填料吸收塔實驗【實驗?zāi)康摹苛私馓盍衔账慕Y(jié)構(gòu)和流體力學(xué)性能。學(xué)習(xí)填料吸收塔傳所能力和傳質(zhì)效率的測定方法。【實驗內(nèi)容】1測定填料層壓強降與操作氣速的關(guān)系，確定填料塔在某液體噴淋量下的液泛氣速。2采用水吸收二氧化碳，空氣解吸水中二氧化碳，測定填料塔的液側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)。【實驗原理】1氣體通過填料層的壓強降壓強降是塔設(shè)計中的重要參數(shù)，氣體通過填料層壓強降的大小決定了塔的動力消耗。壓強降與氣液流量有關(guān)，不同噴淋量下的填料層的壓強降△P與氣速u的關(guān)系如圖6-1-1所示：arKHrL3>L2>L12圖6-1-1填料層的^Pu關(guān)系當(dāng)無液體噴淋即噴淋量Lo=O時，干填料的△Pu的關(guān)系是直線，如圖中的直線0。當(dāng)有一定的噴淋量時，△PuarKHrL3>L2>L122傳質(zhì)性能吸收系數(shù)是決定吸收過程速率高低的重要參數(shù)，而實驗測定是獲取吸收系數(shù)的根本途徑。對于相同的物系及一定的設(shè)備(填料類型與尺寸)，吸收系數(shù)將隨著操作條件及氣液接觸狀況的不同而變化。(1)膜系數(shù)和總傳質(zhì)系數(shù)根據(jù)雙膜模型的基本假設(shè)，氣相側(cè)和液相側(cè)的吸收所A的傳質(zhì)速率方程可分別表達為

氣膜Ga=k方Pa%液膜Ga二kMCa)式中：Ga—A組分的傳質(zhì)速率，kmoIsJ；2A一兩相接觸面積，m；Pa一氣側(cè)A組分的平均分壓，Pa；PAi—相界面上A組分的平均分壓，Pa；Ca一液側(cè)A組分的平均濃度，kmolmCAi一相界面上A組分的濃度kmolm"kmolmAsjPakmolmAsjPakg一以分壓表達推動力的氣側(cè)傳質(zhì)膜系數(shù)，圖6-1-2雙膜模型的濃度分布圖圖6-1-3填料塔的物料衡算圖以氣相分壓或以液相濃度表示傳質(zhì)過程推動力的相際傳質(zhì)速率方程又可分別表達為Ga二KlA(Ca-Ca)(6-1-10)式中：Pa一液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；CaGa二KlA(Ca-Ca)(6-1-10)式中：Pa一液相中A組分的實際濃度所要求的氣相平衡分壓，Pa；Ca一氣相中A組分的實際分壓所要求的液相平衡濃度kmolm%；kG—以氣相分壓表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)或簡稱為氣相傳質(zhì)總系數(shù),kmolm二s'Paj；kl—以氣相分壓表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，或簡稱為液相傳質(zhì)總系數(shù)，m￡。1若氣液相平衡關(guān)系遵循享利定C-HPa——a，則律：111一(6-1-11)Kgkghk,1H1+—(6-1-12)Klkgkl則相際傳質(zhì)過程式受氣膜傳質(zhì)速率控制，此時，當(dāng)氣膜阻力遠大于液膜阻力時，反之，當(dāng)液膜阻力遠大于氣膜阻力時，則相際傳質(zhì)過程受液膜傳質(zhì)速率控制，此時，KG=kg；Kl=k|。如圖6-1-3所示，在逆流接觸的填料層內(nèi)，任意截取一微分段，并以此為衡算系統(tǒng)則由吸收質(zhì)物料衡算可得:dGA=-LdCA:，L(6-1-13a)式中：FL一液相摩爾流率，kmolS4；pL一液相摩爾密度，kmolm°。