填料吸收塔的操作和吸收系数的测定

下温度和压强，K、Pa；ρ0 空为标准状态下空气的密度，1.293kg/m3； 0NH3 为标准状态下
氨气的密度，0.771kg/m3。 （5）塔底气相浓度 Y1 和塔顶气相浓度 Y2
Y1
V0 NH 3 V0空
nNH3 n空
（6）
式中， nNH3 为 NH3 的摩尔数；n 空为空气的摩尔数。
用一定浓度，一定体积的硫酸溶液分析待测气体，有
X1=GA/L
（14）
L=V 水ρ水/M 水
（15）
式中，V 水为水的体积流量，m3/m；ρ水为水的密度，kg/m3；M 水为水的平均分子量，18kg/kmol。
（8）气相平均浓度差△Ym
Ym
（ Y1
Y1*）（Y2 Y2*）
ln
Y1 Y2
Y1* Y2*
（16）
式中，Y1* 为与 X1 相平衡的气相浓度，kmol（NH3）/kmol（空气）；Y2* 为与 X2 相平衡的气
昆明理工大学实验报告
课题名称：
化工原理实验
实验名称： 填料吸收塔的操作和吸收系数的测定
姓名： 学号：
成绩： 班级：
实验日期：
实验内容：
1.测定干填料及不同液体喷淋密度下填料的阻力降△P 与空塔气速 u 的关 系曲线，并确定液泛气速。
2.测量固定液体喷淋量下，不同气体流量时，用水吸收空气—氨混合气体中氨的体积吸收系
GA=KYa·VP·△Ym
(1)
式中，GA 为单位时间在塔内吸收的组分量，kmol（吸收质）/h；KYa 为气相总体积吸收系数， kmol（吸收质）/[m3（填料）·h]；VP 为填料层体积，m3；△Ym 为塔顶、塔底气相浓度差（Y-Y*）
的对数平均值，kmol（吸收质）/kmol（惰性气体）。
（1）填料层体积 VP
nNH3 2 MH2SO4 VH2SO4 103
（7）
式中， M H2SO4 为硫酸的摩尔浓度，mol/L；VH2SO4 为硫酸溶液体积，mL。
-2-
n空
（V空
T0 p0
p2 T2
）/ 22.4
（8）
式中，V 空为湿式气体流量计测出的空气体积，L；T0,、p0 为标准状态下空气的温度和压强， 273K、101.33kPa；22.4 为标准状态下一摩尔气体所占有的体积，22.4L/mol。则
-3-
节阀，用以维持塔顶具有一定的表压，以此作为尾气通过尾气分析装置的推动力。
氨气由液氨钢瓶供给，经氨气减压阀、流量调节阀后，经氨转子流量计记录流量的大小， 之后进入空气管道，与空气混合形成混合气体从塔底入塔。水由泵房进入系统，经流量计记 录流量后，在塔顶由液体分布器喷出，在吸收塔中与混合气体逆流接触，吸收其中的溶质， 吸收液由塔底排出流入地沟。为了测量塔内和填料层压强降，装有塔顶表压计和填料层压差 计。
当吸收剂为纯水时，塔顶 X2=0，而
X1 VL（Y1 Y2）
（13）
式中，V 为空气流量，kmol/h；L 为液体喷淋量，kmol/h；Y1、Y2 为塔底、塔顶气相浓度，
kmol（NH3）/kmol（空气）；X1、X2 为塔底、塔顶液相浓度，kmol（NH3）/kmol（水）。
因 GA=V（Y1-Y2），故
V0
V空
T0 p0
p1 p2 T1T2
（4）
式中，V0 空为标准状态下空气的体积流量，m3/h；V 空为转子流量计的指示值，m3/h；T0,、 p0 为标准状态下空气的温度和压强，273K、101.33kPa；T1、p1 为标准状态下空气的温度和 压强，273K、101.33kPa；T2、p2 为操作状态下温度和压强，K、Pa。
VP=π·DT2·Z/4
(2)
式中，DT 为塔内径，m；Z 为填料层高度，m。
（2）GA 由吸收塔的物料衡算求得
GA=V（Y1-Y2）
（3）
式中，V 为空气流量，kmol/h；Y1 为塔底气相浓度，kmol（NH3）/kmol（空气）；Y2 为塔顶 气相浓度，kmol（NH3）/kmol（空气）。
（3）标准状态下空气的体积流量 V0 空
四、实验步骤
