一、实验目的1.了解填料塔的一般结构及吸收操作的流程。
2.观察填料塔流体力学状况,测定压降与气速的关系曲线。
3.掌握总传质系数K x a的测定方法并分析其影响因素。
4.学习气液连续接触式填料塔,利用传质速率方程处理传质问题的方法。
二、实验原理本实验先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后(并流操作),送入解吸塔再用空气进行解吸,实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数K x a,并进行关联,得K x a=AL a V b的关联式。
同时对不同填料的传质效果及流体力学性能进行比较。
1.填料塔流体力学特性气体通过干填料层时,流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。
在双对数坐标系中△P/Z对G'作图得到一条斜率为1.8~2的直线(图1中的aa线)。
而有喷淋量时,在低气速时(c点以前)压降也比例于气速的1.8~2次幂,但大于同一气速下干填料的压降(图中bc段)。
随气速增加,出现载点(图中c点),持液量开始增大。
图中不难看出载点的位置不是十分明确,说明汽液两相流动的相互影响开始出现。
压降~气速线向上弯曲,斜率变徒(图中cd段)。
当气体增至液泛点(图中d点,实验中可以目测出)后在几乎不变的气速下,压降急剧上升。
图1 填料层压降-空塔气速关系2.传质实验填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。
在填料塔中,两相传质主要是在填料有效湿表面上进行。
需要完成一定吸收任务所需填料高度,其计算方法有:传质系数法、传质单元法和等板高度法。
本实验对富氧水进行解吸。
由于富氧水浓度很小,可认为气液两相平衡服从亨利定律,可用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。
得速率方程式:m p X A x V a K G ∆••=m p A x X /V G a K ∆=• 2211ln)22()11(e e e e m x x x x x x x x x --∆---=)x -L(x G 21A = Ω•=Z V p相关的填料层高度的基本计算式为:OL OL x x e x N H xx dx a K LZ •=-Ω=⎰12 OL OLN ZH = 其中,m x x e OL x x x x x dx N ∆-=-=⎰2112 Ω=a K L H x OL 由于氧气为难溶气体,在水中的溶解度很小,因此传质阻力几乎全部集中于液膜中,即Kx=kx 。
由于属液膜控制过程,所以要提高总传质系数Kxa ,应增大液相的湍动程度。
在y-x 图中,解吸过程的操作线在平衡系下方,在实验是一条平行于横坐标的水平线(因氧在水中浓度很小)。
三、实验装置流程1.基本数据解吸塔径φ=0.1m,吸收塔径φ=0.032m ,填料层高度0.8m (陶瓷拉西环、陶瓷波纹板、金属波纹网填料)和0.83m (金属θ环)。
表1 填料参数瓷拉西环金属θ环12×12×1.3[mm] 10×10×0.1[mm]a t=403[m2/ m3] a t—540[m-1]ε=0.764 m3/ m3] ε—0.97a t/ε=903[m2/ m3]2.实验流程图2是氧气吸收解吸装置流程图。
氧气由氧气钢瓶供给,经减压阀2进入氧气缓冲罐4,稳压0.03-0.04[MPa],为确保安全,缓冲罐上装有安全阀6,由阀7调节氧气流量,并经转子流量计8计量,进入吸收塔9,与水并流吸收。
富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。
空气由风机13供给,经缓冲罐14,由阀16调节流量经转子流量计17计量,通入解吸塔,贫氧水从塔底经平衡罐19排出。
自来水经调节阀10,由转子流量计17计量进入吸收塔。
由于气体流量与气体状态有关,所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。
空气流量前装有计前表压计23。
为了测量填料层压降,解析塔装有压差计22。
在解析塔入口采出阀12,用于采集入口水样,出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀20取样。
两水样液相浓度由9070型测氧仪测得。
四、实验步骤及注意事项1.填料塔的流体力学性能测定(1)熟悉实验流程。
(2)装置上电,仪表电源上电,打开风机电源开关。
(3)测定干塔填料塔的压降,即在进水阀1关闭时,打开进气阀2并调节流量,分别读取对应流量下的压降值,注意塔底液位调节阀6要关闭,否气体会走短路,尾气放空阀4全开。
(4)测定湿填料压降①测定前要进行预液泛,使填料表面充分润湿。
②固定水在某一喷淋量下,改变空气流量,测定填料塔压降,测取8~10组数据。
③实验接近液泛时,进塔气体的增加量要减小,否则图中泛点不容易找到。
密切观察填料表面气液接触状况,并注意填料层压降变化幅度,务必让各参数稳定后再读数据,液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升,务必要掌握这个特点。
