实验填料吸收塔实验

实验6-1 填料吸收塔实验 一、实验目的 了解填料吸收塔的结构和流体力学性能。 学习填料吸收塔传质能力和传质效率的测定方法。 掌握脉冲法测定填料塔中液相停留时间分布的方法。 掌握用矩量法估计液相返混参数Pe（彼克列数）的方法。 二、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. 固定液相流量和入塔混合气氨的浓度，在液泛速度以下取两个相差较大的气相流量，分别测量塔的传质能力（传质单元数和回收率）和传质效率（传质单元高度和体积吸收总系数）。 3. 固定气相流量，测定不同液相流速对Pe的影响。三、实验原理1.气体通过填料层的压强降P， kPa 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，不同喷淋量下填料层的压强降P与空塔气速u的关系如下图所示： 图1 填料层的Pu关系 当无液体喷淋即喷淋量L0=0时，干填料的Pu的关系是直线，如图中的直线0。当有一定的喷淋量时，Pu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Pu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。 本实验所用气体混合物中氨的浓度很低（摩尔比为0.02），所得吸收液的浓度也不高，可认为气-液平衡关系服从亨利定律，可用方程式Y*=mX表示。又因是常压操作，相平衡常数m值仅是温度的函数。 NOG 、HOG 、KYa 、 A可依下列公式进行计算 （6-1-1） （6-1-2） （6-1-3） （6-1-4） （6-1-5）式中：Z填料层的高度，m； HOG气相总传质单元高度，m； NOG 气相总传质单元数，无因次； Y1 、Y2 进、出口气体中溶质组分的摩尔比，； D Ym所测填料层两端面上气相推动力的平均值； D Y2、D Y1分别为填料层上、下两端面上气相推动力； D Y1= Y1- mX 1 ； D Y2= Y2- mX 2 X2 、X1 进、出口液体中溶质组分的摩尔比，； m相平衡常数，无因次； KYa气相总体积吸收系数，kmol /（m3 · h）； V空气的摩尔流率，kmol（B）/ h； 填料塔截面积，m2；。 混合气中氨被吸收的百分率（吸收率），无因次。 操作条件下液体喷淋密度的计算 （6-1-6）最小喷淋密度经验值 为0.2 m3/ （m2· h） 3. 填料塔液相返混特性 描述返混的数学模型很多，较简单实用的是一维扩散模型。一维扩散模型的数学表达式： (6-1-7)式中Pe为彼克列数，描述返混程度的模型参数。对式（6-1-7）求解：定解条件：实验采用脉冲法加入示踪剂，在流体出口处测定示踪剂浓度，闭式容器，列出如下定解条件：取 初始条件：边界条件： 用Laplace变换解得： （6-1-8）估计模型参数Pe：估计的方法有多种，如矩量法、传递函数法、拟合法等。本实验采用矩量法，需用到如下两个定义：1 浓度c（t）的一阶原点矩： （6-1-9）2 浓度c（t）的二阶中心矩： （6-1-10）式中 数学期望； 方差或称散度。由式（6-1-9）和式（6-1-10），可导出如下方程： （6-1-11） 实验测得c（t）与t的关系数据，由式（6-1-9）求得，由式（6-1-10）求得，通过（6-1-11）求得Pe的值。 四、实验装置形管 实验主要设备与仪器图6-1-1 填料吸收塔实验装置流程图1 风机；2电导率仪；3A/D转换片；4打印机；5计算机； 6磁盘驱动器；7示踪剂；8吸收塔；9液体分布器；10填料；11铂电极；12塔底排液阀；13电磁阀；14U型管压差计；15进气管；16液封；17吸收瓶；18孔板流量计； 19液体流量计；20进水阀；21氨气流量计；22液体温度表；23气体温度表；24空气流量显示仪；25湿式流量计；26三通阀；27水准瓶；28真空泵；29氨瓶总表；30氨自动减压阀 ；31氨气压力表；32氨瓶 填料塔：塔体为100×5mm有机玻璃管制成，塔高1.6m；塔内件主要有液体分布器、填料支承架、气体分布器等。填料：规整填料和散堆填料。电导率仪：DDS11C。计算机系统：主机、显示器、打印机等。示踪剂：KCI（CP）饱和溶液。 各套吸收塔基本情况列于表6-1-1中表6-1-1 各套吸收塔基本情况装置序号1234填料类型及 规 格不锈钢鲍尔环Dg16不锈钢丝网CY陶瓷波纹填料450Y拉西环Dg16填料层高度600mm700mm570mm490mm空气流量计孔板流量计孔板流量计孔板流量计孔板流量计氨气流量计转子流量计转子流量计转子流量计转子流量计尾气流量计湿式流量计湿式流量计湿式流量计湿式流量计水流量计转子流量计转子流量计转子流量计转子流量计鼓风机型式吹吸两用泵旋涡气泵旋涡气泵旋涡气泵 数据采集 微机数据采集原理方框图见图6-1-2。