裝卸式吸收實驗裝置的研究及應用

＊黃昀昉 曾明榮*

（1.華僑大學化工與制藥工程系 福建 361021 2.華僑大學基礎化學化工實驗中心 福建 361021）

化工原理是化工及其相關專業的是一門非常重要的技術基礎課，它是綜合運用數學、物理、化學等知識，分析和解決化學加工類生產中各種物理過程問題的工程學科，它承擔著工程科學與工程技術的雙重教育任務[1]。在大多數高等院校的教學計劃中基本上被安排在大二開始教授，因此而承啟著從理論到實踐，銜接基礎到專業的作用。而與之相配套的化工原理實驗，是化工原理課程教學中工程實踐能力的培養的主要途徑。同時，也是化工、制藥、生物、環境、材料、應化等相關專業的學生接觸工程類實驗的第一門實驗課，是培養學生的工程觀念和工程實踐能力的重要實踐性課程，對學生今后接觸工程類實踐的影響至關重要[2]。與有機、無機、物化、分析等化學實驗相比，化工原理實驗以化工單元操作為中心，實驗過程都采用較大型的裝置設備，比較接近生產實際情況。其中，填料塔是工業生產中歷史悠久，最為廣泛使用的一種設備，它的結構簡單、能耗小，是近些年來新型填料的開發和應用，使得填料塔在工業生產的應用更加普遍。20世紀60年代以來，由于對亂堆填料和規整填料的不斷研發，以及在氣液分布裝置上的革新，打破了填料塔只適用于小直徑尺寸的舊觀點，填料塔的直徑已經可達幾米，甚至幾十米[3]。因此，在化工原理實驗中，填料吸收實驗是一個非常重要的實驗，實驗目的是為了使學生掌握填料吸收裝置的工藝流程和設備結構；了解填料塔流體力學狀況，測定填料層的壓降和氣速的關系曲線；掌握總傳質系數的測定方法，并對相關的影響因素進行分析；掌握利用傳至速率方程解決傳質問題的方法[4-7]。填料塔內填充了具有特定形狀的填料，以構成填料層，是塔內實現氣、液接觸的有效部位。希望所設計的填料傳輸效率要求高，填料塔中填料層壓降低，填料機械強度高，填料塔便于清洗、安裝、拆卸等。但現有的吸收實驗裝置中，一般都是由特定的塔徑和特定的填料及填料高度等組成的固定式吸收實驗裝置，其實驗教學內容較為單一，不能滿足學生在實驗過程中對不同種填料以及各種高度的填料進行對比評價[8]。為了擴大學生的興趣和思維，充分利用待報廢的舊裝置，通過開發改造，研制出一種具有多功能的“裝卸式吸收實驗裝置”，以滿足學生對實驗教學內容擴展的需求，提高學生的的實踐能力和創新能力；同時也滿足相關教師的科研使用。

1.裝卸式吸收實驗裝置的研究

根據化工原理相關知識以及現有吸收實驗裝置的缺陷，提出對塔體進行分體改造。如圖1所示，該填料吸收塔裝置是利用水吸收空氣中的丙酮氣體，考察不同條件下水吸收丙酮的效率。使單一實驗內容的實驗裝置通過擴展改造升級，形成具有多功能、綜合型的實驗裝置，改造后的吸收實驗裝置，只要通過更換不同的塔柱就可以對不同情景進行研究，到達以拓展實驗教學內容的目的。此外，通過卡箍式接頭快速連接的方式，對填料吸收塔主體進行分解，改造后的填料吸收塔主體由塔柱、氣體進口及液封裝置、液體進口及噴淋裝置等三部分構成以及空氣壓縮機、流量計和塔底部設置的安全液封裝置，并制作成一系列可方便裝卸的塔柱，其可以用來裝填不同種類的填料、裝填不同高度的填料。操作流程如下：計量后的空氣進入裝有丙酮液體的混合器中，然后含有一定量丙酮的混合氣氣被送入填料吸收塔底部；同時，計量后的吸收劑——水由高位槽進入吸收塔的頂部噴淋而下。上升的混合氣體與從塔頂流下的吸收劑水在吸收塔的填料上進行呈逆流接觸，混合氣體中的丙酮不斷被水吸收，并隨吸收劑從塔底流出。未被吸收的丙酮隨空氣一起從塔頂排出，進入尾氣收集罐。

圖1 改造后吸收塔裝置圖

本實驗室原有的填料塔吸收實驗裝置是九十年代購自華東理工大學，主要是通過改變氣、液相的流量來進行操作，該裝置的總體使用效果較好，安全性較高，但是無法對不同的填料的進行研究。經過重新改造后，該吸收實驗裝置可以對不同填料進行選型，從而選擇滿足特定填料塔裝置要求的最適合的填料規格尺寸；對不同種類的填料、不同填料高度等狀況條件下的吸收總傳質系數和吸收效率進行測定、對不同種類的填料、不同填料高度等狀況條件下的吸收總傳質系數和吸收效率進行對比和評價[9-10]并增設噴淋頭裝置，盡量保證吸收劑噴淋密度能達到均勻分布，盡量減少填料層中液體溝流現象的發生，從而提高填料吸收塔傳質的效果，進一步考察不同噴淋密度及噴淋方式對吸收效率的影響。對完成不同科研任務、進一步加深對吸收實驗的理解以及提高學生綜合能力的培養有一定的作用。

