填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定

1、填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定一、实验目的及任务1、了解吸收过程的流程、设备结构，并掌握吸收操作方法。2、在不同空塔气速下，观察填料塔中流体力学状态。测定气体通过填料层的压降与气 速的关系曲线。3、本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数。4、通过实验了解AP-u曲线和传质系数对工程设计的重要意义。二、实验原理1、填料塔的流体力学特性吸收塔中填料的作用主要是增加气液两相的接触面积，而气体在通过填料层时，由于有 局部阻力和摩擦阻力而产生压强降。填料塔的流体力学特性是吸收设备的重要参数，它包't 1t-n:括压强降和液泛规律。测定填料塔的流体力学特性是为了B计

2、算填料塔所需动力消耗和确定填料塔的适宜操作范围，选择适宜的气液负荷，因此填料塔的流体力学特性是确定 最适宜操作气速的依据。气体通过干填料（L=0）时，其压强降与空塔气速之间 的函数关系在双对数坐标上为一直线，如图中AB线，其 斜率为1.82。当有液体喷淋时，在低气速时，压强降和 皿气速间的关联线与气体通过干填料时压强降和气速间的关联线AB线几乎平行，但压降大于同一气速下干填料的压 Igu降，如图中CD段。随气速的进一步增加出现载点（图中D点），填料层持液量开始增大，压强降与空塔气速的关联线 向上弯曲，斜率变大，如图中DE段。当气速增大到E点，填料层持液量越积越多，气体的 压强几乎是垂直上升，气

3、体以泡状通过液体，出现液泛现象，此点E称为泛点。2、传质实验4目界面图1.双膜模型浓度分布图图2.填料塔的物料衡算图双膜模型的基本假设，气侧和液侧的吸收质A的传质速率方程可分别表达为气膜G A = kg A （P AP Ai）（1）液膜G A = kL A （CAi-C A）（2）式中GaA组分的传质速率，kmol - s-1A两相接触面积，m2；pA气侧A组分的平均分压，Pa；pAi相界面上A组分的分压，Pa；CA液侧A组分的平均浓度，kmol - m-3；CAi相界面上A组分的浓度，kmol - m-3；kg-以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol - m-2 s-1 . Pa-1；k

4、：以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m . s-1。以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为G A = KG % AP A)(3)G A = K加(CA-CA)(4)式中pA为液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa；CA气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmol - m-3；kg*以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数， kmol- m-2- s-1- Pa-1 ；KL以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，m - s-1。若气液相平衡关系遵循亨利定律：CA= HP*A,则111=+ (5)K G k

5、 %一(6)当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，kg = kg； 反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，kl = kL。如图2所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸 收质A的物料衡算可得：(a)dG - F dCA p A式中Fl为液相摩尔流率，kmol - s -1； PL为液相摩尔密度，kmol - dm - 3； 根据传质速率基本方程，可写出该微分段的传质速率微分方程：d GA = KL( CA-CA) aSdh(b)联立(a)和(b)两式可得：f FdC(c)dh -laK aSp C*

6、 CL L A A式中a为气液两相接触的比表面积，m2 . m-3, S为填料塔的横截面积，m2；本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温下溶解度较小，因此，液相摩尔 流率Fl和摩尔密度pL的比值，亦即液相体积流率VsL可视为定值，且设总传质系数K：和 两相接触比表面积a，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分(c)式，可得填料层 高度的计算公式：h = 0C A = CA,2h = h，CA = CA,1.j CA,1CA,2*dC A C* CA AV令HL = KOs，且称HL为液相传质单元高度;LN =jCCA£ ，且称N为液相传质单元数。L c C * 一 C

