填料塔吸收过程实验.

实验题⽬：填料塔吸收过程实验 1实验4 填料塔吸收过程实验⼀、实验⽬的

(1)了解填料吸收塔的基本结构，熟悉吸收实验装置的基本流程，搞清楚每⼀个附属设备的作⽤和设计意图。(2)掌握产⽣液泛现象的原因和过程。

(3)明确吸收塔填料层压降ΔP与空塔⽓速u在双对数坐标中的关系曲线及其意义，了解实际操作⽓速与泛点⽓速之间的关系。(4)掌握测定含氨空⽓-⽔系统的体积吸收系数Kya的⽅法。(5)熟悉分析尾⽓浓度的⽅法。

(6)掌握⽓液体积转⼦流量计使⽤⽅法和安装要求，湿式流量计的使⽤⽅法和连接要求。⼆、实验任务

(1)观察在⼀定液体喷淋密度下，当⽓速增⼤到⼀定程度时产⽣的液泛现象，测得液泛⽓速，并根据液泛⽓速确定操作⽓速。(2)根据实际测得的原始数据，在双对数坐标中画出填料层压降ΔP与空塔⽓速u的关系曲线。

(3)测定含氨空⽓-⽔系统在⼀定的操作条件下的体积吸收系数Kya。(4)根据改变⽓相流量和改变液相流量测得不同的Kya的变化值的⼤⼩，判断此吸收过程是属⽓膜控制还是液膜控制。(5)讨论影响吸收操作系统稳定的因素。

三、实验装置

填料塔吸收操作及体积吸收系数的测定实验装置流程⽰意图见图1。本实验装置的主要设备有填料吸收塔1、旋涡泵2、空⽓转⼦流量计3、四个U形管差压计(13、14、1

5、16)、氨⽓钢瓶4、氨⽓压⼒表5、氨⽓减压阀6、氨⽓稳压罐7、氨⽓转⼦流量计8、⽔转⼦流量计

9、吸收瓶10、湿式流量计11、三通旋塞12、温度计17、18、19。

本实验物系为⽔-空⽓-氨⽓。由旋涡⽓泵产⽣的空⽓与从液氮钢瓶经过减压阀后的氨⽓混合后进⼊填料塔底部。吸收剂⽔从塔顶喷淋⽽下，从塔底经液封装置排出。⽓液在填料层内接触、传质，经吸收后的尾⽓从塔顶排出。很少量的⼀⼩部

分尾⽓通过三通阀引进洗⽓瓶，洗⽓瓶内装有已知浓度和⼀定体积量的稀硫酸，尾⽓与稀硫酸进⾏中和反应，经吸收后的尾⽓通⼊湿式流量计后放空。从湿式流量计可以测出此⼩部分尾⽓经过洗⽓瓶的空⽓体积量。四、实验原理和⽅法

1.填料塔压⼒降 p与空塔⽓速u的关系

填料塔的压⼒降与泛点⽓速是填料塔设计与操作的重要流体⼒学参数。⽓体通过填料层的压⼒降将实验题⽬：填料塔吸收过程实验 2

随⽓液流量的变化⽽改变。填料层的压⼒降?p与空塔⽓速u的关系如图2所⽰。当⽆液体喷淋(L=0)时，?p~u关系在双对数坐标中

为⼀斜率在1.8~2.0之间的直线，如图2中AB线。当液体喷淋密度达到⼀定值(如L=L1)后，液体以液膜状流经填料表⾯，?p~u关系如图2中A1B1C1D1线所⽰，由两个转折点B1、C1分为三个区段。其中第⼀区段A1B1为恒持液区，在此区段中空塔⽓速较低，⽓体流速对填料表⾯上覆盖的液膜厚度⽆明显影响，填料层内的持液量与空塔⽓速⽆关，仅随喷淋量的增加⽽增⼤。此区段的?p~u关系线与AB线平⾏，由于持液使填料层空隙率减⼩，故压降⾼于相同空塔⽓速下的⼲塔压降。当空塔⽓速增⼤⾄⼀定程度时，⽓体对液体的流动产⽣明显的牵制作⽤，随空塔⽓速增⼤，液膜增厚，出现填料层持液量增加的所谓\"拦液状态\"(或称截液现象)，

此时的状态点称为载点或拦液点，即图2中的B1点。空塔⽓速⼤于载点⽓速后，填料层内的持液量随空塔⽓速增加⽽增⼤，在空塔⽓速增⼤与空隙率下降的双重作⽤下，?p~u关系线呈向上弯曲的形状，即图中的第⼆区段B1C1。

