一、 实验目的
1. 了解填料吸收塔的结构、填料特性及吸收装置的基本流程。
2. 熟悉填料塔的流体力学性能。
3. 掌握总传质系数KYa测定方法。
4. 了解空塔气速和液体喷淋密度对传质系数的影响。 二、 实验内容
１．测定干填料及不同液体喷淋密度下填料的阻力降P与空塔气速u的关系曲线，并确定液泛气速。
２．测量固定液体喷淋量下，不同气体流量时，用水吸收空气—氨混和气体中氨的体积吸收系数KYa。
三、 基本原理
举宫
1．填料塔流体力学特性
填料塔是一种重要的气液传质设备，其主体为圆柱形的塔体，底部有一块带孔的支撑板来支承填料，并允许气液顺利通过。支撑板上的填料有整堆和乱堆两种方式，填料分为实体填料和网体填料两大类，如拉西环、鲍尔环、网环都属于实体填料。填料层上方有液体分布装置，可以使液体均匀喷洒在填料上。液体在填料中有倾向于塔壁的流动，故当填料层较高时，常将其分段，段与段之间设置液体再分布器，以利液体的重新分布。
吸收塔中填料的作用主要是增加气液两相的接触面积，而气体在通过填料层时,由于克服摩擦阻力和局部阻力而导致了压强降P的产生。填料塔的流体力学特性是吸收设备的主要参数,它包括压强降和液泛规律。了解填料塔的流体力学特性是为了计算填料塔所需动力消耗，确定填料塔适宜操作范围以及选择适宜的气液负荷。填料塔的流体力学特性的测定主要是确定适宜操作气速。
在填料塔中,当气体自下而上通过干填料（L=0）时,与气体通过其它固体颗粒床层一样,气压
降P与空塔气速u的关系可用式P=u1.8-2.0表示。在双对数坐标系中为一条直线,斜率为1.8-2.0。在有液体喷淋（L0）时,气体通过床层的压降除与气速和填料有关外,还取决于喷淋密度等因素。在一定的喷淋密度下,当气速小时,阻力与空塔速度仍然遵守Pu1.8-2.0这一关系。但在同样的空塔速度下，由于填料表面有液膜存在,填料中的空隙减小,填料空隙中的实际速度增大,因此床层阻力降比无喷淋时的值高。当气速增加到某一值时,由于上升气流与下降液体间的摩擦阻力增大,开始阻碍液体的顺利下流,以致于填料层内的气液量随气速的增加而增加,此现象称为拦液现象,此点为载点，开始拦液时的空塔气速称为载点气速。进入载液区后,当空塔气速再进一步增大,则填料层内拦液量不断增高,到达某一气速时,气、液间的摩擦力完全阻止液体向下流动,填料层的压力将急剧升高,在Pun关系式中,n的数值可达10左右，此点称为泛点。在不同的喷淋密度下,在双对数坐标中可得到一系列这样的折线。随着喷淋密度的增加,填料层的载点气速和泛点气速下降。
本实验以水和空气为工作介质，在一定喷淋密度下,逐步增大气速，记录填料层的压降与塔顶表压的大小,直到发生液泛为止。
2．体积吸收系数KYa的测定
在吸收操作中，气体混合物和吸收剂分别从塔底和塔顶进入塔内,气液两相在塔内逆流接触,使气体混合物中的溶质溶解在吸收质中，于是塔顶主要为惰性组分,塔底为溶质与吸收剂的混合液。反映吸收性能的主要参数是吸收系数，影响吸收系数的因素很多,其中有气体的流速、液体的喷淋密度、温度、填料的自由体积、比表面积以及气液两相的物理化学性质等。吸收系数不可能有一个通用的计算式，工程上常对同类型的生产设备或中间试验设备进行吸收系数的实验测定。对于相同的物料系统和一定的设备(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。
本实验用水吸收空气-氨混合气体中的氨气。氨气为易溶气体,操作属于气膜控制。在其他条件不变的情况下,随着空塔气速增加，吸收系数相应增大。当空塔气速达到某一值时,将会出现液泛现象,此时塔的正常操作被破坏。所以适宜的空塔气速应控制在液泛速度之下。
本实验所用的混和气中氨气的浓度很底（10%）,吸收所得溶液浓度也不高,气液两相的平关系可以被认为服从亨利定律,相应的吸收速率方程式为：
GA=KYa·Vp·Ym （7—1）
式中 GA——单位时间在塔内吸收的组分量， kmol吸收质/h；
KYa——气相总体积吸收系数， kmol吸收质/（m3铁氟龙押出机填料·h）；
Vp——填料层体积， m3；
