实验四填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定

实验四填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定姓名：学号：；学院专业级班；

同组同学姓名：；；。

实验日期：；天气：；室温：大气压：；成绩：

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一、实验目的

1.了解填料吸收塔的结构和操作流程；

2.掌握产生液泛现象的原因和过程。

3.明确吸收塔填料层压降p与空塔气速u在双对数坐标中的关系曲线及其意义，了

解实际操作气速与泛点气速之间的关系

4.了解吸收剂进口条件的变化对吸收操作结果的影响；

5. 掌握气相总容积吸收传质系数Ky,α的测定方法

二、基本原理

吸收是指利用气体中各组分在液相中溶解度的差异而分离气体混合物的操作。在吸收

过程中，所用液体成为吸收剂（或溶剂）；气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质；不被

溶解的气体组分称为惰性气体或载体；吸收操作所得到的液体称为溶液（主要成分为吸收

剂和溶质）；剩余的气体为尾气，主要成分为惰性气体，还有残余的吸收质。

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*与其在溶液

中的

摩尔分数x A成正比：

p A* = Ex A (4-1) 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(3-4-1)式可写为：

y A* = Ex A/p 总(4-2) 令E/p总= m，则

y A* = mx A (4-3) 式中，m为相平衡系数，量纲为1。

吸收过程中，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惰性气体（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Y A和X A表示。平衡时，其关系式为：

Y A*= mX A/(1+(1-m)X A)

当溶液浓度很低时，X A很小，则1+(1－m)X A≈1，式(3-4-4)可简化为：

Y A*＝mX A

2.填料吸收塔流体力学特性

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。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∝u n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。

3.吸收速率方程式

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。

物质的吸收速率方程式为：

N A′= N A·A = K y A ∆y A,m (4-6)

式中：N A′——吸收传质速率(kmol·h-1)；N A——

吸收传质通量（kmol·m-2·h-1）；

K y——以气相摩尔分数差（y*- y）为推动力的气相总传质系数，（kmol·m－2·h－1）；

A ——填料的有效接触面积（m2）；

∆y A,m——以气相摩尔分数差（y*- y）表示的塔顶、塔底气相平均推动力。