u乐国际填料吸收塔的操作和吸收系数的测定

  填料吸收塔的操作和吸收系数的测定_化学_自然科学_专业资料。昆明理工大学实验报告 课题名 称: 化工原理实验 实验名 称: 填料吸收塔的操作和吸收系数的测定 姓 名: 学 号: 成 绩: 班 级: 实验日 期: 实验内 容: 1.测定干填

  昆明理工大学实验报告 课题名 称: 化工原理实验 实验名 称: 填料吸收塔的操作和吸收系数的测定 姓 名: 学 号: 成 绩: 班 级: 实验日 期: 实验内 容: 1.测定干填料及不同液体喷淋密度下填料的阻力降 △P与空塔气速u的关系曲线.测量固定液体喷淋量下,不同气体流量时,用水吸收空气—氨混 合气体中氨的体积吸收系数KYa。 填料吸收塔的操作和吸收系数的测定 一、实验目的 1.了解填料吸收塔的结构、填料特性及吸收装置的基本流程。 2.熟悉填料塔的流体力学特性。 3.掌握总传质系数KYa测定方法。 4.了解空塔气速和液体喷淋密度对传质系数的影响。 二、基本原理 1.填料塔流体力学特性 填料塔是一种重要的气液传质设备,其主体为圆柱形的塔体,底部有 一块带孔的支撑板来支承填料,并允许气液顺利通过。支撑板上的填料 有整堆和乱堆两种方式,填料分为实体填料和网体填料两大类,如拉西 环、鲍尔环、θ网环都属于实体填料。填料层上方有液体分布装置,可 以使液体均匀喷洒在填料塔上。液体在填料中有倾向于塔壁的流动,故 当填料层较高时,常将其分段,段与段之间设置液体再分布器,以利液 体的重新分布。 吸收塔中填料的作用主要是增加气液两相的接触面积,而气体在通过 填料层时,由于克服摩擦阻力和局部阻力而导致了压强降△P的产生。 填料塔的流体力学特性是吸收设备的主要参数,它包括压强降液泛规 律。了解填料塔的流体力学特性是为了计算填料塔所需动力消耗,确定 填料塔适宜操作范围以及选择适宜的气液负荷。填料塔的流体力学特性 的测定主要是确定适宜操作气速。 在填料塔中,当气体自下而上通过干填料(L=0)时,与气体通过其 它固体颗粒床层一样,气压降△P与空塔气速u的关系可用式△P=u1.8 —2.0表示。在双对数坐标系中为一条直线。在有一条 喷淋(L≠0)时,气体通过床层的压降除与气速和填料有关外,还取决 于喷淋密度等因素。在一定的喷淋密度下,当气速小时,阻力与空塔速 度仍然遵守△P∝u1.8—2.0这一关系。但在同样的空塔速度下,由于填料 表面有液膜存在,填料中的空隙减小,填料空隙中的实际速度增大,因 此床层阻力降比无喷淋时的值高。当气速增加到某一值时。由于上升气 流与下降液体的摩擦阻力增大,开始阻碍液体的顺利下流,以致于填料 层内的气液量随气速的增加而增加,此现象称为拦液现象,此点为载 点,开始拦液时的空塔气速称为载点气速。进入载液区后,当空塔气速 再进一步增大,则填料层内拦液量不断增高,到达某一气速时,气、液 间的摩擦力完全阻止液体向下流动,填料层的压力将急剧升高,在 △P∝un关系式中,n的数值可达10左右,此点称为泛点。在不同的喷淋 密度下,在双对数坐标中可得到一系列这样的折线。随着喷淋密度的增 加,填料层的载点气速和泛点气速下降。 本实验以水和空气为工作介质,在一定喷淋密度下,逐步增大气速, 记录填料层的压降与塔顶表压的大小,直到发生液泛为止。 2.体积吸收系数KYa的测定 在吸收操作中,气体混合物和吸收剂分别从塔底和塔顶进入塔内,气 液两相在塔内逆流接触,使气体混合物中的溶质溶解在吸收质中,于是 塔顶主要为惰性组分,塔底为溶质与吸收剂的混合液。反映吸收性能的 主要参数是吸收系数,影响吸收系数的因素很多,其中有气体的流速、 液体的喷淋密度、温度、填料的自由体积、比表面积以及气液两相的物 理化学性质等。吸收系数不可能有一个通用的计算式,工程上常对同类 型的生产设备或中间试验设备进行吸收系数的实验测定。对于相同的物 料系统和一定的设备(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。 