填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定

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1、填 料 吸 收 塔 的 操 作及吸 收 传 质 系 数 的 测 定 吸 收 概 述n 吸 收 操 作 是 气 体 混 合 物 的 重 要 分 离 方 法 ， 它 是 将 气 体 混合 物 与 适 当 的 液 体 接 触 （ 气 液 逆 流 或 并 流 ） ， 气 体 中 一种 或 多 种 组 分 溶 解 于 溶 液 中 ， 不 能 溶 解 的 组 分 仍 留 在 气相 中 ， 从 而 利 用 各 组 分 在 液 体 中 溶 解 度 的 差 异 而 使 气 体中 不 同 组 分 分 离 的 操 作 。 混 合 气 体 中 ， 能 够 溶 解 于 液 体的 组 分 称 为 吸 收 质 或 溶 质

2、； 不 能 溶 解 的 组 分 称 为 惰 性 气体 ； 吸 收 操 作 所 用 的 溶 剂 称 为 吸 收 剂 ； 溶 有 溶 质 的 溶 液称 为 吸 收 液 或 简 称 溶 液 ； 排 出 的 气 体 称 为 吸 收 尾 气 ， 其主 要 成 分 应 是 惰 性 气 体 ， 还 含 有 残 余 的 溶 质 。 n 分 类 ： 物 理 吸 收 和 化 学 吸 收 ； 等 温 吸 收 和 非 等 温 吸 收 ；单 组 分 吸 收 和 多 组 分 吸 收 等 。n 应 用 ： 1.制 取 化 工 产 品 ； 2.分 离 气 体 混 合 物 ； 3.从 气 体中 回 收 有 用 组 分 ； 4.

3、气 体 净 化 等 。 实 验 目 的1.了 解 填 料 吸 收 塔 的 结 构 和 流 程 。2.了 解 吸 收 剂 进 口 条 件 的 变 化 对 吸 收操 作 结 果 的 影 响 。 3.掌 握 吸 收 总 传 质 系 数 的 测 定 方 法 。 实 验 基 本 原 理1.气 液 相 平 衡 关 系2.吸 收 速 率 方 程 式3.全 塔 物 料 衡 算 和 操 作 线 方 程4.填 料 吸 收 塔 的 操 作 和 调 节 1.气 液 相 平 衡 关 系 大 多 数 气 体 物 质 A溶 解 形 成 稀 溶 液 时 ， 稀 溶 液上 方 溶 质 A的 平 衡 分 压 p*A与 其 在 溶

4、 液 中 的 摩 尔 分 数xA成 正 比 ： p*A=ExA 这 就 是 亨 利 定 律 。 式 中 E为 亨 利 系 数 (kPa)。 若 气 相 组 成 也 用 平 衡 摩 尔 分 数 y*表 示 ， 则 上 式可 写 为 ： y*=ExA/p总 令 m=E/p总 ， 则 y*=mxA 式 中 ： m-相 平 衡 常 数 ， 量 纲 为 1。 吸 收 过 程 中 ， 由 于 溶 液 和 气 体 的 总 量 在 不 断 变 化 ，使 得 吸 收 过 程 的 计 算 比 较 复 杂 。 为 了 简 便 起 见 ， 工 程 计算 中 采 用 在 吸 收 过 程 中 数 量 不 变 的 气 体

5、（ 如 空 气 ） 和 纯吸 收 剂 为 基 准 ， 用 物 质 的 量 之 比 （ 也 称 为 比 摩 尔 分 数 ）来 表 示 气 相 和 液 相 中 吸 收 质 A的 含 量 ， 并 分 别 用 YA和 XA表示 。 平 衡 时 ， 其 关 系 式 为 ： 当 溶 液 浓 度 很 低 时 ， XA很 小 ， 则 1+(1-m)XA 1,， 上式 可 简 化 为 ： Y A*=mXA 一 些 气 体 的 平 衡 系 数 可 以 在 化 工 手 册 中 查 到 。AAA XmmXY )1(1* 2.吸 收 速 率 方 程 式吸 收 传 质 速 率 由 吸 收 速 率 方 程 式 决 定 ：N

