实验日期：2011/4/15

班级:*****

姓名：****

学号：********

同组人: **

实验装置：3号   陶瓷拉西环

摘要：

填料塔是化工过程重要的单元，本实验在室温、常压下，通过分别测定干、湿填料层压降与空塔气速的数据，并作图分析得到两种情况下塔压降与空塔气速关系，从而熟悉填料塔的构造与操作、确定填料塔流体力学特性，进而得知填料塔的处理能力及性能高低。同时，本实验通过对富氧水进行解吸，测定了解吸液相体积的总传质系数Kxa，进而确定液相总传质单元高度HOL。

一、实验名称：氧吸收与解吸实验

二、目的及任务：

1.熟悉填料塔的构造与操作；

2.观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线；

3.掌握总传质系数Kxa的测定方法并分析影响因素；

4.学习气液连续接触式填料塔，利用传质速率方程处理传质问题的方法。

三、基本原理：

    本装置先用吸收柱将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作，该步实验中省略），送入解吸塔顶再用空气进行解吸，实验需测定不同液量和气量下的解吸总传质系数Kxa，并进行关联，得到Kxa=ALa·Vb的关联式，同时对四种不同填料的传质效果及流体力学性能进行比较。本实验手工采集数据，具有可操作性。

1.填料塔流体力学特性：

图1-1 填料层压降–空塔气速关系示意图

气体通过干填料层时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律相一致。在双对数坐标系中，此压降对气速作图可得一斜率为1.8～2的直线（图中aa线）。当有喷淋量时，在低气速下（c点以前）压降也正比于气速的1.8～2次幂，但大于同一气速下干填料的压降（图中bc段）。随气速的增加，出现截点（图中c点），持液量开始增大，压降-气速线向上弯，斜率变陡（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。

2.传质实验：

填料塔与板式塔气液两相接触情况不同。在填料塔中，两相传质主要是在填料有效湿表面上进行，需要计算完成一定吸收任务所需填料高度，其计算方法有：传质系数法、传质单元法和等板高度法。

本实验是对富氧水进行解吸。由于富氧水浓度很小，可认为气液两相的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为直线，操作线也是直线，因此可以用对数平均浓度差计算填料层传质平均推动力。整理得到相应的传质速率方式为：

其中  

相关的填料层高度的基本计算式为：

   即 

其中    ， 

式中：

GA  —单位时间内氧的解吸量[Kmol/h]           

Kxa —总体积传质系数[Kmol/m3•h•Δx]

VP  —填料层体积[m3]

Δxm—液相对数平均浓度差

x1   —液相进塔时的摩尔分率（塔顶）    

xe1  —与出塔气相y1平衡的液相摩尔分率（塔顶）

x2   —液相出塔的摩尔分率（塔底）

xe2  —与进塔气相y2平衡的液相摩尔分率（塔底）

Z   —填料层高度[m]

Ω   —塔截面积[m2]

L   —解吸液流量[Kmol/h]

HOL—以液相为推动力的传质单元高度

NOL—以液相为推动力的传质单元数

由于氧气为难溶气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中于液膜中，即Kx=kx, 由于属液膜控制过程，所以要提高总传质系数Kxa，应增大液相的湍动程度。

在y—x图中，解吸过程的操作线在平衡线下方，本实验中还是一条平行于横坐标的水平线（因氧在水中浓度很小）。

本实验在计算时，气液相浓度的单位用摩尔分率而不用摩尔比，这是因为在y—x图中，平衡线为直线，操作线也是直线，计算比较简单。

四、实验装置与流程：

实验装置：3号   陶瓷拉西环

1．基本数据：

解吸塔径Φ=0.1m，吸收塔径Φ=0.032m，填料层高度0.8m

填料参数：瓷拉西环（12×12×1.3）mm  at=403m2/m3    ε=0.7m3/m3      at/ε=903m2/m3

2．流程：

图2是氧气吸收解吸装置流程图。氧气由氧气钢瓶供给，经减压阀2进入氧气缓冲罐4，稳压在0.04～0.05[Mpa],为确保安全，缓冲罐上装有安全阀6，由阀7调节氧气流量，并经转子流量计8计量，进入吸收塔9中，与水并流吸收。含富氧水经管道在解吸塔的顶部喷淋。空气由风机13供给，经缓冲罐14，由阀16调节流量经转子流量计17计量，通入解吸塔底部解吸富氧水，解吸后的尾气从塔顶排出，贫氧水从塔底经平衡罐19排出。

