填料塔吸收操作及体积吸收系数测定.pdf

实验报告实验报告 课程名称 过程工程原理实验 乙 指导老师 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 实验类型 传质实验 一 实验目的和要求 必填 二 实验内容和原理 必填 三 实验材料与试剂 必填 四 实验器材与仪器 必填 五 操作方法和实验步骤 必填 六 实验数据记录和处理 七 实验结果与分析 必填 八 讨论 心得 一 一 实验目的实验目的 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 KYa 二 二 实验原理 实验原理 一 填料层压力降 一 填料层压力降 P 与空塔气速与空塔气速 u 的关系的关系 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 6 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 P u 关系与干填料相仿 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 6 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 6 中 F 点 此时气体的流动阻力急剧增加 图 6 中 F 点即为泛点 与之相对应的 气速称为泛点气速 专业 姓名 学号 日期 地点 装 订 线 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 V u 1 式中 u 空塔气速 m s V 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 P u 值 标绘在双对数坐标纸上 即可得到 P u 关系曲线 二 体积吸收系数 二 体积吸收系数 KY 的测定的测定 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 mxy 2 相平衡常数 m 与系统总压 P 和亨利系数 E 的关系如下 P E m 3 式中 E 亨利系数 Pa 装 订 线 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 1922 lg11 468E T 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 Y y X x 吸收速率方程式为 mYA YhaKG 则 m A Y Yh G aK 5 式中 KY 气相体积吸收系数 kmol m3 h 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 2121 XXLYYVGA 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 装 订 线 a 进塔气相浓度 Y1的确定 V V Y A 1 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 2 3 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 air NH n n Y 3 2 8 式中 3 NH n 氨气的摩尔数 mol air n 空气的摩尔数 mol I 尾气样品中氨的摩尔数 3 NH n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 3 102 3 MaVanNH 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 3 10 2 3 VaVaManNH 10 II 尾气样品中空气摩尔数 air n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 0 00 RT VP nair 11 装 订 线 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 8314N m mol K 由式 9 10 可求得 3 NH n和 air n 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 m Y 2 1 21 ln Y Y YY Ym 其中 11 111 mXYYYY 222 222 YmXYYYY 式中 1 Y 2 Y 与液相浓度 1 X 2 X相对应的气相平衡浓度 kmolA kmolB 出塔液相浓度 1 X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 m Y 后 由式 5 即可求得 KYa 三 三 实验仪器实验仪器 1 本实验装置的流程示意图见下图 主体设备是内径 70 毫米的吸收塔 塔内装 10 9 1 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 装 订 线 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 16 U 型差压计 17 18 19 温度计 20 液位计 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 四 四 实验步骤实验步骤 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 KYa 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 