填料塔吸收操作及體積吸收系數(shù)測定

裝訂線專業(yè)：裝訂線專業(yè)：姓名：學號：日期：地點：課程名稱：過程工程原理實驗（乙）指導老師：成績：__________________實驗名稱：填料塔吸取操作及體積吸取系數(shù)測定同組學生姓名：實驗類型：傳質(zhì)實驗一、實驗?zāi)康暮鸵?guī)定（必填） 二、實驗內(nèi)容和原理（必填）三、實驗材料與試劑（必填）四、實驗器材與儀器（必填） 五、操作辦法和實驗環(huán)節(jié)（必填）六、實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和解決 七、實驗成果與分析（必填）八、討論、心得實驗?zāi)康睦斫馓盍衔∷臉?gòu)造并熟悉吸取塔的操作；觀察填料吸取塔的液泛顯現(xiàn)，測定泛點空塔氣速；測定填料層壓降ΔP與空塔氣速u的關(guān)系曲線；測定含氨空氣—水系統(tǒng)的體積吸取系數(shù)KYa。實驗原理（一）填料層壓力降ΔP與空塔氣速u的關(guān)系氣體通過干填料層時（噴淋密度L=0），其壓力降ΔP與空塔氣速u如圖6中直線A所示，此直線斜率約為1.8，與氣體以湍流方式通過管道時ΔP與u的關(guān)系相仿。如圖6可知，當氣速在L點下列時，在一定噴淋密度下，由于持液量增加而使空隙率減小，使得填料層的壓降隨之增加，又由于此時氣體對液膜的流動無明顯影響，在一定噴淋密度下，持液量不隨氣速變化，故其ΔP~u關(guān)系與干填料相仿。在一定噴淋密度下，氣速增大至一定程度時，隨氣速增大，液膜增厚，即出現(xiàn)“攔液狀態(tài)”（如圖6中L點以上），此時氣體通過填料層的流動阻力劇增；若氣速繼續(xù)加大，噴淋液的下流嚴重受阻，使極具的液體從填料表面擴展到整個填料層空間，謂之“液泛狀態(tài)”（如圖6中F點），此時氣體的流動阻力急劇增加。圖6中F點即為泛點，與之相對應(yīng)的氣速稱為泛點氣速。裝訂線裝訂線原料塔在液泛狀態(tài)下操作，氣液接觸面積可達最大，其傳質(zhì)效率最高。但操作最不穩(wěn)定，普通實際操作氣速取泛點氣速的60%~80%。塔內(nèi)氣體的流速以其體積流量與塔截面積之比來表達，稱之為空塔氣速u?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぃ?）式中： u——空塔氣速，m/s V’——塔內(nèi)氣體體積流量，m3/s Ω——塔截面積，m2。 實驗中氣體流量由轉(zhuǎn)子流量計測量。但由于實驗測量條件與轉(zhuǎn)子流量計標定條件不一定相似，故轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)值必須進行校正，校正辦法詳見附錄四。 填料層壓降ΔP直接可由U型壓差計讀取，再根據(jù)式（1）求得空塔氣速u，便可得到一系列ΔP~u值，標繪在雙對數(shù)坐標紙上，即可得到ΔP~u關(guān)系曲線。（二）體積吸取系數(shù)KYα的測定 1.相平衡常數(shù)m對相平衡關(guān)系遵照亨利定律的物系（普通指低濃度氣體），氣液平衡關(guān)系式為：································（2） 相平衡常數(shù)m與系統(tǒng)總壓P和亨利系數(shù)E的關(guān)系以下：··································（3）式中：E——亨利系數(shù)，Pa； 裝訂線P——系統(tǒng)總壓（實驗中取塔內(nèi)平均壓力），Pa。裝訂線亨利系數(shù)E與溫度T的關(guān)系為：···························（4）式中：T——液相溫度（實驗中取塔底液相溫度），K。 根據(jù)實驗中所測的塔頂表壓及塔頂塔底壓差ΔP，即可求得塔內(nèi)平均壓力P。