本实验用水吸收空气—氨混合气体中的氨气。氨气为易溶气体,操作 属于气膜控制。在其他条件不变的情况下,随着空塔气速增加,吸收系 数相应增大。当空塔气速达到某一值时,将会出现液泛现象,此时塔的 正常操作被破坏。所以适宜的空塔气速应控制在液泛速度之下。 本实验所用的混合气中氨气的浓度很低(<10%),吸收所得溶液浓 度也不高,气液两相的平衡关系可以被认为服从亨利定律,相应的吸收 速率方程式为: GA=KYa·VP·△Ym (1) 式中,GA为单位时间在塔内吸收的组分量,kmol(吸收质)/h;KYa为 气相总体积吸收系数,kmol(吸收质)/[m3(填料)·h];VP为填料层 体积,m3;△Ym为塔顶、塔底气相浓度差(Y-Y*)的对数平均值, kmol(吸收质)/kmol(惰性气体)。 (1)填料层体积VP VP=π·DT2·Z/4 (2) 式中,DT为塔内径,m;Z为填料层高度,m。 (2)GA由吸收塔的物料衡算求得 GA=V(Y1-Y2) (3) 式中,V为空气流量,kmol/h;Y1为塔底气相浓度, kmol(NH3)/kmol(空气);Y2为塔顶气相浓度, kmol(NH3)/kmol(空气)。 (3)标准状态下空气的体积流量V0空 (4) 式中,V0空为标准状态下空气的体积流量,m3/h;V空为转子流量计的 指示值,m3/h;T0,、p0为标准状态下空气的温度和压强,273K、 101.33kPa;T1、p1为标准状态下空气的温度和压强,273K、 101.33kPa;T2、p2为操作状态下温度和压强,K、Pa。 (4)标准状态下氨气的体积流量 (5) 式中,为转子流量计的指示值,m3/h;T0,、p0为标准状态下空气的温度 和压强,273K、101.33kPa;T1、p1为标准状态下空气的温度和压强, 273K、101.33kPa;T2、p2为操作状态下温度和压强,K、Pa;ρ0空为标 准状态下空气的密度,1.293kg/m3;为标准状态下氨气的密度, 0.771kg/m3。 (5)塔底气相浓度Y1和塔顶气相浓度Y2 (6) 式中,为NH3的摩尔数;n空为空气的摩尔数。 用一定浓度,一定体积的硫酸溶液分析待测气体,u乐国际。有 (7) 式中,为硫酸的摩尔浓度,mol/L;为硫酸溶液体积,mL。 (8) 式中,V空为湿式气体流量计测出的空气体积,L;T0,、p0为标准状态下 空气的温度和压强,273K、101.33kPa;22.4为标准状态下一摩尔气体 所占有的体积,22.4L/mol。则 (9) 同样塔顶气相浓度Y2也可通过取样分析来获得。 (6)平衡关系 (10) m=E/P (11) 式中,m为相平衡常数;E为亨利系数,由表1中低浓度(5%以下)氨 水的亨利系数与温度的关系数据,用内插的方法获得,Pa;X为溶液浓 度,kmol(吸收质)/kmol(水);P为塔内混合气体总压,Pa(绝 压)。 P=大气压+塔顶表压+填料层压 降/2 (12) 表1 低浓度(5%以下)氨水的亨利系数与温度的关系数据 温度/℃ 0 10 20 25 30 40 亨利系数(E×105)/Pa 0.297 0.509 0.788 0.959 1.266 1.963 (7)塔底液相浓度X1,塔顶液相浓度X2 当吸收剂为纯水时,塔顶X2=0,而 (13) 式中,V为空气流量,kmol/h;L为液体喷淋量,kmol/h;Y1、Y2为塔 底、塔顶气相浓度,kmol(NH3)/kmol(空气);X1、X2为塔底、塔 顶液相浓度,kmol(NH3)/kmol(水)。 因GA=V(Y1-Y2),故 X1=GA/L (14) L=V水ρ水/M水 (15) 式中,V水为水的体积流量,m3/m;ρ水为水的密度,kg/m3;M水为水的 平均分子量,18kg/kmol。 (8)气相平均浓度差△Ym (16) 式中,为与X1相平衡的气相浓度,kmol(NH3)/kmol(空气);为与 X2相平衡的气相浓度,kmol(NH3)/kmol(空气)。 