化工原理吸收实验中气液两相流率对气相体积吸收系数的影响

尹红 刘欢 叶向群

摘要：吸收实验是重要的化工单元操作实验之一，通过吸收塔的流体力学性能及气相流量和液相流量参数变化得到不同的实验结果，联系传质双膜理论，使得学生通过吸收实验加深对相关理论的认识，获得较大的收获。

关键词：实验教学;化工实验;单元操作;吸收实验

中图分类号：G642.423     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）19-0255-04

一、引言

在化工专业教学过程中，化工原理实验是一个必不可少的环节，它与化工原理课程相辅相成，对于巩固基本理论知识，培养学生的动手能力和工程思维能力有很大的帮助。在化工原理单元操作实验中吸收实验是及其重要的实验之一，这是由于一方面吸收实验过程相对复杂，实验数据记录量大，实验参数容易混淆，而我们刻意保留整个实验的手动操作，由此训练学生的实验操作技能及团队配合能力;另一方面吸收实验的结果可以促进学生对化工原理中传质理论的理解。通过分析气、液相流率对气相体积吸收系数的影响，优化吸收实验操作参数，相对于只是变化液相流量或者只是变化气相流量以获得吸收传质系数的变化而言，学生有更大的收获，对传质理论及塔的流体力学性质有更加清晰的认识。

二、实验装置

实验装置流程如图1所示，主体为填料吸收塔，塔径70 mm，填料高度为0.38 m，填料采用瓷质拉西环。U型压差计测量氨气表压、空气表压、塔顶表压和塔顶底压差ΔP;转子流量计测量水、空气和氨气的流量，温度计测量水、空气和氨气的温度。来自钢瓶的氨气和鼓风机送入的空气在管道中进行混合，自塔底送入，与自上而下喷淋的水逆流接触，完成吸收过程。吸收液从塔底排出，吸收尾气从塔顶排出，引适量吸收尾气至洗气瓶中，分析其中的氨气量，脱氨后的空气送入湿式气体流量计中测量其体积。

三、结果与分析

（一）气相流率对体积吸收系数的影响

气相传质系数与气相流率呈0.7次方关系，但本实验得出的气相体积吸收系数Kya与气相流率G之间近似呈0.5次方关系。气相体积吸收系数随着气相流率的增大而增大，这是因为在固定的喷淋密度下，如水流量为20 L·h-1时，随着气相流率从7.26 m3·h-1增加到11.82 m3·h-1，空塔气速从0.55 m·s-1增加到0.90 m·s-1，雷诺数从2954增加到4825。在这个过程中，随着气相流体湍动程度的提高，大大提高了传质效率。即水吸收氨气为气膜控制的传质过程，随着气膜传质阻力的减小，传质过程被大大强化了。

（二）液相流率对体积吸收系数的影响

1.液相流率对吸收过程的影响。

实验在探究液相流率对填料塔吸收系数的影响时，保持一定的气相流率不变。根据实验填料塔的液泛气速，选取了8.40 m3·h-1、9.56 m3·h-1、和10.68 m3·h-1三个气相流率，经过转子流量计校正后的气相流率为8.76 m3·h-1、10.09 m3·h-1和11.05 m3·h-1，实验的结果如图4所示。

可见，在保持入塔气相流率不变时，随着喷淋密度不断增大，气相体积吸收系数总体上呈不断增大的趋势。

从Kya-L曲线图可以看出，在固定的气相流率下，随着喷淋密度的增大，气相体积吸收系数的增大的速率并不是保持固定的水平不变，而是经历了从陡峭到平缓再到陡峭的过程，即在液相流率从20 L·h-1变化到25 L·h-1时，气相体积吸收系数明显增大;在液相流率从25 L·h-1变化到30 L·h-1时，气相体积吸收系数几乎没有变化，图线几乎水平;在液相流率从30 L·h-1变化到40 L·h-1时，气相体积吸收系数再一次明显增大。为此需要更进一步的实验，探究三个不同范围内液相流量對气体体积传质系数的影响。

