化工原理吸收實驗中氣液兩相流率對氣相體積吸收系數的影響

尹紅 劉歡 葉向群

摘要：吸收實驗是重要的化工單元操作實驗之一，通過吸收塔的流體力學性能及氣相流量和液相流量參數變化得到不同的實驗結果，聯(lián)系傳質雙膜理論，使得學生通過吸收實驗加深對相關理論的認識，獲得較大的收獲。

關鍵詞：實驗教學;化工實驗;單元操作;吸收實驗

中圖分類號：G642.423 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2019）19-0255-04

一、引言

在化工專業(yè)教學過程中，化工原理實驗是一個必不可少的環(huán)節(jié)，它與化工原理課程相輔相成，對于鞏固基本理論知識，培養(yǎng)學生的動手能力和工程思維能力有很大的幫助。在化工原理單元操作實驗中吸收實驗是及其重要的實驗之一，這是由于一方面吸收實驗過程相對復雜，實驗數據記錄量大，實驗參數容易混淆，而我們刻意保留整個實驗的手動操作，由此訓練學生的實驗操作技能及團隊配合能力;另一方面吸收實驗的結果可以促進學生對化工原理中傳質理論的理解。通過分析氣、液相流率對氣相體積吸收系數的影響，優(yōu)化吸收實驗操作參數，相對于只是變化液相流量或者只是變化氣相流量以獲得吸收傳質系數的變化而言，學生有更大的收獲，對傳質理論及塔的流體力學性質有更加清晰的認識。

二、實驗裝置

實驗裝置流程如圖1所示，主體為填料吸收塔，塔徑70 mm，填料高度為0.38 m，填料采用瓷質拉西環(huán)。U型壓差計測量氨氣表壓、空氣表壓、塔頂表壓和塔頂底壓差ΔP;轉子流量計測量水、空氣和氨氣的流量，溫度計測量水、空氣和氨氣的溫度。來自鋼瓶的氨氣和鼓風機送入的空氣在管道中進行混合，自塔底送入，與自上而下噴淋的水逆流接觸，完成吸收過程。吸收液從塔底排出，吸收尾氣從塔頂排出，引適量吸收尾氣至洗氣瓶中，分析其中的氨氣量，脫氨后的空氣送入濕式氣體流量計中測量其體積。

三、結果與分析

（一）氣相流率對體積吸收系數的影響

氣相傳質系數與氣相流率呈0.7次方關系，但本實驗得出的氣相體積吸收系數Kya與氣相流率G之間近似呈0.5次方關系。氣相體積吸收系數隨著氣相流率的增大而增大，這是因為在固定的噴淋密度下，如水流量為20 L·h-1時，隨著氣相流率從7.26 m3·h-1增加到11.82 m3·h-1，空塔氣速從0.55 m·s-1增加到0.90 m·s-1，雷諾數從2954增加到4825。在這個過程中，隨著氣相流體湍動程度的提高，大大提高了傳質效率。即水吸收氨氣為氣膜控制的傳質過程，隨著氣膜傳質阻力的減小，傳質過程被大大強化了。

（二）液相流率對體積吸收系數的影響

1.液相流率對吸收過程的影響。

實驗在探究液相流率對填料塔吸收系數的影響時，保持一定的氣相流率不變。根據實驗填料塔的液泛氣速，選取了8.40 m3·h-1、9.56 m3·h-1、和10.68 m3·h-1三個氣相流率，經過轉子流量計校正后的氣相流率為8.76 m3·h-1、10.09 m3·h-1和11.05 m3·h-1，實驗的結果如圖4所示。

可見，在保持入塔氣相流率不變時，隨著噴淋密度不斷增大，氣相體積吸收系數總體上呈不斷增大的趨勢。

從Kya-L曲線圖可以看出，在固定的氣相流率下，隨著噴淋密度的增大，氣相體積吸收系數的增大的速率并不是保持固定的水平不變，而是經歷了從陡峭到平緩再到陡峭的過程，即在液相流率從20 L·h-1變化到25 L·h-1時，氣相體積吸收系數明顯增大;在液相流率從25 L·h-1變化到30 L·h-1時，氣相體積吸收系數幾乎沒有變化，圖線幾乎水平;在液相流率從30 L·h-1變化到40 L·h-1時，氣相體積吸收系數再一次明顯增大。為此需要更進一步的實驗，探究三個不同范圍內液相流量對氣體體積傳質系數的影響。

