装卸式吸收实验装置的研究及应用

＊黄昀昉 曾明荣*

（1.华侨大学化工与制药工程系 福建 361021 2.华侨大学基础化学化工实验中心 福建 361021）

化工原理是化工及其相关专业的是一门非常重要的技术基础课，它是综合运用数学、物理、化学等知识，分析和解决化学加工类生产中各种物理过程问题的工程学科，它承担着工程科学与工程技术的双重教育任务[1]。在大多数高等院校的教学计划中基本上被安排在大二开始教授，因此而承启着从理论到实践，衔接基础到专业的作用。而与之相配套的化工原理实验，是化工原理课程教学中工程实践能力的培养的主要途径。同时，也是化工、制药、生物、环境、材料、应化等相关专业的学生接触工程类实验的第一门实验课，是培养学生的工程观念和工程实践能力的重要实践性课程，对学生今后接触工程类实践的影响至关重要[2]。与有机、无机、物化、分析等化学实验相比，化工原理实验以化工单元操作为中心，实验过程都采用较大型的装置设备，比较接近生产实际情况。其中，填料塔是工业生产中历史悠久，最为广泛使用的一种设备，它的结构简单、能耗小，是近些年来新型填料的开发和应用，使得填料塔在工业生产的应用更加普遍。20世纪60年代以来，由于对乱堆填料和规整填料的不断研发，以及在气液分布装置上的革新，打破了填料塔只适用于小直径尺寸的旧观点，填料塔的直径已经可达几米，甚至几十米[3]。因此，在化工原理实验中，填料吸收实验是一个非常重要的实验，实验目的是为了使学生掌握填料吸收装置的工艺流程和设备结构；了解填料塔流体力学状况，测定填料层的压降和气速的关系曲线；掌握总传质系数的测定方法，并对相关的影响因素进行分析；掌握利用传至速率方程解决传质问题的方法[4-7]。填料塔内填充了具有特定形状的填料，以构成填料层，是塔内实现气、液接触的有效部位。希望所设计的填料传输效率要求高，填料塔中填料层压降低，填料机械强度高，填料塔便于清洗、安装、拆卸等。但现有的吸收实验装置中，一般都是由特定的塔径和特定的填料及填料高度等组成的固定式吸收实验装置，其实验教学内容较为单一，不能满足学生在实验过程中对不同种填料以及各种高度的填料进行对比评价[8]。为了扩大学生的兴趣和思维，充分利用待报废的旧装置，通过开发改造，研制出一种具有多功能的“装卸式吸收实验装置”，以满足学生对实验教学内容扩展的需求，提高学生的的实践能力和创新能力；同时也满足相关教师的科研使用。

1.装卸式吸收实验装置的研究

根据化工原理相关知识以及现有吸收实验装置的缺陷，提出对塔体进行分体改造。如图1所示，该填料吸收塔装置是利用水吸收空气中的丙酮气体，考察不同条件下水吸收丙酮的效率。使单一实验内容的实验装置通过扩展改造升级，形成具有多功能、综合型的实验装置，改造后的吸收实验装置，只要通过更换不同的塔柱就可以对不同情景进行研究，到达以拓展实验教学内容的目的。此外，通过卡箍式接头快速连接的方式，对填料吸收塔主体进行分解，改造后的填料吸收塔主体由塔柱、气体进口及液封装置、液体进口及喷淋装置等三部分构成以及空气压缩机、流量计和塔底部设置的安全液封装置，并制作成一系列可方便装卸的塔柱，其可以用来装填不同种类的填料、装填不同高度的填料。操作流程如下：计量后的空气进入装有丙酮液体的混合器中，然后含有一定量丙酮的混合气气被送入填料吸收塔底部；同时，计量后的吸收剂——水由高位槽进入吸收塔的顶部喷淋而下。上升的混合气体与从塔顶流下的吸收剂水在吸收塔的填料上进行呈逆流接触，混合气体中的丙酮不断被水吸收，并随吸收剂从塔底流出。未被吸收的丙酮随空气一起从塔顶排出，进入尾气收集罐。

图1 改造后吸收塔装置图

本实验室原有的填料塔吸收实验装置是九十年代购自华东理工大学，主要是通过改变气、液相的流量来进行操作，该装置的总体使用效果较好，安全性较高，但是无法对不同的填料的进行研究。经过重新改造后，该吸收实验装置可以对不同填料进行选型，从而选择满足特定填料塔装置要求的最适合的填料规格尺寸；对不同种类的填料、不同填料高度等状况条件下的吸收总传质系数和吸收效率进行测定、对不同种类的填料、不同填料高度等状况条件下的吸收总传质系数和吸收效率进行对比和评价[9-10]并增设喷淋头装置，尽量保证吸收剂喷淋密度能达到均匀分布，尽量减少填料层中液体沟流现象的发生，从而提高填料吸收塔传质的效果，进一步考察不同喷淋密度及喷淋方式对吸收效率的影响。对完成不同科研任务、进一步加深对吸收实验的理解以及提高学生综合能力的培养有一定的作用。

