1填料塔流体力学特性与吸收系数的测定一、实验目的：1观察填料塔内气液两相流动情况和液泛现象2测定干、湿填料层压降，在双对数坐标纸上标绘出空塔气速与湿填料层压降的关系曲线。3了解填料吸收塔的流程及构造。4测定在一定条件下，用水吸收空气中氨的吸收系数。二、实验原理：填料塔压降和泛点与气、液相流量的关系是其主要的流体力学特性。吸收塔的压降与动力消耗密切相关，而根据泛点则可确定吸收塔的适宜气、液相流量。气体通过填料塔时，由于存在形体及表皮阻力而产生压力降。无液体喷淋时，气体的压力降仅与气体的流速有关，在双对数坐标纸上压力降与空塔速度的关系为一直线，称为干填料压降曲线。当塔内有液体喷淋时，气体通过填料塔的压力降，不仅与气体流速有关，而且与液体的喷淋密度有关。在一定的喷淋密度下，随着气速增大，依次出现载点和泛点，相应地P/ZU 曲线的斜率也依次增大，成为湿填料压降曲线。因为液体减小了空隙率，所以后者的绝对值和斜率都要比前者大。吸收系数是吸收设备的主要性能参数，影响吸收系数的因素包括气体流速、液体喷淋密度、温度、填料的自由体积、比表面积以及气液两相的物化性质等。本吸收实验以水为吸收剂，吸收空气氨气体系中的氨。因为氨气为易溶气体，所以此吸收操作属气膜控制。吸收系数随着气速的增大而增大，但气速增大至某一数值时，会出现液泛现象，此时塔的正常操作将被破坏。本实验所用的混合气中，氨气浓度很低，吸收所得的溶液浓度也不高。气液两相的平衡关系可认为符合亨利定律 mXY*吸收过程的传质速率方程为： AVaKN填吸收过程的物料衡算式为： 21式中： 氨的吸收量，kmol/sAN空气流量，kmol/sV塔底气相浓度，kmolNH 3/kmolair1Y塔顶气相浓度，kmolNH 3/kmolair2以气相摩尔比差为推动力的体积吸收系数，aKY skmol/3本实验所用装置与流程如图 1 所示，清水的流量由转子流量计显示。空气和氨气的流量也分别由转子流量计显示，二者混合后再进入吸收塔，所以其中氨气的摩尔比可用下式计算得到：2013airNHVY空 气 泵进 水 温 度 传 感器 塔 顶 压 力 单 管压 差 计压 力 变 送 器填 料 吸 收 塔放 空 阀吸 收 盒湿 式 流 量 计水氨气空气下水图 1. 填料吸收塔实验装置示意图出口气体中氨气的浓度利用酸碱滴定的方法测定，其摩尔比可用下式计算 4.2/)(102TVNYairHClV 为盐酸的体积（L） ，N 为浓度（mol/L） ，V air 为湿式气体流量计的读数，T 1 为空气的温度。计算过程中需要根据亨利定律计算气体的平衡浓度，亨利常数可根据附录的水温关系表内插得到，以水温为基准。气体的总压取塔顶和塔低的平均值。21PPEm211XYLVX 1*1XY0222平均传质推动力为 2*1lnYYm体积吸收系数为3mYZVaK21主要技术数据1# 、2# 塔填料层高度：陶瓷拉西环填料为 0.35 米塔内径 50mm3#、 4#塔塔内径 100 mm 填料层高度塑料鲍尔环 700mm S=0.00785m2三、实验步骤1. 打开仪表开关，启动气泵。2. 调节空气流量 8 次，读取干填料时的塔顶、塔底压力。3. 开启进水阀，水由塔顶进入塔内，将填料润湿。4. 当水流量为 20L/h（1# 、2# 塔）或 60L/h（3#、4#塔）时，由小到大改变空气流量 68 次，直至液泛现象发生，读取湿填料时的塔顶、塔底压力，记录下载点、液泛点时的空气流量。1用移液管量取一定量的已知浓度的盐酸溶液（0.5-1mol，0.008662mol/L） ，放入吸收盒，加入几滴（2-3）甲基橙作指示剂，再加蒸馏水至一定位置，连接好管路。2开启水流量调节阀，使填料充分润湿，将水流量调节至要求值（1# 、2# 塔：20L/h， 3#、4# 塔：60L/h） 。3启动气泵，调节空气流量至规定值，调节氨气流量至规定值，待系统稳定后，慢慢打开吸收盒阀门，注意通过吸收盒的气速不易过快。1# 、2# 塔空气：2m 3/h，氨气： 75L/h空气：1.5m 3/h，氨气：50 L/h3#、 4#塔空气：10m 3/h，氨气：250L/h空气：14m 3/h，氨气：350 L/h4待甲基橙的颜色由橙色变为黄色时，实验结束，记录相关数据，洗净吸收盒。注意事项：1.氨气的实际流量=氨气流量计读数*4/32.亨利系数由吸收剂水的温度查表得到。3.塔顶、底压力表的读数为表压力，单位为 kPa。4.进行尾气分析时，要密切观察溶液颜色的变化，一旦变色马上记取湿式流量计所走刻度的数值5.实验完毕，先关闭氨气系统，再关水、空气泵四、实验报告实验测得 1#实验装置的干、湿填料压降与空塔速度的关系列于表 1 中。其中，塔的横截面积为： 22096.)5(4mS4在双对数坐标纸上绘出空气通过干、湿填料层的压降与空塔速度的曲线，即P/ZU曲线，如图 2 所示。表 1. 