2.裝卸式吸收實驗裝置的應用

(1)最佳填料規格的選擇

填料塔的效率主要取決于填充填料的流體力學性能和傳質性能。而填料塔的流體力學性能指標在普遍情況下有壓降、液泛、填料層中的持液量以及氣、液兩相的分布等參數。利用裝卸式吸收實驗裝置對不同填料進行流體力學的測定[11-13]，通過比較分析液泛現象，氣流出現脈動程度，液體被氣流大量帶出塔頂，塔的操作極其不穩定，甚至完全被破壞的程度，可選擇一種最適合特定塔徑的填料規格。其中壓強降是填料塔中的重要參數，填料塔的壓力降主要來源于填料片表面液膜與上升氣體之間的摩擦構成的流動阻力，氣體通過填料層壓強降的大小決定了塔的動力消耗，也決定了再沸器中蒸汽用量。由于壓降大小除了和氣、液相負荷有關，還和和填料結構有關，因此在本文中，將不同填料下的壓強降與一定噴淋量和空塔氣速的實測數據匯在對數坐標紙上，如圖2所示。

實驗條件：介質為空氣—水；填料塔內徑d=48mm；填料層高度h=400mm；噴淋密度L=6L/h；空氣進口壓力0.02MPa；大氣壓力0.1013MPa；實驗室溫17.6℃。

針對吸收實驗對噴淋密度的要求，本文對三種不同規格的填料進行測試，結果如圖2所示，②號填料和③號填料在空氣量2000L/h（最大），和噴淋密度為L=6L/h時都沒有出現液泛現象；①號填料在噴淋密度為L=6L/h，和空氣量400L/h時就出現少量液泛現象，空氣量增至600L/h時出現較多的液泛現象。因此在本實驗裝置，①號填料尺寸過小，至填料堆集空隙率過小，阻力過大，容易產生液泛，使吸收效率下降，①號填料不適合本實驗裝置上使用；②號填料和③號填料都能滿足本實驗裝置吸收的要求。在相同的填料高度下，②號填料的填料比表面積大于③號填料的填料比表面積，其增大了氣液兩相之間的接觸面積，更有利于吸收效果，同時②號填料和③號填料在相同條件下，其塔壓差相差不大，所以建議選擇②號填料作為本實驗裝置的填料。

圖2 填料環直徑對填料塔力學性能影響

(2)研究不同類型的填料對吸收效率的影響[13-15]

填料是填料塔的核心，是氣、液兩相接觸進行質、熱傳遞的場所。填料的流體力學性能和傳質性能與填料的材質、大小和幾何形狀緊密相關。材質一定是，表征填料特性的數據主要有填料的尺寸、比表面積與空隙率等。一些難以定量表達的因素如填料的幾何形狀對填料的流體力學性能和傳質性能也往往有著重要的影響。因此，在實驗條件相同情況下本文采用了不同規格的拉西環以及彈簧填料來分析不同類型的填料對吸收效率的影響。拉西環形狀簡單，為外徑與高度相等的圓環，因而制造容易，廣泛應用于各種工業中，因此本文以拉西環作為典型研究對象。

實驗條件：介質為丙酮空氣混合氣體—水；填料塔內徑d=48mm；填料高度h=400mm；丙酮空氣混合流量400L/h；水流量4L/h；大氣壓0.1013MPa；空氣進口壓力0.02MPa；室溫21.2℃。

如圖3所示，在相同的填料層高度、相同的丙酮空氣混合流量和水流量條件下，填料規格尺寸越小其吸收效率越高，在拉西環填料的比較中，③號填料的吸收效率不到70%，遠低于①②填料的吸收效率（90%以上），并結合實驗2.1吸收塔流體力學實驗測定的結論，所以，可綜合考慮選擇②填料作為本實驗裝置的填料。

圖3 不同填料環對填料塔力學性能影響

(3)研究不同填料高度對吸收效率的影響[13-15]

填料的傳質性能在化工精餾或者吸收的過程中的可以用每米填料的理論級數或等板高度來表示，因此本文考察了同一種規格的填料，在不同裝填高度的情況下，對吸收效率的影響。

實驗條件：介質為丙酮空氣混合氣體—水；填料塔內徑d=48mm；陶瓷拉西環填料Ф9*6*10；丙酮空氣混合流量800L/h；水流量6L/h；大氣壓0.1013MPa；空氣進口壓力：0.02MPa；室溫21.8℃。

如圖4所示，在相同流量條件下，隨著填料層高度的增高，其吸收效率也隨之增加，而且填料層高度在300mm和400mm所測得的吸收效率只提高6%左右，而從400mm到500mm所測得的吸收效率提高17%以上，而且吸收效率還有隨填料層高度增高而增加的可能，所以在填料層高度選擇上可以選擇500mm高度或更高。

圖4 填料高度對填料塔力學性能影響

3.結論

作為填料塔的關鍵部件，填料的性能直接決定了填料塔傳質效能。因此，對特定填料塔裝置來說，選擇一種合適的填料規格及選擇適當的填料裝填高度，是吸收實驗過程中一個重要考察內容。通過研制開發的“裝卸式吸收實驗裝置”，可滿足特定填料塔裝置的填料選型、填料層高度的確定、以及不同填料、不同填料高度下吸收傳質系數和吸收效率等的比較及評價，該吸收實驗裝置與原有的吸收裝置相比，極大地豐富了實驗教學內容，促進了學生興趣的培養，有利于學生觀念、思維的創新，增強了學生的創新意識和工程意識，提升了學生的創新能力和工程能力。從“裝卸式吸收實驗裝置”的實驗結果分析和比較中可以看出，對塔徑為48mm的吸收實驗裝置，最佳填料選擇②號填料，即拉西環填料Ф9*6*10，最佳填料層堆積高度選擇為500mm。