浙江大学化工基础原理实验-填料塔吸收实验报告

实验报告
课程名称：过程工程原理实验（乙）指导老师：叶向群成绩：__________________ 实验名称：吸收实验实验类型：工程实验同组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
填料塔吸收操作及体积吸收系数测定
1 实验目的：
1.1 了解填料吸收塔的构造并熟悉吸收塔的操作；
1.2 观察填料塔的液泛现象，测定泛点空气塔气速；
1.3 测定填料层压降ΔP与空塔气速u的关系曲线；
1.4 测定含氨空气—水系统的体积吸收系数K y a。

2 实验装置：
2.1 本实验的装置流程图如图1：
专业：
姓名：
学号：
日期：2015.12.26
地点：教十2109
2.2物系：水—空气—氨气。

惰性气体由漩涡气泵提供,氨气由液氮钢瓶提供，吸收剂水采用自来水，他们的流量分别通过转子流量计。

水从塔顶喷淋至调料层与自下而上的含氮空气进行吸收过程，溶液由塔底经过液封管流出塔外，塔底有液相取样口，经吸收后的尾气由塔顶排至室外，自塔顶引出适量尾气，用化学分析法对其进行组成分析。

3 基本原理：
实验中气体流量由转子流量计测量。

但由于实验测量条件与转子流量计标定条件不一定相同，故转子流量计的读数值必须进行校正。

校正方法如下：
3.2 体积吸收系数的测定
3.2.1相平衡常数m
对相平衡关系遵循亨利定律的物系（一般指低浓度气体），气液平衡关系为：
相平衡常数m与系统总压P和亨利系数E的关系如下：
式中：E—亨利系数，Pa
P—系统总压（实验中取塔内平均压力），Pa
亨利系数E与温度T的关系为：
lg E= 11.468-1922 / T
式中：T—液相温度（实验中取塔底液相温度），K。

根据实验中所测的塔顶表压及塔顶塔底压差△p，即可求得塔内平均压力P。

根据实验中所测的塔底液相温度T，利用式（4）、（5）便可求得相平衡常数m。

3.2.2 体积吸收常数
体积吸收常数是反映填料塔性能的主要参数之一，其值也是设计填料塔的重要依据。

本实验属于低浓气体吸收，近似取Y≈y、X≈x。

3.2.3被吸收的氨气量,可由物料衡算
(X1-X2)
式中：V—惰性气体空气的流量，kmol/h；
—进塔气相的组成，比摩尔分率，kmol（A）/ kmol（B）；
—出塔气相（尾气）的组成，比摩尔分率，kmol（A）/ kmol（B）；
X1—出塔液相组成，比摩尔分率，kmol（A）/ kmol（B）；
X2=0；
L—吸收剂水的流量，kmol/h。

3.2.3.1 进塔气相浓度的确定
式中：—氨气的流量，kmol/h。

根据转子流量计测取得空气和氨气的体积流量和实际测量状态（压力、温度）。

应对其刻度流量进行校正而得到实际体积流量，再由气体状态方程得到空气和氨气的摩尔流量，并由式（8）即可求取进塔气相浓度。

3.2.3.2 出塔气相（尾气）的组成的确定
用移液管移取体积为Va ml、浓度为Ma mol/l的标准硫酸溶液置于吸收瓶中，加入适量的水及2-3滴百里酚兰（指示剂），将吸收瓶连接在抽样尾气管线上（如装置图）。

当吸收塔操作稳定时，尾气通过吸收瓶后尾气中的氨气被硫酸吸收，其余空气通过湿式流量计计量。

为使所取尾气能反映塔内实际情况，在取样分析前应使取样管尾气保持畅通，然后改变三通旋塞流动方向，使尾气通过吸收瓶。

式中：—氨气的摩尔数，mol；
—空气的摩尔数，mol。

尾气样品中氨的摩尔数可用下列方式之一测得：
(i)若尾气通入吸收瓶吸收至终点（瓶内溶液颜色由黄棕色变至黄绿色），则
10-3mol
(ii)若通入吸收瓶中的尾气已过量（瓶中溶液颜色呈蓝色），可用同样标准硫酸溶液滴定至终点（瓶中溶液呈黄绿色）。

若耗去酸量为ml,则
10-3mol
尾气样品中空气摩尔数的求取
尾气样品中的空气量由湿式流量计读取，并测定温度
mol
式中：—尾气通过湿式流量计时的压力（由室内大气压代替），Pa；
—通过湿式流量计的空气量，l；
—通过湿式流量计的空气温度，K；
R—气体常数，R=8314N·m/(mol·K)。

由式（10）（11）可求得和，代人（9）即可得到，根据得到的和，由（7）即可得到。

3.2.4对数平均浓度差
4 实验步骤：
4.1先开启吸收剂（水）调节阀，当填料充分润湿后，调节阀门使水流量控制在适当的数值，维持恒定；
4.2启动风机，调节风量由小到大，观察填料塔内的流体力学状况，并测取数据，根据液泛时空气转子流
量计的读数，来选择合适的空气流量，本实验要求在两至三个不同气体流量下测定；
4.3为使进塔气相浓度约为5%，须根据空气的流量来估算氨气的流量，然后打开氨气钢瓶，调节阀门，使氨气流量满足要求；
4.4水吸收氨，在很短时间内操作过程便达到稳定，故应在通氨气之前将一切准备工作做好，在操作稳定之后，开启三通阀，使尾气通入吸收瓶进行尾气组成分析。