稍稍增加气量,再取一、二个点即可。
注意不要使气速过分超过泛点,避免冲破和冲跑填料。
(5)注意空气转自流量计的调节阀要缓缓开启和关闭,以免撞破玻璃管。
2.填料塔的吸收传质性能测定(1)打开氧气钢瓶总阀,并缓慢调节钢瓶的减压阀(注意减压阀的开关方向与普通阀门的开关方向相反,顺时针为开,逆时针为关),氧气减压后进入缓冲罐,罐内压力保持0.03~0.04[MPa],不要过高,并注意减压阀使用方法。
为防止水倒灌进入氧气转子流量计中,开水钱要关闭防倒灌阀24,或先通入氧气后通水。
(2)传质实验操作条件选取水喷淋密度10~15[m3/m2*h],空塔气速0.5~0.8[m/s]氧气入塔流量为0.01~0.02[m3/h],适当调节氧气流量,使吸收后的富氧水浓度控制在≤19.9[ppm]。
(3)塔顶和塔底液相氧浓度测定:分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水,用测氧仪分析各自氧的含量。
(测氧仪的使用见附录)(4)实验完毕,关闭氧气时,务必先关氧气钢瓶总阀,然后才能关闭减压阀2及调节阀8。
检查总电源几各管路阀门,确实安全后方可离开。
五、实验数据(附页)标准状态:T1=20℃ P1=101.3KPa湿物料流体力学性能测定数据(水流量恒为150L/h) 六、实验数据处理1.填料塔的流体力学性能测定以第一组数据为例:使用状态下的空气流量V 2 V 2=V 1*P 1*T 2/(P 2*T 1)V1—空气转子流量计示值〔m 3/h 〕T 1、P 1—标定状态下空气的温度和压强〔K 〕〔KPa 〕 T 2、P 2—使用状态下空气的温度和压强〔K 〕〔KPa 〕V 2=V 1*P 1*T 2/(P 2*T 1)=4*101.3*287.15/(1.065*293.15)=372.68m 3/h V 2=1/4×π×d2×u d=0.1m 可得: u=13.19 m/slgu=1.131m/s lg △P=lg18=1.255 填料塔层降和空塔气速关系图1.21.41.61.82.02.22.42.62.83.0l g ?Plgu2.传质实验:水温为20℃时,可查得:水的密度为998.2kg/m 3可求得:x 1=12mg/L=6.76×10-6 x 2=6.5mg/L=3.66×10-6 1.单位时间氧解吸量G AL=370 L/h=150×998.2÷18=8.32kmol/hG A =L (x 1-x 2)=8.32×(6.76×10-6-3.66×10-6)=2.5792×10-5 kmol/h 2.对数平均浓度差△Xm氧气在不同温度下的亨利系数E 可用下式求取: E=〔-8.5694×10-5t 2+0.07714t+2.56〕×106 (KPa ) =〔-8.5694×10-5×293.152+0.07714×293.15+2.56〕×106 = 1.781×107KPaP=大气压+1/2(填料层压差)=101.325+1/2×0.23=101.44KPa m=E/P=1.781×107/101.44=1.756×105进塔气相浓度y 2,出塔气相浓度y 1 y 1=y 2=0.21 x 1*=x 2*= y 2/m=0.21/ 1.756×105 =1.196×10-6 代入数据得:△Xm=3.81×10-63. 液相总体积传质系数 Kxa (Kmol/(m 3·h)) Kxa= G A /(Vp ×△Xm )= G A /(1/4×π×d2×H ×△Xm )=2.5792×10-5 /(1/4×3.14×0.12×0.8×3.81×10-6) =1077.95Kmol/(m 3·h)4. 液相总传质单元高度HoL(m) Ho L =Ω*x L a K =8.32/(1077.95×1/4×3.14×0.12)=0.983m七、结果分析与讨论由上图看出本次实验前几组比较正确,后几组就不那么准确了。
误差存在的可能原因是:*22*11*)22*11x x x x l x x ()x x (X -----=∆n m1、与氧气的接触时间不够,吸氧不充分。
2、实验仪器本身就存在一定的系统误差。
3、在读数时,数据变化较快,无法精确读取。
4、计算过程中小数点的取舍,也可能导致结果有一定的偏差。
5、后几组流量的变化太小,导致作图时点都聚在了一个地方。
八、思考题解答1.填料塔在一定喷淋量时,气相负荷应控制在那个范围内进行操作?答:水喷淋的密度取10~15[m3/m2·h],空塔气速则维持在0.5~0.8[m/s]左右,氧气流量为0.01~0.02[m3/s]左右。
2.通过实验观察,填料塔的液泛首先从哪一部位开始?答:液泛由塔底开始。
直径一定的塔,可供气、液两相自由流动的截面是有限的。
二者之一的流量若增大到某个限度,降液管内的液体便不能顺畅地流下;当管内的液体满到上层板的溢流堰顶时,便要漫到上层板,产生不正常积液,最后可导致两层板之间被泡沫液充满。
这种现象,称为液泛,亦称淹塔。
由定义可知,液泛即从塔底开始,由下至上。
3.欲提高传质系数,你认为应采取哪些措施?答:可以通过提高液体的流速,以加强液相德湍流程度来提高传质系数。