装 订 线 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 五 实验数实验数据据记录记录及分析及分析 1 转子流量计读数的校正转子流量计读数的校正 转子流量计在出厂前都经过标定 测量液体的转子流量计在标定时采用水作为标定介 质 测量气体的转子流量计则采用空气作为标定介质 介质状态都为 20 1 013 105Pa 当使用条件与工厂标定条件不符合 其读数必须进行校正 当转子流量计测量水时 虽然水温的不同引起密度和黏度的变化 但它对实验流量值 影响较小 一般不予校正 当被测介质是气体时 其操作状况的密度 温度 压强与标定空气状态不同时 其校 正公式为 0 00 PT TP QQ N 式中 Q 实际流量值 QN 转子流量计的读数值 P0 T0 标定的空气状况 P0 1 013 105Pa T0 293K P T 实际测量时被测气体的绝对压强 绝对温度 Pa K 空气在标准状态下的密度均查表得 空气 1 205kg m3 氨气在标准状态下密度由公式 PM RT 计算得 氨气 0 708kg m3 在测量状态下 空气与氨气可近似为理想气体 用气体状态方程 PM RT 可以得出 在不同的气压和温度下的气体密度 则修正公式可以变化为 00 N 0 RPT PMT QQ 装 订 线 2 填料层压力降填料层压力降 P 与空塔气速与空塔气速 u 的关系的关系 原始数据如下表所示 实验室大气压 1027 4Mb 102 74kPa 填料塔内径 d 35mm 水流量为 30L h 序 号 空气流量 QN m3 h 空气温度 T K 空气表压 kPa 塔顶底压差 P kPa 塔顶表压 kPa 塔液温度 T K 1 3 290 15 0 16 0 05 0 13 286 15 2 3 5 289 35 0 39 0 09 0 15 286 15 3 4 3 289 65 0 42 0 08 0 21 285 65 4 5 1 290 15 0 48 0 08 0 28 285 65 5 6 290 15 0 78 0 16 0 50 285 15 6 7 290 65 0 85 0 22 0 63 285 15 7 8 5 291 15 1 29 0 33 0 92 286 15 8 10 293 15 1 76 0 47 1 23 286 15 9 12 294 15 2 53 0 72 1 74 286 15 10 14 5 297 15 4 57 1 83 2 57 286 15 11 15 298 65 5 60 2 36 2 85 286 65 以第一组数据为例 计算过程如下 T 290 15K 流量计空气绝对压力 102 74 0 16 102 9kPa 因此 流量计处压力校正结果为 其中 0 空气 1 205kg m3 M空气 28 95kg kmol 5 3 00 N 0 RPT290 158 314 1 205 1 013 10 32 926 PMT102 928950 293 15 QQmh 则塔内气速为 2 2 926 0 211 0 0353600 um s 对所有数据的计算如下表 实验室大气压为 1027 4Mb 102 74kPa 填料塔内径 d 35mm 水流量为 30L h 序号 空气流量 QN m3 h 空气温度 T K 空气表压 kPa 空气绝压 kPa 塔顶底压差 P kPa 校正流量 Q m3 h 塔内气速 u m s 1 3 290 15 0 16 102 9 0 05 2 926 0 211 2 3 5 289 35 0 39 103 13 0 09 3 396 0 245 3 4 3 289 65 0 42 103 16 0 08 4 176 0 301 4 5 1 290 15 0 48 103 22 0 08 4 958 0 358 5 6 290 15 0 78 103 52 0 16 5 816 0 420 6 7 290 65 0 85 103 59 0 22 6 793 0 490 7 8 5 291 15 1 29 104 03 0 33 8 227 0 594 8 10 293 15 1 76 104 5 0 47 9 702 0 700 装 订 线 9 12 294 15 2 53 105 27 0 72 11 597 0 837 10 14 5 297 15 4 57 107 31 1 83 13 886 1 002 11 15 298 65 5 60 108 34 2 36 14 301 1 032 在双对数坐标系下做出 P u 曲线如下 舍弃误差较大的第 2 组数据 按照实验的结果 认定液泛时空气的流量为 13 m3 h 转子流量计示数 所以 理论 上后续试验的操作点可定为空气流量为 10 m3 h 转子流量计示数 3 体积吸收系数体积吸收系数 KYa 的测定的测定 再上一个实验中通过观察得到了填料塔达到表观液泛时的空气流量计读数为 14m3 h 通常实际操作气速取泛点气速的 60 80 所以此次实验中取空气气速为 10m3 h 原始数据如下表所示 实验室大气压 1027 4Mb 102 74kPa 填料层高度 37 5cm 标准算浓度 0 02mol L 序号 1 2 3 空气流量计读数 QN m3 h 10 10 12 空气温度 K 298 15 297 65 298 15 空气表压 kPa 1 95 2 10 2 85 氨气流量计读数 L h 0 3 0 3 0 36 氨气温度 K 289 15 289 15 288 15 氨气表压 kPa 2 01 2 02 2 82 水流量读数 m3 h 30 36 30 塔顶底压差 P kPa 0 52 0 54 0 76 塔顶表压 kPa 1 37 1 39 1 99 