填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定

填料吸收塔的操作 及 吸收传质系数的测定 吸收概述 吸收操作是气体混合物的重要分离方法，它是将气体混 合物与适当的液体接触（气液 逆流 或 并流 ），气体中一 种或多种组分溶解于溶液中，不能溶解的组分仍留在气 相中，从而利用各组分在液体中溶解度的差异而使气体 中不同组分分离的操作。混合气体中，能够溶解于液体 的组分称为 吸收质或溶质 ；不能溶解的组分称为 惰性气 体 ；吸收操作所用的溶剂称为 吸收剂 ；溶有溶质的溶液 称为 吸收液或简称溶液 ；排出的气体称为 吸收尾气 ，其 主要成分应是惰性气体，还含有残余的溶质。 分类： 物理吸收和化学吸收；等温吸收和非等温吸收； 单组分吸收和多组分吸收等。 应用： 1.制取化工产品； 2.分离气体混合物； 3.从气体 中回收有用组分； 4.气体净化等。 实验目的 1.了解填料吸收塔的结构和流程。 2.了解吸收剂进口条件的变化对吸收 操作结果的影响。 3.掌握吸收总传质系数的测定方法。 实验基本原理 1.气液相平衡关系 2.吸收速率方程式 3.全塔物料衡算和操作线方程 4.填料吸收塔的操作和调节 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 xA成正比： p*A=ExA 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 ， 则上式 可写为： y*=ExA/p总 令 m=E/p总 ， 则 y*=mxA 式中： m-相平衡常数 ， 量纲为 1。 吸收过程中 ， 由于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 YA和 XA表 示 。 平衡时 ， 其关系式为： 当溶液浓度很低时 ， XA很小 ， 则 1+(1-m)XA 1,， 上 式可简化为： YA*=mXA 一些气体的平衡系数可以在化工手册中查到 。 A A A Xm mXY )1(1 * 2.吸收速率方程式 吸收传质速率由吸收速率方程式决定： NA=KyAYm 式中： Ky-以气相摩尔分数差 (Y*-Y)为推动力的气相总 传质系数 （ kmol/m2 h） ; A-填料的有效接触面积 （ m2） ； Ym-以气相摩尔分数差 (Y*-Y)表示的塔顶 、 塔 底气相平均推动力 。 而 A=V填 式中： -填料的有效比表面积 （ m2/m3） ； V填 -填料层堆积体积 （ m3） 。 故有 式中： -以气相摩尔分数差为推动力的气相总 溶积吸收传质系数 （ kmol/m3 h） 。 myA YVKN 填, ,yK （ 1）吸收速率 NA 由吸收塔的物料衡算可得 式中： G-气相流量 （ kmol/h） ； Y1、 Y2-气相进 、 出塔浓度 。 )( 21 YYGNA （ 2）气相平均推动力 可取塔底与塔顶推动力的对数平均值 ， 即 )l n ( 21 21 YY YYY m 11*111 mXYYYY 22*222 mXYYYY （ 3）气相总体积传质系数 由式 可得： 又根据双膜理论 ， 在一定的温度下 ， 吸收总 系数可用下式表示： 式中： -气相传质分系数 （ kmol/m3 h） ； -液相传质分系数 （ kmol/m3h） 。 由于 ， 、 显然 ， 与气相流量 G和液相流量 L都有关 ， 其关系可由下式表示： mayA YVKN 填, m A ay YV NK 填, axayay k m kK , 11 aay AGk , bax BLk , ayK , baay LCGK , ayk , axk , 3.全塔物料衡算和操作线方程 在稳定操作条件下 ， 惰性气体 （ 如空 气 ） 和纯吸收剂的量基本上没有变化 。 