填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定

填料吸收塔的操作及吸收传质系数的测定 主讲教师:

吸收概述 • 吸收操作是气体混合物的重要分离方法，它是将气体混合物与适当的液体接触（气液逆流或并流），气体中一种或多种组分溶解于溶液中，不能溶解的组分仍留在气相中，从而利用各组分在液体中溶解度的差异而使气体中不同组分分离的操作。混合气体中，能够溶解于液体的组分称为吸收质或溶质；不能溶解的组分称为惰性气体；吸收操作所用的溶剂称为吸收剂；溶有溶质的溶液称为吸收液或简称溶液；排出的气体称为吸收尾气，其主要成分应是惰性气体，还含有残余的溶质。 • 分类：物理吸收和化学吸收；等温吸收和非等温吸收；单组分吸收和多组分吸收等。 • 应用：1.制取化工产品；2.分离气体混合物；3.从气体中回收有用组分；4.气体净化等。

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.掌握吸收总传质系数的测定方法。

实验基本原理 1.气液相平衡关系 2.吸收速率方程式 3.全塔物料衡算和操作线方程 4.填料吸收塔的操作和调节

1.气液相平衡关系 大多数气体物质A溶解形成稀溶液时，稀溶液上方溶质A的平衡分压p*A与其在溶液中的摩尔分数xA成正比： p*A=ExA 这就是亨利定律。式中E为亨利系数(kPa)。若气相组成也用平衡摩尔分数y*表示，则上式可写为： y*=ExA/p总令m=E/p总，则y*=mxA 式中：m---相平衡常数，量纲为1。

吸收过程中，由于溶液和气体的总量在不断变化，使得吸收过程的计算比较复杂。为了简便起见，工程计算中采用在吸收过程中数量不变的气体（如空气）和纯吸收剂为基准，用物质的量之比（也称为比摩尔分数）来表示气相和液相中吸收质A的含量，并分别用YA和XA表示。平衡时，其关系式为：吸收过程中，由于溶液和气体的总量在不断变化，使得吸收过程的计算比较复杂。为了简便起见，工程计算中采用在吸收过程中数量不变的气体（如空气）和纯吸收剂为基准，用物质的量之比（也称为比摩尔分数）来表示气相和液相中吸收质A的含量，并分别用YA和XA表示。平衡时，其关系式为：当溶液浓度很低时，XA很小，则1+(1-m)XA≈1,，上式可简化为： YA*=mXA 一些气体的平衡系数可以在化工手册中查到。

2.吸收速率方程式 吸收传质速率由吸收速率方程式决定： NA=KyAΔYm 式中：Ky---以气相摩尔分数差(Y*-Y)为推动力的气相总传质系数（kmol/m2·h）; A---填料的有效接触面积（m2）； ΔYm---以气相摩尔分数差(Y*-Y)表示的塔顶、塔底气相平均推动力。而 A=αV填式中：α---填料的有效比表面积（m2/m3）； V填---填料层堆积体积（m3）。

故有式中： ---以气相摩尔分数差为推动力的气相总溶积吸收传质系数（kmol/m3·h）。

（1）吸收速率NA 由吸收塔的物料衡算可得式中：G---气相流量（kmol/h）； Y1、Y2---气相进、出塔浓度。

（2）气相平均推动力 可取塔底与塔顶推动力的对数平均值，即

（3）气相总体积传质系数 由式可得：又根据双膜理论，在一定的温度下，吸收总系数可用下式表示：式中： ---气相传质分系数（kmol/m3·h）； ---液相传质分系数（kmol/m3·h）。由于，、显然，与气相流量G和液相流量L都有关，其关系可由下式表示：

3.全塔物料衡算和操作线方程 在稳定操作条件下，惰性气体（如空气）和纯吸收剂的量基本上没有变化。在任一微分段中，从气相扩散出的吸收质必为同微分段的液体所吸收，则物料衡算式如下：式中：G---惰性气体流量（kmol/h）； L---吸收剂流量（kmol/h）。

对全塔进行物料衡算，则得： 即可列出操作线方程为：它是一条通过( ) ，( )两点的直线。这条直线就是吸收的操作线。

4.填料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上，或溶质的吸收率η上。吸收率的定义为：由于吸收塔的气体进口条件（气体中惰性气体的流量G和吸收质的组成）是由前一工序决定的，因此控制和调节吸收操作最终结果的方法，只能是调节吸收剂的进口条件，即流量L、温度t、浓度三个要素。

由吸收过程分析可知： 改变吸收剂用量是对吸收过程进行调节的最常用方法，当气体流量G不变时，增加吸收剂流量L，操作线的斜率增加，出口气体的组成下降，吸收率增大，溶质吸收量增加，吸收速率增加。当液相阻力较小时，增加液体的流量，总传质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而引起的，即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，总传质系数大幅度增加，而平均推动力可能减少，但总的结果是使传质速率增大，溶质吸收量增大。

L/G<m的大小对操作的影响 应该注意：当气液两相在塔底接近平衡（L/G<m）时，欲降低，提高吸收率，用增大吸收剂用量的方法很有效。但是，当气液两相在塔顶接近平衡时（L/G>m），提高吸收剂用量，即增大L/G并不能使明显降低，这时只有降低吸收剂入塔浓度才是有效的。