2.不同液量范圍對吸收系數的影響。從圖5可見，當水的體積流率在20 L·h-1—25 L·h-1的范圍內，吸收系數隨著液相流量的增大而增大。填料的作用是增大流體湍動程度，并為氣、液兩相提供接觸面積以完成質量和熱量交換，但在液相流率過小時，填料表面并沒有充分潤濕，即填料并沒有充分利用。在填料充分潤濕之前，隨著噴淋密度的增大，填料逐漸接近完全潤濕，從而達到最佳的傳質效果，即對應吸收系數—液相流量曲線上的第一段。而且在液相流量較小時，水壓較小，雖然塔頂有液體分布器，但水的分散效果較流量較大時并不理想，水噴淋在填料頂部的中間部分，從而導致液相在填料層上部分布不均，使得吸收系數受到較大影響。

隨著填料表面逐漸接近充分潤濕，此時增大液相流率對吸收效果的主要影響是增大了液相流體的湍動程度，從而使液膜一側的傳質阻力減小。由于水吸收混合空氣中的氨氣是一個典型的氣膜控制的傳質過程，故限制吸收系數的主要因素仍是氣膜一側的傳質阻力，隨著液相流率的進一步增大，吸收系數并不會發(fā)生明顯變化。圖6顯示了不同氣量條件下液相流率從25 L·h-1增大到30 L·h-1時吸收系數的變化，可以看出在此區(qū)間內，與增大氣相流率相比，吸收系數并沒有較大的變化。

圖7顯示了在固定氣相流率為11.04 m3·h-1的條件下，將噴淋密度從30 L·h-1增大到40 L·h-1對吸收系數的影響。可以看出，在液相流率小于34 L·h-1時，增大液相流率對傳質系數的影響很小，而隨著液相流率的進一步增大，吸收系數也明顯增大，其中的原因是隨著填料塔接近液泛，氣體上升產生的曳力使液體下流變得困難，塔內氣、液混和交互作用明顯增強，氣液相接觸面積增加，且氣膜表面更新加快，降低了氣膜阻力，從而強化了傳質過程。湯立新等對于CO2—空氣—水吸收體系研究顯示，該體系屬于液膜控制，氣相流量對傳質系數幾乎沒有影響，但當氣體流量超過一定值，傳質系數也會增加較大。但是隨著液相流量的不斷加大到接近液泛時，塔內氣體阻力急劇增大，會造成氣體的能量損失和塔內兩相流動的劇烈波動，即高液相流量在提高了傳質系數的同時也造成了操作的不穩(wěn)定性和損失了氣體的動能，故雖然在接近液泛的條件下操作可以強化傳質效果，但由傳質效果提高帶來的收益未必高于氣體的動能損失和高液相成本的增加。

四、結論

實驗教學用填料塔內徑為70 mm，內裝？覫10×9×1陶瓷拉西環(huán)填料，其干填料層壓降隨空塔氣速的1.5次冪變化。在固定的液相流率下，氣相體積吸收系數隨氣相流率的增大而增大，與氣相體積流率的0.5次冪成正比。而固定氣相流率時，在不同的范圍內，液相流率對吸收系數有不同的影響：當液相流率較小時，填料未充分潤濕，增大噴淋密度可以改善吸收效果;當填料表面被充分潤濕之后，增大噴淋密度對吸收系數無明顯影響;當噴淋密度進一步增大使填料塔接近液泛時，吸收系數又會明顯增大。

通過上述實驗結果及分析，本實驗裝置中合理的氣體流量是不大于17 m3·h-1，即空塔氣速不大于1.25 m·s-1，液體流量的合理范圍是從25 L·h-1增大到30 L·h-1，在該實驗范圍內，氨—空氣—水體系的體積吸收系數隨氣體流量的變化明顯大于液相流量的變化，這與由于氨易溶于水的特性，氨—空氣—水吸收體系的傳質阻力主要集中在氣相的雙膜理論相一致，學生通過改變氣相流量和液相流量得到實驗數據結果，對傳質過程的雙膜理論有了更直觀的認識，著名教育學家烏申斯基說過：“比較是一切理解和思維的基礎”，相對于只是常規(guī)只是改變液相流量或氣相流量的單一變量的化工吸收實驗而言，通過比較實驗結果以提高學生對理論的認知度，由此獲得的效果是不言而喻的。

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