根據(jù)實驗中所測的塔底液相溫度T，運用式（3）、（4）便可求得相平衡常數(shù)m。 2.體積吸取系數(shù)KYα 體積吸取系數(shù)KYα是反映填料吸取塔性能的重要參數(shù)之一，其值也是設(shè)計填料塔的重要根據(jù)。本實驗中屬于低濃度氣體吸取，近似取Y≈y，X≈x。 吸取速率方程式為：則 ····························（5）式中： KYα——氣相體積吸取系數(shù)，kmol/m3·h；α——單位體積填料層所提供的有效接觸面積，m2/m3；GA——單位時間內(nèi)NH3的吸取量，kmol/h；Ω——塔截面積，m2；h——填料層高度，m；ΔYm——吸取推動力，氣相對數(shù)平均濃度差。 為求得KYα，需求取GA及ΔYm。（1）被吸取的NH3量GA，可由物料衡算求得：······················（6）式中：V——惰性氣體空氣的流量，kmol/h； L——吸取劑水的流量，kmol/h； Y1——進塔氣相的構(gòu)成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)； Y2——出塔氣相（尾氣）的構(gòu)成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)； X1——出塔液相的構(gòu)成，比摩爾分率，kmol(A)/kmol(B)； X2——進塔液相的責成，本實驗中為清水吸取，X2=0。裝訂線（a）進塔氣相濃度Y1的擬定裝訂線·······························（7）式中：VA——氨氣的流量，kmol/h。 根據(jù)實驗中轉(zhuǎn)子流量計測取的空氣和氨氣的體積流量和實際測量狀態(tài)（壓力、溫度），對其刻度流量進行校正而得到其實際體積流量，再由氣體狀態(tài)方程得到空氣和氨氣的摩爾流量，并由式（7）可求取進塔氣相構(gòu)成Y1。 （b）出塔氣相（尾氣）構(gòu)成Y2的擬定 用移液管移取Vaml濃度為Ma的原則H2SO4溶液置于吸取瓶中，加入適量去離子水機2—3滴溴百里酚蘭，將吸取瓶如圖12-1連接在抽樣尾氣管線上。當吸取塔操作穩(wěn)定時，尾氣通過吸取瓶后尾氣中的氨氣被H2SO4吸取，其它空氣通過濕式流量計計量。為使所取尾氣樣能反映塔內(nèi)實際狀況，在取樣分析前應(yīng)使取樣管尾氣保持流通，然后變化三通旋塞流動方向，使尾氣通過吸取瓶?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぃ?）式中：——氨氣的摩爾數(shù)，mol； ——空氣的摩爾數(shù)，mol。（I）尾氣樣品中氨的摩爾數(shù)可用下列方式之一測得：（i）若尾氣通入吸取瓶吸取至終點（瓶內(nèi)溶液顏色由黃棕色變至黃綠色），則： ·························（9）式中：Ma——原則H2SO4溶液的摩爾濃度，mol/l。（ii）若通入吸取瓶的尾氣已過量（瓶中溶液呈蘭色），可用同樣原則H2SO4溶液滴定至終點（瓶內(nèi)溶液呈黃綠色）。若耗去的滴定用酸量為Va’，則：·····················（10）（II）尾氣樣品中空氣摩爾數(shù)的測取尾氣樣品中的空氣量由濕式流量計讀取，并測其溫度、壓力?！ぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぁぃ?1）裝訂線式中：P0——尾氣通過濕式流量計時的壓力（由室內(nèi)大氣壓替代），Pa；裝訂線 V0——通過濕式流量計的空氣量，l； T0——通過濕式流量計的空氣溫度，K； R——氣體常數(shù)，R=8314N·m/(mol·K)。 由式（9）、（10）可求得和，代入式（8）中即可得到Y(jié)2。根據(jù)得到的Y1和Y2，代入式（6）中即可求得GA。