mol/h)1666.71944.41666.7出塔液体X10.01200.01020.0142Ym0.02090.02460.0278溶质被吸收量GA (mol/h)0.0001300.0001040.000135总体积传质吸收系数KYa (kmol/m3h)391.5272.8306.4六、实验结果分析 由最后的吸收系数可以发现。本次实验并不成功。理论上来说，加大水流量或者是加大氨气和空气的流量都可以一定程度上提高吸收系数，这与原始数据进行处理后得到的数据相违背。尤其是在增大氨气流量的情况下，由于氨气极易溶于水，气相阻力远大于液相阻力，所以改变氨气流量，减小气相阻力，应该可以明显的观察到吸收效果更好。由于吸收效果更好，尾气中的氨气含量较低，则要中和定量的酸的话，和氨气一起排出的空气量应该增大，这与实验原始数据也不同。分析可能是有以下的可能带来了实验误差：1.对吸收瓶中酸恰好被中和的时间的判断上有误差；2.实验过程中，流量会产生变化，没有及时调整，会带来误差；3.吸收瓶未洗净，是的其中的酸量不同，会带来误差；4.读数过程和数据记录过程中带来的误差。7、 思考题1.测定KY及Pu有什么实际意义？答：可以会判定压强和吸收剂用量对氨气吸收的影响，从而确定生产中的最佳工作点。2.要确定KY，需测定哪些数据（在流程中标出测量点、控制点）？使用哪些仪表？答：测定体积吸收系数，需要测定的数据有空气体积流量、空气温度和压力、氨气体积流量、氨气温度 和压力、塔顶底压差、塔顶表压、水温、塔底液温、脱氨后空气量、尾气温度、氨气摩尔质量等。 使用的仪表有转子流量计、温度计、压差计等。3.实验时，如何确定水、空气和氨气的流量？答：水的体积流量可直接从转子流量计上读取，再转化为摩尔流量；空气和