填料塔吸收操作及体积吸收系数测定45733976

  实验报告课程名称: 过程工程原理实验(甲) 指导老师: 成绩:__________________实验名称: 填料塔吸收操作及体积吸收系数测定 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、实验材料与试剂(必填) 四、实验器材与仪器(必填) 五、操作方法和实验步骤(必填) 六、实验数据记录和处理 七、实验结果与分析(必填) 八、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Δ 的关系曲线.测定含氨空气—水系统的体积吸收系数K 实验原理(一)填料层压力降 的关系气体通过干填料层时(喷淋密度L=0),其压力降ΔP 如图6中直线可知, 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 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 点即为泛点,与之相对应的气速称为泛点气速。 专业: 化学工程与工艺 姓名: 学号: 日期: 2014.12.15 地点: 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。 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进行校正。 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K 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: mx 相平衡常数m与系统总压P 和亨利系数E 的关系如下: 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: 1922 lg 11.468 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,u乐国际,利用式(3)、(4)便可求得相平衡常数m。 2.体积吸收系数K 要依据。本实验中属于低浓度气体吸收,近似取Yy,Xx。吸收速率方程式为: 的吸收量,kmol/h;Ω——塔截面积,m ——吸收推动力,气相对数平均浓度差。为求得K 式中:V——惰性气体空气的流量,kmol/h;L——吸收剂水的流量,kmol/h; ——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Y ml浓度为M 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H 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。 air NH ——空气的摩尔数,mol。(I)尾气样品中氨的摩尔数 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: 溶液的摩尔浓度,mol/l。(ii)若通入吸收瓶的尾气已过量(瓶中溶液呈蓝色),可用同样标准 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: VaVa Ma NH(10) (II)尾气样品中空气摩尔数 air ——通过湿式流量计的空气温度,K;R——气体常数,R=8314Nm/(molK)。 由式(9)、(10)可求得 相对应的气相平衡浓度,kmolA/kmolB。出塔液相浓度 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G 三.实验仪器1.本实验装置的流程示意图见下图。主体设备是内径 70 毫米的吸收塔,塔内装 109 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。 1—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 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 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; 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K 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; 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; 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.实验数据记录及分析 转子流量计读数的校正转子流量计在出厂前都经过标定,测量液体的转子流量计在标定时采用水作为标定介 质,测量气体的转子流量计则采用空气作为标定介质,介质状态都为20、1.01310 Pa。当使用条件与工厂标定条件不符合,其读数必须进行校正。 当转子流量计测量水时,虽然水温的不同引起密度和黏度的变化,但它对实验流量值 影响较小,一般不予校正。 当被测介质是气体时,其操作状况的密度、温度、压强与标定空气状态不同时,其校 正公式为: 实际测量时被测气体的绝对压强、绝对温度,Pa、K。空气在标准状态下的密度均查表得:ρ 空气=1.205kg/m 氨气在标准状态下密度由公式PM=ρRT 计算得:ρ 氨气=0.708kg/m 在测量状态下,空气与氨气可近似为理想气体,用气体状态方程PM=ρRT 可以得出 在不同的气压和温度下的气体密度。则修正公式可以变化为: 的关系原始数据如下表所示: (实验室大气压100.53kPa,填料层高度38cm,填料塔内径φ =35mm,水流量为0) 序号 空气流量 空气表压/kPa 塔顶底压差 kPa塔顶表压/ kPa 290.950.17 0.04 0.12 290.950.42 0.10 0.31 8.5291.15 1.09 0.24 0.80 14293.15 3.04 0.62 2.25 19298.65 5.60 1.14 4.12 流量计处压力校正结果为:(其中ρ 0.5则塔内气速为: u=Q/3600/Ω 原始数据处理结果如下表: (实验室大气压100.53kPa 填料塔内径φ =70mm 水流量为0L/h) 序号 空气流量 空气表压/kPa 空气绝压 /kPa 塔顶底压差 ΔP/kPa 校正流量 290.950.17 100.7000 0.04 2.9974 0.2163 290.950.42 100.9500 0.10 4.9833 0.3597 8.5291.15 1.09 101.6200 0.24 8.4215 0.6079 14293.15 3.04 103.5700 0.62 13.7031 0.9891 19298.65 5.60 106.1300 1.14 18.4889 1.3345 (实验室大气压100.53kPa,填料层高度38cm,填料塔内径φ=35mm,水流量为30 序号空气流量Q 空气表压/kPa 塔顶底压差 