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1、填料吸收塔的操作 及 吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定 吸收概述 吸收操作是氣體混合物的重要分離方法，它是將氣體混 合物與適當(dāng)?shù)囊后w接觸（氣液 逆流 或 并流 ），氣體中一 種或多種組分溶解于溶液中，不能溶解的組分仍留在氣 相中，從而利用各組分在液體中溶解度的差異而使氣體 中不同組分分離的操作。混合氣體中，能夠溶解于液體 的組分稱為 吸收質(zhì)或溶質(zhì) ；不能溶解的組分稱為 惰性氣 體 ；吸收操作所用的溶劑稱為 吸收劑 ；溶有溶質(zhì)的溶液 稱為 吸收液或簡稱溶液 ；排出的氣體稱為 吸收尾氣 ，其 主要成分應(yīng)是惰性氣體，還含有殘余的溶質(zhì)。 分類： 物理吸收和化學(xué)吸收；等溫吸收和非等溫吸收； 單組分吸收和多組分吸收等。
2、 應(yīng)用： 1.制取化工產(chǎn)品； 2.分離氣體混合物； 3.從氣體 中回收有用組分； 4.氣體凈化等。 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.了解填料吸收塔的結(jié)構(gòu)和流程。 2.了解吸收劑進(jìn)口條件的變化對吸收 操作結(jié)果的影響。 3.掌握吸收總傳質(zhì)系數(shù)的測定方法。 實(shí)驗(yàn)基本原理 1.氣液相平衡關(guān)系 2.吸收速率方程式 3.全塔物料衡算和操作線方程 4.填料吸收塔的操作和調(diào)節(jié) 1.氣液相平衡關(guān)系 大多數(shù)氣體物質(zhì) A溶解形成稀溶液時(shí) ， 稀溶液 上方溶質(zhì) A的平衡分壓 p*A與其在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù) xA成正比： p*A=ExA 這就是亨利定律 。 式中 E為亨利系數(shù) (kPa)。 若氣相組成也用平衡摩爾分?jǐn)?shù) y*表示 ， 則上式
3、 可寫為： y*=ExA/p總 令 m=E/p總 ， 則 y*=mxA 式中： m-相平衡常數(shù) ， 量綱為 1。 吸收過程中 ， 由于溶液和氣體的總量在不斷變化 ， 使得吸收過程的計(jì)算比較復(fù)雜 。 為了簡便起見 ， 工程計(jì) 算中采用在吸收過程中數(shù)量不變的氣體 （ 如空氣 ） 和純 吸收劑為基準(zhǔn) ， 用物質(zhì)的量之比 （ 也稱為比摩爾分?jǐn)?shù) ） 來表示氣相和液相中吸收質(zhì) A的含量 ， 并分別用 YA和 XA表 示 。 平衡時(shí) ， 其關(guān)系式為： 當(dāng)溶液濃度很低時(shí) ， XA很小 ， 則 1+(1-m)XA 1,， 上 式可簡化為： YA*=mXA 一些氣體的平衡系數(shù)可以在化工手冊中查到 。 A A A
4、Xm mXY )1(1 * 2.吸收速率方程式 吸收傳質(zhì)速率由吸收速率方程式?jīng)Q定： NA=KyAYm 式中： Ky-以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差 (Y*-Y)為推動(dòng)力的氣相總 傳質(zhì)系數(shù) （ kmol/m2 h） ; A-填料的有效接觸面積 （ m2） ； Ym-以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差 (Y*-Y)表示的塔頂 、 塔 底氣相平均推動(dòng)力 。 而 A=V填 式中： -填料的有效比表面積 （ m2/m3） ； V填 -填料層堆積體積 （ m3） 。 故有 式中： -以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的氣相總 溶積吸收傳質(zhì)系數(shù) （ kmol/m3 h） 。 myA YVKN 填, ,yK （ 1）吸收速率 NA 由吸收塔的物料衡算