三、实验装置与流程 1.试验流程 吸收装置流程如图所示。实验装置由填料塔、微音气泵、液氮钢瓶、 转子流量计、压差计(单管压差计、U型管压差计)及气体分析系统构 成。空气由气泵送出,由放空阀及空气流量调节阀配合调节流量后,经 过转子流量计记录流量的大小,并与氨气混合,由塔底自下而上通过填 料层。混合气在塔中经水吸收其中的氨后,尾气从塔顶排出。出口处装 有尾气调节阀,用以维持塔顶具有一定的表压,以此作为尾气通过尾气 分析装置的推动力。 氨气由液氨钢瓶供给,经氨气减压阀、流量调节阀后,经氨转子流量 计记录流量的大小,之后进入空气管道,与空气混合形成混合气体从塔 底入塔。水由泵房进入系统,经流量计记录流量后,在塔顶由液体分布 器喷出,在吸收塔中与混合气体逆流接触,吸收其中的溶质,吸收液由 塔底排出流入地沟。为了测量塔内和填料层压强降,装有塔顶表压计和 填料层压差计。 填料吸收塔仿线)填料塔 有机玻璃塔内径:D=120mm;填料层高度:Z=800mm~900mm;填 料:不锈钢θ网环及陶瓷拉西环;规格:Φ8,Φ10,Φ15。 (2)DC—4型微音气泵一台。 (3)LZB40气体流量计,流量范围0~60m3/h,数量一个;LZB15气 体流量计,流量范围0~2.5m3/h,数量一个;LZB15气体流量计,流量 范围0~160m3/h,数量一个。 (4)LML—2型湿式气体流量计,容量5L,数量一台。 (5)水银温度计,规格0~100℃,数量三只。 四、实验步骤 1.流体力学特性实验 (1)熟悉实验装置及流程,弄清各部分的作用,并记录各压差计的 零位读数。 (2)检查气路系统。开风机之前必须全开放空阀,以免风机烧坏。 检查转子流量计阀门是否关闭,以免风机开动转子突然上升将流量计管 打破。 (3)启动风机,首先测定干填料阻力降与空塔气速的大小。注意不 要开水泵,以免淋湿干填料。由气泵送气,经放空阀、流量调节阀配合 调节流量从小到大变化,测量8~9组数据,记录每次流量下的塔顶表 压、填料层压降、流量大小、计前表压、温度等参数。 (4)开动供水系统,慢慢调节流量接近液泛,使填料完全润湿后再 降到预定气速进行实验。 (5)测定湿填料压降,固定两个不同的液体喷淋量分别进行测定。 每固定一个喷淋量,调节空气流量,从小到大测量8~9组数据。并随时 观察塔内的操作现象,记下发生液泛时的气体流量。发生液泛之后,再 继续空气流量,测取2组数据。 2.体积吸收系数KYa的测定 (1)在流体力学特性测试实验的基础上,维持一个液体喷淋量。 (2)确定操作条件,包括空气流量、氨气流量,准备好气体浓度分 析装置及其所用试剂,一切准备就绪后开动氨气系统。 (3)启动氨气系统。首先将液氨钢瓶上的自动减压阀的顶针松开 (左旋为松开,右旋为拧紧),使自动减压阀处于关闭状态。然后打开 氨气瓶阀,此时减压阀压力表显示瓶内压力的大小。然后略旋紧减压阀 的顶针,用转子流量计调节氨流量至预定值。 (4)当空气、氨、水的流量计读数稳定后(约2~3分钟),记录各 流量计的读数、温度及各压差计的读数,并分析进塔和出塔气体浓度。 (5)气体浓度分析方法: 用硫酸吸收气体中的氨,反应方程如下 2NH3+H2SO4+2H2O=(NH4)2SO4+2H2O 酸碱中和到达等当点时加有甲基橙指示剂的溶液变黄。 A.进气浓度。Ⅰ.迅速打开进气管路中的考克,让混合气通过吸收 盒,再立即关闭此考克,以使待测气体的管路全部充满此气体。Ⅱ.取 高浓度硫酸液2~3mL放入分析瓶,用适当的蒸馏水冲洗瓶壁,再加入1 ~2滴甲基橙指示剂。Ⅲ.打开进气管路中的考克,让气体流经分析瓶, 吸收后的空气由湿式气体流量计来计量,待颜色刚刚变黄,关闭分析系 统,记录气体体积量。注意考克的开度要适中,太大气流夹带吸收液, 太小拖延分析时间,只要气体在吸收盒中连续不断地以气泡形式溢出就 可以。 