6、A=KyAYm式 中 ： Ky-以 气 相 摩 尔 分 数 差 (Y*-Y)为 推 动 力 的 气 相 总 传 质 系 数 （ kmol/m2h） ; A-填 料 的 有 效 接 触 面 积 （ m2） ； Ym-以 气 相 摩 尔 分 数 差 (Y*-Y)表 示 的 塔 顶 、 塔 底 气 相 平 均 推 动 力 。而 A=V填式 中 ： -填 料 的 有 效 比 表 面 积 （ m 2/m3） ； V填 -填 料 层 堆 积 体 积 （ m3） 。 故 有式 中 ： -以 气 相 摩 尔 分 数 差 为 推 动 力 的 气 相 总溶 积 吸 收 传 质 系 数 （ kmol/m3h） 。m

7、yA YVKN 填,yK （ 1） 吸 收 速 率 NA由 吸 收 塔 的 物 料 衡 算 可 得 式 中 ： G-气 相 流 量 （ kmol/h） ； Y1、 Y2-气 相 进 、 出 塔 浓 度 。)( 21 YYGN A （ 2） 气 相 平 均 推 动 力 可 取 塔 底 与 塔 顶 推 动 力 的 对 数 平 均 值 ，即 )ln( 21 21 YY YYYm 11*111 mXYYYY 22*222 mXYYYY （ 3） 气 相 总 体 积 传 质 系 数 由 式 可 得 ： 又 根 据 双 膜 理 论 ， 在 一 定 的 温 度 下 ， 吸 收 总系 数 可 用 下 式 表

8、示 ： 式 中 ： -气 相 传 质 分 系 数 （ kmol/m3h） ； -液 相 传 质 分 系 数 （ kmol/m3h） 。 由 于 ， 、 显 然 ， 与 气 相 流 量 G和 液 相 流 量 L都 有 关 ，其 关 系 可 由 下 式 表 示 ： mayA YVKN 填, mAay YV NK 填, axayay kmkK , 11 aay AGk , bax BLk ,ayK , baay LCGK ,ayk ,axk , 3.全 塔 物 料 衡 算 和 操 作 线 方 程 在 稳 定 操 作 条 件 下 ， 惰 性 气 体 （ 如 空气 ） 和 纯 吸 收 剂 的 量 基 本

9、 上 没 有 变 化 。 在任 一 微 分 段 中 ， 从 气 相 扩 散 出 的 吸 收 质 必为 同 微 分 段 的 液 体 所 吸 收 ， 则 物 料 衡 算 式如 下 ： 式 中 ： G-惰 性 气 体 流 量 （ kmol/h） ； L-吸 收 剂 流 量 （ kmol/h） 。 AAA LdXdYGdN )( 对 全 塔 进 行 物 料 衡 算 ， 则 得 ： 即 可 列 出 操 作 线 方 程 为 ： 它 是 一 条 通 过 ( ) ， ( )两 点 的直 线 。 这 条 直 线 就 是 吸 收 的 操 作 线 。)()( 2,1,2,1, AAAA XXLYYG )( 2,2,

10、 AAAA XGLYXGLY 1,1, , AA YX 2,2, , AA YX 4.填 料 吸 收 塔 的 操 作 和 调 节 吸 收 操 作 的 结 果 最 终 表 现 在 出 口 气 体 的组 成 上 ， 或 溶 质 的 吸 收 率 上 。 吸 收 率的 定 义 为 ： 由 于 吸 收 塔 的 气 体 进 口 条 件 （ 气 体 中 惰性 气 体 的 流 量 G和 吸 收 质 的 组 成 ） 是 由 前一 工 序 决 定 的 ， 因 此 控 制 和 调 节 吸 收 操 作最 终 结 果 的 方 法 ， 只 能 是 调 节 吸 收 剂 的 进口 条 件 ， 即 流 量 L、 温 度 t、

