化工原理实验报告_吸收

填料塔流体力学特性与吸收系数的测定
一、实验目的: 1.观察填料塔内气液两相流动情况和液泛现象 2.测定干、湿填料层压降,在双对数坐标纸上标绘出空塔气速与湿填料层压降的关系 曲线。 3.了解填料吸收塔的流程及构造。 4.测定在一定条件下,用水吸收空气中氨的吸收系数。 二、实验原理: 填料塔压降和泛点与气、 液相流量的关系是其主要的流体力学特性。 吸收塔的压降与动 力消耗密切相关,而根据泛点则可确定吸收塔的适宜气、液相流量。 气体通过填料塔时,由于存在形体及表皮阻力而产生压力降。无液体喷淋时,气体的压 力降仅与气体的流速有关, 在双对数坐标纸上压力降与空塔速度的关系为一直线, 称为干填 料压降曲线。当塔内有液体喷淋时,气体通过填料塔的压力降,不仅与气体流速有关,而且 与液体的喷淋密度有关。在一定的喷淋密度下,随着气速增大,依次出现载点和泛点,相应 地?P/Z?U 曲线的斜率也依次增大,成为湿填料压降曲线。因为液体减小了空隙率,所以后 者的绝对值和斜率都要比前者大。 吸收系数是吸收设备的主要性能参数, 影响吸收系数的因素包括气体流速、 液体喷淋密 度、温度、填料的自由体积、比表面积以及气液两相的物化性质等。 本吸收实验以水为吸收剂,吸收空气-氨气体系中的氨。因为氨气为易溶气体,所以此 吸收操作属气膜控制。吸收系数随着气速的增大而增大,但气速增大至某一数值时,会出现 液泛现象,此时塔的正常操作将被破坏。 本实验所用的混合气中,氨气浓度很低,吸收所得的溶液浓度也不高。气液两相的平衡 关系可认为符合亨利定律

Y * ? mX
吸收过程的传质速率方程为: N A ? KY a ? V填 ?Ym 吸收过程的物料衡算式为: N A ? V ?Y1 ? Y2 ? 式中:

N A ——氨的吸收量,kmol/s
V ——空气流量,kmol/s

Y1 ——塔底气相浓度,kmolNH3/kmolair

Y2 ——塔顶气相浓度,kmolNH3/kmolair
3 ?s K Y a ——以气相摩尔比差为推动力的体积吸收系数, kmol/m

本实验所用装置与流程如图 1 所示, 清水的流量由转子流量计显示。 空气和氨气的流量 也分别由转子流量计显示, 二者混合后再进入吸收塔, 所以其中氨气的摩尔比可用下式计算 得到:

Ck238XQBYL( wW cprylbjJfDvIT.Fz'AZS-PO1940KM thisend,HogaquNxm 是 景 背 干 戚 现 出 代 制 ”家 稷 社 重 庙 “宗 为 视 人 当 被 这 。 择 选 中 之 们 他 从 要 主 也 臣 大 政 执 小 幼 ;若 侯 封 例 安 父 祖 外 、 舅 的 帝 皇 , 期 时 汉 两

Y1 ?

V NH 3 Vair

0

0

空气泵 进水温度传感 器 塔顶压力单管 压差计 压力变送器 填料吸收塔 放空阀 吸收盒 水 湿式流量计

空 气 下 水

氨 气

图 1. 填料吸收塔实验装置示意图

出口气体中氨气的浓度利用酸碱滴定的方法测定,其摩尔比可用下式计算

Y2 ?

(V ? N ) HCl ? T0 ? Vair ? ?T ? ? / 22.4 ? 1?

V 为盐酸的体积(L) ,N 为浓度(mol/L) ,Vair 为湿式气体流量计的读数,T1 为空气的温度。 计算过程中需要根据亨利定律计算气体的平衡浓度, 亨利常数可根据附录的水温关系表 内插得到,以水温为基准。气体的总压取塔顶和塔低的平均值。

P?
X1 ?

P1 ? P2 2

m?
*

E P

V ? ?Y1 ? Y2 ? ? X 2 L

Y1 ? mX1

X2 ? 0
平均传质推动力为
*

Y2 ? mX2

*

?Ym ?

?Y ? Y ? ? ?Y ? Y ? ?Y ? Y ? ln ?Y ? Y ?
* 1 * 1 * 2

2

体积吸收系数为

KY a ?