实验中测取的主要数据是不同时刻KCI浓度c（t）。测量浓度的一次仪表，安装在填料塔液相出口处。当含有KCI的水通过铂电极时，将c（t）送入传感器（电导率测定仪）；传感器将c（t）转换为毫伏级直流电压信号，电压信号经放大器放大送入A/D转换卡；即将电压信号转换为数字量，数字量送微机内存。然后由程序进行数据处理。 A/D 转换卡 微机系统 放大器 传感器 测量浓度的一次仪表元件 图6-1-2 数据采集原理方框图 空气实际体积流量的计算 空气流量由孔板与差压变送器和二次仪表组成空气流量计，其流量计算式为： 式中： C0流量计流量系数，C0=0.67 A0节流孔开孔面积，m2； d0节流孔开孔直径， d0=0.017 m； P节流孔上下游两侧压力差，Pa； 孔板流量计处时空气的密度，kg/m3。 常压下空气的实际体积流量，m3/ s； 孔板流量计处空气的温度，。 五、实验方法实验物系为空气、氨和水，微机在线数据采集。实验步骤如下： 掌握仪器的使用方法，在教师的指导下，学会使用电导率仪，并能利用微机进行数据采集与处理。 打开进水阀门，使填料充分润湿（大约15分钟）。 全开放空阀后启动鼓风机。 在实验室指定的液体流量下，按空气流量从小到大的顺序，测取pu关系。5.固定水流量为80L/h左右，选择适宜的空气流量，根据空气流量计校正曲线和氨气流量校正曲线，计算需向进塔空气中送入的氨气流量，以使混合气体中氨的浓度在0.02摩尔比左右。 6. 预先调节好空气流量和水的流量后，打开氨瓶总阀24（手轮旋转半圈），用氨自动减压阀22调节氨流量，使氨流量达到需要值。若氨流量达不到需要值，可适当增大氨瓶总阀24的开度。在空气、氨及水的流量不变的条件下操作一定时间，待过程基本稳定后，记录各流量计读数，记录塔底排出液的温度，并分析塔顶尾气及塔底吸收液的浓度。 7. 尾气分析方法： 关闭吸收瓶的进口阀门，用移液管向吸收瓶内装入5ml较低浓度的酸，并加入1-2滴指示液（甲基橙）。 缓慢打开吸收瓶的进口阀门，让塔顶尾气通过吸收瓶。阀门的开度不宜过大，以能使吸收瓶内液体以适宜的速度不断循环为限。从尾气开始通过吸收瓶起，就必须观察吸收瓶内液体的颜色，中和反应达到终点时，立即关闭进口阀门。 尾气浓度Y2的计算方法式中：分别为NH3和空气的摩尔数； 硫酸溶液的体积摩尔浓度，mol溶质/ l溶液； 硫酸溶液的体积，ml； 分别为湿式流量计测出的空气总体积（l）和湿式流量计处的绝对温度（K）； 标准状态下的绝对温度，273K。 8. 塔底吸收液的分析方法 用三角瓶接取吸收液样品一瓶、并加盖。 用移液管取塔底溶液10ml置于另一个三角瓶中，加入2滴指示剂（甲基橙）。 将浓度较高的硫酸置于酸滴定管内，用以滴定三角瓶中塔底溶液至终点。 9. 加大或减少空气流量，相应地改变氨流量，使混合气体中氨的浓度与第一次实验时相同，水流量与第一次实验也应相同，重复上述操作，测定有关数据。 10. 填料塔液相返混特性的测定 启动数据采集系统，使其处于工作状态。 取实验数据：待系统稳定之后（即空气流量、水流量稳定在预定值），启动电磁阀27注入示踪剂，同时命令微机采集数据。采数结束后，进行数据处理，打印机输出结果TD（数学期望），DD（方差）和PE（彼克列数）。 键入实验条件：将空气流量、水流量、进气温度、全塔压降，并自动打印输出。 维持空气流量不变，改变水的流量，取实验数据。 每一水流量条件下，重复两次取数据，使PE值的相对误差±5%。然后改变水流量进行下一个实验，完毕为止。 11. 实验完毕后，关闭空压机、真空泵、进水阀门、电导率仪、微机系统等仪器设备的电源，并将所有仪器复原。六、注意事项 开启氨瓶总阀前，要先关闭氨自动减压阀和氨流量调节阀。开启时开度不宜过大。 塔下部液封面的高度必须维持在空气进口管12的下面，并接近进口管。 做传质实验时，水流量不能超过规定范围，否则尾气的氨浓度极低，给尾气分析带来麻烦。 两次传质实验所用的氨气浓度必须一样。 每改变水流量一次，稳定10分钟后才能测取数据；每加一次示踪剂，须间隔10分钟方可再注入示踪剂。 微机采集数据个数控制在160200个之间即可，并在整个实验中保持不变。七、 报告内容 将实验数据整理在数据表中，并用其中一组数据写出计算过程。 将pu的关系在双对数坐标纸上表示出来。 对实验结果进行分析、讨论：对两次实验的Y2和A进行比较、讨论；对两次实验的KYa值进行比较、讨论；对物料衡算的结果进行分析、讨论。