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填料吸收塔过程验
填料吸收塔过程验
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填料塔吸收过程实验
一、实验目的:
(1)了解填料吸收塔的基本结构,熟悉吸收实验装置的基本流程,搞清楚每一个附属设备的作用和设计意图。
(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Δp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)掌握测定含氨空气-水系统的体积吸收系数KYa的方法。
(5)熟悉分析尾气浓度的方法。
(6)掌握气液体积转子流量计的使用方法和连接要求。
二、实验内容:
测定填料层压降与操作气速的关系,确定填料塔在某液体喷淋量下的液泛气速;
固定液相流量和入塔混合气氨的浓度,在液泛速度以下取两个相差较大的气相流量,分别测量塔的传质能力(传质单元数和回收率)和传质效率(传质单元高度和体积吸收总系数);
三、实验装置:
填料吸收塔实验装置流程示意图
1-鼓风机2-空气流量调节阀3-空气转子流量计、4-空气温度、5-液封管、
6-吸收液取样口、7-填料吸收塔、8-氨瓶阀门、9-氨转子流量计、10-氨流量调节阀、11-水转子流量计、12-水流量调节阀、13-U型管压差计、14-吸收瓶、15-量气管、16-水准瓶、17-氨气瓶、18-氨气温度、20-吸收液温度、21-空气进入流量计处压力
实验流程示意图,空气由鼓风机1送入空气转子流量计3计量,空气通过流量计处的温度由温度计4测量,空气流量由放空阀2调节,氨气由氨瓶送出,经过氨瓶总阀8进入氨气转子流量计9计量,氨气通过转子流量计处温度由实验时大气温度代替。
其流量由阀10调节5,然后进入空气管道与空气混合后进入吸收塔7的底部,水由自来水管经水转子流量计11,水的流量由阀12调节,然后进入塔顶。
分析塔顶尾气浓度时靠降低水准瓶16的位置,将塔顶尾气吸入吸收瓶14和量气管15。
在吸入塔顶尾气之前,予先在吸收瓶14内放入5mL已知浓度的硫酸作为吸收尾气中氨之用。
四、实验原理
1.填料塔流体力学特性
压强降决定了塔的动力消耗,是塔设计的重要参数。
压强降与气液流量有关,不同喷淋量下填料层的压强降
与气速
的关系如下图所示:
在双对数坐标系中,无液体喷淋即喷淋量
时,干填料的
是一条斜率为1.8~2的直线(图中aa线)。
当有一定的喷淋量时,
的关系变成折线,并存在两个转折点,在低气速下(C点以前)压降正比于气速的1.8~2次幂,但大于同一气速下干填料的压降(图中bc段)。
气速增加,出现载点(图中c点),持液量开始增大,
向上弯曲,斜率变大,(图中cd段)。
到液泛点(图中d点)后,在几乎不变的气速下,压降急剧上升。
这两个转折点将
分为三个区段:
恒持液量区、载液区与泛液区。
2.传质性能
吸收系数是决定吸收过程速率高低的重要参数,实验测定是获取吸收系数的根本途径。
对于相同的物系及一定的设备(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。
本实验是用水吸收空气-氨混合气体中的氨,混合气体中氨的浓度很低,吸收所得的溶液浓度也不高,可认为气-液平衡关系服从亨利定律,方程式
,又因是常压操作,相平衡常数m值仅是温度的函数。
故可用对数平均浓度差法计算填料层传质平均推动力,相应的传质速率方程式为:
所以
其中