V ?Y1 ? Y2 ? ? ? Z ? ?Ym
2
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主要技术数据 1# 、2# 塔 填料层高度:陶瓷拉西环填料为 0.35 米 塔内径 50mm 3#、4#塔 塔内径 100 mm 填料层高度塑料鲍尔环 700mm S=0.00785m2 三、实验步骤 1. 打开仪表开关,启动气泵。 2. 调节空气流量 8 次,读取干填料时的塔顶、塔底压力。 3. 开启进水阀,水由塔顶进入塔内,将填料润湿。 4. 当水流量为 20L/h(1# 、2# 塔)或 60L/h(3#、4#塔)时,由小到大改变空气流 量 6~8 次,直至液泛现象发生,读取湿填料时的塔顶、塔底压力,记录下载点、液泛点时 的空气流量。 1.用移液管量取一定量的已知浓度的盐酸溶液(0.5-1mol,0.mol/L) ,放入吸收盒,加 入几滴(2-3)甲基橙作指示剂,再加蒸馏水至一定位置,连接好管路。 2. 开启水流量调节阀, 使填料充分润湿, 将水流量调节至要求值 (1# 、 2# 塔: 20L/h, 3#、4#塔:60L/h) 。 3.启动气泵,调节空气流量至规定值,调节氨气流量至规定值,待系统稳定后,慢慢 打开吸收盒阀门,注意通过吸收盒的气速不易过快。 1# 、2# 塔 空气:2m3/h,氨气:75L/h 空气:1.5m3/h,氨气:50 L/h 3#、4#塔 空气:10m3/h,氨气:250L/h 空气:14m3/h,氨气:350 L/h 4.待甲基橙的颜色由橙色变为黄色时,实验结束,记录相关数据,洗净吸收盒。 注意事项: 1.氨气的实际流量=氨气流量计读数*4/3 2.亨利系数由吸收剂水的温度查表得到。 3.塔顶、底压力表的读数为表压力,单位为 kPa。 4.进行尾气分析时,要密切观察溶液颜色的变化,一旦变色马上记取湿式流量计所走刻 度的数值 5.实验完毕,先关闭氨气系统,再关水、空气泵 四、实验报告 实验测得 1#实验装置的干、湿填料压降与空塔速度的关系列于表 1 中。其中,塔的横 截面积为:

S ?

?
4

(0.05)2 ? 0.00196m 2

在双对数坐标纸上绘出空气通过干、湿填料层的压降与空塔速度的曲线,即?P/Z?U 曲 线,如图 2 所示。

3
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表 1. 1#填料塔的流体力学特性数据 水流量 L=0 时 气体流量 m3/h 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 空塔速度 u m/s 0.141 0.170 0.198 0.227 0.255 0.283 0.312 0.340 0.368 单位高度阻 力降 kPa/m 7.14 8.57 11.4 15.7 20 24.2 28.6 32.9 38.6 气体流量 m3/h 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 水流量 L=20L/h 时 空塔速度 u m/s 0.141 0.170 0.198 0.227 0.255 0.283 0.312 单位高度阻 力降 kPa/m 14.3 22.9 25.7 32.9 42.9 57.1 71.4

100

L=20L/h
deltaP/Z (kPa/m)

干填料
10

0.1

U (m/s)

图 2. 实验测定的干、湿填料的压降曲线 计算在不同空塔速度下的吸收系数 K Y a 。 水流量为 20L/h 空气流量为 2m3/h 氨气流量为 75?(4/3)=100L/h 水的温度为 13?C 查附表知亨利系数为 E=0.57atm 盐酸用量为 1ml,其当量浓度为 C=0.00862mol/L,湿式流量计测得空气的体积为 0.3L。 计算过程如下:

Y1 ?

V NH V air

0
3

0

?

100 ? 0.05 2000

4
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Y2 ?

(V ? N )HCl 1 ? 10?3 ? 0.00862 ? ? 0.000674 ?T0 ? 273 ) / 22.4 V air ? ? / 22.4 0.3 ? ( 273 ? 13 ?T1 ?

P ?

17 ? 101.3 ? 109.8kPa 2 2 E 0.57 ? 101.3 m? ? ? 0.53 P 109.8 ?
X2=0

P1 ? P2

Y 2* ? 0
109.8 ? 103 ? 2 V ? ? 92kmol / h 8.314 ? 286
20 ? 103 ? 1111.1kmol / h 18 V 92 X1 ? ? ? Y1 ? Y 2 ? ? X 2 ? (0.05 ? 0.000674) ? 0 ? 0.0041 L 1111.1 L?

Y1 ? mX 1 ? 0.53 ? 0.0041 ? 0.0022
*

?Y ? Y ? ? ?Y ? Y ? ?Y ? ?Y ? Y ? ln ?Y ? Y ?
* * 1

2

m

*

1

*

2

(0.05 ? 0.0022) ? (6.74 ? 10? 4 ? 0) ? ? 0.011 0.05 ? 0.0022 ln 6.74 ? 10? 4 ? 0

KY a ?

