填料系数

化 工 原 理 实 验 报 告

实 验 名 称： 填料塔传质系数测定

学 院： 化学工程学院 专 业： 化学工程与工艺 班 级： 化工093班 姓 名： 朱佳佳 学 号 09402010304 同 组 者 姓 名： 朱秀玲 王科媛 阮小琳 指 导 教 师： 王志强 日 期： 2011年09月27日

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：

GAKxaVpxm

KxaGAVpxm

其中 xm(x1xe1)(x2xe2)

x1xe1lnx2xe2 GALx1x2 VpZ 相关的填料层高度的基本计算式为：

x1LdxZHOLNOL 即 HOLZ/NOL xKxa2xex其中 NOL式中：

x1x2xx2dxL1 ， HOL xexxmKxa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。

排空水排入地沟

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。

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。

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、 数据处理

1、流体力学性能测定

表一 测定干填料压降数据记录

15 18 21 24 27 100 120 140 160 200 41 40 40.8 42.8 40

表二 测定湿填料压降数据记录

15 170 44 18 290 45 21 350 45.9 24 440 45.9 空气流速（m3/h） 吸收塔压降（Pa） 空气缓冲罐温度（℃） 30 240 45 33 280 47 36 320 47.5 空气流速（m/h） 12 吸收塔压降（Pa） 150 空气缓冲罐温度（℃） 42 根据上表所得的数据得： 327 490 45.9 30 600 46 33 700 46

图三 填料层压降—空塔气速关系图

2、传质系数的测定

测出富氧水中氧含量为16.9ppm，贫氧水中氧的含量为8.0ppm。由上述公式可计算得到传质系数Kxa=3.057。

五、 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

六、 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。

七、 原始实验数据（附页）