式中
GA—单位时间内氨的吸收量[kmol/h];
KYa—总体积传质系数[kmol/m3·h];
Vp—填料层体积[m3];
△Ym—气相对数平均浓度差;
Y1—气体进塔时的摩尔比,
;
Ye1—与出塔液体相平衡的气相摩尔比;
Y2—气体出塔时的摩尔比,
;
Ye2—与进塔液体相平衡的气相摩尔比。
3.计算公式
(1)亨利系数
(2)总体积传质系数KYa、气相总传质单元高度HOG
a、标准状态下的空气流量V0:
[m3/h]
式中:
V1——空气转子流量计示值[m3/h]
T0、P0——标准状态下的空气的温度和压强
T1、P1——标定状态下的空气的温度和压强
T2、P2——使用状态下的空气的温度和压强
b、标准状态下的氨气流量V0’
[m3/h]
式中:
V1’——氨气转子流量计示值[m3/h]
ρ01——标准状态下氨气的密度1.293[kg/m3]
ρ02——标定状态下氨气的密度0.781[kg/m3]
如果氨气中纯氨为98%,则纯氨在标准状态下的流量V0’’为:
V0’’=0.98*V0’
c、惰性气体的摩尔流量G:
G=V0/22.4
d、单位时间氨的吸收量GA:
GA=G*(Y1-Y2)
e、进气浓度Y1:
f、尾气浓度Y2:
式中:
Ns——加入分析盒中的硫酸当量浓度[N]
Vs——加入分析盒中的硫酸溶液体积[ml]
V——湿式气体流量计所测得的空气体积[ml]
T0——标准状态下的空气温度[K]
T——空气流经湿式气体流量计时的温度[K]
g、对数平均浓度差
:
Ye2=0
P=大气压+塔顶表压+(填料层压差)/2
m=E/P
式中:
E——亨利常数
Ls——单位时间喷淋水量[kmol/h]
P——系统总压强
h、气相总传质单元高度:
式中:
G’——混合体气通过塔截面的摩尔流速
i、吸收率
五、实验步骤
1.测量干填料层(△P/Z)─u关系曲线:
先全开调节阀2,后启动鼓风机,用阀2调节进塔的空气流量,按空气流量从小到大的顺序读取填料层压降△P,转子流量计读数和流量计处空气温度,然后在对数坐标纸上以空塔气速u为横坐标,以单位高度的压降△P/Z为纵坐标,标绘干填料层(△P/Z)─u关系曲线(见图二).
2.测量某喷淋量下填料层(△P/Z)─u关系曲线:
用水喷淋量为40L/h时,用上面相同方法读取填料层压降△P,转子流量计读数和流量计处空气温度并注意观察塔内的操作现象,一旦看到液泛现象时记下对应的空气转子流量计读数。
在对数坐标纸上标出液体喷淋量为40L/h下(△P/z)─u关系曲线(见图二),确定液泛气速并与观察的液泛气速相比较。
(1)选泽适宜的空气流量和水流量(建议水流量为30L/h)根据空气转子流量计读数为保证混合气体中氨组分为0.02-0.03左右摩尔比,计算出氨气流量计流量读数。
(2)先调节好空气流量和水流量,打开氨气瓶总阀8调节氨流量,使其达到需要值,在空气,氨气和水的流量不变条件下操作一定时间过程基本稳定后,记录各流量计读数和温度,记录塔底排出液的温度,并分析塔顶尾气及塔底吸收液的浓度。
(3)尾气分析方法:
a.排出两个量气管内空气,使其中水面达到最上端的刻度线零点处,并关闭三通旋塞。
b.用移液管向吸收瓶内装入5mL浓度为0.005M左右的硫酸并加入1─2滴甲基橙指示液。
c.将水准瓶移至下方的实验架上,缓慢地旋转三通旋塞,让塔顶尾气通过吸收瓶,旋塞的开度不宜过大,以能使吸收瓶内液体以适宜的速度不断循环流动为限。
从尾气开始通入吸收瓶起就必需始终观察瓶内液体的颜色,中和反应达到终点时立即关闭三通旋塞,在量气管内水面与水准瓶内水面齐平的条件下读取量气管内空气的体积。
