实验十三吸收塔的操作及吸收传质系数的测定 (1)

Y

Y 1

Y 2

X

X 1

X 2

图12-1 吸收操作线和平衡线

操作线22()L

Y X X Y G

=

-+ 平衡线Y=mX

实验十二 填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定

一、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、掌握吸收总体积传质系数a K y 和a K x 的测定方法。

二、基本原理

1、测气相总体积传质系数的原理

气相总体积传质系数由填料层高度公式决定

12Y m

Y Y V

Z K a Y -=

?Ω? （12-1） **1122*11*22()()

()ln

()

m Y Y Y Y Y Y Y Y Y ---?=

-- (12-2) 式中y

K 气相总传质系数，mol/m 2·h ；

m Y ?塔顶、塔底气相平均推动力； a 填料的有效比表面积，m 2/m 3；

a K y 气相总体积吸收传质系数，mol/m 3·h 。

（1）Z ――填料层高度m ，根据所装填料的高度直接测量。

（2）Ω――塔截面积m 2，

2

4

D π

Ω=

，而D 塔径为已知。

（3）V ――情性气体摩尔流量（空气）mol/ h ，根据理想气体状态方程可知：

v

pq V RT =

，p――压力Pa ，压力表测量空气压力；q v ――体积流量m 3/h ，转子流量计

测量（注意读数为实验条件20℃、1atm 下的，可直接利用公式进行计算，如果用操作条件

则需要进行换算，其依据为'0'

0(')()f v v f q q ρρρρρρ-=-；T ――空气温度K ，温度计测量。

（4）Y 1――

1

111y Y y =

-，稳定操作后（各仪表读数恒定5min ）测量气体进口浓度（丙酮的摩尔分率），取样后采用气相色谱仪分析，测得的是丙酮的质量分率。

（5）Y 2――

2

221y Y y =

-，稳定操作后（各仪表读数恒定5min ）测量气体出口浓度（丙酮

的摩尔分率），取样后采用气相色谱仪分析，测得的是丙酮的质量分率。 （6）气相平均推动力m Y ?

将吸收操作线和平衡线在坐标纸上作图，如图12-1所示在平衡线为直线或近似为直线时，操作线与平衡线之间的垂直距离即为塔顶与塔底气相推动力。 （7）X 2=0（吸收剂中不含丙酮，为清水）。

（8）Y*2＝mX 2，m ――相平衡常数，m=E/p ，E ――亨利常数，在一定温度下查表可得丙酮在水中的E ；p ――系统操作压力。（可直接查找附录后面的m 表） （9）Y 1*=mX 1，X 1—全塔物料衡算可得：V(Y 1 –Y 2 ) = L (X 1 –X 2)，

而L ――吸收剂水的摩尔流量mol/ h ，L=q v ρ/M ， q v ----转子流量计测量水的体积流量。 2、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2y 上，或组成的回收率η上。回收率η的定义为

1

21211Y Y

Y Y Y -=-=

η （12-3）

吸收塔的气体进口条件是由前一工序决定的，控制和调节吸收操作结果的是吸收剂的进口

条件：流率L 、温度t 、浓度x 2三个要素。

（1）流量 改变吸收剂水的用量是对吸收过程进行调节的最常用的方法，改变的是操作线。当V 值一定的情况下，吸收剂用量增大，液气比增大，操作线远离平衡线，吸收过程的推动力增大，吸收速率提高，回收率增大，出口气体组成y 2 减小。

（2）吸收剂入口温度 当温度改变时，不影响吸收操作线，影响的是平衡线。降低吸收剂的温度，使气体溶解度增大，相平衡常数减小，从而平衡线下移，操作线与平衡线之间距离增大，推动力增大，吸收效果好，尾气浓度y 2降低。

（3）吸收剂进口浓度 降低x 2，液相进口处的推动力增大，全塔平均推动力也增大，从而有利于吸收过程回收率的提高，降低尾气浓度y 2。

三、实验装置和流程

1、设备主要尺寸 （1）填料吸收塔

塔径

直径×厚度（mm）塔身高度

（mm）

填料名称

填料层高度

（mm）

填料尺寸

（mm）

φ41×3 500 瓷质拉西环400 6×6×1 （2）恒压槽

尺寸（mm）吸液管在槽中插入深度（mm）

φ300×410 370

2、装置及流程

实验装置包括空气输送，丙酮汽化，气体混和以及吸收剂供给和气液两相在填料塔中逆流接触等部分，其流程示意图12-2所示。

（1）空气压缩机（2）压力表

（3）空气压缩机旁路阀（4）空气压力调节阀

（5）液体恒压槽（6）气动压力定值器

（7）压力表（8）空气流量计

（9）丙酮汽化器（10）空气加热器

（11）丙酮蒸汽——空气混合器（12）水预热器

（13）填料吸收塔（14）转子流量计

（15）液封

T1、T2、T3、T4温度计（T1—空气进口或预热温度；T2—空气丙酮汽化温度；T3—水进口温度；T4—溶液出口温度）

V4、V6、V10流量调节阀

V3、V5、V7、V8、V9、V11启闭阀

A1、A2气体进出口取样口

由空压机的空气经过预热后进入装有丙酮的丙酮汽化器，产生丙酮空气混和气体，从输气管道由吸收塔的底部进入，在填料塔内与水逆流接触，被吸收掉大部分丙酮后，从塔顶排出。

由恒压液位槽5流出的吸收剂（水），经转子流量计14计量，并预热到一定温度后由塔顶喷入吸收塔，与上升的气体逆流接触，最后经液封装置15排入吸收液贮槽。

说明：(1)空气输送――压缩机，吸收操作在加压下有利，溶解度增大。(2)丙酮汽化――当气温比较低时，丙酮汽化有困难，则需要将空气加热，从而汽化丙酮。(3)液封――吸收塔底部的排液管成U形，目的是起液封作用，以防止气体倒灌。（4）填料塔――其结构有壳体、填料（关键部件）、液体分布装置、液体再分布装置（塔比较高时有，改善壁流效应）、填料支承栅板。