11、浓 度 三 个 要 素 。%1001, 2,1, A AA Y YY2,Ay 1,AY 2,AX 由 吸 收 过 程 分 析 可 知 ： 改 变 吸 收 剂 用 量 是 对 吸 收 过 程 进 行 调 节 的 最常 用 方 法 ， 当 气 体 流 量 G不 变 时 ， 增 加 吸 收 剂 流 量L， 操 作 线 的 斜 率 增 加 ， 出 口 气 体 的 组 成 下 降 ， 吸收 率 增 大 ， 溶 质 吸 收 量 增 加 ， 吸 收 速 率 增 加 。 当液 相 阻 力 较 小 时 ， 增 加 液 体 的 流 量 ， 总 传 质 系 数变 化 较 小 或 基 本 不 变 。 溶 质 吸 收

12、量 的 增 加 主 要 是由 于 传 质 平 均 推 动 力 的 增 大 而 引 起 的 ， 即 此 时 吸收 过 程 的 调 节 主 要 靠 传 质 推 动 力 的 变 化 。 当 液 相阻 力 较 大 时 ， 增 加 液 体 的 流 量 ， 总 传 质 系 数 大 幅度 增 加 ， 而 平 均 推 动 力 可 能 减 少 ， 但 总 的 结 果 是使 传 质 速 率 增 大 ， 溶 质 吸 收 量 增 大 。 L/Gm的 大 小 对 操 作 的 影 响 应 该 注 意 ： 当 气 液 两 相 在 塔 底 接 近 平衡 （ L/Gm） ， 提 高 吸 收 剂 用 量 ，即 增 大 L/G并

13、不 能 使 明 显 降 低 ， 这时 只 有 降 低 吸 收 剂 入 塔 浓 度 才 是 有效 的 。 2,AY 2,AY 2,AX 吸 收 剂 进 口 浓 度 对 吸 收 的 影 响 调 节 吸 收 剂 进 口 浓 度 是 控 制和 调 节 吸 收 效 果 的 又 一 重 要 手 段 。吸 收 剂 进 口 浓 度 降 低 ， 液 相 进 口处 的 推 动 力 增 大 ， 全 塔 平 均 推 动 力也 会 随 之 增 大 ， 这 有 利 于 吸 收 过 程吸 收 率 的 提 高 。 2,AX2,AX 吸 收 剂 入 口 温 度 对 吸 收 的 影 响 吸 收 剂 入 口 温 度 对 吸 收 过

14、 程 影 响也 很 大 ， 这 也 是 控 制 和 调 节 吸 收 操 作的 一 个 重 要 因 素 。 降 低 吸 收 剂 的 温 度 ，使 气 体 的 溶 解 度 增 大 ， 相 平 衡 常 数 减小 ， 平 衡 线 下 移 ， 平 均 推 动 力 增 大 ，使 吸 收 效 果 变 好 。 最 后 应 注 意 ： 以 上 讨 论 是 基 于 填 料 塔 的 填 充高 度 一 定 ， 即 针 对 某 一 特 定 的 工 程问 题 进 行 操 作 型 的 问 题 讨 论 。 若 是设 计 型 的 工 程 问 题 ， 则 上 述 结 果 不一 定 相 符 ， 需 视 具 体 问 题 而 定 。