若某量气管内已充满空气,但吸收瓶内未达到终点,可关闭对应的三通旋塞,读取该量气管内的空气体积,同时启用另一个量气管,继续让尾气通过吸收瓶。
d.用下式计算尾气浓度Y2
因为氨与硫酸中和反应式为:
2NH3+H2SO4=(NH4)2SO4
所以到达化学计量点(滴定终点)时,被滴物的摩尔数nNH3和滴定剂的摩尔数nH2SO4之比为:
nNH3∶nH2SO4=2∶1
nNH3=2nH2SO4=2MH2SO4·VH2SO4
Y2=
=
式中:
nNH3,N空气─分别为NH3和空气的摩尔系数,
MH2SO4─硫酸溶液体积摩尔浓度,mol溶质/溶液
∨H2SO4━硫酸溶液的体积,ml
∨量气管━量气管内空气的总体积,ml
T0─标准状态时绝对温度273K,
T─操作条件下的空气绝对温度K。
(4)塔底吸收液的分析方法:
a.当尾气分析吸收瓶达中点后即用三角瓶接取塔底吸收液样品,约200mL并加盖。
b.用移液管取塔底溶液10mL置于另一个三角瓶中,加入2滴甲基橙指示剂。
c.将浓度约为0.05M的硫酸置于酸滴定管内,用以滴定三角瓶中的塔底溶液至终点。
(5)水喷淋量保持不变,加大或减小空气流量,相应地改变氨流量,使混合气中的氨浓度与第一次传质实验时相同,从复上述操作,测定有关数据。
六、使用实验设备应注意的事项:
1.启动鼓风机前,务必先全开放空阀2。
2.做传质实验时,水流量不能超过40L/h,否则尾气的氨浓度极低,给尾气分析带来麻烦。
3.两次传质实验所用的进气氨浓度必需一样。
七、思考题
⑴流体通过干填料压降与式填料压降有什么异同?
答:
当气体自下而上通过填料时产生的压降主要用来克服流经填料层的形状阻力。
当填料层上有液体喷淋时,
填料层内的部分空隙为液体所充满,减少了气流通道截面,在相同的条件下,随液体喷淋量的增加,填料层所持有的液量亦增加,气流通道随液量的增加而减少,通过填料层的压降将随之增加。
⑵填料塔的液泛和哪些因素有关?
答:
填料塔的液泛和填料的形状、大小以及气液两相的流量、性质等因素有关。
⑶填料塔的气液两相的流动特点是什么?
答:
填料塔操作时。
气体由下而上呈连续相通过填料层孔隙,液体则沿填料表面流下,形成相际接触界面并进行传质。
⑷填料的作用是什么?
答:
填料的作用是给通过的气液两相提供足够大的接触面积,保证两相充分接触。
⑸从传质推动力和传质阻力两方面分析吸收剂流量和吸收剂温度对吸收过程的影响?
答:
改变吸收剂用量是对吸收过程进行调节的最常用的方法,当气体流率
不变时,增加吸收剂流率,吸收速率
增加,溶质吸收量增加,则出口气体的组成
减小,回收率增大。
当液相阻力较小时,增加液体的流量,传质总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
的增大引起,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,传质系数大幅度增加,而平均推动力可能减小,但总的结果使传质速率增大,溶质吸收量增加。
对于液膜控制的吸收过程,降低操作温度,吸收过程的阻力
将随之减小,结果使吸收效果变好,
降低,而平均推动力
或许会减小。
对于气膜控制的过程,降低操作温度,过程阻力
不变,但平均推动力增大,吸收效果同样将变好
⑹从实验数据分析水吸收氨气是气膜控制还是液膜控制、还是兼而有之?
答:
水吸收氨气是气膜控制。
⑺填料吸收塔塔底为什么要有液封装置?
答:
液封的目的是保证塔内的操作压强。
⑻在实验过程中,什么情况下认为是积液现象,能观察到何现象?