在 任一微分段中 ， 从气相扩散出的吸收质必 为同微分段的液体所吸收 ， 则物料衡算式 如下： 式中： G-惰性气体流量 （ kmol/h） ； L-吸收剂流量 （ kmol/h） 。 AAA L d XdYGdN )( 对全塔进行物料衡算 ， 则得： 即可列出操作线方程为： 它是一条通过 ( ) ， ( )两点的 直线 。 这条直线就是吸收的操作线 。 )()( 2,1,2,1, AAAA XXLYYG )( 2,2, AAAA XGLYXGLY 1,1, , AA YX 2,2, , AA YX 4.填料吸收塔的操作和调节 吸收操作的结果最终表现在出口气体的 组成 上 ， 或溶质的吸收率 上 。 吸收率 的定义为： 由于吸收塔的气体进口条件 （ 气体中惰 性气体的流量 G和吸收质的组成 ） 是由前 一工序决定的 ， 因此控制和调节吸收操作 最终结果的方法 ， 只能是调节吸收剂的进 口条件 ， 即流量 L、 温度 t、 浓度 三个要素 。 %1 0 0 1, 2,1, A AA Y YY 2,Ay 1,AY 2,AX 由吸收过程分析可知 ： 改变吸收剂用量是对吸收过程进行调节的最 常用方法 ， 当气体流量 G不变时 ， 增加吸收剂流量 L， 操作线的斜率增加 ， 出口气体的组成下降 ， 吸 收率增大 ， 溶质吸收量增加 ， 吸收速率增加 。 当 液相阻力较小时 ， 增加液体的流量 ， 总传质系数 变化较小或基本不变 。 溶质吸收量的增加主要是 由于传质平均推动力的增大而引起的 ， 即此时吸 收过程的调节主要靠传质推动力的变化 。 当液相 阻力较大时 ， 增加液体的流量 ， 总传质系数大幅 度增加 ， 而平均推动力可能减少 ， 但总的结果是 使传质速率增大 ， 溶质吸收量增大 。 L/Gm的大小对操作的影响 应该注意： 当气液两相在塔底接近平 衡 （ L/Gm） ， 提高吸收剂用量 ， 即增大 L/G并不能使 明显降低 ， 这 时只有降低吸收剂入塔浓度 才是有 效的 。 2,AY 2,AY 2,AX 吸收剂进口浓度对吸收的影响 调节吸收剂进口浓度 是控制 和调节吸收效果的又一重要手段。 吸收剂进口浓度 降低，液相进口 处的推动力增大，全塔平均推动力 也会随之增大，这有利于吸收过程 吸收率的提高。 2,AX 2,AX 吸收剂入口温度对吸收的影响 吸收剂入口温度对吸收过程影响 也很大 ， 这也是控制和调节吸收操作 的一个重要因素 。 降低吸收剂的温度 ， 使气体的溶解度增大 ， 相平衡常数减 小 ， 平衡线下移 ， 平均推动力增大 ， 使吸收效果变好 。 最后应注意： 以上讨论是基于填料塔的填充 高度一定，即针对某一特定的工程 问题进行操作型的问题讨论。若是 设计型的工程问题，则上述结果不 一定相符，需视具体问题而定。 实验装置及流程 本实验以水为吸收剂 ， 通过填料塔吸收分离空气 丙酮混合气中的丙酮 。 实验装置包括空气输送 、 丙酮汽化 、 吸收剂供给和供气 -液两相逆流接触的填料塔等部分 ， 其 流程示意图如下所示 。 实验装置流程示意图 流程简介： 由空气压缩机 1提供的空气 ， 经压力定值器 2 定值为 2 104Pa， 并经转子流量计 4计量后 ， 进 入内盛丙酮的丙酮汽化器 5， 产生丙酮和空气的 混合气 ， 混合气从输气管道由塔底进入填料吸收 塔 7， 在塔内同自塔顶喷下的水逆流接触 ， 被吸 收掉其中大部分丙酮后 ， 从塔顶部气体出口 9排 出 。 由恒压高位槽 13底部流出的吸收剂 （ 水 ） ， 经转子流量计 15计量 ， 流经电加热器 16， 由塔 顶喷入吸收塔 ， 吸收了空气中的丙酮后 ， 由塔底 经液封装置 11排入吸收液贮罐 。 