填料塔传质系数测定.doc

一、 实验目的
1、观察填料塔流体力学状况，测定压降与气速的关系曲线。
2、掌握总传质系数的测定方法并分析影响因素。

二、 实验原理
本装置先用吸收柱讲将水吸收纯氧形成富氧水后（并流操作），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，并进行关联，得到的关联式，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。本实验引入了计算机在线数据采集技术，加快了数据记录与处理的速度。

1、填料塔流体力学特性
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，出现载点（图1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。

图一 填料层压降-空塔气速关系示意图

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）。
备注：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。
图二 氧气吸收与解吸实验流程图

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

三、 实验步骤
1、实验流程
图二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0.03～0.04[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。两水样液相氧浓度由9070型测氧仪测得。

2、操作要点
（1）、流体力学性能测定
、测定干填料降压时，塔内填料务必事先吹干。
‚、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、实验接近液泛时，进塔气体的增加量要减少，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。稍微增加气量，再取 一、二个点即可。注意不是要使气速过分超过泛点，避免冲破和冲跑填料。
ƒ、注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免撞玻璃管。
（2）、传质实验
、氧气减压后进入缓冲罐，罐内压力保持 0.03~0.04[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。
‚、传质实验操作条件选取
水喷淋密度取10~15m3/m2.h，空塔气速0.5~0.8m/s氧气入塔流量为0.01~0.02m3/h，适当调节氧气流量，使吸收后的富氧水浓度控制在19.9ppm。
ƒ、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。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。

四、 原始实验数据（附页）
五、 数据处理
流体力学性能测定

表一 测定干填料压降数据记录

空气流速（）
15
18
21
24
27
30
33
36
吸收塔压降（Pa）
100
120
140
160
200
240
280
320
空气缓冲罐温度（℃）
41
40
40.8
42.8
40
45
47
47.5

表二 测定湿填料压降数据记录

空气流速（）
12
15
18
21
24
27
30
33
吸收塔压降（Pa）
150
170
290
350
440
490
600
700
空气缓冲罐温度（℃）
42
44
45
45.9
45.9
45.9
46
46
根据上表所得的数据得：

图三 填料层压降—空塔气速关系图

测出富氧水中氧含量为16.9ppm，贫氧水中氧的含量为8.0ppm。。

六、 结果分析与讨论
据图得知，我们实验还是比较成功的，在测定干填料压降是得到的数据误差不是很大，几乎在一条直线上，而在测定湿填料压降时，并不是很明显，可能因为实验时不能做到液泛，这是导致数据不太理想的重要原因。

七、 思考题
1、填料塔在一定喷淋量时，气相负荷应控制在那个范围内进行操作？
答：水喷淋的密度取10 ~15[m3/m2·h]，空塔气速则维持在0.5~0.8[m/s]左右，氧气流量为0.01~0.02[m3/s]左右。
2、通过实验观察，填料塔的液泛首先从哪一部位开始？为什么？
答：液泛由塔底开始。直径一定的塔可供气、液两相自由流动的截面是有限的。二者之一的流量若增大到某个限度，降液管内的液体便不能顺畅地流下，当管内的液体满到上层板的溢流堰顶时，便要漫到上层板，产生不正常积液，最后可导致两层板之间被泡沫液充满。这种现象称为液泛。由定义可知，液泛即从塔底开始，由下至上。
3、欲提高传质系数，你认为应采取哪些措施？
答：可以通过增加液体的流速，以加强液相的湍流程度来提高传质系数。