答:
当气相流量增大,使下降液体在塔内累积,液面高度持续上升,称之为积液。
⑼取样分析塔底吸收液浓度时,应该注意的事项是什么?
答:
取样时,注意瓶口要密封,避免由于氨的挥发带来的误差。
⑽为什么在进行数据处理时,要校正流量计的读数(氨和空气转子流量计)?
答:
流量计的刻度是以20℃,1
的空气为标准来标定。
只要介质不是20℃,1
的空气,都需要校正流量。
⑾如果改变吸收剂的入口温度,操作线和平衡线将如何变化?
答:
平衡常数
增大,平衡线的斜率增大,向上移动;操作线不变。
⑿实验过程中,是如何测定塔顶废气中氨的浓度?
答:
利用吸收瓶。
在吸收瓶中装入一定量低浓度的硫酸,尾气通过吸收瓶时,其中的氨气和硫酸发生中和反应,收集反应所需的尾气量即可。
⒀在实验的过程中,是否可以随时滴定分析塔底吸收液的浓度?
为什么?
答:
可以。
在操作温度和压力一定的条件下,到达平衡时,吸收液浓度和操作时间无关。
⒁如果从同一个取样瓶中,取样分析三组平行样,误差很大,试分析原因?
答:
原因在于取样瓶取样后,没有及时密封,瓶内的氨气由于挥发而降低了浓度。
⒂控制和调节吸收效果由哪些主要因素,试作简单分析?
答:
吸收塔的气体进口条件是唯一确定的,控制和调节吸收操作结果的是吸收剂的进口条件:
流率
、温度
、浓度
。
改变吸收剂用量是对吸收过程进行调节的最常用的方法,当气体流率
不变时,增加吸收剂流率,吸收速率
增加,溶质吸收量增加,则出口气体的组成
减小,回收率增大。
对于液膜控制的吸收过程,降低操作温度,吸收过程的阻力
将随之减小,结果使吸收效果变好,
降低,而平均推动力
或许会减小。
对于气膜控制的过程,降低操作温度,过程阻力
不变,但平均推动力增大,吸收效果同样将变好。
总之,吸收级温度的降低,改变了平衡常数,对过程阻力和过程推动力都产生影响。
吸收剂进口浓度
是控制和调节吸收效果的又一主要因素。
吸收剂进口浓度
降低,液相进口处的推动力增大,全塔平均推动力也将随之增大而有利于吸收过程回收率的增加。
⒃试说明精馏和吸收的相同点和不同点?
答:
不同点:
精馏利用组分挥发度的不同进行分离,操作时塔内必须有回流;吸收是利用组分溶解度的不同进行分离。
相同点:
都属于相际传质。
⒄若操作过程中,氨气的进口浓度增大,而流量不变,尾气含量和吸收液浓度如何改变?
答:
尾气中氨的含量增加,吸收液中氨的含量增加。
⒅吸收瓶中的尾气循环量以多少为宜?
答:
尾气通过吸收瓶的量以瓶内硫酸刚好循环为最佳。
⒆如何确定液泛点气速?
答:
在一定量的喷淋液体之下,当气速低于载点时,液体沿填料表面流动很少受逆向气流的牵制,持液量(单位体积填料所持有的液体体积)基本不变。
当气速达载点时,液体向下流动受逆向气流的牵制开始明显气来,持液量随气速增加而增加,气流通道截面随之减少。
所以,自载点开始,压降随空塔气速有较大增加,压降—气速曲线的斜率加大。
当气速继续增加,气流通过填料层的压降迅速上升,并且压降有强烈波动,表示塔内已经发生液泛,这些点称为液泛点。
⒇实际操作选择气相流量的依据是什么?
答:
通过实验测定塔内液泛点所需的最大流量,实际操作时气体的流量选择在接近液泛点。
在此点,气体速度增加,液膜湍动促进传质,两相交互作用剧烈,传质效果最佳。
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