7、LA2 A A因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即h = HLx NL（8）若气液平衡关系遵循亨利定律，即平衡曲线为直线，则（7）式可用解析法解得填料层 高度的计算式，亦即可用下列平均推动力法计算填料层高度和液相传质单元高度：h 二 . CACA2K L aSA C A式中ACA,mh _ h工二 CA,J/ACA,m为液相平均推动力，即A C A CA C=ajA2A,mA ClnA2A CA,1(C * - C ) - (C * - C )=A,1A,1A2A2C * - Cln,2A2C * - CA,1A,1因为本实验采用纯水吸收纯二氧化，则C*A1 = C *A2=H

8、P A1= HP A2 氧化碳的溶解度常数，H 二'一 一 (kmol - m-3 - P -1)M Eac(10)(11)(12)(13)式中p为水的密度，kg - m-3； Mc为水的摩尔质量，kg - kmol-1； E为亨利系数，Pa。 因此，（10）式可简化为CA C =A1A,mC *lnaC A* - C A1(14)又因本实验采用的物系仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计.在此情况下，整个传 质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总 系数，即V C - C k a = K a = 7A1A21 l hSA CA,m(15)三、实验

9、设备空气由风机供给进入空气缓冲罐12再由阀14调节空气流量，经空气转子流量计15计 量，并在管路中与二氧化碳(经转子流量计9计量)混合后进入塔底，混合气在塔中经水吸 收后，尾气从塔顶排出。出口处有尾气稳压阀22,以维持一定的尾气压力(约100-200mmH2O) 作为尾气通过分析器26的推动力。吸收剂一水，经转子流量计计量后，进入塔顶喷淋气喷 出，塔底吸收液经排液管流入地沟。排液管18可上下移动，使液面控制在管子内部而不上 升到塔截面内，保证液封。吸收质纯二氧化碳由钢瓶4供给，缓慢开启二氧化碳瓶阀1，二 氧化碳气即进入自动减压阀3,稳压1Mpa范围以内。压力表2指示钢瓶内部压力，压力表 6指示

10、减压后的压力。二氧化碳气体通过转子流量计，进入塔底。气体由上向下经过填料层 与液相逆流接触，最后由柱顶放空。因气体流量与状态有关，所以每个气体流量计前均有表 压计和温度计。为了测量塔内压力和塔压降，装有表压计16和压差计19。另外还需要大气 压力计测量大气压强。尾气分析器由吸收盒26和湿式气体流量计27。1、二氧化碳阀2、6二氧化碳压表3、减压阀4、二氧化碳瓶5、11温度计7、空气缓冲罐8、二氧化碳压表 9、15、28转子流量计10、二氧化碳压计12、空气缓冲罐13、放净阀14、空气调节阀16、塔顶尾气压力计17、填料支撑板18、排液管19、塔压降20、填料塔21、喷淋器22、尾气稳压阀23、

11、尾气采样管24、稳压瓶25、采样考克26、吸收分析盒27、湿式体积流量计29、放净阀30、进水调节阀四、实验步骤1、流体力学性能测定测定于填料压强降时，塔内填料务必事先吹干，为开空气调解阀，开启气泵，缓慢调 解改变空气流量6次左右，测定塔压降，得到APU关系。测定填料压强降。a、测定前要进行预液泛时，使填料表面充分润湿。b、实验接近液泛时，进塔气体的增长速度要放慢，不然图中泛点不易找到。密切观察 填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，待各参数稳定后再读数据。液泛后填 料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍稍增大气量，再取一、二个 点就可以了，并注意不要时气速过分超过

12、泛点。避免冲破和冲破填料。要注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免冲碎玻璃管，切开停车之前 要微开调解阀。(2)传质实验实验前，首先将填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否均已关严；然 后打开二氧化碳钢瓶顶上的阀门，将压力调至1MPa；同时，打开水管。实验操作可按如下 步骤进行：缓慢开启进水调节阀，水流量可在1050 L - h -1范围内选取。一般在此范围内选取 5-6个数据点。调节流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水流出。以保证水压稳 定。缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量一般控制在0.1m3 h -1左右为宜。当操作达到定常状态之后，测量塔顶和塔底的水温和气温