吸收剂进口浓度对吸收的影响 调节吸收剂进口浓度是控制和调节吸收效果的又一重要手段。吸收剂进口浓度降低，液相进口处的推动力增大，全塔平均推动力也会随之增大，这有利于吸收过程吸收率的提高。

吸收剂入口温度对吸收的影响 吸收剂入口温度对吸收过程影响也很大，这也是控制和调节吸收操作的一个重要因素。降低吸收剂的温度，使气体的溶解度增大，相平衡常数减小，平衡线下移，平均推动力增大，使吸收效果变好。

最后应注意： 以上讨论是基于填料塔的填充高度一定，即针对某一特定的工程问题进行操作型的问题讨论。若是设计型的工程问题，则上述结果不一定相符，需视具体问题而定。

实验装置及流程 本实验以水为吸收剂，通过填料塔吸收分离空气—丙酮混合气中的丙酮。实验装置包括空气输送、丙酮汽化、吸收剂供给和供气-液两相逆流接触的填料塔等部分，其流程示意图如下所示。实验装置流程示意图

流程简介： 由空气压缩机提供的空气，经压力定值器定值为2×104Pa，并经转子流量计计量后，进入内盛丙酮的丙酮汽化器，产生丙酮和空气的混合气，混合气从输气管道由塔底进入填料吸收塔，在塔内同自塔顶喷下的水逆流接触，被吸收掉其中大部分丙酮后，从塔顶部气体出口排出。由恒压高位槽底部流出的吸收剂（水），经转子流量计计量，流经电加热器，由塔顶喷入吸收塔，吸收了空气中的丙酮后，由塔底经液封装置排入吸收液贮罐。

实验装置主要尺寸： • （1）填料塔：塔内径35mm，填料层高度240mm，填料拉西环Ф10mm×10mm×1mm • （2）空气转子流量计：型号LZB-6流量100L/h～1000L/h • （3）水转子流量计：型号LZB-4流量1.6L/h～16L/h • （4）温度指示仪：WMZ-03 0～50℃ • （5）气动定值器：QCD-100

实验步骤（1） • 1、打开气相色谱。 • 2、检查丙酮汽化器中是否需要补充丙酮，丙酮汽化器中丙酮的液位须超过50%。 • 3、打开进入高位槽的自来水龙头，保持从高位槽溢流管始终有适量水溢出。 • 4、关闭气、液流量计，关闭塔底液体出口阀，关闭空压机出口阀门。 • 5、启动空压机（控制压力在0.5Mpa左右），出口压力减至0.05Mpa，通过仪表盘上压力定值器控制实验操作压力稳定在0.02Mpa。

实验步骤（2） • 6、调节空气流量计调节流量为400L/h，液体流量为3L/h，注意稳定塔内压力，空压机压力及保持塔底液位高度60％。 • 7、用气相色谱分析混合气中丙酮的进口浓度。当平行实验误差小于5%时，即认为实验条件已基本稳定。 • 8、在稳定操作条件下测定气体的进口、出口浓度。并随时记录气体、塔顶和塔底的温度。

实验步骤（3） • 9、改变吸收剂流量（分别为3、5、5L/h）和对应的空气流量（分别为400、400、600L/h），在稳定操作条件下分别测定气体的进出口浓度。 • 10、打开吸收剂水温调节开关，调节加热电压，使吸收剂的进口温度为35℃左右，操作稳定后再分别测定气体的进出口浓度。 • 11、实验结束（注意：先停止加热，再关压缩机和空气流量计阀门，然后关闭吸收剂水的流量计阀门，最后关高位槽进水阀门），切断电源，水箱和丙酮汽化器清空。

实验记录及数据处理(1) 实验日期：原始数据记录

实验记录及数据处理(2) 实验数据处理结果

实验报告要求 • 1.计算组分吸收率； • 2.计算气相平均推动力； • 3.计算气相总容积传质系数； • 4.作和关系图。

关系图

实验注意事项 1.实验操作时，先通入水，使塔内填料充分润湿。 2.调节气体压力定值器，使空气压力恒定在0.02MPa左右。 3.在系统稳定条件下，用取样器抽取进、出口气体试样，用气相色谱仪分析其浓度。取样时，先取出口气体，再取进口气体。

实验思考题（1） • 1.从传质推动力和传质阻力两方面分析吸收剂流量对吸收过程的影响？ • 2.填料吸收塔塔底为什么要有液封？液封装置是如何设计的？ • 3.增加气体量对吸收有何影响？ • 4.从实验数据分析水吸收丙酮是气膜控制过程还是液膜控制过程，还是两者同时存在？ • 5.请你设计保持吸收剂流量恒定的高位槽，并说明其原理？ • 6.为什么要测Δp-u的关系曲线？

实验思考题（2） • 7.哪些操作条件会影响本实验系统的稳定性？如何判定系统稳定与否？ • 8.液相从塔底排出为什么要经过П形液封装置？ • 9.针对本实验，若保持其他条件不变，分别改变气相流量和液相流量，传质系数Kya将如何变化？ • 10.本实验中其他条件不变而空气流量适当增加时，出塔气、液组成会如何变化？ • 11.本实验中其他条件不变而水流量适当增加时，出塔气、液组成会如何变化？ • 12.本实验条件下，若增加空气的流量，则水流量是否按比例增加（即L/G不变）就可保证吸收率不变？

填料吸收塔的操作 及 吸收传质系数的测定