自来水经调节阀10，由转子流量计17计量后进入吸收柱。

由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。空气流量计前装有计前表压计23。为了测量填料层压降，解吸塔装有压差计22。

在解吸塔入口设有入口采出阀12，用于采集入口水样，出口水样在塔底排液平衡罐上采出阀20取样。

图-2 氧气吸收解吸装置流程图

1、氧气钢瓶          9、吸收塔           17、空气转子流量计

2、氧减压阀         10、水流量调节阀     18、解吸塔

3、氧压力表         11、水转子流量计     19、液位平衡罐

4、氧缓冲罐         12、富氧水取样阀     20、贫氧水取样阀

5、氧压力表         13、风机             21、温度计

6、安全阀           14、空气缓冲罐       22、压差计

7、氧气流量调节阀   15、温度计           23、流量计前表压计

8、氧转子流量计     16、空气流量调节阀   24、防水倒灌阀

五、操作要点：

1、流体力学性能测定

(1)测定干填料压降塔内填料务必事先吹干。

a.塔内填料务必事先吹干。

b.改变空气流量，测定填料塔压降，测取6~8组数据。

(2)测定湿填料压降

a.测定前要进行预液泛，使填料表面充分润湿。

b.固定水在某一喷淋量下，改变空气流量，测定填料塔压降，测取8~10组数据。

c.实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减小，否则图中泛点不容易找到。密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，务必让各参数稳定后再读数据，液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍稍增加气量，再取 一、两个点即可。注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。

    (3)注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞破玻璃管。

2、传质实验

(1)氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持0.04～0.05[Mpa],不要过高，并注意减压阀使用方法。为防止水倒灌进入氧气转子流量计中，开水前要关闭防倒灌阀24，或先通入氧气后通水。

(2)传质实验操作条件选取

        水喷淋密度取10～15[m3/m2•h]，空塔气速0.5～0.8[m/s]氧气入塔流量为0.01～0.02[m3/h]，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在≤19.9[mg/l]。

(3)塔顶和塔底液相氧浓度测定：

分别从塔顶与塔底取出富氧水和贫氧水，用测氧仪分析各自氧的含量。（测氧仪的使用见附录）

(4)实验完毕，关闭氧气时，务必先关氧气钢瓶总阀，然后才能关闭减压阀2及调节阀8。检查总电源、总水阀及各管路阀门，确实安全后方可离开。

六、实验数据处理

1. 流体力学性能实验

(1)原始数据

干床数据

       表1干床数据

            T=36.7 oC，d= 0.1 m，h=0.8 m

表2干床数据处理

湿床数据

表3湿床数据

T= 34.1 oC，d=0.1 m，h=0.8 m

表4湿床数据处理

A:载点  B:泛点

合并图如下：

数据处理举例

取干填料第一组数据进行计算：

指示流量，则校正流量

气速

2、传质实验

传质数据

表5传质数据

                    d= 0.1 m，h=0.8 m，氧气流量Q=0.25ml/min   水流量Q=65L/h

表6传质数据处理表

         d= 0.1 m，h=0.8 m，氧气流量Q=0.25ml/min 水流量Q=65L/h

                      d= 0.1 m，h= 0.8 m，氧气流量Q=0.25ml/min 水流量Q=65L/h

七、结果讨论及误差分析

（1）填料塔流体力学特性

a.从图上可以看出，随着气速的增大，单位高度的塔中的压降变化都随着气速的增大而变大；其中空塔的变化规律近似为一条斜率不变的直线而在湿塔中，在某一气速范围内，其变化规律也成线性增大变化，但随着气速的增大，变化斜率越来越大。在同一气速下，湿塔的压降大于干塔的压降，而且在气速较低的时候，两者变化速率相差不大，当气速进一步增大时，湿塔的变化明显比干塔快了很多。

b.由于有液体的缘故，使得阻力增大，从而造成湿塔压降比干塔压降大，在气速很小时，湿塔和干塔的变化速率相同，因为气体很少时，在一定范围内二者互不干扰彼此流动，因而在湿塔中的气速较小段，会呈现与干塔时候相同的变化速率，当气速进一步增大的时候，气液相互干扰加强，气体对液体的流动有了一定的阻碍作用从而是的变化速率加快，当进一步增大气速时，发生汽泛现象，使得液体不能流下，从而使得阻力显著提高，从而使得单位高度的压降明显的上升。

c.由2可以推测，如果增大流体流量，其单位高度的压降也会上升。

  气速很小时，气液接触较少，不利于传质的进行，从经济的方面考虑，在工业上应该避免此种情况的发生，当发生液泛时，压降对气体的波动很敏感，不易控制，很容易发生安全事故，因而在实际生产中，在第二段（载点与泛点之间）的范围内是比较合理的。