当⽓体速度继续增⼤，达到点C1相当的值时，上升⽓流对液体所产⽣的曳⼒使得液体向下流动严重受阻，积聚的液体充满填料层空隙，⽓体只能以⿎泡的形式上升，致使填料层压降急剧上升，?p~u关系线变得⾮常陡峭，如图2中C1D1区段。此现象称为液泛，C1点称为泛点。

填料塔在液泛状态(C1D1区段)下操作，⽓液相间的接触⾯积最⼤，传质效率最⾼，但操作最不稳定，因此实际操作⽓速应控制在既接近于液泛，但⼜不发⽣液泛时的⽓速。⼀般操作⽓速取液泛⽓速的60%~80%。2.填料层压降和空塔⽓速的测定填料层压降定义为p=ρRg （4-1）

式中?p——填料塔顶、底的压降，Pa ；

R⼀⼀直接与塔顶、底相连的U形管压差计读数，m；ρ ⼀⼀指⽰剂的密度，kg/m3。

塔内⽓体流速⽤空塔⽓速u表⽰，其定义为⽓体体积流量与塔截⾯之⽐。即u=

式中 u——空塔⽓速，m/s； Q （4-2）ΩQ⼀⼀塔内⽓体体积流量，m3/s；Ω⼀⼀塔截⾯积，m2。

实验题⽬：填料塔吸收过程实验 3

流量计的标定条件为t=293.15K，p0=101325Pa，⽓体转⼦流量计的标定介质为空⽓，液体转⼦流量计的标定介质为⽔。实验测量⽓体、液体体积时操作条件与标定条件不同，所以必须经过校正。当被测介质是⽓体，则其体积流量校正式为：Q=QNρ0P0Tρ0 （4-3）=QNρS0PT0ρ

式中 Q⼀⼀实际⽓体体积流量，m3/h；

QN⼀⼀操作条件下转⼦流量计中读得的⽓体流量， m3/h；ρ0⼀⼀标定条件下空⽓的密度，kg/m3；ρS0⼀⼀被测⽓体在标定条件下的密度，kg/m3；ρ⼀⼀指实际测量条件下被测⽓体的密度，kg/m3；P0⼀⼀标定条件的绝对压⼒，101325Pa；T0⼀⼀标定条件的绝对温度，293.15K；P⼀⼀实际操作条件下被测⽓体的绝对压强，Pa；T⼀⼀实际操作条件下被测⽓体的绝对温度，K。当被测介质是液体，则其体积流量校正式为：Q=QNρ0(ρf-ρ) (4-4) ρ(ρf-ρ0)

式中 Q⼀⼀实际液体体积流量， m3/h；

QN⼀⼀操作条件下转⼦流量计中读得的液体流量， m3/h；ρf⼀⼀转⼦的密度，kg/m3；

ρ⼀⼀指实际测量条件下被测液体的密度，kg/m3；ρ0⼀⼀标定条件下⽔的密度，kg/m3。

根据实测的?p与求得的空塔⽓速u值，可在双对数坐标中作出关系曲线，即在图2中可以得到液泛⽓速，也就确定了实际⽓速操作的范围。3.体积吸收系数的测定(1)相平衡常数

由空⽓和氨⽓混合后进⼊塔底，液相清⽔由塔顶喷淋⽽下，系统总压P⼀般取塔内的平均压⼒，根据塔顶压⼒和塔顶、底压差可以得出塔内平均压⼒。p=p底+p顶 (4-5)

p=亨利系数的计算式⼦为： p顶+p底2=p底+?p (4-6) 2lgE=11.468-1922/T (4-7)式中 E⼀⼀亨利系数，Pa；T⼀⼀塔内液相平均温度，K。实验题⽬：填料塔吸收过程实验 4

实验中因塔底液相温度与塔内平均温度⾮常接近，所以T取塔底液相温度。

进塔混合⽓中溶质的摩尔组成⼩于10%，属于低浓度⽓体吸收。在双膜理论的基础上，操作范围之内，塔内任⼀截⾯处的⽓液两相成平衡关系，⽓液相平衡关系为y*=mx，此式中m为相平衡常数，且m=E。 P(2)总体积传质吸收系数