（2）對數(shù)平均濃度差其中 式中：、——與液相濃度、相對應(yīng)的氣相平衡濃度，kmolA/kmolB。出塔液相濃度可取塔底液相樣品進行化學分析得到，也可用物料衡算式（6）得到。求得GA、后，由式（5）即可求得KYa。實驗儀器1.本實驗裝置的流程示意圖見下圖。主體設(shè)備是內(nèi)徑70毫米的吸取塔，塔內(nèi)裝10×9×1陶瓷拉西環(huán)填料。2.物系是（水—空氣—氨氣）。惰性氣體空氣由漩渦氣泵提供，氨氣由液氨鋼瓶供應(yīng)，吸取劑水采用自來水，它們分別通過轉(zhuǎn)子流量計測量。水蔥塔頂噴淋至填料層與自下而上的含氨空氣進行吸取過程，溶液由塔底經(jīng)液封管流出塔外，塔底有液相取樣口，經(jīng)吸取后的尾氣由塔頂排至室外，自塔頂引出適量尾氣，用化學分析法對其進行構(gòu)成分析。裝訂線裝訂線1—填料吸取塔 2—旋渦氣泵 3—空氣轉(zhuǎn)子流量計 4—液氨鋼瓶 5—氨氣壓力表6—氨氣減壓閥 7—氨氣穩(wěn)壓罐 8—氨氣轉(zhuǎn)子流量計 9—水轉(zhuǎn)子流量計 10—洗氣瓶11—濕式流量計 12—三通旋塞 13、14、15、16—U型差壓計 17、18、19—溫度計20—液位計填料塔吸取操作及體積吸取系數(shù)測定實驗裝置流程示意圖實驗環(huán)節(jié)先啟動吸取劑（水）調(diào)節(jié)閥，當填料充足潤濕后，調(diào)節(jié)閥門使水流量控制在適宜的數(shù)值，維持恒定；啟動風機，調(diào)節(jié)風量由小到大，觀察填料塔內(nèi)的流體力學狀況，并測取讀數(shù)，根據(jù)液泛時空氣轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)，來選擇適宜的空氣流量，本實驗規(guī)定在兩至三個不同的氣體流量下測定KYa；為使進塔氣相濃度Y1約為5%，須根據(jù)空氣的流量來估算氨氣的流量，然后打開氨氣鋼瓶，調(diào)節(jié)閥門，使氨氣流量滿足規(guī)定；水吸取氨，在很短時間內(nèi)操作過程便達成穩(wěn)定，故應(yīng)在通氨氣之前將一切準備工作裝訂線做好，在操作穩(wěn)定后，啟動三通旋塞，使尾氣通入吸取瓶進行尾氣構(gòu)成分析。在實驗過程中，特別是在測量時，要確保空氣、氨氣和水流量的穩(wěn)定；裝訂線變化氣體流量或吸取劑（水）流量重復實驗；實驗完畢，關(guān)閉氨氣鋼瓶閥門、水調(diào)節(jié)閥，切斷風機電源，洗凈分析儀器等；實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析1.轉(zhuǎn)子流量計讀數(shù)的校正轉(zhuǎn)子流量計在出廠前都通過標定，測量液體的轉(zhuǎn)子流量計在標定時采用水作為標定介質(zhì)，測量氣體的轉(zhuǎn)子流量計則采用空氣作為標定介質(zhì)，介質(zhì)狀態(tài)都為20℃、1.013×105Pa。當使用條件與工廠標定條件不符合，其讀數(shù)必須進行校正。當轉(zhuǎn)子流量計測量水時，即使水溫的不同引發(fā)密度和黏度的變化，但它對實驗流量值影響較小，普通不予校正。當被測介質(zhì)是氣體時，其操作狀況的密度、溫度、壓強與標定空氣狀態(tài)不同時，其校正公式為：式中：Q——實際流量值；QN——轉(zhuǎn)子流量計的讀數(shù)值；P0、T0——標定的空氣狀況，P0=1.013×105Pa，T0=293K；P、T——實際測量時被測氣體的絕對壓強、絕對溫度，Pa、K?？諝庠谠瓌t狀態(tài)下的密度均查表得：ρ空氣=1.205kg/m3；氨氣在原則狀態(tài)下密度由公式PM=ρRT計算得：ρ氨氣=0.708kg/m3。在測量狀態(tài)下，空氣與氨氣可近似為抱負氣體，用氣體狀態(tài)方程PM=ρRT能夠得出在不同的氣壓和溫度下的氣體密度。則修正公式能夠變化為：裝訂線2.