实验4 填料塔吸收过程实验一、实验目的(1)了解填料吸收塔的基本结构，熟悉吸收实验装置的基本流程，搞清楚每一个附属设备的作用和设计意图。

(2)掌握产生液泛现象的原因和过程。

(3)明确吸收塔填料层压降ΔP与空塔气速u在双对数坐标中的关系曲线及其意义，了解实际操作气速与泛点气速之间的关系。

(4)掌握测定含氨空气-水系统的体积吸收系数Kya的方法。

(5)熟悉分析尾气浓度的方法。

(6)掌握气液体积转子流量计使用方法和安装要求，湿式流量计的使用方法和连接要求。

二、实验任务(1)观察在一定液体喷淋密度下，当气速增大到一定程度时产生的液泛现象，测得液泛气速，并根据液泛气速确定操作气速。

(2)根据实际测得的原始数据，在双对数坐标中画出填料层压降ΔP与空塔气速u的关系曲线。

(3)测定含氨空气-水系统在一定的操作条件下的体积吸收系数Kya。

(4)根据改变气相流量和改变液相流量测得不同的Kya的变化值的大小，判断此吸收过程是属气膜控制还是液膜控制。

(5)讨论影响吸收操作系统稳定的因素。

三、实验装置填料塔吸收操作及体积吸收系数的测定实验装置流程示意图见图1。

本实验装置的主要设备有填料吸收塔1、旋涡泵2、空气转子流量计3、四个U形管差压计(13、14、15、16)、氨气钢瓶4、氨气压力表5、氨气减压阀6、氨气稳压罐7、氨气转子流量计8、水转子流量计9、吸收瓶10、湿式流量计11、三通旋塞12、温度计17、18、19。

本实验物系为水-空气-氨气。

由旋涡气泵产生的空气与从液氮钢瓶经过减压阀后的氨气混合后进入填料塔底部。

吸收剂水从塔顶喷淋而下，从塔底经液封装置排出。

气液在填料层内接触、传质，经吸收后的尾气从塔顶排出。

很少量的一小部分尾气通过三通阀引进洗气瓶，洗气瓶内装有已知浓度和一定体积量的稀硫酸，尾气与稀硫酸进行中和反应，经吸收后的尾气通入湿式流量计后放空。

从湿式流量计可以测出此小部分尾气经过洗气瓶的空气体积量。

四、实验原理和方法与空塔气速u的关系1.填料塔压力降p填料塔的压力降与泛点气速是填料塔设计与操作的重要流体力学参数。

气体通过填料层的压力降将随气液流量的变化而改变。

填料层的压力降p ∆与空塔气速u 的关系如图2所示。

当无液体喷淋(L=0)时， p ∆~u 关系在双对数坐标中为一斜率在1.8~2.0之间的直线，如图2中AB 线。

当液体喷淋密度达到一定值(如1L L =)后，液体以液膜状流经填料表面， p ∆~u 关系如图2中A 1B 1C 1D 1线所示，由两个转折点B 1、C 1分为三个区段。

其中第一区段A 1B 1为恒持液区，在此区段中空塔气速较低，气体流速对填料表面上覆盖的液膜厚度无明显影响，填料层内的持液量与空塔气速无关，仅随喷淋量的增加而增大。

此区段的p ∆~u 关系线与AB 线平行，由于持液使填料层空隙率减小，故压降高于相同空塔气速下的干塔压降。

当空塔气速增大至一定程度时，气体对液体的流动产生明显的牵制作用，随空塔气速增大，液膜增厚，出现填料层持液量增加的所谓"拦液状态"(或称截液现象)，此时的状态点称为载点或拦液点，即图2中的B 1点。

空塔气速大于载点气速后，填料层内的持液量随空塔气速增加而增大，在空塔气速增大与空隙率下降的双重作用下， p ∆~u 关系线呈向上弯曲的形状，即图中的第二区段B 1C 1。