对于低浓⽓体吸收，传质系数可视为常数。对于塔内填料的类型与尺⼨⼀定，单位体积填料的有效⽓液接触⾯积，主要取决于流体流动情况。因⽓、液流率⼏乎不变，全塔的流动状况相同，故传质系数在全塔可视为常数。总体积吸收系数反映了填料吸收传质性能的主要参数之⼀，也是设计填料塔的重要基础数据。对低浓⽓体吸收，可近似取：y≈y （4-8a） 1+y

xX=≈x （4-8b） 1+x

(3)吸收塔内NH3为被⽔吸收的量GA Y=对整个吸收塔进⾏物料衡算：GA=V(Y1-Y2)=L(X1-X2) (4-9)式中 V⼀⼀空⽓的摩尔流量，kmol/h；L⼀⼀吸收剂⽔的摩尔流量， kmol/h；

Y1、Y2⼀⼀进、出塔⽓体组成的⽐摩尔分数，kmolNH3/ kmolAIR；X1、X2⼀⼀出、进塔液相组成的⽐摩尔分数， kmolNH3/ kmolAIR。(4)进塔⽓体浓度Y1的确定Y1=nNH3nAir （4-10）

式中 nNH3——进塔混合⽓体中氨⽓的物质的量，kmol；nAir——进塔混合⽓体中空⽓的物质的量，kmol。(5)出塔⽓体(尾⽓)组成Y2的确定

因为出塔⽓体(尾⽓)还含有很少量的氨，是弱碱性的，所以可以通⼈浓度已标定，体积数⼀定的酸中进⾏中和反应，测出尾⽓中氨⽓的浓度。具体测定是，取Va(ml)浓度为Ma(mol/L)的硫酸置于吸收瓶中，加2~3滴指⽰剂(例溴百⾥酚兰)，少量的尾⽓通⼈洗⽓瓶内，硫酸吸收后再经湿式流量计放空，尾⽓⼀直通到中和反应的终点(即指⽰剂由黄棕⾊变⾄黄绿⾊)马上停⽌通⽓。按式(4-11)计算出Y2。Y2=nNH3

nAir2MaVa?10-3 （4-11） =P0V0RT0

实验题⽬：填料塔吸收过程实验 5

式中 Y2⼀⼀出塔⽓体的⽐摩尔浓度，kmolNH3/kmolAIR；Ma——硫酸的摩尔浓度，mol/L；Va——所⽤硫酸的体积，ml；

P0、V0、T0⼀⼀尾⽓经洗⽓瓶吸收后，通过湿式流量计空⽓的压⼒(Pa)、体积(L)、温度(K)；R⼀⼀⽓体常数。(6)出塔液相组成X1的确定

因进塔液相是清⽔，X2=0，由式(4-9)可知：X1=V(Y1-Y2) （4-12） L

也可以⽤酸碱中和滴点法测得(⽅法略)。(7)总传质推动⼒的确定Y=Y-Y*

Ym=Y1-Y2(Y1-mX2)-(Y2-mX1) （4-13）=ln(?Y1/?Y2)ln[(Y1-mX1)/(Y2-mX2)]

(8)总体积传质吸收系数kya的计算

溶质被吸收的量GA由物料衡算可求得，⼜GA=KYaΩh?Ym

所以 KYa=GA （4-14）Ωh?Ym

式中 KYa——总体积传质吸收系数，kmol/m3﹒hGA——溶质被吸收的量，kmol/h；Ω⼀⼀吸收塔的截⾯积，m2；h⼀⼀填料层⾼度，m。五、仿真实验操作步骤

在仿真实验主界⾯中选择\"吸收实验\"，点击进⼊吸收过程实验界⾯，输⼊学号，回车，点击\"仿真操作\"，进⼊实验操作界⾯。1.ΔP~u曲线的测定

⾸先点击\"开始实验\"按钮，双击吸收剂调节阔，得⼀阀门开度放⼤图，点\"+\"、\"⼀\"符号，可增减阀门的开度，先增⼤⽔的流量，润湿塔内填料，随后调节⽔流量到⼀定值，例如取30L/h，然后点击风机开关的绿⾊按钮，启动旋涡⽓泵，双击空⽓流量调节阀，慢慢增⼤风量，同时注意观察塔内⽓液流动形态，直⾄填料层中产⽣乳化现象，即表明已发⽣液泛。记下液泛时的最⼤空⽓量(例15m3/h)，再根据最⼤空⽓量规划各个实验状态点的风量值。为了使实验点在坐标轴上分布均匀，风量应按等⽐数列安排，⽐值取1/4。实验时风量应从⼩到⼤逐级调节，每改变⼀次风量，需待系统稳定后再点击\"读取数据\"按钮，以记录该实验状态点的实验数据。⼀个喷淋密度下⼀般测10组数据左右，最后⼀组数据应在泛点下测取。2.体积吸收系数Kya的测定实验题⽬：填料塔吸收过程实验 6