V? Y1 ? Y 2 ? 92 ? (0.05 ? 0.000674) ? ? 167kmol /(m 3 ? s ) ? ? Z ? ?Y m 0.00196 ? 0.35 ? 0.011 ? 3600

实验测得 3#实验装置的干、湿填料压降与空塔速度的关系列于表 2 中。其中,塔的横 截面积为: 表 2. 3#填料塔的流体力学特性数据
水流量 L=0 时 气体流量 m /h 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5
3

水流量 L=60L/h 时 单位高度阻力降 kPa/m 7.14 8.57 11.4 15.7 21.4 27.1 34.3 47.1

水流量 L=80L/h 时 气体流量 m /h 12 14 16 17.5 19 20 22 23.5
3

空塔速度 m/s 0.177 0.265 0.354 0.442 0.531 0.619 0.708 0.796

单位高度阻 力降 kPa/m 5.71 7.14 10.0 12.9 18.6 22.9 28.6 35.7

空塔速度 m/s 0.425 0.495 0.566 0.619 0.672 0.708 0.778 0.832

单位高度阻 力降 kPa/m 17.1 21.4 27.1 31.4 37.1 41.4 50 58.6

5
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S ?

?
4

(0.1)2 ? 0.00785m 2

在双对数坐标纸上绘出空气通过干、湿填料层的压降与空塔速度的曲线,即?P/Z?U 曲 线,如图 3 所示。
100

L=80L/h
DeltaP/Z (kPa)

L=0L/h
10

L=60L/h

0.1

1

U (m/s)

图 3. 实验测定的干、湿填料的压降曲线 计算在不同空塔速度下的吸收系数 K Y a 。 水流量为 60L/h 空气流量为 10m3/h 氨气流量为 250?(4/3)=333.3L/h 水的温度为 13?C 查附表知亨利系数为 E=0.57atm 盐酸用量为 1ml,其当量浓度为 C=0.00862mol/L,湿式流量计测得空气的体积为 0.24L。 计算过程如下:

Y1 ?

V NH V air

0
3

0

?

333.3 ? 0.0333 10000

(V ? N )HCl 1 ? 10?3 ? 0.008662 Y2 ? ? ? 0.000847 ?T0 ? 273 ) / 22.4 V air ? ? / 22.4 0.24 ? ( 273 ? 13 ?T1 ?

P ?
m?
X2=0

P1 ? P2
2

?

7 ? 101.3 ? 104.5kPa 2

E 0.57 ? 101.3 ? ? 0.55 P 104.5

Y 2* ? 0

6
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104.5 ? 103 ? 10 V ? ? 439.7kmol / h 8.314 ? 286
L? 60 ? 103 ? 3333.3kmol / h 18

X1 ?
*

V 439.7 ?? Y1 ? Y 2 ? ? X 2 ? (0.0333 ? 0.000847) ? 0 ? 0.0043 L 3333.3

Y1 ? mX 1 ? 0.55 ? 0.0043 ? 0.0024
?Ym ?

?Y ? Y ? ? ?Y ? Y ? ?Y ? Y ? ln ?Y ? Y ?
* * 1 * 1 * 2

2

?

(0.0333 ? 0.0024) ? (0.000847 ? 0) ? 0.0083 0.0333 ? 0.0024 ln 0.000847 ? 0

KY a ?

V? Y1 ? Y 2 ? 439.7 ? (0.0333 ? 0.000847) ? ? 86.9kmol /(m 3 ? s ) ? ? Z ? ?Y m 0.00785 ? 0.7 ? 0.0083 ? 3600

水流量为 60L/h 空气流量为 14m3/h 氨气流量为 350?(4/3)=466.7L/h 水的温度为 13?C 查附表知亨利系数为 E=0.57atm 盐酸用量为 1ml,其当量浓度为 C=0.00862mol/L,湿式流量计测得空气的体积为 0.32L。 六、思考题 1.本实验中怎样才能提高体积吸收系数 K Y a 的数值? 增加气体流速,换用比表面积更大的填料。 2.当气体温度与吸收剂温度不同时,应按哪种温度来查取亨利常数? 按吸收剂的温度,因为溶解度主要与液体的温度有关。 3.干填料层的 ?P

Z

~ U 关系与湿填料层的 ?P

Z

~ U 关系有什么不同?

干填料压降曲线为一条直线,湿填料曲线的斜率是变化的,依次有载点和泛点。 4.通常填料的空塔操作下气速应控制在多少? 应控制在载点气速以上,泛点气速的 0.8 倍以下。 附录: 亨利系数与水温的关系: 水温 ℃ 亨利系数 E (atm) 水温 ℃ 亨利系数 E (atm) 5 0.4 6 0.42 7 0.44 8 0.46 9 0.48 10 0.5 11 0.52 12 0.54 13 0.57

14 0.6

15 0.625

16 0.655

17 0.69

18 0.72

19 0.76

20 0.795

21 0.83

22 0.865

7
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