2.装卸式吸收实验装置的应用

(1)最佳填料规格的选择

填料塔的效率主要取决于填充填料的流体力学性能和传质性能。而填料塔的流体力学性能指标在普遍情况下有压降、液泛、填料层中的持液量以及气、液两相的分布等参数。利用装卸式吸收实验装置对不同填料进行流体力学的测定[11-13]，通过比较分析液泛现象，气流出现脉动程度，液体被气流大量带出塔顶，塔的操作极其不稳定，甚至完全被破坏的程度，可选择一种最适合特定塔径的填料规格。其中压强降是填料塔中的重要参数，填料塔的压力降主要来源于填料片表面液膜与上升气体之间的摩擦构成的流动阻力，气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗，也决定了再沸器中蒸汽用量。由于压降大小除了和气、液相负荷有关，还和和填料结构有关，因此在本文中，将不同填料下的压强降与一定喷淋量和空塔气速的实测数据汇在对数坐标纸上，如图2所示。

实验条件：介质为空气—水；填料塔内径d=48mm；填料层高度h=400mm；喷淋密度L=6L/h；空气进口压力0.02MPa；大气压力0.1013MPa；实验室温17.6℃。

针对吸收实验对喷淋密度的要求，本文对三种不同规格的填料进行测试，结果如图2所示，②号填料和③号填料在空气量2000L/h（最大），和喷淋密度为L=6L/h时都没有出现液泛现象；①号填料在喷淋密度为L=6L/h，和空气量400L/h时就出现少量液泛现象，空气量增至600L/h时出现较多的液泛现象。因此在本实验装置，①号填料尺寸过小，至填料堆集空隙率过小，阻力过大，容易产生液泛，使吸收效率下降，①号填料不适合本实验装置上使用；②号填料和③号填料都能满足本实验装置吸收的要求。在相同的填料高度下，②号填料的填料比表面积大于③号填料的填料比表面积，其增大了气液两相之间的接触面积，更有利于吸收效果，同时②号填料和③号填料在相同条件下，其塔压差相差不大，所以建议选择②号填料作为本实验装置的填料。

图2 填料环直径对填料塔力学性能影响

(2)研究不同类型的填料对吸收效率的影响[13-15]

填料是填料塔的核心，是气、液两相接触进行质、热传递的场所。填料的流体力学性能和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关。材质一定是，表征填料特性的数据主要有填料的尺寸、比表面积与空隙率等。一些难以定量表达的因素如填料的几何形状对填料的流体力学性能和传质性能也往往有着重要的影响。因此，在实验条件相同情况下本文采用了不同规格的拉西环以及弹簧填料来分析不同类型的填料对吸收效率的影响。拉西环形状简单，为外径与高度相等的圆环，因而制造容易，广泛应用于各种工业中，因此本文以拉西环作为典型研究对象。

实验条件：介质为丙酮空气混合气体—水；填料塔内径d=48mm；填料高度h=400mm；丙酮空气混合流量400L/h；水流量4L/h；大气压0.1013MPa；空气进口压力0.02MPa；室温21.2℃。

如图3所示，在相同的填料层高度、相同的丙酮空气混合流量和水流量条件下，填料规格尺寸越小其吸收效率越高，在拉西环填料的比较中，③号填料的吸收效率不到70%，远低于①②填料的吸收效率（90%以上），并结合实验2.1吸收塔流体力学实验测定的结论，所以，可综合考虑选择②填料作为本实验装置的填料。

图3 不同填料环对填料塔力学性能影响

(3)研究不同填料高度对吸收效率的影响[13-15]

填料的传质性能在化工精馏或者吸收的过程中的可以用每米填料的理论级数或等板高度来表示，因此本文考察了同一种规格的填料，在不同装填高度的情况下，对吸收效率的影响。

实验条件：介质为丙酮空气混合气体—水；填料塔内径d=48mm；陶瓷拉西环填料Ф9*6*10；丙酮空气混合流量800L/h；水流量6L/h；大气压0.1013MPa；空气进口压力：0.02MPa；室温21.8℃。

如图4所示，在相同流量条件下，随着填料层高度的增高，其吸收效率也随之增加，而且填料层高度在300mm和400mm所测得的吸收效率只提高6%左右，而从400mm到500mm所测得的吸收效率提高17%以上，而且吸收效率还有随填料层高度增高而增加的可能，所以在填料层高度选择上可以选择500mm高度或更高。

图4 填料高度对填料塔力学性能影响

3.结论

作为填料塔的关键部件，填料的性能直接决定了填料塔传质效能。因此，对特定填料塔装置来说，选择一种合适的填料规格及选择适当的填料装填高度，是吸收实验过程中一个重要考察内容。通过研制开发的“装卸式吸收实验装置”，可满足特定填料塔装置的填料选型、填料层高度的确定、以及不同填料、不同填料高度下吸收传质系数和吸收效率等的比较及评价，该吸收实验装置与原有的吸收装置相比，极大地丰富了实验教学内容，促进了学生兴趣的培养，有利于学生观念、思维的创新，增强了学生的创新意识和工程意识，提升了学生的创新能力和工程能力。从“装卸式吸收实验装置”的实验结果分析和比较中可以看出，对塔径为48mm的吸收实验装置，最佳填料选择②号填料，即拉西环填料Ф9*6*10，最佳填料层堆积高度选择为500mm。