B.尾气浓度。取1~2mL的低浓度硫酸溶液放入分析瓶中,重复上述 步骤,每一步浓度重复分析两次。 (6)固定另一液体喷淋量,改变空气流量,保证气体吸收为低浓度 气体吸收,重复上述操作,测定实验数据。 (7)实验完毕,首先关闭氨气系统,其次为水系统,最后停风机。 (8)整理好物品,做好清洁卫生工作。 五、数据记录与数据处理 1.绘制原始数据表和数据整理表 (1)原始数据表 表2 填料塔流体阻力学实验测定记录 Ⅰ.水流量0kmol/h 空气流量 压强降 序号 流量计示值 计前表压 气温 塔顶表压 (m3/h) (mmH20) (℃) (mmH20) 填料层压降 1 5 22 21 21 14 2 8 23 21 36 15 3 11 25 21 56 16 4 14 27 21 109 17 5 17 31 21.5 122 18 6 20 32 21.5 164 19 7 29 41 21.5 270 29 Ⅱ.水流量60kmol/h 序号 空气流量 压强降 流量计示值 计前表压 (m3/h) (mmH20) 1 5 23 气温 塔顶表压 (℃) (mmH20) 填料层压降 22 26 12 2 8 24 22 59 14 3 14 28 22 90 17 4 20 35 22 168 23 5 23 38 22.5 213 27 6 26 44 22.5 271 31 Ⅲ.水流量120kmol/h 序号 空气流量 压强降 流量计示值 计前表压 气温 塔顶表压 (m3/h) (mmH20) (℃) (mmH20) 填料层压降 1 5 24 24.5 17 13 2 11 27 24.5 54 16 3 14 30 25 85 18 4 17 34 25 119 21 5 20 37 25 169 24 6 23 40 25 219 28 表3 体积吸收系数测定记录 空气 氨气 水 压强 尾气 序号 流量计示值 计前表压 温度 流量计示值 计前表压 温度 温度计示值 温度 塔顶表压 填料层压降 硫酸浓度 硫酸体积 空气体积 空气温度 1 15 30 25 5 10 21 80 20 98 18 0.044125 1 0.689 21 2 20 32 26 5 10 21 80 20 171 24 0.044125 1 1.353 21 (2)数据整理表 表4 填料塔流体阻力学实验数据处理结果 Ⅰ.水流量0kmol/h 空气质量速度[kg/ (m2·s)] 0.140 0.224 0.309 0.394 0.481 0.566 0.831 每米填料压降 (mmH2O) 15.56 16.69 17.78 18.89 20.00 21.11 32.22 Ⅱ.水流量60kmol/h 空气质量速度[kg/ (m2·s)] 0.140 0.224 0.393 0.567 0.654 0.745 每米填料压降 13.33 15.58 18.89 25.56 30.00 34.44 (mmH2O) Ⅲ.水流量120kmol/h 空气质量速度[kg/ (m2·s)] 0.139 0.306 0.391 0.477 0.563 0.650 每米填料压降 (mmH2O) 14.44 17.78 20.00 23.33 26.67 31.11 表5 体积吸收系数数据处理结果 序号 1 2 体积吸收系数 0.0339 0.065 2.计算不同空塔气速下填料层阻力,在双对数坐标中绘制塔内压强 △P/Z与空塔气速u的关系图。 3.计算一定喷淋量下不同气速下的体积传质系数KYa值。 解:已知V空=20m3/h;空气计前表压p空=32mmH2O=0.3138kPa; p=101.64kPa;T空=299.15K;;氨气计前表压;p=101.43kPa;;水的流 量计示值V水=80m3/h;T水=293.15K;塔顶表压p 顶=171mmH2O=1.1474kPa;填料层压降△p=24mmH2O=0.2354kPa;硫 酸浓度;硫酸体积;空气体积V空=1.107L;空气温度;ρ水=998kg/m3; M水=18kg/mol;Z=0.9m;DT=0.12m. 