当气体速度继续增大，达到点C 1相当的值时，上升气流对液体所产生的曳力使得液体向下流动严重受阻，积聚的液体充满填料层空隙，气体只能以鼓泡的形式上升，致使填料层压降急剧上升，p ∆~u 关系线变得非常陡峭，如图2中C 1D 1区段。

此现象称为液泛，C 1点称为泛点。

填料塔在液泛状态(C 1D 1区段)下操作，气液相间的接触面积最大，传质效率最高，但操作最不稳定，因此实际操作气速应控制在既接近于液泛，但又不发生液泛时的气速。

一般操作气速取液泛气速的60%~80%。

2.填料层压降和空塔气速的测定 填料层压降定义为Rg p ρ=∆ （4-1）式中 p ∆——填料塔顶、底的压降，Pa ；R 一一直接与塔顶、底相连的U 形管压差计读数，m ； ρ 一一指示剂的密度，kg/m 3。

塔内气体流速用空塔气速u 表示，其定义为气体体积流量与塔截面之比。

即Ω=Qu （4-2） 式中 u ——空塔气速，m/s ；Q 一一塔内气体体积流量，m 3/s ； Ω一一塔截面积，m 2。

流量计的标定条件为t=293.15K ，0p =101325Pa ，气体转子流量计的标定介质为空气，液体转子流量计的标定介质为水。

实验测量气体、液体体积时操作条件与标定条件不同，所以必须经过校正。

当被测介质是气体，则其体积流量校正式为：ρρρρ00000NS NQ PT T P Q Q == （4-3） 式中 Q 一一实际气体体积流量，m 3/h ；N Q 一一操作条件下转子流量计中读得的气体流量， m 3/h ；0ρ一一标定条件下空气的密度，kg/m 3；0S ρ一一被测气体在标定条件下的密度，kg/m 3； ρ一一指实际测量条件下被测气体的密度，kg/m 3； 0P 一一标定条件的绝对压力，101325Pa ； 0T 一一标定条件的绝对温度，293.15K ；P 一一实际操作条件下被测气体的绝对压强，Pa ；T 一一实际操作条件下被测气体的绝对温度，K 。

当被测介质是液体，则其体积流量校正式为：)()(00ρρρρρρ--=f f NQ Q (4-4)式中 Q 一一实际液体体积流量， m 3/h ；N Q 一一操作条件下转子流量计中读得的液体流量， m 3/h ； f ρ一一转子的密度，kg/m 3；ρ一一指实际测量条件下被测液体的密度，kg/m 3； 0ρ一一标定条件下水的密度，kg/m 3。

根据实测的p ∆与求得的空塔气速u 值，可在双对数坐标中作出关系曲线，即在图2中可以得到液泛气速，也就确定了实际气速操作的范围。

3.体积吸收系数的测定(1)相平衡常数由空气和氨气混合后进入塔底，液相清水由塔顶喷淋而下，系统总压P 一般取塔内的平均压力，根据塔顶压力和塔顶、底压差可以得出塔内平均压力。

顶底p p p +=∆ (4-5)2底顶p p p +==2pp ∆+底 (4-6) 亨利系数的计算式子为：T E /1922468.11lg -= (4-7)式中 E 一一亨利系数，Pa ；T 一一塔内液相平均温度，K 。