kPa塔顶表压/ kPa 295.75000.2100 0.0600 0.12 3.5295.7500 0.2700 0.1000 0.15 4.5295.7500 0.4300 0.1400 0.25 5.5295.9500 0.6100 0.2000 0.37 296.15000.9000 0.3000 0.55 8.5296.9500 1.3000 0.4500 0.80 10.5298.1500 2.0300 0.7400 1.20 13301.1500 4.3500 2.1700 1.80 15.5303.1500 6.0500 2.8000 2.75 (实验室大气压100.53kPa, 填料层高度38cm,填料塔内径φ =70mm,水流量为30m 序号空气流量 空气表压/kPa 空气绝压 /kPa 塔顶底压差 ΔP/kPa 校正流量 295.75000.2100 100.5600 0.0600 3.0511 0.2202 3.5295.7500 0.2700 100.6200 0.1000 3.5575 0.2568 4.5295.7500 0.4300 100.7800 0.1400 4.5666 0.3296 5.5295.9500 0.6100 100.9600 0.2000 5.5753 0.4024 296.15000.9000 101.2500 0.3000 7.0803 0.5110 8.5296.9500 1.3000 101.6500 0.4500 8.5868 0.6198 10.5298.1500 2.0300 102.3800 0.7400 10.5741 0.7632 13301.1500 4.3500 104.7000 2.1700 12.9304 0.9333 15.5303.1500 6.0500 106.4000 2.8000 15.2715 1.1023 在水流量为30m 时的散点图如下,由图易知,在第三点和第七点转折,近似视为载点和泛点,于是在[0.3296, 0.7632],[0, 0.3296][ 0.7632, 1.1023]三区间内进行线 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 LinearFit /h(转子流量计示数),所以,理论上后续试验的操作点可定为空气流量为10 的测定再上一个实验中通过观察得到了填料塔达到表观液泛时的空气流量计读数为14m 原始数据如下表所示:(实验室大气压1027.4Mb=102.74kPa 填料层高度37.5cm 标准算浓度0.02mol/L) 序号 1010 11 空气温度 304.15302.65 298.15 空气表压 kPa1.87 1.93 2.32 氨气流量计读数 300300 330 氨气温度 296.15296.15 284.15 氨气表压 kPa1.95 2.00 2.42 水流量读数 3033 30 塔顶底压差ΔP/ kPa 0.91 1.05 1.05 塔顶表压/ kPa 0.87 0.97 1.17 286.65284.65 283.65 吸收瓶加酸量 mL10 10 10 脱氨后空气量 2.583.84 2.16 脱氨后空气温度T 284.75284.35 284.35 序号 相平衡常数m0.5688 0.5095 0.4814 空气校正后体积流量 10.271210.2146 11.0270 氨气校正后体积流量 0.29960.2995 0.3148 空气摩尔流率 (kmol/h)0.4159 0.4159 0.4575 氨气摩尔流率 (kmol/h)0.0125 0.0125 0.0137 0.03000.0300 0.0300 脱氨摩尔量 mol610 -4 610 -4 610 -4 脱氨后空气摩尔量 mol0.1105 0.1649 0.0929 0.00540.0036 0.0065 (kmol/h)0.0102 0.0110 0.0108 (kmol/h)1.6667 1.8333 1.6667 0.00610.0060 0.0065 0.02650.0269 0.0269 0.00540.0036 0.0065 0.01330.0116 0.0144 524.4197512.8516 648.4330 处理数据所需的公式如下: 由亨利系数E 的关系1922 lg 11.468 塔内平均压力P=(塔顶绝压+塔底绝压)/2相平衡常数 氨气=17.03kg/kmolPV nRT被吸收氨气的量G 六.实验讨论及误差分析在做压降关于空塔气速的曲线时可以发现,在载点之前有液相和无液相两条拟合曲线 的斜率基本相同,两直线近乎平行。在载点以后,有液相的压降-气速曲线斜率发生变化(此 次实验中变化并不明显),在有液相存在时,压降要大于空塔压降。在达到泛点以后,塔内 压降随气速增长而迅速增加。 实验中氨气极易溶于水,所以该传质过程为气膜控制的传质过程,传质阻力主要集中 在气相。由理论知识可知:K ,由气相阻力控制的传质特点,增加气体流率能够有效地坚守气相阻力,从而有效地加快吸收过程。反之,从实验结果亦可发现NH 在空气和水间的传质是气相阻力控制传质过程。实验中可能产生误差的原因有: 难以准确判断尾气吸收是否达到终点,即难以判断变色点,因此对出塔氨气的浓度计算产生较大误差,进而影响最终测得的体积吸收系数K 在计算塔内空气、氨气流速时用流量计处的气体表压代替塔内的平均压力,可能会存在相应的误差; 其他系统误差、读数误差、偶然误差等。七.思考题 1.测定 可以用来计算对应吸收塔的传质单元高度与传质单元数,进而推求塔高和吸收塔的吸收能力等参数,具有实际应用意义。 测得P~u 之后可以得到改吸收塔的液泛气速,从而可以进行操作点气速的选取,确 定合适的进气流量。 ,需测定哪些数据(在流程中标出测量点、控制点)?使用哪些仪表?答:测量参数:进口水流量、进口空气流量及其相应的温度和压力、塔顶表压、塔顶 底压差、塔内液温、脱氨后空气量、吸收瓶加酸量及酸的浓度、氨气温度、氨气流量、氨 气压力、脱氨后空气温度、大气压、填料层高度 使用仪表:转子流量计、U型管压差计、温度计等。 测量点:进口水流量9,进口空气流量3、温度17、压力15;塔顶表压13,塔顶底压差14, 塔内液温 19,脱氨后空气量 11,吸收瓶加酸量 10,氨气温度 18,氨气流量 8,氨气压力 16,脱氨后空气温度,大气压,填料层高度; 控制点:转子流量计3、8、9;阀门6、12。 实验时,如何确定水、空气和氨气的流量?答:实验中使用转子流量计测定三者流量,再根据各流体物性与标准水的物性(密度 比例关系)比例进行修正。其中,水由于性质变化不大,不予修正。 怎样判断实验过程处于稳定状态?答:三个流量计和各压差计基本显示稳定时,则可认为实验过程处于稳定状态。 为什么吸收时氨气从气相转移到液相?空气量改变对有何影响?答:因为进料时,氨气在气相中的摩尔浓度大于此时与液相浓度相平衡的气象浓度, 因此存在传质推动力使得氨气从气相转移到液相。改变空气量会改变塔内的空气湍动程度, 从而改变了气膜传质阻力,因为氨气易溶于水,所以在传质过程中气膜阻力较大,因此改 变空气量会大大影响

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