根據(jù)傳質(zhì)速率基本方程式，可寫出該微分段的傳質(zhì)速率微分方程:cIGa=Kl(Ca-CJaSdh(6-1-13b)dhFLdCAKLaS\CA-C(6-1-13C)式中：a一氣液兩相接觸的比表面積，S一填料塔的橫載面積，mm2m-1；本實驗采用水吸收二氧化碳，已知二氧化碳在常溫常壓下溶解度較小,因此，液相摩爾流率FL和摩爾密度Pl的比值，亦即液相體積流率^，）l可視為定值，且設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)則按下列邊值條件積分式（6-1-13C）dhFLdCAKLaS\CA-C(6-1-13C)式中：a一氣液兩相接觸的比表面積，S一填料塔的橫載面積，mm2m-1；本實驗采用水吸收二氧化碳，已知二氧化碳在常溫常壓下溶解度較小,因此，液相摩爾流率FL和摩爾密度Pl的比值，亦即液相體積流率^，）l可視為定值，且設(shè)總傳質(zhì)系數(shù)則按下列邊值條件積分式（6-1-13C），可得填料層高度的計算公式:個填料層內(nèi)為一定值，h=0cA=cA-2h=hcA=cA1h—%「dCh二Ca1A、aSCa2Ca-CaCa1Ca2Kl和兩相接觸比表面積a,在整(6-1-14)NlVsLKLaS且稱Ca1dCACA2CA-ca，Hl為液相傳質(zhì)單元高度（HTU）;且稱Nl為液相傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）。因此，填料層高度為傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)之乘積，即h=HlXNl若氣液平衡關(guān)系遵循享利定律，即平衡曲線為直線，則式（(6-1-15)6-1-14）為可用解析法解得填料層高度的計算式，亦即可采用下列平均推動力法計算填料層的高度或液相傳質(zhì)單元高度:h=VsLKLaScA1-cA2(6-1-16)式中也Car為液相平均推動力，即Am:CA.2-CA1(CA2-膈)-'cA1-CAm:CA.2-CA1(CA2-膈)-'cA1-CAI)|nCA2-CA2CA1-CA1(6-1-18)C；-c-cHPA二氧化碳的溶解度常數(shù)，MwEkomlmPa'(6-1-19)(6-1-20)式中：pw一水的密度，kgm‘；Mw一水的摩爾質(zhì)量，kgkmol；E一二氧化碳在水中的享利系數(shù)，Pa因此，式(因此，式(6-1-18)可簡化為CAmCA1-ClnCA-CA1A下,因本實驗采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計，在此情況整個傳質(zhì)過程阻力都下,亦即集中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系k|a=3VsLCA1-CA2hSk|a=3VsLCA1-CA2hScAm數(shù)，(6-1-21)(1)仿真工藝圖圖1.CO2吸收解吸現(xiàn)場圖

(2)主體設(shè)備根據(jù)對裝置的認識，在下面的表格中填寫相關(guān)內(nèi)容。表1干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)認識位號名稱用途類型V2C02鋼瓶存儲液態(tài)C02之用壓力容器V101水槽存儲吸收劑(純水)之用敞口容易T101解吸塔解吸吸收過C02的吸收劑填料塔T102吸收塔吸收C02設(shè)備填料塔V1緩沖罐吸收液儲罐密封罐非變頻動力P101風(fēng)機提供空氣流量裝置非變頻動力P102水泵提供吸收液流量裝置

非變頻動力P103水泵解吸泵裝置3）測量儀表根據(jù)對流程的認識，在下曲的表格中填寫相關(guān)內(nèi)容。表2測量儀表認識儀表位號單位CO2流量計FI01m3/h流量吸收劑流量計FI02L/h解吸液流量計FI03L/h空氣流量計FI04m3/h壓降吸收塔壓降PI02mmH2O解析塔壓降PI01mmH2O溫度空氣溫度TI01吸收液溫度TI024）實驗流程說明吸收質(zhì)（純二氧化碳氣體）由鋼瓶經(jīng)二次減壓閥和轉(zhuǎn)子流量計經(jīng)過FI01，進入吸收塔塔底，氣體由下向上填料層與液相水逆流接觸，到塔頂經(jīng)放空；吸收劑（純水）由泵塔頂，P102提供，經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計FI02進入再噴灑而下；吸收后溶液由塔底流入塔底液料罐中由解吸泵P103經(jīng)流量計FI03進入解吸塔，空氣由FI04流量計進入解吸塔塔底由下向上經(jīng)過填料層與液相逆流接觸，流量由旁路閥液進行VA101調(diào)節(jié)，對吸收解吸，然后自塔頂放空，U形液柱壓差計用以測量填料層的壓強降。