实验装置主要尺寸： （ 1） 填料塔：塔内径 35mm， 填料层高度 240mm， 填料拉西环 10mm 10mm 1mm （ 2） 空气转子流量计：型号 LZB-6流量 100L/h1000L/h （ 3） 水转子流量计：型号 LZB-4 流量 1.6L/h16L/h （ 4） 温度指示仪： WMZ-03 050 （ 5） 气动定值器： QCD-100 实验步骤（ 1） 1、打开气相色谱。 2、检查丙酮汽化器中是否需要补充丙酮，丙酮 汽化器中丙酮的液位须超过 50%。 3、打开进入高位槽的自来水龙头，保持从高位 槽溢流管始终有适量水溢出。 4、 关闭气 、 液流量计 ， 关闭塔底液体出口阀 ， 关闭空压机出口阀门 。 5、启动空压机（控制压力在 0.5Mpa左右），出 口压力减至 0.05Mpa，通过仪表盘上压力定值器 控制实验操作压力稳定在 0.02Mpa。 实验步骤（ 2） 6、调节空气流量计调节流量为 400L/h，液体流 量为 3L/h，注意稳定塔内压力，空压机压力及 保持塔底液位高度 60。 7、用气相色谱分析混合气中丙酮的进口浓度。 当平行实验误差小于 5%时，即认为实验条件已 基本稳定。 8、在稳定操作条件下测定气体的进口、出口浓 度。并随时记录气体、塔顶和塔底的温度。 实验步骤（ 3） 9、改变吸收剂流量（分别为 3、 5、 5L/h）和对应 的空气流量（分别为 400、 400、 600L/h），在稳 定操作条件下分别测定气体的进出口浓度。 10、打开吸收剂水温调节开关，调节加热电压， 使吸收剂的进口温度为 35左右，操作稳定后再 分别测定气体的进出口浓度。 11、 实验结束 （ 注意：先停止加热 ， 再关压缩机 和空气流量计阀门 ， 然后关闭吸收剂水的流量计 阀门 ， 最后关高位槽进水阀门 ） ， 切断电源 ， 水 箱和丙酮汽化器清空 。 实验记录及数据处理 (1) 实验日期： 原始数据记录 序 号 L* （ L/h） G* （ L/h） T进 t进 t出 塔顶 塔底 A空 A丙 A空 A丙 1 3 400 2 5 400 3 5 600 实验记录及数据处理 (2) 实验数据处理结果 序 号 L （ Kmol/h） G （ Kmol/h） Y1 Y2 X2 (%) (kmol/m3h) 1 2 3 mAY , aYK , 实验报告要求 1.计算组分吸收率 ； 2.计算气相平均推动力 ； 3.计算气相总容积传质系数 ； 4.作 和 关系图。 mAY , aYK , LK aY , L %1 0 0 1, 2,1, A AA Y YY )l n ( 21 21 YY YYY m 11*111 mXYYYY 22*222 mXYYYY m A ay YV NK 填 , baay LCGK , 或 aYK , L LK aY , 关系图 L L 关系图 实验注意事项 实验思考题（ 1） 1.从传质推动力和传质阻力两方面分析吸收剂流量对吸 收过程的影响？ 2.填料吸收塔塔底为什么要有液封？ 液封装置是如何 设计的？ 3.增加气体量对吸收有何影响？ 4.从实验数据分析水吸收丙酮是气膜控制过程还是液膜 控制过程，还是两者同时存在？ 5.请你设计保持吸收剂流量恒定的高位槽，并说明其原 理？ 6.为什么要测 p-u的关系曲线？ 实验思考题（ 2） 7.哪些操作条件会影响本实验系统的稳定性？如何判 定系统稳定与否？ 8.液相从塔底排出为什么要经过 形液封装置？ 9.针对本实验，若保持其他条件不变，分别改变气相 流量和液相流量，传质系数 Kya将如何变化？ 10.本实验中其他条件不变而空气流量适当增加时，出 塔气、液组成会如何变化？ 11.本实验中其他条件不变而水流量适当增加时，出塔 气、液组成会如何变化？ 12.本实验条件下，若增加空气的流量，则水流量是否 按比例增加（即 L/G不变）就可保证吸收率不变？