15、实 验 装 置 及 流 程 本 实 验 以 水 为 吸 收 剂 ， 通 过 填 料 塔 吸 收 分 离 空 气 丙 酮 混 合 气 中 的 丙 酮 。 实 验 装 置 包 括 空 气 输 送 、 丙 酮 汽 化 、吸 收 剂 供 给 和 供 气 -液 两 相 逆 流 接 触 的 填 料 塔 等 部 分 ， 其流 程 示 意 图 如 下 所 示 。实 验 装 置 流 程 示 意 图 流 程 简 介 ： 由 空 气 压 缩 机 1提 供 的 空 气 ， 经 压 力 定 值 器 2定 值 为 2 104Pa， 并 经 转 子 流 量 计 4计 量 后 ， 进入 内 盛 丙 酮 的 丙 酮 汽 化 器

16、 5， 产 生 丙 酮 和 空 气 的混 合 气 ， 混 合 气 从 输 气 管 道 由 塔 底 进 入 填 料 吸 收塔 7， 在 塔 内 同 自 塔 顶 喷 下 的 水 逆 流 接 触 ， 被 吸收 掉 其 中 大 部 分 丙 酮 后 ， 从 塔 顶 部 气 体 出 口 9排出 。 由 恒 压 高 位 槽 13底 部 流 出 的 吸 收 剂 （ 水 ） ，经 转 子 流 量 计 15计 量 ， 流 经 电 加 热 器 16， 由 塔顶 喷 入 吸 收 塔 ， 吸 收 了 空 气 中 的 丙 酮 后 ， 由 塔 底经 液 封 装 置 11排 入 吸 收 液 贮 罐 。 实 验 装 置 主 要

17、 尺 寸 ：n （ 1） 填 料 塔 ： 塔 内 径 35mm， 填 料 层 高 度240mm， 填 料 拉 西 环 10mm 10mm 1mmn （ 2） 空 气 转 子 流 量 计 ： 型 号 LZB-6流 量100L/h1000L/hn （ 3） 水 转 子 流 量 计 ： 型 号 LZB-4流 量1.6L/h16L/hn （ 4） 温 度 指 示 仪 ： WMZ-03 050 n （ 5） 气 动 定 值 器 ： QCD-100 实 验 步 骤 （ 1）n 1、 打 开 气 相 色 谱 。n 2、 检 查 丙 酮 汽 化 器 中 是 否 需 要 补 充 丙 酮 ， 丙 酮汽 化 器 中

18、 丙 酮 的 液 位 须 超 过 50%。n 3、 打 开 进 入 高 位 槽 的 自 来 水 龙 头 ， 保 持 从 高 位槽 溢 流 管 始 终 有 适 量 水 溢 出 。 n 4、 关 闭 气 、 液 流 量 计 ， 关 闭 塔 底 液 体 出 口 阀 ，关 闭 空 压 机 出 口 阀 门 。 n 5、 启 动 空 压 机 （ 控 制 压 力 在 0.5Mpa左 右 ） ， 出口 压 力 减 至 0.05Mpa， 通 过 仪 表 盘 上 压 力 定 值 器控 制 实 验 操 作 压 力 稳 定 在 0.02Mpa。 实 验 步 骤 （ 2）n 6、 调 节 空 气 流 量 计 调 节 流

19、 量 为 400L/h， 液 体 流量 为 3L/h， 注 意 稳 定 塔 内 压 力 ， 空 压 机 压 力 及保 持 塔 底 液 位 高 度 60 。n 7、 用 气 相 色 谱 分 析 混 合 气 中 丙 酮 的 进 口 浓 度 。当 平 行 实 验 误 差 小 于 5%时 ， 即 认 为 实 验 条 件 已基 本 稳 定 。n 8、 在 稳 定 操 作 条 件 下 测 定 气 体 的 进 口 、 出 口 浓度 。 并 随 时 记 录 气 体 、 塔 顶 和 塔 底 的 温 度 。 实 验 步 骤 （ 3）n 9、 改 变 吸 收 剂 流 量 （ 分 别 为 3、 5、 5L/h） 和