1.流体力学特性实验 （1）熟悉实验装置及流程，弄清各部分的作用，并记录各压差计的零位读数。 （2）检查气路系统。开风机之前必须全开放空阀，以免风机烧坏。检查转子流量计阀 门是否关闭，以免风机开动转子突然上升将流量计管打破。 （3）启动风机，首先测定干填料阻力降与空塔气速的大小。注意不要开水泵，以免淋 湿干填料。由气泵送气，经放空阀、流量调节阀配合调节流量从小到大变化，测量 8～9 组 数据，记录每次流量下的塔顶表压、填料层压降、流量大小、计前表压、温度等参数。 （4）开动供水系统，慢慢调节流量接近液泛，使填料完全润湿后再降到预定气速进行 实验。 （5）测定湿填料压降，固定两个不同的液体喷淋量分别进行测定。每固定一个喷淋量， 调节空气流量，从小到大测量 8～9 组数据。并随时观察塔内的操作现象，记下发生液泛时 的气体流量。发生液泛之后，再继续空气流量，测取 2 组数据。 2.体积吸收系数 KYa 的测定 （1）在流体力学特性测试实验的基础上，维持一个液体喷淋量。 （2）确定操作条件，包括空气流量、氨气流量，准备好气体浓度分析装置及其所用试 剂，一切准备就绪后开动氨气系统。 （3）启动氨气系统。首先将液氨钢瓶上的自动减压阀的顶针松开（左旋为松开，右旋 为拧紧），使自动减压阀处于关闭状态。然后打开氨气瓶阀，此时减压阀压力表显示瓶内压 力的大小。然后略旋紧减压阀的顶针，用转子流量计调节氨流量至预定值。 （4）当空气、氨、水的流量计读数稳定后（约 2～3 分钟），记录各流量计的读数、温 度及各压差计的读数，并分析进塔和出塔气体浓度。 （5）气体浓度分析方法： 用硫酸吸收气体中的氨，反应方程如下
数 KYa。
填料吸收塔的操作和吸收系数的测定
一、实验目的
1.了解填料吸收塔的结构、填料特性及吸收装置的基本流程。 2.熟悉填料塔的流体力学特性。 3.掌握总传质系数 KYa 测定方法。 4.了解空塔气速和液体喷淋密度对传质系数的影响。
二、基本原理
1.填料塔流体力学特性 填料塔是一种重要的气液传质设备，其主体为圆柱形的塔体，底部有一块带孔的支撑板 来支承填料，并允许气液顺利通过。支撑板上的填料有整堆和乱堆两种方式，填料分为实体 填料和网体填料两大类，如拉西环、鲍尔环、θ网环都属于实体填料。填料层上方有液体分 布装置，可以使液体均匀喷洒在填料塔上。液体在填料中有倾向于塔壁的流动，故当填料层 较高时，常将其分段，段与段之间设置液体再分布器，以利液体的重新分布。 吸收塔中填料的作用主要是增加气液两相的接触面积，而气体在通过填料层时，由于克 服摩擦阻力和局部阻力而导致了压强降△P 的产生。填料塔的流体力学特性是吸收设备的主 要参数，它包括压强降液泛规律。了解填料塔的流体力学特性是为了计算填料塔所需动力消 耗，确定填料塔适宜操作范围以及选择适宜的气液负荷。填料塔的流体力学特性的测定主要 是确定适宜操作气速。 在填料塔中，当气体自下而上通过干填料（L=0）时，与气体通过其它固体颗粒床层一 样，气压降△P与空塔气速u的关系可用式△P=u1.8—2.0表示。在双对数坐标系中为一条直线， 斜率为1.8—2.0。在有一条喷淋（L≠0）时，气体通过床层的压降除与气速和填料有关外， 还取决于喷淋密度等因素。在一定的喷淋密度下，当气速小时，阻力与空塔速度仍然遵守△ P∝u1.8—2.0这一关系。但在同样的空塔速度下，由于填料表面有液膜存在，填料中的空隙减 小，填料空隙中的实际速度增大，因此床层阻力降比无喷淋时的值高。当气速增加到某一值 时。由于上升气流与下降液体的摩擦阻力增大，开始阻碍液体的顺利下流，以致于填料层内 的气液量随气速的增加而增加，此现象称为拦液现象，此点为载点，开始拦液时的空塔气速 称为载点气速。进入载液区后，当空塔气速再进一步增大，则填料层内拦液量不断增高，到 达某一气速时，气、液间的摩擦力完全阻止液体向下流动，填料层的压力将急剧升高，在△ P∝un关系式中，n的数值可达10左右，此点称为泛点。在不同的喷淋密度下，在双对数坐标 中可得到一系列这样的折线。随着喷淋密度的增加，填料层的载点气速和泛点气速下降。 本实验以水和空气为工作介质，在一定喷淋密度下，逐步增大气速，记录填料层的压降 与塔顶表压的大小，直到发生液泛为止。 2.体积吸收系数 KYa 的测定 在吸收操作中，气体混合物和吸收剂分别从塔底和塔顶进入塔内，气液两相在塔内逆流 接触，使气体混合物中的溶质溶解在吸收质中，于是塔顶主要为惰性组分，塔底为溶质与吸 收剂的混合液。反映吸收性能的主要参数是吸收系数，影响吸收系数的因素很多，其中有气 体的流速、液体的喷淋密度、温度、填料的自由体积、比表面积以及气液两相的物理化学性 质等。吸收系数不可能有一个通用的计算式，工程上常对同类型的生产设备或中间试验设备 进行吸收系数的实验测定。对于相同的物料系统和一定的设备（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。 本实验用水吸收空气—氨混合气体中的氨气。氨气为易溶气体，操作属于气膜控制。在