调节⽔量⾄0.03 m3/h不变，空⽓量取液泛时的0.6~0.8倍，例如取12m3/h；打开氨减压阀。为了保证在低浓⽓体下吸收，氨⽓的体积流量应⼩于空⽓流量的

7.7%，例如取4%，则氨⽓流量为0.48 m3/h。等系统稳定后，双击屏幕左上侧的尾⽓吸收瓶，使尾⽓吸收瓶和湿式流量计相连，点击三通阀门，尾⽓引⼈吸收瓶与内装⼀定量的浓度已知的稀硫酸进⾏中和反应。当指⽰剂由红⾊变成黄绿⾊时，中和反应达到终点，此时计算机弹出⼀个对话框，提⽰中和反应已达终点，点击\"确定\"即可结束尾⽓分析。再点击\"读取数据\"按钮，则可⾃动读取第⼀个操作条件下的各测量参数。

保持空⽓和氨⽓流量不变，改变⽔量，例如增⼤到0.036 m3/h，等系统稳定后，重复以上数据测取操作。再在第⼆个实验状态点的基础上，保持⽔流量不变，将空⽓的流量减⼩到9

m3/h，则相应的氨⽓流量为0.36 m3/h，等系统稳定后，再重复以上数据测取操作。如是得到三种操作条件下的Kya测试原始数据。

六、实验数据处理

当测完实验数据后，可点击实验操作界⾯上部的\"数据处理\"按钮，进⼊数据处理界⾯，进⾏实验数据处理。1. Δp~u曲线的数据处理Δp~u 原始数据Δp~u数据处理

实验题⽬：填料塔吸收过程实验 7Δp~u数据处理图

点击界⾯左侧的\"Δp~u\"按钮，则列表显⽰出原始测定数据，再点击\"数据处理\"，⼜会列表显⽰数据处理结果。再双击\"作图\"。则可在双对数坐标中作出塔顶、底压降Δp与空塔⽓速u的关系，并在右上侧显⽰泛点⽓速和载点⽓速。图5.6Ap~u曲线的原始数据记录2. Kya的数据处理Kya\"原始数据

实验题⽬：填料塔吸收过程实验 8 Kya\"数据处理表

点击界⾯左侧的\"Kya\"按钮，可得到在三种操作条件下的原始数据表格。再点击\"数据处理\"按钮，则可得到实验结果列表，其中最终结果为Kya。

从实验结果可以看出，当⽔量不变，只改变⽓量时的Kya值⼤于改变⽔量⽽⽓量不变时的ΔKya值，因此表明⽔吸收氨是属于⽓膜控制的过程。七、实验装置停车操作

点击\"返回实验室\"按钮，返回实验操作界⾯。按以下顺序执⾏停车操作：(1)关闭氨⽓阀门。

(2)关闭空⽓阀门和风机开关。(3)关闭⽔阀门，实验结束。

(4)点击\"EXIT\"按钮，退出实验室，结束实验。⼋、实验仿真操作过程注意事项

(1)测Δp~u关系曲线时，空⽓流量应按等⽐数列变化，这样可保证实验点在双对数坐标轴上分布均匀。

(2)左上侧尾⽓吸收瓶只有三只，只能分析三次尾⽓浓度，如果超过三次，则吸收瓶不能复原，只能重新再做实验。(3)当连接了尾⽓吸收瓶后，别忘了还应点击三通，使部分尾⽓通⼊吸收瓶进⾏中和反应，否则⽆法得到尾⽓的浓度。九、思考题

1.为什么要测Δp~u的关系曲线?实际操作⽓速与泛点⽓速之间存在什么关系?2.什么是空塔⽓速?空塔⽓速是如何得到的?

3.混合⽓体经过填料塔吸收后，塔顶尾⽓浓度是怎样测定的?

4.经过填料塔吸收后，从塔底出来的液相浓度可⽤哪⼏种⽅法测得?哪⼀种最准确?5.在尾⽓分析过程中，从湿式流量计读得的体积数表⽰的是什么体积?

6.⽤清⽔吸收混合⽓中的氨，其推动⼒是什么?属于什么控制?其阻⼒主要集中在哪⼀相?

7.本实验属低浓度⽓体吸收，其进塔浓度Y1应取多⼤?⽽实际装置中是以转⼦流量计测出空⽓、氨⽓的体积流量，则体积流量之⽐应怎样控制?8.填料吸收塔内发⽣的液泛现象与哪些因素有关?9.哪些操作条件会影响本实验系统的稳定性?

10.针对本实验装置，影响传质系数Kya的因素有哪些?其中主要因素是什么

实验题⽬：填料塔吸收过程实验