填料吸收塔实验【实验目的】⒈ 了解填料吸收塔的结构和流体力学性能。

⒉ 学习填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法。

【实验内容】1．测定填料层压强降与操作气速的关系，确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速。

2．采用水吸收二氧化碳，空气解吸水中二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数和总传质系数。

【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，不同喷淋量下的填料层的压强降ΔP 与气速u 的关系如图6-1-1所示：图6-1-1 填料层的ΔP ～u 关系当无液体喷淋即喷淋量L 0=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。

（1） 膜系数和总传质系数根据双膜模型的基本假设，气相侧和液相侧的吸收质A 的传质速率方程可分别表达为气膜 )(Ai A g A p p A k G -= （6-1-7） 液膜 )(A Ai l A C C A k G -=（6-1-8）式中：A G —A 组分的传质速率，1-⋅s kmoI ；A —两相接触面积，m 2；A P —气侧A 组分的平均分压，Pa ；Ai P —相界面上A 组分的平均分压，Pa ；A C —液侧A 组分的平均浓度，3-⋅m kmol Ai C —相界面上A 组分的浓度3-⋅m kmolk g —以分压表达推动力的气侧传质膜系数，112---⋅⋅⋅Pa s m kmol ; k l —以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，1-⋅s m 。

P 2，F LP AP A +dP C A +dC AP 1=P A 1 C A1，F L图6-1-2双膜模型的浓度分布图 图6-1-3 填料塔的物料衡算图以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表达为)(*-=A A G A p p A K G （6-1-9） )(A A L A C C A K G -=*（6-1-10） 式中：*A p —液相中A 组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa ；*A C —气相中A 组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，3-⋅m kmol ；K G —以气相分压表示推动力的总传质系数或简称为气相传质总系数，112---⋅⋅⋅Pa s m kmol ；K L —以气相分压表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，1-⋅s m 。

若气液相平衡关系遵循享利定律：A AHp C =，则lg G HK k K 111+= （6-1-11） lg L k k H K 11+= （6-1-12） 当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程式受气膜传质速率控制，此时，K G = k g ； 反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制，此时，K L = k l 。

如图6-1-3所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统，则由吸收质A 的物料衡算可得：A LLA dC F dG ρ=（6-1-13a ）式中：F L —液相摩尔流率，1-⋅s kmol ；ρL —液相摩尔密度，3-⋅m kmol 。

根据传质速率基本方程式，可写出该微分段的传质速率微分方程：aSdh C C K dG A A L A )(-=*（6-1-13b ）联立上两式可得：AA A L L L C C dCaS K F dh -⋅=*ρ （6-1-13c ）式中：a —气液两相接触的比表面积， m 2·m -1；S —填料塔的横载面积，m 2。

本实验采用水吸收二氧化碳，已知二氧化碳在常温常压下溶解度较小，因此，液相摩尔流率F L 和摩尔密度ρL的比值，亦即液相体积流率（Vs ）L 可视为定值，且设总传质系数K L和两相接触比表面积a ，在整个填料层内为一定值，则按下列边值条件积分式（6-1-13c ），可得填料层高度的计算公式：h=0 ， 2.A A C C = h=h ， 1A A C C =⎰-⋅=*12A A C C AA AL sL C C dC aS K V h （6-1-14）令 aSK V H L sLL =，且称H L 为液相传质单元高度（HTU ）； ⎰-=*12A A C C AA AL CC dC N ，且称N L 为液相传质单元数（NTU ）。

因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即h = H L ×N L （6-1-15）若气液平衡关系遵循享利定律，即平衡曲线为直线，则式（6-1-14）为可用解析法解得填料层高度的计算式，亦即可采用下列平均推动力法计算填料层的高度或液相传质单元高度：AmA A L sL C C C aS K V h ∆-⋅=21 （6-1-16） AmA A L L C C C hH h N ∆-==/)(21 （6-1-17） 式中m A C .∆为液相平均推动力，即1122112212.21ln )()(A A A AA A A A A A A A AmC C C C C C C C C C In C C C -----=∆∆∆-∆=∆**** （6-1-18） 因为本实验采用纯水吸收二氧化碳，则A A A A Hp C C C ===***21 （6-1-19）二氧化碳的溶解度常数，EM H ww1⋅=ρ 13--⋅⋅Pa m koml （6-1-20） 式中：ρw —水的密度， ;3-⋅m kgM w —水的摩尔质量， 1-⋅kmol kg ； E —二氧化碳在水中的享利系数，Pa 。

因此，式（6-1-18）可简化为11ln A A AA Am C C C C C -=∆**因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计，在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，亦即AmA A sL L l C C C hS V a K a k ∆-⋅==21 （6-1-21） 【实验条件】（1）仿真工艺图 图1. CO2吸收解吸现场图（2）主体设备根据对装置的认识，在下面的表格中填写相关内容。