【實驗步驟】測量吸收塔干填料層（△P/Z）u關(guān)系曲線（只做吸收塔）：先全開閥門VA101與進入吸收塔的空氣進氣閥VA102，打開空氣流量計FI04上的閥門，將VA105的閥門打開少許，關(guān)閉解吸塔的空氣進氣閥VA103，啟動風(fēng)機，（先全開閥VA101和空氣流量計閥，再利用閥VA101調(diào)節(jié)進塔的空氣流量。空氣流量按從小到大的順序）讀取填料層壓降么P（U形液柱壓差計），然后在對數(shù)坐標上以空塔氣速u為橫坐標，以單位高度的壓降△P/Z為縱坐標，標繪干填料層（△P/Z）u關(guān)系曲線。測量吸收塔在某噴淋量下填料層（△P/Z）u關(guān)系曲線：先打開流量計FI02上的閥門，然后打開泵P102的開關(guān)，將水流量固定在40L/h（水的流量因設(shè)備而定），然后用上面相同方法調(diào)節(jié)空氣流量，并讀取填料層壓降△?、轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)和流量計處空氣溫度，并注意觀察塔內(nèi)的操作現(xiàn)象，一旦看到液泛現(xiàn)象時，記下對應(yīng)的空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)。在對數(shù)坐標紙上標出液體噴淋量為40L/h時的（△P/z）u?關(guān)系曲線，從圖上確定液泛氣速，并與觀察的液泛氣速相比較。二氧化碳吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定：吸收塔（水流量為60L/h）⑴打開閥門VA101、VA102、VA103、VA104，關(guān)閉閥門VA105。打開四個流量計上的閥門。⑵調(diào)節(jié)水流量計FI02到給定值，然后打開二氧化碳鋼瓶頂上的針閥，二氧化碳流量一般控制在0.1m3/h左右為宜，操作達到穩(wěn)定狀態(tài)之后，測量塔底的水溫，同時點擊取樣閥VA3（VA1或VA2）取樣，測定兩塔塔頂、塔底溶液中二氧化碳的含量。取樣時只能同時開一個取樣閥。（實驗時要注意吸收塔水流量計和解吸塔水流量計要一致，并注意吸收塔下的儲料罐中的液位，對各流量計及時調(diào)節(jié)以達到實驗時的操作條件不變）⑶二氧化碳含量的測定設(shè)定中和用氫氧化鋇濃度，氫氧化鋇體積，滴定鹽酸濃度，取樣體積，然后點擊取樣閥就能得出消耗的鹽酸體積。【注意事項】開啟C02總閥前，要先關(guān)閉自動減壓閥，開啟開度不宜過大。并注意吸收塔下的儲料罐中的液位。2實驗時要注意吸收塔水流量計和解吸塔水流量計要一致，并注意吸收塔下的儲料罐中的液位。【報告內(nèi)容】4組數(shù)據(jù)為例）16.1C；填料層壓降U管讀數(shù)：26.0mmHO所以空氣實際體積流量為1實驗數(shù)據(jù)的計算及結(jié)果⑴填料塔流體力學(xué)性能測定（以設(shè)備填料塔干填料時第34組數(shù)據(jù)為例）16.1C；填料層壓降U管讀數(shù)：26.0mmHO所以空氣實際體積流量為因為空氣流量計處溫度不是20C，需要對讀數(shù)進行校正，…切七實）P5/h（27320）p實空塔氣速U=3600(兀/4)■D2(m/s)單位填料層壓降pZ(mmbO/m)在對數(shù)坐標紙上以空塔氣速u為橫坐標，：-pz為縱坐標作圖，標繪Ju關(guān)系曲線，見圖2。⑵傳質(zhì)實驗(以設(shè)備吸收塔的傳質(zhì)實驗為例)(a)?吸收液消耗鹽酸體積Vj=8.3ml，則吸收液濃度為:cA12CBa(OH)VBa(OH)一CHCIVHCI322kmol/m入溶液因純水中含有少量的二氧化碳，所以純水滴定消耗鹽酸體積，則塔頂水中C02濃度為:2CBa(OH)2VBa(OH)2一ChCIvHCICA2-由化工原理下冊吸收這一章可查得夜CO2亨利系數(shù)則CO2的溶解度常數(shù)為凡1-