1#填料塔的流体力学特性数据水流量 L=0 时 水流量 L=20L/h 时气体流量m3/h空塔速度 um/s单位高度阻力降 kPa/m气体流量m3/h空塔速度 um/s单位高度阻力降 kPa/m1 0.141 7.14 1 0.141 14.31.2 0.170 8.57 1.2 0.170 22.91.4 0.198 11.4 1.4 0.198 25.71.6 0.227 15.7 1.6 0.227 32.91.8 0.255 20 1.8 0.255 42.92 0.283 24.2 2 0.283 57.12.2 0.312 28.6 2.2 0.312 71.42.4 0.340 32.92.6 0.368 38.60.11010干 填 料L=20L/hdeltaP/Z (kPa/m) U (m/s)图 2. 实验测定的干、湿填料的压降曲线计算在不同空塔速度下的吸收系数 。aKY水流量为 20L/h 空气流量为 2m3/h 氨气流量为 75(4/3)=100L/h水的温度为 13C 查附表知亨利系数为 E=0.57atm盐酸用量为 1ml，其当量浓度为 C=0.00862mol/L，湿式流量计测得空气的体积为 0.3L。计算过程如下： 05.21013airNHV50674.2/)137(.08.42/)(3102 TVNYairHCl kPaP.9508.EmX2=0*YhkmolV/986314.0.2L041.)705(211 XY2.413.1* .07.6ln)()(ln42*1m )/(13509.)( 31 smkolYZVaKmY 实验测得 3#实验装置的干、湿填料压降与空塔速度的关系列于表 2 中。其中，塔的横截面积为：表 2. 3#填料塔的流体力学特性数据水流量 L=0 时 水流量 L=60L/h 时 水流量 L=80L/h 时气体流量m3/h空塔速度m/s单位高度阻力降 kPa/m单位高度阻力降kPa/m气体流量m3/h空塔速度m/s单位高度阻力降 kPa/m5 0.177 5.71 7.14 12 0.425 17.17.5 0.265 7.14 8.57 14 0.495 21.410 0.354 10.0 11.4 16 0.566 27.112.5 0.442 12.9 15.7 17.5 0.619 31.415 0.531 18.6 21.4 19 0.672 37.117.5 0.619 22.9 27.1 20 0.708 41.420 0.708 28.6 34.3 22 0.778 5022.5 0.796 35.7 47.1 23.5 0.832 58.66220785.)1(4mS在双对数坐标纸上绘出空气通过干、湿填料层的压降与空塔速度的曲线，即P/ZU曲线，如图 3 所示。0.1 11010L=0/hL=60L/hL=80L/hDeltaP/Z (kPa) U (m/s)图 3. 实验测定的干、湿填料的压降曲线计算在不同空塔速度下的吸收系数 。aKY水流量为 60L/h 空气流量为 10m3/h 氨气流量为 250(4/3)=333.3L/h水的温度为 13C 查附表知亨利系数为 E=0.57atm盐酸用量为 1ml，其当量浓度为 C=0.00862mol/L，湿式流量计测得空气的体积为 0.24L。计算过程如下： 03.1013airNHVY0847.2/)17(24.86./)(102 TairCl kPaP50372.145.0EmX2=0*Y7hkmolV/7.43928631.054lL043.)087.3(.749211 XY05.1*1m 8.0847.23ln)().(ln2*1 Y)/(9.60785.)(43931 smkolZVaKmY 水流量为 60L/h 空气流量为 14m3/h 氨气流量为 350(4/3)=466.7L/h水的温度为 13C 查附表知亨利系数为 E=0.57atm盐酸用量为 1ml，其当量浓度为 C=0.00862mol/L，湿式流量计测得空气的体积为 0.32L。六、思考题1本实验中怎样才能提高体积吸收系数 的数值？aKY增加气体流速，换用比表面积更大的填料。2当气体温度与吸收剂温度不同时，应按哪种温度来查取亨利常数？按吸收剂的温度，因为溶解度主要与液体的温度有关。3干填料层的 关系与湿填料层的 关系有什么不同？UZPUZP干填料压降曲线为一条直线，湿填料曲线的斜率是变化的，依次有载点和泛点。4通常填料的空塔操作下气速应控制在多少？应控制在载点气速以上，泛点气速的 0.8 倍以下。附录：亨利系数与水温的关系：水温 5 6 7 8 9 10 11 12 13亨利系数E（atm）0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.57水温 14 15 16 17 18 19 20 21 22亨利系数E（atm）0.6 0.625 0.655 0.69 0.72 0.76 0.795 0.83 0.865