（2）传质实验:

a. 液相总传质单元高度其值的大小反应了设备效能的好坏，增大液相总传质系数下降，有利于提高填料塔的传质性能。由于氧气是难溶气体，在水中的溶解度很小，因此传质阻力几乎全部集中在液膜中，即，由于属于液膜控制过程，所以要提高液相总传质系数，应增大液相的湍动程度，即增大喷淋量。

b.实验在测取氧气含量时，数据浮动很大，难以确定，而且温度的控制也不是很好，而亨利系数主要的影响因素是温度，因而，温度的不稳定对实验有很大的影响。

（3）误差分析：本实验的误差的因素分为所用一起的系统误差和操作人员的人为误差，系统误差主要存在于转子流量计的测量准确度，压差计和气压计的准确度，而能产生人为误差的步骤有很多，主要的是在转子流量计和U型压差计的读数步骤，二者都需要等到读数稳定后在读数，而实际操作中由于其中的液体都处于流动状态，所以示数难以稳定，再加上操作者的观察问题，读数很难精确，造成较大的误差。另外气体流量校正是否准确合理，水中氧含量测量的是否准确也影响最后结果的准确性。

八、思考题

1.阐述干填料压降线和湿填料压降线的特征。

答：气体通过干填料时，流体流动引起的压降和湍流流动引起的压降规律一致，单位压降与空塔气速的关系为一条直线。

当有喷淋量时，在双对数坐标中，湿塔的曲线适中在干塔曲线的上方，即，湿塔的压降始终比相同气速下的干塔压降大，低气速下，ΔP~u为一条直线，此直线的斜率约等于气体通过干填料的斜率，且稍大于相同气速下的干填料的压降；随气速的增加，出现载点，持液量开始增大，曲线变陡，但是随着气速增大斜率近似稳定，到液泛点后，压降随着气速增大急剧上升，压降与气速仍为线性关系。

2.工业上，吸收在低温、加压，在进行而解吸在高温、常压下进行，为什么？

  答：低温高压下，气体的溶解度增大，有利于气体的吸收，而高温常压下，相比于其体吸收是的情况，温度升高，压力降低，气体的溶解度减小，有利于气体的解吸。

3. 为什么易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制过程？

答：气相阻力控制与液相阻力控制式： ，即总传质阻力为气相传质阻力 与液相传质阻力之和。易溶气体的相平衡常数m很小，故，得≈，即，此时传质阻力主要集中在气相，属于气膜控制过程。而难溶气体的相平衡常数m 很大，故， 得，即此时传质阻力主要集中在液相，属于液膜控制过程。

4. 试计算实验条件下实际液气V/L比是最小液气比(V/L)min的多少倍？

  答：    (V/L)min=(X1-X2)/(X1*m-Y2)=(1.51-0.671)*10^(-5)/(45353*1.51*10^(-5)-0.21)

=1.767*10^(-5)

实际气液比(V/L)=2.0516*10^(-2)/3.611=0.005682

    则（V/L）/(V/L)min=321.6

故实际气液比为最小气液比的321.6倍

5.为什么易溶气体的吸收和解吸属于气膜控制过程，难溶气体的吸收和解吸属于液膜控制过程？

答：对于易溶气体而言，其主要的阻力来自溶质从气相到气液界面扩散的阻力，从气液界面到溶液的过程所受到的阻力相对来说很小，所以在吸收过程显示为气膜控制过程；而对于难溶气体，吸收时受到的主要阻力是在气液界面到液相的过程中产生，而在气相到气液界面的阻力相对来说很小，所以其吸收的过程显示为液膜控制过程。

6.填料塔结构有什么特点？

  答：填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。下载本文