20、对 应的 空 气 流 量 （ 分 别 为 400、 400、 600L/h） ， 在 稳定 操 作 条 件 下 分 别 测 定 气 体 的 进 出 口 浓 度 。n 10、 打 开 吸 收 剂 水 温 调 节 开 关 ， 调 节 加 热 电 压 ，使 吸 收 剂 的 进 口 温 度 为 35左 右 ， 操 作 稳 定 后 再分 别 测 定 气 体 的 进 出 口 浓 度 。 n 11、 实 验 结 束 （ 注 意 ： 先 停 止 加 热 ， 再 关 压 缩 机和 空 气 流 量 计 阀 门 ， 然 后 关 闭 吸 收 剂 水 的 流 量 计阀 门 ， 最 后 关 高 位 槽 进 水 阀 门 ）

21、 ， 切 断 电 源 ， 水箱 和 丙 酮 汽 化 器 清 空 。 实 验 记 录 及 数 据 处 理 (1)实 验 日 期 ：原 始 数 据 记 录序号 L*（ L/h） G* （ L/h） T进 t进 t出 塔 顶 塔 底A空 A丙 A空 A丙1 3 4002 5 4003 5 600 实 验 记 录 及 数 据 处 理 (2)实 验 数 据 处 理 结 果序号 L（ Kmol/h） G（ Kmol/h） Y1 Y2 X2 (%) (kmol/m3h) 123 mAY , aYK , 实 验 报 告 要 求n 1.计 算 组 分 吸 收 率 ；n 2.计 算 气 相 平 均 推 动 力 ；

22、n 3.计 算 气 相 总 容 积 传 质 系 数 ；n 4.作 和 关 系 图 。mAY , aYK ,LK aY , L %1001, 2,1, A AA Y YY )ln( 21 21 YY YYYm 11*111 mXYYYY 22*222 mXYYYY mAay YV NK 填, baay LCGK ,或 aYK , L LK aY , 关 系 图 L L 关 系 图 实 验 注 意 事 项 实 验 思 考 题 （ 1）n 1.从 传 质 推 动 力 和 传 质 阻 力 两 方 面 分 析 吸 收 剂 流 量 对 吸收 过 程 的 影 响 ？ n 2.填 料 吸 收 塔 塔 底 为

23、什 么 要 有 液 封 ？ 液 封 装 置 是 如 何设 计 的 ？n 3.增 加 气 体 量 对 吸 收 有 何 影 响 ？n 4.从 实 验 数 据 分 析 水 吸 收 丙 酮 是 气 膜 控 制 过 程 还 是 液 膜控 制 过 程 ， 还 是 两 者 同 时 存 在 ？ n 5.请 你 设 计 保 持 吸 收 剂 流 量 恒 定 的 高 位 槽 ， 并 说 明 其 原理 ？n 6.为 什 么 要 测 p-u的 关 系 曲 线 ？ 实 验 思 考 题 （ 2）n 7.哪 些 操 作 条 件 会 影 响 本 实 验 系 统 的 稳 定 性 ？ 如 何 判定 系 统 稳 定 与 否 ？n 8

24、.液 相 从 塔 底 排 出 为 什 么 要 经 过 形 液 封 装 置 ？n 9.针 对 本 实 验 ， 若 保 持 其 他 条 件 不 变 ， 分 别 改 变 气 相流 量 和 液 相 流 量 ， 传 质 系 数 Kya将 如 何 变 化 ？n 10.本 实 验 中 其 他 条 件 不 变 而 空 气 流 量 适 当 增 加 时 ， 出塔 气 、 液 组 成 会 如 何 变 化 ？ n 11.本 实 验 中 其 他 条 件 不 变 而 水 流 量 适 当 增 加 时 ， 出 塔气 、 液 组 成 会 如 何 变 化 ？n 12.本 实 验 条 件 下 ， 若 增 加 空 气 的 流 量 ， 则 水 流 量 是 否按 比 例 增 加 （ 即 L/G不 变 ） 就 可 保 证 吸 收 率 不 变 ？