由吸收速率方程式GA=KYa·VP·△Ym知 求VP(填料层体积) 即VP=π·DT2·Z/4=3.14×0.122×0.9=0.0102m3 求GA(单位时内在塔内吸收的组分量) GA=V(Y1-Y2) 由标准气体状态方程知空气流量 由标准状态下空气的体积流量V0空(T0=273.15K,T1=293.15K, p1=p2=101.33kPa) 由标准状态下氨气体积;ρ0空=1.293kg/m3 塔底气相浓度Y1和塔顶气相浓度Y2 由 用一定浓度一定体积硫酸溶液分析待测气体,则有 那么 则 那么GA=V(Y1-Y2)=0.8152(0.03264-0.00008559)=0.0265kmol/h 由平衡关系,m=E/P 塔内混合气体总压p=大气压+塔顶表压+填料层压 降/2=101325+9.80665×171+(24×9.80665)//2=103119.5Pa 再根据内插法,当t=21℃时 相平衡常数m=E/P=(0.822×105)/103119.6=0.7971 塔底液相浓度X1和塔顶液相浓度X2 因吸收剂为纯水,X2=0 而,因GA=V(Y1-Y2) ∴X1=GA/L,而L=V水ρ水/M水 ∴L=(80×998)/18=4435.56kmol/h 则X1=GA/L=0.0265/4435.56=0.000005974kmol(NH3)/kmol(水) 令相平均浓度差△Ym,因,而 ∴ 由于Y2=0,则,那么可求得△Ym 由此可知GA=KYa·VP·△Ym,求得体积吸收系数KYa KYa=GA/(VP·△Ym)=0.0265/(0.0102×0.005476)=474.4kmol·m3·h-1 4.写出典型数据的计算过程,分析和讨论实验现象。 六、思考题 1.测定吸收系数KYa和△P/Z—u关系曲线有何实际意义? 答:△P/Z—u曲线是描述流体力学的特性也是吸收设备主要参数,为 了计算填料塔的动力消耗也需流体力学特性,确定填料塔适宜操作范围 及选择适宜的气液负荷。 2.测定曲线和吸收系数分别需测哪些量? 答:空塔气速u;填料层压降△P;塔顶表压大小;吸收系数KYa;空 气流量;氨气流量;进塔和出塔气体浓度;操作状态下的温度、压强; 塔顶、塔底液相浓度。 3.试分析实验过程中气速对KYa和△P/Z的影响。 答:由△P/Z—u曲线时,随u增大,△P/Z也增大,两者 呈直线时,随u增大,△P/Z也增大,在截点与液泛点之间 呈微小变化,△P/Z增加相对较快,在液泛点以上u稍微增加一些, △P/Z有明显变化,阻力增加,不能下流,而对KYa由于随u增大在一定 范围内吸收增大反而不吸收,KYa变为0。 4.当气体温度与吸收剂温度不同时,应按哪种温度计算亨利系数? 答:以为E随物系而变,一定物系T增加E增大,当气体温度与吸收剂 温度不同时应用吸收剂温度来计算亨利系数。 5.分析实验结果:在其他条件不变的情况,增大气体流量(空气的流 量),吸收率、吸收系数KYa及传质单元数NOG、传质单元高度HOG分别如 何变化?是否与理论分析一致,为什么? 答:由记录测定两组体积吸收系数可以看出,若是增大空气流量吸收 系数KYa减小,那么增大V(空气流量)时则GA必增大,传质单元高度HOG 不变,与理论分析差不多。 6.在不改变进塔气体浓度的前提下,如何提高出塔氨水浓度? 答:当Y1不变时知在Y1、Y2都不变时增大X2,即吸收剂所含溶质组 成,则可使X1增大,则提高了出塔氨水浓度。 7.填料吸收塔塔底为什么必须设置液封管路? 答:为了防止塔外气体进入塔内影响吸收效率,同时还可以起到稳定 塔内气体压力的作用。

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