Ym——塔顶、塔底气相浓度差(Y—Y*)的对数平均值，kmol吸收质/kmol惰性气体。
（1） 填料层体积Vp
牧一征 Vp=π·DT2·Z/4 （7—2）
式中 DT——塔内经， m；
Z——填料层高度， m。
（2）GA由吸收塔的物料衡算求得
GA=V（Y1—Y2） （7—3）
式中 V——空气流量， kmol/h；
Y1——塔底气相浓度， kmolNH3/kmol空气；
Y2——塔顶气相浓度， kmolNH3/kmol空气。
（3）标准状态下空气的体积流量V0空
（7—4）
式中 V0空——标准状态下空气的体积流量， m3/h；
V空——转子流量计的指示值， m3/h；
T0、P0——标准状态下空气的温度和压强， 273K、101.33kPa；
T1、P1——标定状态下空气的温度和压强， 293K、101.33kPa；
T2、P2——操作状态下温度和压强， K、kPa。
（4）标准状态下氨气的体积流量V0NH3
（7—5）
式中 V0NH3——转子流量计的指示值， m3/h；
T0、P0——标准状态下空气的温度和压强， 273K、101.33kPa；
T1、P1——标定状态下空气的温度和压强， 293K、101.33kPa；
T2、P2——操作状态下温度和压强， K、kPa；
0空——标准状态下空气的密度， 1.293kg/m3；
0NH3——标准状态下氨气的密度， 0.771kg/m3。
（5）塔底气相浓度Y1和塔顶气相浓度Y2
（7—6）
式中 nNH3——NH3的摩尔数；
n空——空气的摩尔数
用一定浓度，一定体积的硫酸溶液分析待测气体，有
nNH3=2×MH2SO4×VH2SO4×10—3 （7—7）
式中 MH2SO4——硫酸的摩尔浓度， mol/l；
VH2SO4——硫酸溶液体积， ml。
（7—8）
式中 V空气––—湿式气体流量计测出的空气体积， L；
T0、P0——标准状态下的温度和压强， 273K、101.33kPa；
22.4——标准状态下一摩尔气体所占有的体积， 22.4L/mol。
则 Y2=nNH3/n空 （7—9）
同样塔顶气相浓度Y2也可通过取样分析来获得。
（6）平衡关系
（7—10）
m=E/P （7—11）
台球杆架
式中 m——相平衡常数；
E——亨利系数，由表7-1中低浓度（5%以下）氨水的亨利系数与温度的关系数据，用内插的方法获得， Pa。
X——溶液浓度， kmol吸收质/kmol水；
P——塔内混合气体总压， Pa（绝压）。
P=大气压Pa+塔顶表压+填料层压降/2 （7—12）
表7-1 低浓度（5%以下）氨水的亨利系数与温度关系数据
温度 ℃ | 0 | 10 | 20 | 25 | 30 | 40 |
亨利系数 E×10-5电池盖帽,Pa | 0.297 | 0.509 | 0.788 | 0.959 | 1.266 | 1.963 |
| | | | | | |
（7）塔底液相浓度X1，塔顶液相浓度X1
当吸收剂为纯水时，塔顶X2=0，而
（7—13）
式中 V——空气流量， kmol/h；
L——液体喷淋量， kmol/h；
Y1、Y2——塔底、塔顶气相浓度， kmolNH3/kmol空气；
X1、X2——塔底、塔顶液相浓度， kmol/kmol水。
因 GA=V（Y1-Y2），故
X1=GA/L （7—14）
ca173 L=V水水/M水 （7—15）
式中 V水——水的体积流量， m3/m；
——水的密度， kg/m3；
M水——水的平均分子量， 18kg/kmol。
（8）气相平均浓度差Ym
（7—16）
式中 Y1*——与X1相平衡的气相浓度，Y1*=（kmolNH3/kmol空气）；
Y2*——与X2相平衡的气相浓度，Y2*=（kmolNH3/kmol空气）。
四、实验装置与流程
1.实验流程
吸收装置流程如图所示。实验装置由填料塔、微音气泵、液氨钢瓶、转子流量计、压
填料吸收塔实验装置流程图
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