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其他条件不变的情况下，随着空塔气速增加，吸收系数相应增大。当空塔气速达到某一值时，
将会出现液泛现象，此时塔的正常操作被破坏。所以适宜的空塔气速应控制在液泛速度之下。
本实验所用的混合气中氨气的浓度很低（＜10%），吸收所得溶液浓度也不高，气液两
相的平衡关系可以被认为服从亨利定律，相应的吸收速率方程式为：
塔内混合气体总压，Pa（绝压）。
P=大气压+塔顶表压+填料层压降/2
（12）
表 1 低浓度（5%以下）氨水的亨利系数与温度的关系数据
温度/℃
0
10
20
25
30
40
亨利系数（E×10-5）/Pa 0.297
0.509
0.788
0.959 1.266 1.963
（7）塔底液相浓度 X1，塔顶液相浓度 X2
Y2 nNH3 / n空
（9）
同样塔顶气相浓度 Y2 也可通过取样分析来获得。 （6）平衡关系
Y
*
mX 1（1 mX）
m=E/P
（10） （11）
式中，m 为相平衡常数；E 为亨利系数，由表 1 中低浓度（5%以下）氨水的亨利系数与温
度的关系数据，用内插的方法获得，Pa；X 为溶液浓度，kmol（吸收质）/kmol（水）；P 为
（4）标准状态下氨气的体积流量V0NH3
V0 NH 3
VNH3
T0 p0
0空 p2 p1 0NH3 T2 T1
（5）
式中，V0NH3 为转子流量计的指示值，m3/h；T0,、p0 为标准状态下空气的温度和压强，273K、
101.33kPa；T1、p1 为标准状态下空气的温度和压强，273K、101.33kPa；T2、p2 为操作状态
2NH3+H2SO4+2H2O=（NH4）2SO4+2H2O 酸碱中和到达等当点时加有甲基橙指示剂的溶液变黄。
A.进气浓度。Ⅰ.迅速打开进气管路中的考克，让混合气通过吸收盒，再立即关闭此考 克，以使待测气体的管路全部充满此气体。Ⅱ.取高浓度硫酸液 2～3mL 放入分析瓶，用适 当的蒸馏水冲洗瓶壁，再加入 1～2 滴甲基橙指示剂。Ⅲ.打开进气管路中的考克，让气体流 经分析瓶，吸收后的空气由湿式气体流量计来计量，待颜色刚刚变黄，关闭分析系统，记录 气体体积量。注意考克的开度要适中，太大气流夹带吸收液，太小拖延分析时间，只要气体 在吸收盒中连续不断地以气泡形式溢出就可以。
2.主要设备及尺寸 （1）填料塔
填料吸收塔仿真实验界面
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有机玻璃塔内径：D=120mm；填料层高度：Z=800mm～900mm；填料：不锈钢θ网环 及陶瓷拉西环；规格：Φ8，Φ10，Φ15。
（2）DC—4 型微音气泵一台。 （3）LZB40 气体流量计，流量范围 0～60m3/h，数量一个；LZB15 气体流量计，流量 范围 0～2.5m3/h，数量一个；LZB15 气体流量计，流量范围 0～160m3/h，数量一个。 （4）LML—2 型湿式气体流量计，容量 5L，数量一台。 （5）水银温度计，规格 0～100℃，数量三只。
相浓度，kmol（NH3）/kmol（空气）。
三、实验装置与流程
1.试验流程 吸收装置流程如图所示。实验装置由填料塔、微音气泵、液氮钢瓶、转子流量计、压差 计（单管压差计、U 型管压差计）及气体分析系统构成。空气由气泵送出，由放空阀及空气 流量调节阀配合调节流量后，经过转子流量计记录流量的大小，并与氨气混合，由塔底自下 而上通过填料层。混合气在塔中经水吸收其中的氨后，尾气从塔顶排出。出口处装有尾气调