填料塔吸收操作及体积吸收系数的测定

实验报告课程名称：过程工程原理实验指导老师：叶向群成绩：实验名称：填料塔吸收操作及体积吸收系数的测定实验类型：工程实验同组学生姓名：一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、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ΔP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KYα。二、实验装置1.本实验装置的流程示意图见图5-1。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。专业：化学工程与工艺姓名：_学号：日期：2015.11.26地点：教十22101—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—液位计图5-1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ΔP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ΔP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ΔP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ΔP~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。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。'Vu（1）式中：u——空塔气速，m/sV’——塔内气体体积流量，m3/sΩ——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ΔP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ΔP~u值，标绘在双对数坐标纸上，即可得到ΔP~u关系曲线。（二）体积吸收系数KYα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：PEm（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：TE/1922468.11lg（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ΔP，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KYα体积吸收系数KYα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：mYAYhaKG则mAYYhGaK（5）式中：KYα——气相体积吸收系数，kmol/m3·h；α——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；Ω——塔截面积，m2；h——填料层高度，m；ΔYm——吸收推动力，气相对数平均浓度差。为求得KYα，需求取GA及ΔYm。（1）被吸收的NH3量GA，可由物料衡算求得：)()(2121XXLYYVGA（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VVYA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。airNHnnY32（8）式中：3NHn——氨气的摩尔数，mol；airn——空气的摩尔数，mol。（I）尾气样品中氨的摩尔数3NHn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：31023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：310)'(23VaVaManNH（10）（II）尾气样品中空气摩尔数airn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。000RTVPnair（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=8314N·m/(mol·K)。由式（9）、（10）可求得3NHn和airn，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mY2121lnYYYYYm其中11*111mXYYYY222*222YmXYYYY式中：*1Y、*2Y——与液相浓度1X、2X相对应的气相平衡浓度，kmolA/kmolB。出塔液相浓度1X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、mY后，由式（5）即可求得KYα。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KYα。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、实验数据记录和处理大气压：102.91kPa填料塔直径：70mm填料层高度：35.1cm标准酸浓度：0.03mol/L表1水流量：0L/h数据记录表序号空气流量m3/h空气温度℃空气表压Kpa塔顶底压差Kpa塔顶表压Kpa校正流量m3/h塔内气速m/s116153.820.692.9814.937471.078173210141.520.301.179.5084240.6863136140.560.110.355.7579860.41560644140.320.090.243.8475820.27771552.5140.100.030.072.4098750.173943表2水流量：30L/h数据记录表空气流量m3/h空气温度℃空气表压Kpa塔顶底压差Kpa塔顶表压Kpa塔底液温℃校正流量m3/h塔内气速m/s14.5214.92.282.53913.6800.98741319.53.291.092.00912.3870.894110.5162.010.661.27910.0060.72228.5161.320.440.8498.15400.58857.0150.900.310.5896.71890.48495.5150.550.190.3595.29700.38234.5150.380.140.2594.34100.31334.0150.300.120.2093.86170.27873.0150.160.070.1092.90020.20932.5150.120.050.0792.41770.174512.5203.021.111.821011.9620.8634图1L=0时的Δp-u图图2L=30时的Δp-u图1．L=0时，斜率为1.65，与理论值1.8接近；2．由上图可知，液泛点约为12.5，与实验时数据相同。表3体积吸收系数试验数据记录表序号123456空气流量m3/h101010101212空气温度℃202020202020空气表压Kpa1.941.941.931.972.332.35氨气流量L/h400400400400480480氨气温度℃101010101010氨气表压Kpa2.042.032.062.072.452.45水流量计读数L/h303036363030塔顶底压差Kpa0.70.680.720.720.830.84塔顶表压Kpa1.191.191.21.191.441.45塔底液温℃131414141414吸收盘加酸量mL101010101010脱氨后空气量L2.442.162.642.922.21.84脱氨后空气温度℃888888E56395.359516.159516.159516.159516.159516.1塔内平均压力kpa104.45104.44104.47104.46104.765104.78相平衡常数m0.539930.569860.569700.569750.568090.56801空气校正流量m3/h9.679.679.679.6711.5611.56氨气校正流量m3/h0.3730.3730.3730.3730.4460.446空气摩尔流率kmol/h0.41600.41600.41600.41610.49920.4993氨气摩尔流率kmol/h0.016630.016630.016630.016630.019960.01996Y10.039970.039970.039980.039970.039990.03998脱氨摩尔量mol0.00060.00060.00060.00060.00060.0006脱氨后空气摩尔量mol0.10740.09510.11620.12850.096840.08099Y20.005590.006310.005160.004670.006200.00741GAkmol/h