Transcript 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：
YA* 
m XA
1  (1  m) X A
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
N A  K y , V填 Ym
y ,
K
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
N A  G(Y1  Y2 )
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
Y1  Y2
Ym 
ln(Y1  Y2 )
Y1  Y1  Y1*  Y1  mX1
Y2  Y2  Y2*  Y2  mX2
（3）气相总体积传质系数
由式 N A  K y,aV填Ym 可得：K
y ,a
NA

V填 Ym
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： 1  1  m
K y ,a
k y ,a
k x,a
式中：k y ,a ---气相传质分系数（kmol/m3·h）；
k x ,a ---液相传质分系数（kmol/m3·h）。
b
k

BL
 AG 、 x,a
a
由于，k y,a
显然，K y,a 与气相流量G和液相流量L都有关，
其关系可由下式表示： K y,a  CG a Lb
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：
dN A  G(dYA )  LdX A
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：
G(YA,1  YA, 2 )  L( X A,1  X A, 2 )
即可列出操作线方程为：
YA 
L
L
X A  (YA, 2  X A, 2 )
G
G
它是一条通过( X A,1 , YA,1 ) ，( X A,2 ,YA,2)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 y A,2 上，或溶质的吸收率η上。吸收率
的定义为：
Y Y

A,1
YA,1
A, 2
 100%
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 YA,1）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X A,2 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 Y A, 2 ，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 Y A, 2 明显降低，这时
只有降低吸收剂入塔浓度 X A,2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X A,2是控制
和调节吸收效果的又一重要手段。
吸收剂进口浓度X A,2 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）

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


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
序 *
L （L/h）
号
G*
（L/h）
1
3
400
2
5
400
3
5
600
T进 t进 t出
塔顶
塔底
A空 A丙 A空 A丙
实验记录及数据处理(2)
实验数据处理结果
序
L（Kmol/h） G（Kmol/h） Y1 Y2 X2
号
1
2
3
YA,m
η
(%)
KY ,a
(kmol/m3·h)
实验报告要求

1.计算组分吸收率  ；

2.计算气相平均推动力 Y ；

3.计算气相总容积传质系数

4.作 KY ,a ~ L 和  ~ L 关系图。
A,m
KY ,a
；

YA,1  YA, 2
YA,1
 100%
Y1  Y2
Ym 
ln(Y1  Y2 )
Y1  Y1  Y1*  Y1  mX1
Y2  Y2  Y2*  Y2  mX2
K y ,a
NA

V填 Ym
或
K y ,a  CG L
a
b
L
KY ,a
KY ,a ~ L 关系图
L

 ~ L 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？