填料層壓力降ΔP與空塔氣速u的關(guān)系裝訂線原始數(shù)據(jù)以下表所示：（實驗室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa填料塔內(nèi)徑d=35mm水流量為30L/h）序號空氣流量QN/(m3/h)空氣溫度T/K空氣表壓/kPa塔頂?shù)讐翰瞀/kPa塔頂表壓/kPa塔液溫度T/K13290.150.160.050.13286.1523.5289.350.390.090.15286.1534.3289.650.420.080.21285.6545.1290.150.480.080.28285.6556290.150.780.160.50285.1567290.650.850.220.63285.1578.5291.151.290.330.92286.15810293.151.760.471.23286.15912294.152.530.721.74286.151014.5297.154.571.832.57286.151115298.655.602.362.85286.65以第一組數(shù)據(jù)為例，計算過程以下：T=290.15K流量計空氣絕對壓力=102.74+0.16=102.9kPa因此，流量計處壓力校正成果為：（其中ρ0=ρ空氣=1.205kg/m3M空氣=28.95kg/kmol）則塔內(nèi)氣速為：對全部數(shù)據(jù)的計算以下表：（實驗室大氣壓為1027.4Mb=102.74kPa填料塔內(nèi)徑d=35mm水流量為30L/h）序號空氣流量QN/(m3/h)空氣溫度T/K空氣表壓/kPa空氣絕壓/kPa塔頂?shù)讐翰瞀/kPa校正流量Q/(m3/h)塔內(nèi)氣速u/(m/s)13290.150.16102.90.052.9260.21123.5289.350.39103.130.093.3960.24534.3289.650.42103.160.084.1760.30145.1290.150.48103.220.084.9580.35856290.150.78103.520.165.8160.42067290.650.85103.590.226.7930.49078.5291.151.29104.030.338.2270.594810293.151.76104.50.479.7020.700912294.152.53105.270.7211.5970.837裝訂線10裝訂線14.5297.154.57107.311.8313.8861.0021115298.655.60108.342.3614.3011.032在雙對數(shù)坐標系下做出ΔP~u曲線以下：(舍棄誤差較大的第2組數(shù)據(jù))按照實驗的成果，認定液泛時空氣的流量為13m3/h（轉(zhuǎn)子流量計示數(shù)），因此，理論上后續(xù)實驗的操作點可定為空氣流量為10m3/h（轉(zhuǎn)子流量計示數(shù)）。3.體積吸取系數(shù)KYa的測定再上一種實驗中通過觀察得到了填料塔達成表觀液泛時的空氣流量計讀數(shù)為14m3/h,普通實際操作氣速取泛點氣速的60%~80%，因此本次實驗中取空氣氣速為10m3/h。原始數(shù)據(jù)以下表所示：（實驗室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa填料層高度37.5cm原則算濃度0.02mol/L）序號123空氣流量計讀數(shù)QN/(m3/h)101012空氣溫度/K298.15297.65298.15空氣表壓/kPa1.952.102.85氨氣流量計讀數(shù)/(L/h)0.30.30.36氨氣溫度/K289.15289.15288.15氨氣表壓/kPa2.012.022.82水流量讀數(shù)/(m3/h)303630塔頂?shù)讐翰瞀/kPa0.520.540.76塔頂表壓/kPa1.371.391.99塔底液溫/K288.15289.15289.15吸取瓶加酸量/mL101010脫氨后空氣量V0/L4.643.423.09裝訂線脫氨后空氣溫度T0/K裝訂線285.65285.65285.65(注：其中氨氣流量計讀數(shù)由于單位換算及統(tǒng)計因素，使得統(tǒng)計成果與實測成果相差了1000倍，應(yīng)將0.3、0.3、0.36改為300、300、360單位仍為L/h)以第一組數(shù)據(jù)為例，計算體積吸取系數(shù)KYα的過程以下：由亨利系數(shù)E與塔底液溫T的關(guān)系得到亨利系數(shù)塔頂絕壓=102.74+1.37=104.11kPa塔底絕壓=104.11+0.52=104.63kPa則塔內(nèi)平均壓力相平衡常數(shù)對轉(zhuǎn)子流量計測得的空氣與氨氣的流量校正以下：（其中ρ空氣=1.205kg/m3ρ氨氣=0.708kg/m3M空氣=28.95kg/kmolM氨氣=17.03kg/kmol）由PV=nRT能夠計算得到空氣與氨氣的摩爾流率：故入塔氣體中氨氣的比摩爾分率為：對于脫氨前后：硫酸吸取的氨氣量脫氨后空氣的摩爾量裝訂線故出臺氣體中氨氣的比摩爾分率為：裝訂線被吸取氨氣的量同時，因進塔液相構(gòu)成X2=0，吸取劑水流量L=30/18=1.667kmol/h由全塔物料衡算能夠求得：則因此故有：全部數(shù)據(jù)的計算以下：（實驗室大氣壓1027.4Mb=102.74kPa填料層高度37.5cm原則算濃度0.02mol/L）序號123空氣校正后體積流量/(m3/h)9.8509.81911.719氨氣校正后體積流量/(m3/h)0.2860.2860.340空氣摩爾流率/(kmol/h)0.4160030.4159860.499193氨氣摩爾流率/(kmol/h)0.0124620.0124720.014966Y10.0299570.0299820.029981脫氨摩爾量/mol4×10-44×10-44×10-4脫氨后空氣摩爾量/mol0.30.147950.13368Y20.00199270.00270360.0029922GA/(kmol/h)0.0116330.0113470.013473L/(kmol/h)1.66721.667X10.00697840.00567350.0080822△Y10.0257560.0265660.025116△Y2=Y20.00199270.00270360.0029922△Ym0.00928550.0104430.010399KYa/(kmol/m3·h)868.0989752.9305897.736裝訂線實驗討論及誤差分析裝訂線實驗中氨氣極易溶于水，因此該傳質(zhì)過程為氣膜控制的傳質(zhì)過程，傳質(zhì)阻力重要集中在氣相。由理論知識可知：KYa3>KYa1>KYa2，其中KYa1與KYa2較為靠近而KYa3與兩者相差較大。而實驗成果中并沒有滿足“KYa1與KYa2較為靠近而KYa3與兩者相差較大”這一規(guī)定。闡明測量有一定的誤差。通過分析測量數(shù)據(jù)以及計算過程初步得出誤差應(yīng)當在于第一組中測得的脫氨后空氣量偏大，使得脫氨后空氣摩爾量偏大，使得Y2偏小也就是ΔY2偏小，使得△Ym偏小，進而使得計算得到的KYa偏大。出現(xiàn)誤差的因素可能為第一次判斷尾氣吸取與否達成終點還沒有經(jīng)驗，在判斷方面出現(xiàn)誤差，造成實驗成果的誤差，后來應(yīng)多加注意。實驗中可能產(chǎn)生誤差的因素有：1、難以精確判斷尾氣吸取與否達成終點，即難以判斷變色點，因此對出塔氨氣的濃度計算產(chǎn)生較大誤差，進而影響最后測得的體積吸取系數(shù)KYa；2、U管壓差計和轉(zhuǎn)子流量計在讀數(shù)時存在波動，帶來誤差；3、實際空氣與氨氣并不符合抱負