四、实验操作步骤及实验内容

1、操作方法

（1）将液体丙酮用漏斗加入到丙酮气化器，液位高度约为液位计高度的2/3以上。

（2）关闭阀V 3向恒压槽送水以槽内水装满而不溢出为度，关闭阀门V 5。

（3）启动空气压缩机，调节压缩机使空气包内的气体达到0.05～0.1Mpa 时，打开V 2，然后调节气动压力定值器，使进入系统的压力恒定在0.03Mpa 。 （4）打开V 4，调节空气流量（建议为400～500L/h ）

打开V 6，调节吸收剂流量（建议为2、3、5、7这几点）

（5）室温大于15℃时，空气不需要加热，配制混合气气相组成1y 在12%～14%（mol%）左右；如若室内温度偏低，可预热空气，使1y 达到要求。

（6）要改变吸收剂温度来研究其对吸收过程的影响，则打开液体加热电子调节器，温度3t ＜35℃。

（7）各仪表读数恒定5min 以后，即可记录或取样分析有关数据，再按预先设计的实验方案调节有关参数。

（8）A 1为取样测1y ，A 2为取样测2y 。

（9）阀V 10为控制塔底液面高度，以保证有液封。

（10）以上操作方法，均以被吸收组分例如：丙酮在常温、常压下为液体而设计。若被吸收组分在常温常压下为气体时，可以本设备的基础上增设一条被吸收组分的管路及计量装置，与汽化器的加料口连接，将汽化器作为缓冲装置使用，仍可完成正常的操作。 2、实验内容

（1）采且丙酮、空气-水吸收系统，配制10～15%（mol%）的丙酮～空气混合气体，水为吸收剂，气液两相在填料吸收塔内作逆流接触。

（2）改变吸收剂流率L ，在稳定操作条件下测定气体进出口浓度1y 、2y ，计算组分回收率η和吸收传质系数y K a 和x K a 。

（3）改变吸收剂的进口温度，稳定操作后测定气体进出口浓度1y 、2y 计算组分回收率η和吸收传质系数y K a 和x K a 。

五、数据记录表

序

号 T 1/℃ T 2/℃ T 3/℃ T 4/℃ q v /L/h, 20℃,1atm q v /L/h,20℃ y m1 y m2 p/MPa 1 2 3

六、数据处理示例与处理表

序号 V/mol/h L/mol/h Y 1

Y 2

m

X 1

△Ym

η

K Y a

1 2 3

七、思考题

1、分析吸收剂流量和吸收剂温度对吸收过程的影响？

2、从水进出口温度实验数据分析水吸收丙酮属于哪种吸收？水用量增加后溶液出口温度如何变化？为什么？

3、填料吸收塔塔底为什么必须有液封装置，液封装置是如何设计的？

附图：丙酮在水（水溶液）中的溶解曲线

附表一：丙酮——空气混合气体中丙酮的饱和浓度数据

在1.23atm条件丙酮在空气中的饱和浓度与温度的关系：

空气温度

t℃

0 10 15 20 25 30 35 40 丙酮饱和浓度

y%（mol）8.5 11.4 14.6 17.9 24.4 30.9 38.2 46.3

附表二：丙酮、空气混合气体中丙酮的极限浓度*

1

y与空气温度t的关系（压强为1.2×5

空气温度℃0 10 15 20 25 30 35 40

*

1

y%（mol）8.5 11.4 14.6 17.9 24.4 30.9 38.2 46.3 附表三：丙酮的平衡溶解度

液相浓度

x

平衡分压kPa

10℃20℃30℃40℃50℃

0.01 0.906 1.599 2.706 4.399 7.704

0.02 1.799 3.066 4.998 7.971 12.129

0.03 2.692 4.479 7.131 11.063 16.528

0.04 3.466 5.705 8.997 18.862 20.660

0.05 5.185 6.838 10.796 16.528 24.525

0.06 4.745 7.757 12.263 18.794 27.724

0.07 5.318 8.664 13.596 20.926 30.923

0.08 5.771 9.431 14.928 22.793 33.722

0.09 6.297 10.197 16.128 24.525 36.255

0.10 6.744 10.980 17.061 26.258 38.654

据上表数据可拟合得到如下算式：

上式的标准误差为9.03%。

考虑到气体吸收计算采用*y mx

的关系式，在液相浓度较低时，可得到如下数据：

液相浓度

x

平衡常数m

10℃20℃30℃40℃50℃

0.01 0.894 1.58 2.67 4.34 6.81

0.02 0.888 1.51 2.47 3.93 5.98

0.03 0.886 1.47 2.35 3.64 5.44

0.04 0.855 1.41 2.22 3.42 5.11

从上列数据中看出，平衡常数m随温度的变化较大，随组成的变化较小。可认为在浓度很低时，m仅为温度的函数，服从享利定律。