13、，同时，测定塔底它的水溶 液中二氧化碳的含量。2、溶液中二氧化碳含量的测定方法用吸量管吸取0.1M Ba(OH)2或Ca(OH)2溶液 10mL,放入三角瓶中，并由它附设的计量 管吸入塔底溶液20mL,再加入酚欧指示剂数滴，最后用0.1M盐酸滴定，直至其脱除红色 的瞬时为止。由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中二氧化碳的浓度:C-hci hcikmol m -3a2V式中NHCl为标准盐酸溶液的当量浓度，VHCl为实际滴定用量，即空白试验用量与滴定 试样使用量之差值(mL)； V为塔底溶液采样量(mL)。五、基本要求1、每组五个学生要分工协调配合进行实验。2、观察填料塔内的气液

14、流动现象测出“二氧化碳、空气与水”体系的体积传质系数。六、实验内容、重点、难点1、实验内容：改变清水流量(L)；改变空气流量(G)；改变清水进口温度(T)等条件下， 测定气体出口浓度X、y2,计算组分回收率、传质推动力和传质系数。2、重点：掌握总传质系数的测定方法。难点：吸收剂进口条件的变化对吸收操作结果的影响。七、实验报告的基本要求1、实验数据：(1)测量并记录实验基本参数填料柱：柱体内径d =0.1m填料型式陶瓷拉西环填料规格12X12X1.3 mm填料层高度h =300mm大气压力：P n =MPa室 温：Ta =试剂：3Ba(OH)2溶液浓度:CBa (OH )2mol/L用 量：%a

15、(OH)2 -mL盐酸浓度：C HCl=mol/L序号空气流量计 读数m3/h空气压力Pa温度0C水流量L/h塔压降 Pa塔内 现象备注(2)测定并记录实验数据:实 验 序号实验数据塔底气温，T1 / 气塔顶气温，T/ 相塔底压强，P/mmH2OCO2流量，V / m3 - h -1 s,g塔底液温，TL： / 液 相塔顶水温，Tm2 / 水的流量，VsT / Lh -1塔底采样量，V / mL盐酸滴定量，Vhci / mL(3)整理实验数据，并可参考下表做好记录:实 验 序 号数据气 相平均温度，Tg / 1CO2密度，pg/kg - m-32空塔速度，u0 / m- s -13平均温度，T

16、L / 4液体密度，p J kg. m -35液体粘度，L Pa - s6液CO2扩散系数，D/m2, s -17体积流率，VsL/ m3- s -18喷淋密度，W/ m3 - m-2- s -19质量流速，L / kg-m-2- s -110塔顶浓度，CA2 / kmol-m-311相塔底浓度，CA1 / kmol-m-312传质速率，GA / kmol - s-113平均推动力，AGAm / kmol-m-314传质单元高度，HL / m15液相体积传质总系数，KLa / s-116液相体积传质膜系数，Ka / s-i17列出上表中各项计算式。2、实验结果：（1）计算干填料以及一定喷淋量下

17、湿填料在不同空塔气速下氮的每填料层高度的压强 降，即AP/ZPa/m。并在双对数坐标系作图，找出载点和泛点。（2）计算实验条件下，一定喷淋量，一定空塔气速的传质系数值及气相总传质单元高 度H。八、成绩评定1、成绩评定方法：（1）、正常情况下的学生的实验成绩应按学生的实验操作、纪律、实验报告三个方面综 合评定，各项所占比列情况见下表。项目实验操作纪律实验报告百分比402040（2）、实验成绩按优、良、中、及格、不及格评定，（3）、有下列情况之一者，没有实验成绩或成绩不及格。A、不参加实验者；B、没有完成实验报告者；C、报告内容过于简单、错误显著者；或抄袭者。（4）、课内实验，其学生的实验成绩可视为平时（作业）成绩。2