5、可得 式中： G-氣相流量 （ kmol/h） ； Y1、 Y2-氣相進(jìn) 、 出塔濃度 。 )( 21 YYGNA （ 2）氣相平均推動(dòng)力 可取塔底與塔頂推動(dòng)力的對數(shù)平均值 ， 即 )l n ( 21 21 YY YYY m 11*111 mXYYYY 22*222 mXYYYY （ 3）氣相總體積傳質(zhì)系數(shù) 由式 可得： 又根據(jù)雙膜理論 ， 在一定的溫度下 ， 吸收總 系數(shù)可用下式表示： 式中： -氣相傳質(zhì)分系數(shù) （ kmol/m3 h） ； -液相傳質(zhì)分系數(shù) （ kmol/m3h） 。 由于 ， 、 顯然 ， 與氣相流量 G和液相流量 L都有關(guān) ， 其關(guān)系可由下式表示： mayA YVKN
6、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線方程 在穩(wěn)定操作條件下 ， 惰性氣體 （ 如空 氣 ） 和純吸收劑的量基本上沒有變化 。 在 任一微分段中 ， 從氣相擴(kuò)散出的吸收質(zhì)必 為同微分段的液體所吸收 ， 則物料衡算式 如下： 式中： G-惰性氣體流量 （ kmol/h） ； L-吸收劑流量 （ kmol/h） 。 AAA L d XdYGdN )( 對全塔進(jìn)行物料衡算 ， 則得： 即可列出操作線方程為： 它是一條通過 ( ) ， ( )
7、兩點(diǎn)的 直線 。 這條直線就是吸收的操作線 。 )()( 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調(diào)節(jié) 吸收操作的結(jié)果最終表現(xiàn)在出口氣體的 組成 上 ， 或溶質(zhì)的吸收率 上 。 吸收率 的定義為： 由于吸收塔的氣體進(jìn)口條件 （ 氣體中惰 性氣體的流量 G和吸收質(zhì)的組成 ） 是由前 一工序決定的 ， 因此控制和調(diào)節(jié)吸收操作 最終結(jié)果的方法 ， 只能是調(diào)節(jié)吸收劑的進(jìn) 口條件 ， 即流量 L、 溫度 t、 濃度 三個(gè)要素 。 %1 0 0 1, 2,1, A AA Y YY 2,A
8、y 1,AY 2,AX 由吸收過程分析可知 ： 改變吸收劑用量是對吸收過程進(jìn)行調(diào)節(jié)的最 常用方法 ， 當(dāng)氣體流量 G不變時(shí) ， 增加吸收劑流量 L， 操作線的斜率增加 ， 出口氣體的組成下降 ， 吸 收率增大 ， 溶質(zhì)吸收量增加 ， 吸收速率增加 。 當(dāng) 液相阻力較小時(shí) ， 增加液體的流量 ， 總傳質(zhì)系數(shù) 變化較小或基本不變 。 溶質(zhì)吸收量的增加主要是 由于傳質(zhì)平均推動(dòng)力的增大而引起的 ， 即此時(shí)吸 收過程的調(diào)節(jié)主要靠傳質(zhì)推動(dòng)力的變化 。 當(dāng)液相 阻力較大時(shí) ， 增加液體的流量 ， 總傳質(zhì)系數(shù)大幅 度增加 ， 而平均推動(dòng)力可能減少 ， 但總的結(jié)果是 使傳質(zhì)速率增大 ， 溶質(zhì)吸收量增大 。 L/
9、Gm的大小對操作的影響 應(yīng)該注意： 當(dāng)氣液兩相在塔底接近平 衡 （ L/Gm） ， 提高吸收劑用量 ， 即增大 L/G并不能使 明顯降低 ， 這 時(shí)只有降低吸收劑入塔濃度 才是有 效的 。 2,AY 2,AY 2,AX 吸收劑進(jìn)口濃度對吸收的影響 調(diào)節(jié)吸收劑進(jìn)口濃度 是控制 和調(diào)節(jié)吸收效果的又一重要手段。 吸收劑進(jìn)口濃度 降低，液相進(jìn)口 處的推動(dòng)力增大，全塔平均推動(dòng)力 也會(huì)隨之增大，這有利于吸收過程 吸收率的提高。 2,AX 2,AX 吸收劑入口溫度對吸收的影響 吸收劑入口溫度對吸收過程影響 也很大 ， 這也是控制和調(diào)節(jié)吸收操作 的一個(gè)重要因素 。 降低吸收劑的溫度 ， 使氣體的溶解度增大 ，
