填料塔吸收操作及体积吸收系数测定

1、装 订 线专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 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1 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。

2、 2 实验原理（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Pu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

3、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。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。 ······················&

4、#183;············（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

5、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：············

6、······················（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：··················&

7、#183;········（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 ···········

8、·················（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：········

9、;··············（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····

10、···························（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

11、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。 ·····················

12、;········（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

13、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。·····

14、3;························（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）可求得和，代入式（8）中即可得到Y2。根据得到的Y1和Y2，代入式

15、（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KYa。3 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

16、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、16U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 4 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

17、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；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装 订 线做好，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； 5 实验数据记录及分析1. 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

18、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：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=1.205

19、kg/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： 装 订 线2. 填料层压力降P与空塔气速u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 / K13290.150.160.050.13286.1523.5289.350.390.09

20、0.15286.1534.3289.650.420.080.21285.6545.1290.150.480.080.28285.6556290.150.780.160.50285.1567290.650.850.220.63285.1578.5291.151.290.330.92286.15810293.151.760.471.23286.15912294.152.530.721.74286.151014.5297.154.571.832.57286.151115298.655.602.362.85286.65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=102.7

21、4 + 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）则塔内气速为：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)13290.150.16102.90.052.9260.21123.5289.350.39103.130.093.3960.24534.3289.650.42103.160.08

22、4.1760.30145.1290.150.48103.220.084.9580.35856290.150.78103.520.165.8160.42067290.650.85103.590.226.7930.49078.5291.151.29104.030.338.2270.594810293.151.76104.50.479.7020.700912294.152.53105.270.7211.5970.837装 订 线1014.5297.154.57107.311.8313.8861.0021115298.655.60108.342.3614.3011.032在双对数坐标系下做出Pu曲线如

23、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KYa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123空气流量计读数QN / (m3/h)101012空气温度 / K298.15297.65

24、298.15空气表压 / kPa1.952.102.85氨气流量计读数 / (L/h)0.30.30.36氨气温度 / K289.15289.15288.15氨气表压 / kPa2.012.022.82水流量读数 / (m3/h)303630塔顶底压差P/ kPa0.520.540.76塔顶表压/ kPa1.371.391.99塔底液温 / K288.15289.15289.15吸收瓶加酸量 / mL101010脱氨后空气量 V0/ L4.643.423.09装 订 线脱氨后空气温度T0/ K285.65285.65285.65(注：其中氨气流量计读数由于单位换算及记录原因，使得记录结果与实测

25、结果相差了1000倍，应将0.3、0.3、0.36改为300、300、360单位仍为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 得到亨利系数 塔顶绝压 = 102.74 + 1.37 = 104.11 kPa塔底绝压 = 104.11 + 0.52 = 104.63 kPa则塔内平均压力相平衡常数 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） 由PV = nRT可以计算得到空气与氨气的摩尔流率： 故入塔气体中氨气的比摩尔

26、分率为：对于脱氨前后：硫酸吸收的氨气量脱氨后空气的摩尔量装 订 线故出台气体中氨气的比摩尔分率为：被吸收氨气的量同时，因进塔液相组成X2 = 0，吸收剂水流量L = 30 / 18 = 1.667 kmol/h由全塔物料衡算可以求得： 则因此故有： 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123空气校正后体积流量 / (m3/h)9.8509.81911.719氨气校正后体积流量 / (m3/h)0.2860.2860.340空气摩尔流率 / (kmol/h)0.4160030.4159860.49919

27、3氨气摩尔流率 / (kmol/h)0.0124620.0124720.014966Y10.0299570.0299820.029981脱氨摩尔量 / mol4×10-44×10-44×10-4脱氨后空气摩尔量 / mol0.200730.147950.13368Y20.00199270.00270360.0029922GA / (kmol/h)0.0116330.0113470.013473L / (kmol/h)1.66721.667X10.00697840.00567350.0080822Y10.0257560.0265660.025116Y2= Y20.0

28、0199270.00270360.0029922Ym0.00928550.0104430.010399KYa / (kmol/m3·h)868.0989752.9305897.736装 订 线6 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