填料吸收塔的操作及吸收傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定

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1、填料吸收塔的操作 及 吸收傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)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?;旌蠚怏w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(jiǎn)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(duì)吸收 操作結(jié)果的影響。 3.掌握吸收總傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)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(xiě)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(guò)程中 , 由于溶液和氣體的總量在不斷變化 , 使得吸收過(guò)程的計(jì)算比較復(fù)雜 。 為了簡(jiǎn)便起見(jiàn) , 工程計(jì) 算中采用在吸收過(guò)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(lái)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(jiǎn)化為: YA*=mXA 一些氣體的平衡系數(shù)可以在化工手冊(cè)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(duì)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(méi)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(duì)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(guò) ( ) , ( )

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(guò)程分析可知 : 改變吸收劑用量是對(duì)吸收過(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)程 吸收率的提高。 2,AX 2,AX 吸收劑入口溫度對(duì)吸收的影響 吸收劑入口溫度對(duì)吸收過(guò)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(duì)某一特定的工程 問(wèn)題進(jìn)行操作型的問(wèn)題討論。若是 設(shè)計(jì)型的工程問(wèn)題,則上述結(jié)果不 一定相符,需視具體問(wèn)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(guò)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(jiǎn)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(kāi)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(guò) 50%。 3、打開(kāi)進(jìn)入高位槽的自來(lái)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(mén) 。 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(guò)儀表盤(pán)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(cè)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(duì)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(cè)定氣體的進(jìn)出口濃度。 10、打開(kāi)吸收劑水溫調(diào)節(jié)開(kāi)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(cè)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(mén) , 然后關(guān)閉吸收劑水的流量計(jì) 閥門(mén) , 最后關(guān)高位槽進(jìn)水閥門(mén) ) , 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(duì)吸 收過(guò)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(duì)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(guò)程還是液膜 控制過(guò)程,還是兩者同時(shí)存在? 5.請(qǐng)你設(shè)計(jì)保持吸收劑流量恒定的高位槽,并說(shuō)明其原 理? 6.為什么要測(cè) 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(guò) 形液封裝置? 9.針對(duì)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?

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