填料塔传质系数测定

一、实验目的

1、观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。

2、掌握总传质系数的测定方法并分析影响因素。

二、实验原理

本装置先用吸收柱讲将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作），送入解吸塔顶再用空气进行解吸，实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数a

K，并进行关联，得到

x

的关联式，同时对四种不同填料的传质效果及流体力学性能进行比较。本实

a V

b

a

K?

=

AL

x

验引入了计算机在线数据采集技术，加快了数据记录与处理的速度。

1、填料塔流体力学特性

气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为1.8～2的直线（图中aa线）。当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降也正比于气速的1.8～2次幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中bc段）。随气速的增加，出现载点（图1中c点），持液量开始增大，压降-气速线向上弯，斜率变陡（图中cd段）。到液泛点（图中d点）后，在几乎不变的气速下，压降急剧上升。

图一填料层压降-空塔气速关系示意图

2、传质实验

填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。在填料塔中，两相传质主要是在填料有效湿表面上进行，需要计算完成一定吸收任务所需填料高度，其计算方法有：传质系数法、传质单元法和等板高度法。

本实验是对富氧水进行解吸。由于富氧水浓度很小，可认为气液两相的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也是直线，因此可以用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。整理得到相应的传质速率方式为：

m p x A x V a K G ???=

m p A x x V G a K ??=

其中 2

2112211ln )

()(e e e e m x x x x x x x x x -----=

?

()21x x L G A -= Ω?=Z V p 相关的填料层高度的基本计算式为：

OL

OL x x e x

N H x

x dx a K L

Z ?=-Ω

?=

?1

2

即 OL OL N Z H /=

其中 m

x x e OL x x x x

x dx N ?-=

-=?

211

2

， Ω

?=

a K L H x OL

式中：

G A —单位时间内氧的解吸量[Kmol/h]

K x a —总体积传质系数[Kmol/m 3?h?Δx] V P —填料层体积[m 3] Δx m —液相对数平均浓度差

x 1 —液相进塔时的摩尔分率（塔顶）

x e1 —与出塔气相y 1平衡的液相摩尔分率（塔顶） x 2 —液相出塔的摩尔分率（塔底）

x e2 —与进塔气相y 2平衡的液相摩尔分率（塔底） Z —填料层高度[m] Ω —塔截面积[m 2] L —解吸液流量[Kmol/h]

H OL —以液相为推动力的传质单元高度 N OL —以液相为推动力的传质单元数

由于氧气为难溶气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中于液膜中，即K x =k x , 由于属液膜控制过程，所以要提高总传质系数K x a ，应增大液相的湍动程度。

在y —x 图中，解吸过程的操作线在平衡线下方，本实验中还是一条平行于横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小）。

备注：本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分率而不用摩尔比，这是因为在y —x 图中，平衡线为直线，操作线也是直线，计算比较简单。

排

空

排

水

入

地

沟

图二氧气吸收与解吸实验流程图

1、氧气钢瓶9、吸收塔17、空气转子流量计

2、氧减压阀10、水流量调节阀18、解吸塔

3、氧压力表11、水转子流量计19、液位平衡罐

4、氧缓冲罐12、富氧水取样阀20、贫氧水取样阀

5、氧压力表13、风机21、温度计

6、安全阀14、空气缓冲罐22、压差计

7、氧气流量调节阀15、温度计23、流量计前表压计

8、氧转子流量计16、空气流量调节阀24、防水倒灌阀

三、实验步骤

1、实验流程

图二是氧气吸收解吸装置流程图。氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀2进入氧气缓冲罐4，稳压在0.03～0.04[Mpa],为确保安全，缓冲罐上装有安全阀6，由阀7调节氧气流量，并经转子流量计8计量，进入吸收塔9中，与水并流吸收。含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。空气由风机13供给，经缓冲罐14，由阀16调节流量经转子流量计17计量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解吸后的尾气从塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐19排出。

自来水经调节阀10，由转子流量计17计量后进入吸收柱。

由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。空气流量计前装有计前表压计23。为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计22。

在解吸塔入口设有入口采出阀12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀20取样。两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。

2、操作要点

（1）、流体力学性能测定

①、测定干填料降压时，塔内填料务必事先吹干。

②、测定湿填料压降

A、测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。

B、实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减少，否则图中泛点不容易找到。密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，务必让各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍微增加气量，再取一、二个点即可。注意不是要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。

③、注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞玻璃管。

（2）、传质实验

①、氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.03~0.04[MPa]，不要过高，并注意减压阀使用方法。为防止水倒灌进入氧气转子流量计中，开水前要关闭防倒灌阀24，或先通入氧气后通水。

②、传质实验操作条件选取

水喷淋密度取10~15m3/m2.h，空塔气速0.5~0.8m/s氧气入塔流量为0.01~0.02m3/h，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在19.9ppm。

③、塔顶和塔底液相氧浓度测定

分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水，用测氧仪分析各自氧的含量。实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭减压阀2及调节阀8。检查总电源。总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。

四、原始实验数据（附页）

五、数据处理

流体力学性能测定

表一测定干填料压降数据记录

）15 18 21 24 27 30 33 36 空气流速（h/

m3

吸收塔压降（Pa）100 120 140 160 200 240 280 320 空气缓冲罐温度（℃）41 40 40.8 42.8 40 45 47 47.5

表二测定湿填料压降数据记录

）12 15 18 21 24 27 30 33

空气流速（h/

m3

吸收塔压降（Pa）150 170 290 350 440 490 600 700 空气缓冲罐温度（℃）42 44 45 45.9 45.9 45.9 46 46 根据上表所得的数据得：

图三填料层压降—空塔气速关系图

测出富氧水中氧含量为16.9ppm，贫氧水中氧的含量为8.0ppm。。

六、结果分析与讨论

据图得知，我们实验还是比较成功的，在测定干填料压降是得到的数据误差不是很大，几乎在一条直线上，而在测定湿填料压降时，并不是很明显，可能因为实验时不能做到液泛，这是导致数据不太理想的重要原因。

七、思考题

1、填料塔在一定喷淋量时，气相负荷应控制在那个范围内进行操作？

答：水喷淋的密度取10 ~15[m3/m2·h]，空塔气速则维持在0.5~0.8[m/s]左右，氧气流量为0.01~0.02[m3/s]左右。

2、通过实验观察，填料塔的液泛首先从哪一部位开始？为什么？

答：液泛由塔底开始。直径一定的塔可供气、液两相自由流动的截面是有限的。二者之一的流量若增大到某个限度，降液管内的液体便不能顺畅地流下，当管内的液体满到上层板的溢流堰顶时，便要漫到上层板，产生不正常积液，最后可导致两层板之间被泡沫液充满。这种现象称为液泛。由定义可知，液泛即从塔底开始，由下至上。

3、欲提高传质系数，你认为应采取哪些措施？

答：可以通过增加液体的流速，以加强液相的湍流程度来提高传质系数。