10、 相平衡常數(shù)減 小 ， 平衡線下移 ， 平均推動(dòng)力增大 ， 使吸收效果變好 。 最后應(yīng)注意： 以上討論是基于填料塔的填充 高度一定，即針對某一特定的工程 問題進(jìn)行操作型的問題討論。若是 設(shè)計(jì)型的工程問題，則上述結(jié)果不 一定相符，需視具體問題而定。 實(shí)驗(yàn)裝置及流程 本實(shí)驗(yàn)以水為吸收劑 ， 通過填料塔吸收分離空氣 丙酮混合氣中的丙酮 。 實(shí)驗(yàn)裝置包括空氣輸送 、 丙酮汽化 、 吸收劑供給和供氣 -液兩相逆流接觸的填料塔等部分 ， 其 流程示意圖如下所示 。 實(shí)驗(yàn)裝置流程示意圖 流程簡介： 由空氣壓縮機(jī) 1提供的空氣 ， 經(jīng)壓力定值器 2 定值為 2 104Pa， 并經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì) 4計(jì)量后 ， 進(jìn)
11、入內(nèi)盛丙酮的丙酮汽化器 5， 產(chǎn)生丙酮和空氣的 混合氣 ， 混合氣從輸氣管道由塔底進(jìn)入填料吸收 塔 7， 在塔內(nèi)同自塔頂噴下的水逆流接觸 ， 被吸 收掉其中大部分丙酮后 ， 從塔頂部氣體出口 9排 出 。 由恒壓高位槽 13底部流出的吸收劑 （ 水 ） ， 經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計(jì) 15計(jì)量 ， 流經(jīng)電加熱器 16， 由塔 頂噴入吸收塔 ， 吸收了空氣中的丙酮后 ， 由塔底 經(jīng)液封裝置 11排入吸收液貯罐 。 實(shí)驗(yàn)裝置主要尺寸： （ 1） 填料塔：塔內(nèi)徑 35mm， 填料層高度 240mm， 填料拉西環(huán) 10mm 10mm 1mm （ 2） 空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào) LZB-6流量 100L/h1000L/h
12、 （ 3） 水轉(zhuǎn)子流量計(jì)：型號(hào) LZB-4 流量 1.6L/h16L/h （ 4） 溫度指示儀： WMZ-03 050 （ 5） 氣動(dòng)定值器： QCD-100 實(shí)驗(yàn)步驟（ 1） 1、打開氣相色譜。 2、檢查丙酮汽化器中是否需要補(bǔ)充丙酮，丙酮 汽化器中丙酮的液位須超過 50%。 3、打開進(jìn)入高位槽的自來水龍頭，保持從高位 槽溢流管始終有適量水溢出。 4、 關(guān)閉氣 、 液流量計(jì) ， 關(guān)閉塔底液體出口閥 ， 關(guān)閉空壓機(jī)出口閥門 。 5、啟動(dòng)空壓機(jī)（控制壓力在 0.5Mpa左右），出 口壓力減至 0.05Mpa，通過儀表盤上壓力定值器 控制實(shí)驗(yàn)操作壓力穩(wěn)定在 0.02Mpa。 實(shí)驗(yàn)步驟（ 2） 6、調(diào)
13、節(jié)空氣流量計(jì)調(diào)節(jié)流量為 400L/h，液體流 量為 3L/h，注意穩(wěn)定塔內(nèi)壓力，空壓機(jī)壓力及 保持塔底液位高度 60。 7、用氣相色譜分析混合氣中丙酮的進(jìn)口濃度。 當(dāng)平行實(shí)驗(yàn)誤差小于 5%時(shí)，即認(rèn)為實(shí)驗(yàn)條件已 基本穩(wěn)定。 8、在穩(wěn)定操作條件下測定氣體的進(jìn)口、出口濃 度。并隨時(shí)記錄氣體、塔頂和塔底的溫度。 實(shí)驗(yàn)步驟（ 3） 9、改變吸收劑流量（分別為 3、 5、 5L/h）和對應(yīng) 的空氣流量（分別為 400、 400、 600L/h），在穩(wěn) 定操作條件下分別測定氣體的進(jìn)出口濃度。 10、打開吸收劑水溫調(diào)節(jié)開關(guān)，調(diào)節(jié)加熱電壓， 使吸收劑的進(jìn)口溫度為 35左右，操作穩(wěn)定后再 分別測定氣體的進(jìn)出口濃度