在实验过程中，尤其是测量时，要确保空气、氨气和水流量的稳定；
4.5 改变气体流量或吸收剂（水）流量重复实验：本次实验，控制空气流量分别为8-8-9.6 m 3/h ，水流量则相对应为30-36-30 l/h ；
4.6 实验完毕，关闭氨气钢瓶阀门、水调节阀，切断风机电源，洗净分析仪器等。

5 实验数据处理：
5.1 大气压102400Pa 室温11.5 填料层高度40.5cm 塔径70mm 硫酸10ml 浓度0.03mol/l 液泛气速11-12m ³/h
5.3数据处理： 塔截面积Ω=2
D π=0.00385m 2 P=P 0+P 表
E 29341 29507 29341 29507 29591 29507.5 P 103.375 103.38 103.355 103.34 103.965 103.91 m 0.2838 0.2854 0.2839 0.2855 0.2846 0.2840 ΔY m0.01299 0.01297 0.01270 0.01250 0.01368 0.01373 η0.9226 0.9229 0.9283 0.9318 0.9101 0.9090 K Y a 60.62 60.74 62.42 63.68 68.43 68.08
K Y a平均60.68 63.05 68.255
ΔP-u数据表格以及关系曲线图
ΔP kpa 0.410.40.410.420.570.56
u m/s 0.058640.058650.058680.058650.069450.06945
由图表可知，大概的液泛点气速为0.06945m/s.
计算示例（以组1-1为例）：
V 体 =00PT T P V N
=8*)
22.14.102(*15.273)
1.1215.273(*4.102++=8.1272 m 3/h ； G =
RT PV 体=314
.8*1.1215.2731272.8*22.14.102）（）（++=0.3551 kmol/h ； L=ρL 0/M=999.7*30/18/1000=1.667 kmol/h ； V 体·氨气=00PT T P V N
=0.3*）
（）
（25.14.102*15.2734.1215.273*4.102++=0.3049 m 3/h ； V 氨气=RT PV 体=314.8*4.1215.2733049.0*25.14.102）（）（++=0.01331 kmol/h ； n air =RT PV =102.4*4.79/8.314/(273.15+12)=0.2069mol ；
Y 1=G 氨气V =0.01331/0.3551=0.03748；
Y 2=n n 氨气
=0.03*0.01*2/0.2069=0.0029；
X 1=Y2)-(Y1L
G
=0.3551*(0.03748-0.0029)/1.667=0.00737；
E=T
/1992468.1110
-=)
4.111
5.273/(1992468.1110
+-=29341；
P=（2*0.77+0.41）/2+102.4=103.375kPa ，P 为塔内平均压力； m=E/P=29341/103.375/1000=0.2838；
m Y ∆=
2121ln Y Y Y Y ∆∆∆∆-=2121ln Y Y Y mX Y --=0029
.02838.0*00737.003748.0l 0029
.02838.0*00737.003748.0---n =0.01299； η=1-Y2/Y1=1-0.0029/0.03748=0.9226；
m A Y Y h G a K ∆Ω=
**=01229
.0*405.0*0385.00029.003748.0*3551.0）
（-=60.62
6 结果分析、讨论：
1 本次实验分别通过改变吸收剂流量或者空气流量+氨气流量来讨论对吸收的影响。

从实验数据处理的结果可以看出，第1组和第2组之间，空气氨气流量不变，增大水的流量20%，出口气体浓度变小，体积吸收系数变大；而第1组和第3组之间，水流量保持不变，增大空气和氨气流量20%，出口气体浓度变大，体积吸收系数也跟着变大，且大得多。

根据氨气易容于水的性质，理论上氨气应该属于气模控制，而根据化工原理理论知识，气模控制的时候，增大吸收剂流量时，出口气体浓度减小，吸收率增大，K y a 增大；当增大气体流速时，出口气体浓度增大， 吸收率减小，K y a 也增大，且比前者要大得多。

结论：根据实验数据可以看出，本次实验得到的结果相对来说是比较准确的。

实验比较理想。

2 从实验基本数据可以看出，不论是改变吸收剂流量或是空气流量，实验中测得的塔底液体温度和脱氨后空气温度发生变化，且者波动很小，随着气体或者吸收剂流量的改变，脱氨后空气温度也会发生变。

3 从实验数据处理结果可以看出，当保持空气流量不变而增大水流量时，吸收效率提升，不是很大；而相反地，保持水流量不变，增大空气流量时，吸收效率大幅度下降。

7思考题：
1 测定体积吸收系数kya和Δp-u有什么实际意义？
曲线是描述流体力学的特性也是吸收设备主要参数，为了计算填料塔的动力消耗也需流体力学特性，确定填料塔适宜操作范围及选择适宜的气液负荷。

2 实验时，如何确定水、空气和氨气的流量？
水的体积流量可直接从转子流量计上读取，再转化为摩尔流量；空气和氨气的体积流量则先从转子流量计上读取，利用校正公式进行校正，然后再转化为摩尔流量。

3 为什么吸收时氨气从气相转移到液相？
吸收的基本原理就是利用气体在吸收剂中溶解度不同来分离气体，在本实验中，氨气易溶于水，在气相和液相之间存在浓度差，这是发生传质过程的根本动力和原因。

4理论上气体流量改变和液体流量改变改变对K Y a有何影响？
增大吸收剂流量时，出口气体浓度减小，吸收率增大，K y a 增大；当增大气体流量时，出口气体浓度增大，吸收率减小，K y a 也增大，且比前者要大得多。