实验6 填料吸收塔实验
一、实验目的
⒈ 了解填料吸收塔的结构,测定填料层压强降与操作气速的关系。
⒉ 学习填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法。 ⒊ 了解空塔气速与液体流量对传质系数的影响。 二、实验原理 1.气体通过填料层的压强降
压强降是塔设计中的重要参数，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。压强降与气液流量有关，不同喷淋量下填料层的压强降ΔP与空塔气速u的关系如图6-1所示：
L3＞L2＞L1ΔP， kPa L0 =0321 0
u , m/s 图6-1 填料层的ΔP～u关系
当无液体喷淋即喷淋量L0=0时，干填料的ΔP～u的关系是直线，如图中的直线0。当有一定的喷淋量时，ΔP～u的关系变成折线，并存在两个转折点，下转折点称为“载点”，上转折点称为“泛点”。这两个转折点将ΔP～u关系分为三个区段：恒持液量区、载液区与液泛区。
2. 传质性能
吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数，而实验测定是获取吸收系数的根本途径。对于相同的物系及一定的设备（填料类型与尺寸），吸收系数将随着操作条件及气液接触状况的不同而变化。
本实验所用气体混合物中氨的浓度很低（摩尔比为0.02），所得吸收液的浓度也不高，可认为气-液平衡关系服从亨利定律，可用方程式Y*=mX表示。又因是常压操作，相平衡常数m值仅是温度的函数。
⑴ NOG 、HOG 、KYa 、 φA可依下列公式进行计算
NOG?Y1?Y2 （6-1） ?Ym 32
?Ym??Y1??Y2 （6-2） ?Y1ln?Y2Z （6-3） NOGV （6-4）
HOG?KYa?HOG???Y1?Y2A?Y 1式中：Z—填料层的高度，m；
HOG—气相总传质单元高度，m；
NOG —气相总传质单元数，无因次；
Y?1 、Y2 —进、出口气体中溶质组分的摩尔比，
kmol?Akmol?B?； ? Ym—所测填料层两端面上气相推动力的平均值；
? Y2、? Y1—分别为填料层上、下两端面上气相推动力； ? Y1= Y1- mX 1 ； ? Y2= Y2- mX 2 Xkmol?A?2 、X1 —进、出口液体中溶质组分的摩尔比，kmol?S?；
m—相平衡常数，无因次；
KYa—气相总体积吸收系数，kmol /（m3 · h）； V—空气的摩尔流率，kmol（B）/ h； Ω—填料塔截面积，m2；???24D。
?A—混合气中氨被吸收的百分率（吸收率）
，无因次。 ⑵ 操作条件下液体喷淋密度的计算
流体流量?m3喷淋密度U???h??? 塔截面积??m2????最小喷淋密度经验值Umin 为0.2 m3/ （m2· h） 四、实验装置
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6-5） 6-6） （ （
图6-2、填料吸收塔实验装置流程示意图
1-鼓风机、2-空气流量调节阀、3-空气转子流量计、4-温度计、5-液封管、
6-吸收液取样口、7-填料吸收塔、8-氨瓶阀门、9-氨转子流量计、10-氨流量调节阀、11-水转子流量计、12-水流量调节阀、13-U型管压差计、14-吸收瓶、 15-量气管、16水准瓶 ⒈ 实验主要设备与仪器
(1) 鼓风机: XGB型旋涡气泵,型号2,最大压力1176Kpa，最大流量75m／h
(2) 填料塔: 材质为硼酸玻璃管,内装10×10×1.5瓷拉西环, 填料层高度Z＝0.4m,填料塔内径 D＝0.075m (3) 液氨瓶一个 2. 流量测量:
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(1) 空气转子流量计: 型号: LZB-25 流量范围: 2.5─25m／h 精度: 2.5％
(2) 水转子流量计: 型号: LZB-6 流量范围: 6─60L／h 精度: 2.5％
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(3) 氨转子流量计: 型号: LZB-6 流量范围: 0.06─0.6m／h 精度: 2.5％
3. 浓度测量:
(1) 塔底吸收液浓度分析: 定量化学分析仪一套。（用户自备）
(2) 塔顶尾气浓度分析: 吸收瓶, 量气管, 水准瓶一套。
五、实验方法 实验物系为空气、氨和水
1. 测量干填料层(△P／Z)─u关系曲线:
先全开调节阀 2,后启动鼓风机,用阀 2 调节进塔的空气流量,按空气流量从小到大的顺序读取填料层压降△P,转子流量计读数和流量计处空气温度,?然后在对数坐标纸上以空塔气速 u为横坐标,以单位高度的压降△P／Z为纵坐标,标绘干填料层(△P／Z)─u关系曲线。 2. 测量某喷淋量下填料层(△P／Z)─u关系曲线:
用水喷淋量为40L／h时,用上面相同方法读取填料层压降△P,?转子流量计读数和流量计处空气温度并注意观察塔内的操作现象, ?一旦看到液泛现象时记下对应的空气转子流量计读数。在对数坐标纸上标出液体喷淋量为40L／h下(△P／z)─u?关系曲线(见图二),确定液泛气速并与观察的液泛气速相比较。
⑴选泽适宜的空气流量和水流量(建议水流量为30L／h)?根据空气转子流量计读数为保
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3
证混合气体中氨组分为0.02-0.03左右摩尔比，计算出氨气流量计流量读数。
(2)先调节好空气流量和水流量,打开氨气瓶总阀8调节氨流量,使其达到需要值,在空气,氨气和水的流量不变条件下操作一定时间过程基本稳定后,?记录各流量计读数和温度,记录塔底排出液的温度,并分析塔顶尾气及塔底吸收液的浓度。 (3)尾气分析方法:
a.排出两个量气管内空气,使其中水面达到最上端的刻度线零点处,并关闭三通旋塞。 b.用移液管向吸收瓶内装入5mL浓度为0.005Ｍ左右的硫酸并加入1─2滴甲基橙指示液。 c.将水准瓶移至下方的实验架上,缓慢地旋转三通旋塞,让塔顶尾气通过吸收瓶,旋塞的开度不宜过大,以能使吸收瓶内液体以适宜的速度不断循环流动为限。
从尾气开始通入吸收瓶起就必需始终观察瓶内液体的颜色,?中和反应达到终点时立即关闭三通旋塞,?在量气管内水面与水准瓶内水面齐平的条件下读取量气管内空气的体积。
若某量气管内已充满空气,但吸收瓶内未达到终点,可关闭对应的三通旋塞,?读取该量气管内的空气体积,同时启用另一个量气管,继续让尾气通过吸收瓶。 d.用下式计算尾气浓度Y2
因为氨与硫酸中和反应式为: 2NH3＋H2SO4＝(NH4)2SO4
所以到达化学计量点(滴定终点)时,被滴物的摩尔数nNH3和滴定剂的摩尔数 nH2SO4 之比为: nNH3∶nH2SO4＝2∶1
nNH3＝2nH2SO4＝2MH2SO4·ＶH2SO4 Y2＝
nNH3N空气＝
2MH2SO4?VH2SO4T(V量气管?0T量气管）
22.4 式中: nNH3,N空气─分别为NH3和空气的摩尔系数,
MH2SO4─硫酸溶液体积摩尔浓度, mol溶质／l溶液 ∨H2SO4━硫酸溶液的体积, ｍl
∨量气管━量气管内空气的总体积, ｍl T0─标准状态时绝对温度 273K,
T─操作条件下的空气绝对温度 K 。 (4)塔底吸收液的分析方法:
a.当尾气分析吸收瓶达中点后即用三角瓶接取塔底吸收液样品,约200mL并加盖。 b.用移液管取塔底溶液10mL置于另一个三角瓶中,加入2滴甲基橙指示剂。
c.将浓度约为0.05M的硫酸置于酸滴定管内,?用以滴定三角瓶中的塔底溶液至终点。
(5)水喷淋量保持不变,加大或减小空气流量,相应地改变氨流量,使混合气中的氨浓度与第一次传质实验时相同,从复上述操作,测定有关数据。
五、报告内容
⒈ 在同一空塔气速和喷淋密度下，测定出Δp～u的关系。
⒉ 测定在同一空塔气速和喷淋密度下的气体体积总传热系数KYa和吸收率φA。 ⒊ 改变空塔气速测定气体体积总传热系数KYa和吸收率φA；并对两次实验的值进行比较。
六、思考题
1． 强化传质的途径有哪些？
2． 在同一喷淋密度下，空塔气速增加气体体积总传热系数KYa和吸收率φA应如何变化？
七、实验结果
1．实验数据表
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表1干填料时△P/z～u关系测定 L=0 l/h 填料层高度Z=0.4m 塔径D=0.075m 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 填料层压强降 H2O 13.0 16.0 18.0 22.0 26.0 29.0 33.0 38.0 42.0 47.0 52.0 59.0 64.0 70.0 76.0 83.0 90.0 单位高度填料层压强降 mmH2O/m 32.5 40.0 45.0 55.0 65.0 72.5 82.5 95.0 105.0 117.5 130.0 147.5 160.0 175.0 190.0 207.5 225.0 空气转子流量计读数m3/h 8.5 9.3 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 18.0 19.0 20.0 21.0 22.0 23.0 24.0 空气流量计处空气温度℃ 20.4 21.0 21.4 21.7 22.1 22.6 23.2 23.6 24.0 24.7 25.2 25.6 25.9 26.3 27.0 27.4 27.7 对应空气流量m3/h 8.51 9.32 10.02 11.03 12.04 13.06 14.08 15.09 16.11 17.14 18.16 19.18 20.20 21.22 22.26 23.29 24.31 空塔气速 m/s 0.53 0.59 0.63 0.69 0.76 0.82 0.88 0.95 1.01 1.08 1.14 1.21 1.27 1.33 1.40 1.46 1.53 18 98.0 245.0 25.0 28.1 25.34 1.59 表2 湿填料时△P/z～u关系测定 L=30 l/h 填料层高度Z=0.4m 塔径D=0.075m 空气流空气转量计处对应空气空塔气填料层压单位高度填子流量序 空气温强降 料层压强降 计读数流量速 号 度℃ 操作现象 H2O mmH2O/m m3/h m3/h m/s 1 15.0 37.5 8.3 25.4 8.38 0.53 流动正常 2 17.0 42.5 9.0 25.5 9.08 0.57 流动正常 3 19.0 47.5 10.0 25.6 10.10 0.63 流动正常 4 5 6 7 8 9 10 11 12
23.0 29.0 35.0 45.0 54.0 73.0 105.0 124.0 151.0 57.5 72.5 87.5 112.5 135.0 182.5 262.5 310.0 377.5 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 16.0 17.0 17.5 18.0 25.7 25.9 26.1 26.1 26.2 26.4 26.8 27.1 27.3 11.11 12.12 13.13 14.14 15.16 16.17 17.20 17.71 18.22 0.70 0.76 0.83 0.89 0.95 1.02 1.08 1.11 1.15 流动正常 流动正常 流动正常 流动正常 流动正常 液 泛 严重液泛 严重液泛 严重液泛 36