MWE塔頂和塔底的平衡濃度為kmolJ3paCA1=CA2=H液相平均推動力為Po-CA1=-cAm—-,CA2—Ca2ACA2*In*CA1-CA1~Ca2*.Ca2一Ca2In*CA1_CA1因本實驗采用的物系不僅遵循亨利定律，而且氣膜阻力可以不計，在此情況下，整個傳質(zhì)過程阻力都集中于液膜，即屬液膜控制過程，則液側(cè)體積傳質(zhì)膜系數(shù)等于液相體積傳質(zhì)總系數(shù)，即k.ak.a=aa」slhSCAcA2心cAm同樣可以求得拉西環(huán)的傳質(zhì)實驗結(jié)果。2.實驗結(jié)果列表表1(1)干填料時么P/Zu關(guān)系測定第1套填料層高度Z塔徑D序號填料層壓強降mmH2O單位高度填料層壓強降mmH20/m空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)m3/h空氣流量計處空氣溫度C空塔氣速m/s123456表1(1)干填料時么P/zu關(guān)系測定第1套L=100填料層高度Z=0.78m塔徑D=0.037m序號填料層壓強降mmH2O單位高度填料層壓強降mmH2O/m空氣轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)m3/h空氣流量計處空氣溫度空塔氣速m/s操作現(xiàn)象1234567891011121314

表3(1)填料吸收塔傳質(zhì)實驗數(shù)據(jù)表(一)被吸收的氣體：純C02；吸收劑：水;塔內(nèi)徑:塔類型吸收塔解吸塔填料種類填料尺寸填料層高度((mCO2轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)m3/hCO2轉(zhuǎn)子流量計處氨溫度c流量計處C02的體積流量m3/h水轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)水流量中和C02用Ba(OH)2的濃度Mmol/1中和CO2用Ba(OH)3的體積ml滴定用鹽酸的濃度Mmol/1滴定塔底吸收液用鹽酸的體積ml滴定空白液用鹽酸的體積ml樣品的體積ml塔底液相的溫度c亨利常數(shù)E塔底液相濃度CaikmoI/m3空白液相濃度Ca2kmoI/m3傳質(zhì)單兀周度HLE-7kmol/(m3*Pa)平衡濃度CA*10-2kmol/m3平均推動力△CAmkmoICO2/m2液相體積傳質(zhì)系數(shù)KYam/s附錄表五二氧化碳在水中的亨利系數(shù)EX10-5,kPa氣體溫度，c0510152025303540455060CO20.7380.8881.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46【思考題】1、下列關(guān)于體積傳質(zhì)系數(shù)與液泛程度的關(guān)系正確的是：a、液泛越厲害，Kya越小b、液泛越厲害，Kya越大c、Kya隨液泛程度先增加后減少d、Kya隨液泛程度無變化2、關(guān)于亨利定律與拉烏爾定律計算應(yīng)用正確的是：a、吸收計算應(yīng)用亨利定律b、吸收計算應(yīng)用拉烏爾定律c、精餾計算應(yīng)用亨利定律d、精餾計算應(yīng)用拉烏爾定律3、關(guān)于填料塔壓降△p與氣速u和噴淋量I的關(guān)系正確的是:a、u越大，△p越大b、u越大，△p越小c、I越大，△p越大d、I越大，△p越小4、判斷下列諸命題是否正確？a、噴淋密度是指通過填料層的液體量c、噴淋密度是指單位時間通過填料層的液體量d、噴淋密度是指單位時間通過單位面積填料層的液體體積5、干填料及濕填料壓降-氣速曲線的特征:a、對干填料u增大△P/Z增大b、對干填料u增大△P/Z不變c、對濕填料u增大△P/Z增大d、載點以后泛點以前u增大△P/Z不變e、泛點以后u增大△P/Z增大6、測定壓降-氣速曲線的意義在于：a、確定填料塔的直徑b、確定填料塔的高度c、確定填料層高度d、選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機7、測定傳質(zhì)系數(shù)kya的意義在于:a、確定填料塔的直徑b、計算填料塔的高度c、確定填料層高度d、選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)機8、為測取壓降-氣速曲線需測下列哪組數(shù)據(jù)？a、測流速、壓降和大氣壓b、測水流量、空氣流量、水溫和空氣溫度c、測塔壓降、空氣轉(zhuǎn)子流量計