表1 干燥设备的结构认识（3）测量仪表根据对流程的认识，在下面的表格中填写相关内容。

表2 测量仪表认识（4）实验流程说明吸收质（纯二氧化碳气体）由钢瓶经二次减压阀和转子流量计FI01，进入吸收塔塔底，气体由下向上经过填料层与液相水逆流接触，到塔顶经放空；吸收剂（纯水）由泵P102提供，经转子流量计FI02进入塔顶，再喷洒而下；吸收后溶液由塔底流入塔底液料罐中由解吸泵P103经流量计FI03进入解吸塔，空气由FI04流量计进入解吸塔塔底由下向上经过填料层与液相逆流接触，流量由旁路阀V A101调节，对吸收液进行解吸，然后自塔顶放空，U形液柱压差计用以测量填料层的压强降。

【实验步骤】⒈测量吸收塔干填料层（△P／Z）～u关系曲线（只做吸收塔）：先全开阀门V A101与进入吸收塔的空气进气阀V A102，打开空气流量计FI04上的阀门，将V A105的阀门打开少许，关闭解吸塔的空气进气阀V A103，启动风机，（先全开阀V A101和空气流量计阀,再利用阀V A101调节进塔的空气流量。

空气流量按从小到大的顺序）读取填料层压降△P（U形液柱压差计），然后在对数坐标上以空塔气速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。

⒉测量吸收塔在某喷淋量下填料层(△P／Z)～u关系曲线：先打开流量计FI02上的阀门，然后打开泵P102的开关，将水流量固定在40L ／h （水的流量因设备而定），然后用上面相同方法调节空气流量，并读取填料层压降△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 时的（△P ／z ）～u •关系曲线，从图上确定液泛气速，并与观察的液泛气速相比较。

⒊ 二氧化碳吸收传质系数的测定： 吸收塔（水流量为60L/h ）⑴ 打开阀门V A101、V A102、V A103、V A104，关闭阀门V A105。

打开四个流量计上的阀门。

⑵ 调节水流量计FI02到给定值，然后打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，二氧化碳流量一般控制在0.1m 3/h 左右为宜，操作达到稳定状态之后，测量塔底的水温，同时点击取样阀V A3（V A1或V A2）取样，测定两塔塔顶、塔底溶液中二氧化碳的含量。

取样时只能同时开一个取样阀。

（实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位，对各流量计及时调节以达到实验时的操作条件不变）⑶ 二氧化碳含量的测定设定中和用氢氧化钡浓度，氢氧化钡体积，滴定盐酸浓度，取样体积，然后点击取样阀就能得出消耗的盐酸体积。

【注意事项】⒈ 开启CO2总阀前，要先关闭自动减压阀，开启开度不宜过大。

⒉ 实验时要注意吸收塔水流量计和解吸塔水流量计要一致，并注意吸收塔下的储料罐中的液位。

【报告内容】⒈ 实验数据的计算及结果⑴ 填料塔流体力学性能测定（以设备填料塔干填料时第4组数据为例）转子流量计读数：1.5.0m 3/h ；转子流量计处空气温度：16.1℃；填料层压降U 管读数：26.0 mmH 2O因为空气流量计处温度不是20℃，需要对读数进行校正，所以空气实际体积流量为实标实读实p p t V V ⨯+⨯+⨯=)20273()273(m 3／h空塔气速24/3600D Vu⋅⨯=）（实π（m/s ）单位填料层压降ZP∆（mmH 2O/m ）在对数坐标纸上以空塔气速u 为横坐标，Z P ∆为纵坐标作图，标绘Z P ∆～u 关系曲线，见图2。

⑵ 传质实验（以设备吸收塔的传质实验为例）(a).吸收液消耗盐酸体积V 1=8.3 ml ，则吸收液浓度为：溶液V V C V C C HC HC OH Ba OH Ba A 22ll 2)()(12-=kmol/m 3因纯水中含有少量的二氧化碳，所以纯水滴定消耗盐酸体积，则塔顶水中CO 2浓度为：溶液V V C V C C HClHCl OH Ba OH Ba A 222)()(22-=由化工原理下册吸收这一章可查得CO 2亨利系数 则CO 2的溶解度常数为EM H ww1⨯=ρ 13--⋅⋅Pa m kmol塔顶和塔底的平衡浓度为0*2*1P ⋅=H C C A A ＝液相平均推动力为1*12*2211*12*21*12*21221m ln ln )()ln A A A A A A A A A A A A A A A A A A A C C C C C C C C C C C C C C C C C C C ---=-----∆∆∆∆∆（＝－＝ 因本实验采用的物系不仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计，在此情况下，整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等于液相体积传质总系数，即AmA A sL L l C C C hS V a K a k ∆-⋅==21 同样可以求得拉西环的传质实验结果。