实验中因塔底液相温度与塔内平均温度非常接近，所以T 取塔底液相温度。

进塔混合气中溶质的摩尔组成小于10%，属于低浓度气体吸收。

在双膜理论的基础上，操作范围之内，塔内任一截面处的气液两相成平衡关系，气液相平衡关系为mx y =*，此式中m 为相平衡常数，且PEm =。

(2)总体积传质吸收系数对于低浓气体吸收，传质系数可视为常数。

对于塔内填料的类型与尺寸一定，单位体积填料的有效气液接触面积，主要取决于流体流动情况。

因气、液流率几乎不变，全塔的流动状况相同，故传质系数在全塔可视为常数。

总体积吸收系数反映了填料吸收传质性能的主要参数之一，也是设计填料塔的重要基础数据。

对低浓气体吸收，可近似取：y y yY ≈+=1 （4-8a ） x xx X ≈+=1 （4-8b ）(3)吸收塔内NH 3为被水吸收的量A G对整个吸收塔进行物料衡算：)()(2121X X L Y Y V G A -=-= (4-9)式中 V 一一空气的摩尔流量，kmol/h ；L 一一吸收剂水的摩尔流量， kmol/h ；1Y 、2Y 一一进、出塔气体组成的比摩尔分数，kmolNH 3/ kmolAIR ； 1X 、2X 一一出、进塔液相组成的比摩尔分数， kmolNH 3/ kmolAIR 。

(4)进塔气体浓度1Y 的确定AirNH n n Y 31=（4-10）式中 3NH n ——进塔混合气体中氨气的物质的量，kmol ；Air n ——进塔混合气体中空气的物质的量，kmol 。

(5)出塔气体(尾气)组成2Y 的确定因为出塔气体(尾气)还含有很少量的氨，是弱碱性的，所以可以通人浓度已标定，体积数一定的酸中进行中和反应，测出尾气中氨气的浓度。

具体测定是，取Va(ml)浓度为Ma(mol/L)的硫酸置于吸收瓶中，加2~3滴指示剂(例溴百里酚兰)，少量的尾气通人洗气瓶内，硫酸吸收后再经湿式流量计放空，尾气一直通到中和反应的终点(即指示剂由黄棕色变至黄绿色)马上停止通气。

按式(4-11)计算出2Y 。

00321023RT V P V M n n Y a a AirNH -⨯==（4-11）式中 2Y 一一出塔气体的比摩尔浓度，kmolNH 3/kmolAIR ；a M ——硫酸的摩尔浓度，mol/L ； a V ——所用硫酸的体积，ml ；0P 、0V 、0T 一一尾气经洗气瓶吸收后，通过湿式流量计空气的压力(Pa)、体积(L)、温度(K)；R 一一气体常数。

(6)出塔液相组成1X 的确定因进塔液相是清水，X 2=0，由式(4-9)可知：LY Y V X )(211-=（4-12） 也可以用酸碱中和滴点法测得(方法略)。

(7)总传质推动力的确定*Y Y Y -=∆)]/()ln[()()()/ln(221112212121mX Y mX Y mX Y mX Y Y Y Y Y Y m -----=∆∆∆-∆=∆ （4-13）(8)总体积传质吸收系数kya 的计算 溶质被吸收的量A G 由物料衡算可求得，又m Ya A Y h K G ∆Ω=所以 mAYa Y h G K ∆Ω=（4-14）式中 Ya K ——总体积传质吸收系数，kmol/m 3﹒hA G ——溶质被吸收的量，kmol/h ； Ω一一吸收塔的截面积，m 2； h 一一填料层高度，m 。

五、仿真实验操作步骤在仿真实验主界面中选择"吸收实验"，点击进入吸收过程实验界面，输入学号，回车，点击"仿真操作"，进入实验操作界面。

1.ΔP~u 曲线的测定首先点击"开始实验"按钮，双击吸收剂调节阔，得一阀门开度放大图，点"+"、"一"符号，可增减阀门的开度，先增大水的流量，润湿塔内填料，随后调节水流量到一定值，例如取30L/h ，然后点击风机开关的绿色按钮，启动旋涡气泵，双击空气流量调节阀，慢慢增大风量，同时注意观察塔内气液流动形态，直至填料层中产生乳化现象，即表明已发生液泛。

记下液泛时的最大空气量(例15m 3/h)，再根据最大空气量规划各个实验状态点的风量值。

为了使实验点在坐标轴上分布均匀，风量应按等比数列安排，比值取1/4。

实验时风量应从小到大逐级调节，每改变一次风量，需待系统稳定后再点击"读取数据"按钮，以记录该实验状态点的实验数据。