14、。 11、 實(shí)驗(yàn)結(jié)束 （ 注意：先停止加熱 ， 再關(guān)壓縮機(jī) 和空氣流量計(jì)閥門 ， 然后關(guān)閉吸收劑水的流量計(jì) 閥門 ， 最后關(guān)高位槽進(jìn)水閥門 ） ， 切斷電源 ， 水 箱和丙酮汽化器清空 。 實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理 (1) 實(shí)驗(yàn)日期： 原始數(shù)據(jù)記錄 序 號(hào) L* （ L/h） G* （ L/h） T進(jìn) t進(jìn) t出 塔頂 塔底 A空 A丙 A空 A丙 1 3 400 2 5 400 3 5 600 實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理 (2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果 序 號(hào) L （ Kmol/h） G （ Kmol/h） Y1 Y2 X2 (%) (kmol/m3h) 1 2 3 mAY , aYK , 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 1.計(jì)
15、算組分吸收率 ； 2.計(jì)算氣相平均推動(dòng)力 ； 3.計(jì)算氣相總?cè)莘e傳質(zhì)系數(shù) ； 4.作 和 關(guān)系圖。 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 , 關(guān)系圖 L L 關(guān)系圖 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 實(shí)驗(yàn)思考題（ 1） 1.從傳質(zhì)推動(dòng)力和傳質(zhì)阻力兩方面分析吸收劑流量對吸 收過程的影響？ 2.填料吸收塔塔底為什么要有液封？ 液封裝置是如何 設(shè)計(jì)的？ 3.增加氣體量對吸收有何
16、影響？ 4.從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析水吸收丙酮是氣膜控制過程還是液膜 控制過程，還是兩者同時(shí)存在？ 5.請你設(shè)計(jì)保持吸收劑流量恒定的高位槽，并說明其原 理？ 6.為什么要測 p-u的關(guān)系曲線？ 實(shí)驗(yàn)思考題（ 2） 7.哪些操作條件會(huì)影響本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性？如何判 定系統(tǒng)穩(wěn)定與否？ 8.液相從塔底排出為什么要經(jīng)過 形液封裝置？ 9.針對本實(shí)驗(yàn)，若保持其他條件不變，分別改變氣相 流量和液相流量，傳質(zhì)系數(shù) Kya將如何變化？ 10.本實(shí)驗(yàn)中其他條件不變而空氣流量適當(dāng)增加時(shí)，出 塔氣、液組成會(huì)如何變化？ 11.本實(shí)驗(yàn)中其他條件不變而水流量適當(dāng)增加時(shí)，出塔 氣、液組成會(huì)如何變化？ 12.本實(shí)驗(yàn)條件下，若增加空氣的流量，則水流量是否 按比例增加（即 L/G不變）就可保證吸收率不變？
填料吸收塔的操作及吸收傳質(zhì)系數(shù)的測定