塔底液温 K 288 15 289 15 289 15 吸收瓶加酸量 mL 10 10 10 装 订 线 脱氨后空气量 V0 L 4 64 3 42 3 09 脱氨后空气温度 T0 K 285 65 285 65 285 65 注 注 其中氨气流量计读数由于其中氨气流量计读数由于单位换算及单位换算及记录原因 使得记录结果与实测结果相差记录原因 使得记录结果与实测结果相差了了 1000 倍倍 应将 应将 0 3 0 3 0 36 改为改为 300 300 360 单位仍单位仍为为 L h 以第一组数据为例 计算体积吸收系数 KY 的过程如下 由亨利系数 E 与塔底液温 T 的关系 1922 lg11 468E T 得到亨利系数 1922 11 468 288 15 1062786 01EPa 塔顶绝压 102 74 1 37 104 11 kPa 塔底绝压 104 11 0 52 104 63 kPa 则塔内平均压力 104 11 104 63 104 37 2 PkPa 相平衡常数 62786 01 0 602 104370 E m P 对转子流量计测得的空气与氨气的流量校正如下 其中 空气 1 205kg m3 氨气 0 708kg m3 M空气 28 95kg kmol M氨气 17 03kg kmol 5 3 00 N 0 RPT298 158 314 1 205 1 013 10 109 850 m h PMT104 6928950 293 15 QQ 空气 5 3 00 N 0 RPT289 158 314 0 708 1 013 10 300286 23 0 286 PMT104 7517030 293 15 QQL hmh 氨气 由 PV nRT 可以计算得到空气与氨气的摩尔流率 104 75 0 286 0 012462 8 314 289 15 PV nkmol h RT 氨气 104 69 9 85 0 416003 8 314 298 15 PV nkmol h RT 空气 故入塔气体中氨气的比摩尔分率为 1 0 012462 0 029957 0 416003 n Y n 氨气 空气 对于脱氨前后 硫酸吸收的氨气量 4 22 0 02 0 014 10 aa nM Vmol 氨气 脱氨后空气的摩尔量 33 00 0 102 74 104 64 10 0 20073 8 314 285 65 PV nmol RT 空气 装 订 线 故出台气体中氨气的比摩尔分率为 4 2 4 10 0 0019927 0 20073 n Y n 氨气 空气 被吸收氨气的量 12 0 4160030 0299570 00199270 011633 A GV YYkmol h 同时 因进塔液相组成 X2 0 吸收剂水流量 L 30 18 1 667 kmol h 由全塔物料衡算 1212A GV YYL XX 可以求得 1 0 011633 0 0069784 1 667 A G X L 则 11111 0 0299570 602 0 00697840 025756YYYYmX 222222 0 0019927YYYYmXY 因此 12 1 2 0 0257560 0019927 0 009285 0 025756 lnln 0 0019927 m YY Y Y Y 故有 3 A 2 m G0 011633 K828 0989kmol m hY 0 070 375 0 0092855 4 Ya h 所有数据的计算如下 实验室大气压 1027 4Mb 102 74kPa 填料层高度 37 5cm 标准算浓度 0 02mol L 序号 1 2 3 空气校正后体积流量 m3 h 9 850 9 819 11 719 氨气校正后体积流量 m3 h 0 286 0 286 0 340 空气摩尔流率 kmol h 0 416003 0 415986 0 499193 氨气摩尔流率 kmol h 0 012462 0 012472 0 014966 Y1 0 029957 0 029982 0 029981 脱氨摩尔量 mol 4 10 4 4 10 4 4 10 4 脱氨后空气摩尔量 mol 0 20073 0 14795 0 13368 Y2 0 0019927 0 0027036 0 0029922 GA kmol h 0 011633 0 011347 0 013473 L kmol h 1 667 2 1 667 X1 0 0069784 0 0056735 0 0080822 Y1 0 025756 0 026566 0 025116 Y2 Y2 0 0019927 0 0027036 0 0029922 Ym 0 0092855 0 010443 0 010399 KYa kmol m3 h 868 0989 752 9305 897 736 装 订 线 六 六 实验讨论及误差分析实验讨论及误差分析 实验中氨气极易溶于水 所以该传质过程为气膜控制的传质过程 传质阻力主要集中 在气相 由理论知识可知 KYa3 KYa1 KYa2 其中 KYa1与 KYa2 较为接近而 KYa3与两者 相差较大 而实验结果中并没有满足 KYa1与 KYa2 较为接近而 KYa3与两者相差较大 这 一要求 说明测量有一定的误差 通过分析测量数据以及计算过程初步得出误差应该在于 第一组中测得的脱氨后空气量偏大 使得脱氨后空气摩尔量偏大 使得 Y2偏小也就是 Y2偏小 使得 Ym偏小 进而使得计算得到的 KYa 偏大 出现误差的原因可能为第一次判断尾气吸收是否达到终点还没有经验 在判断方面出 现误差 造成实验结果的误差 以后应多加注意 实验中可能产生误差的原因有 1 难以准确判断尾气吸收是否达到终点 即难以判断变色点 因此对出塔氨气的浓