2.不同液量范围对吸收系数的影响。从图5可见，当水的体积流率在20 L·h-1—25 L·h-1的范围内，吸收系数随着液相流量的增大而增大。填料的作用是增大流体湍动程度，并为气、液两相提供接触面积以完成质量和热量交换，但在液相流率过小时，填料表面并没有充分润湿，即填料并没有充分利用。在填料充分润湿之前，随着喷淋密度的增大，填料逐渐接近完全润湿，从而达到最佳的传质效果，即对应吸收系数—液相流量曲线上的第一段。而且在液相流量较小时，水压较小，虽然塔顶有液体分布器，但水的分散效果较流量较大时并不理想，水喷淋在填料顶部的中间部分，从而导致液相在填料层上部分布不均，使得吸收系数受到较大影响。

随着填料表面逐渐接近充分润湿，此时增大液相流率对吸收效果的主要影响是增大了液相流体的湍动程度，从而使液膜一侧的传质阻力减小。由于水吸收混合空气中的氨气是一个典型的气膜控制的传质过程，故限制吸收系数的主要因素仍是气膜一侧的传质阻力，随着液相流率的进一步增大，吸收系数并不会发生明显变化。图6显示了不同气量条件下液相流率从25 L·h-1增大到30 L·h-1时吸收系数的变化，可以看出在此区间内，与增大气相流率相比，吸收系数并没有较大的变化。

图7显示了在固定气相流率为11.04 m3·h-1的条件下，将喷淋密度从30 L·h-1增大到40 L·h-1对吸收系数的影响。可以看出，在液相流率小于34 L·h-1时，增大液相流率对传质系数的影响很小，而随着液相流率的进一步增大，吸收系数也明显增大，其中的原因是随着填料塔接近液泛，气体上升产生的曳力使液体下流变得困难，塔内气、液混和交互作用明显增强，气液相接触面积增加，且气膜表面更新加快，降低了气膜阻力，从而强化了传质过程。汤立新等对于CO2—空气—水吸收体系研究显示，该体系属于液膜控制，气相流量对传质系数几乎没有影响，但当气体流量超过一定值，传质系数也会增加较大。但是随着液相流量的不断加大到接近液泛时，塔内气体阻力急剧增大，会造成气体的能量损失和塔内两相流动的剧烈波动，即高液相流量在提高了传质系数的同时也造成了操作的不稳定性和损失了气体的动能，故虽然在接近液泛的条件下操作可以强化传质效果，但由传质效果提高带来的收益未必高于气体的动能损失和高液相成本的增加。

四、结论

实验教学用填料塔内径为70 mm，内装？覫10×9×1陶瓷拉西环填料，其干填料层压降随空塔气速的1.5次幂变化。在固定的液相流率下，气相体积吸收系数随气相流率的增大而增大，与气相体积流率的0.5次幂成正比。而固定气相流率时，在不同的范围内，液相流率对吸收系数有不同的影响：当液相流率较小时，填料未充分润湿，增大喷淋密度可以改善吸收效果;当填料表面被充分润湿之后，增大喷淋密度对吸收系数无明显影响;当喷淋密度进一步增大使填料塔接近液泛时，吸收系数又会明显增大。

通过上述实验结果及分析，本实验装置中合理的气体流量是不大于17 m3·h-1，即空塔气速不大于1.25 m·s-1，液体流量的合理范围是从25 L·h-1增大到30 L·h-1，在该实验范围内，氨—空气—水体系的体积吸收系数随气体流量的变化明显大于液相流量的变化，这与由于氨易溶于水的特性，氨—空气—水吸收体系的传质阻力主要集中在气相的双膜理论相一致，学生通过改变气相流量和液相流量得到实验数据结果，对传质过程的双膜理论有了更直观的认识，著名教育学家乌申斯基说过：“比较是一切理解和思维的基础”，相对于只是常规只是改变液相流量或气相流量的单一变量的化工吸收实验而言，通过比较实验结果以提高学生对理论的认知度，由此获得的效果是不言而喻的。

参考文献：

[1]舒世立，赵红丽，黄艳娥.填料吸收塔传质系数测定实验的改进[J].广州化工，2016，44（22）：148-149+159.

[2]叶向群，单岩.化工原理实验及虚拟仿真（双语）[M].化学工业出版社，2017.

[3]王树楹.现代填料塔技术指南[M].中国石化出版社，1998.

[4]兰州石油机械研究所.现代塔器技术（第二版）[M].中国石化出版社，2005.

[5]汤立新，丁志平，季锦林，等.错流填料塔流体力学性能和传质性能的实验研究[J].炼油技术与工程，2008，38（6）：29-34.

[6]陈维钮.传递过程与单元操作（下册）[M].浙江大学出版社，1994.