裝卸式吸收實(shí)驗(yàn)裝置的研究及應(yīng)用

＊黃昀昉 曾明榮*

（1.華僑大學(xué)化工與制藥工程系 福建 361021 2.華僑大學(xué)基礎(chǔ)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)中心 福建 361021）

化工原理是化工及其相關(guān)專業(yè)的是一門非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，它是綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等知識(shí)，分析和解決化學(xué)加工類生產(chǎn)中各種物理過(guò)程問(wèn)題的工程學(xué)科，它承擔(dān)著工程科學(xué)與工程技術(shù)的雙重教育任務(wù)[1]。在大多數(shù)高等院校的教學(xué)計(jì)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(shí)踐，銜接基礎(chǔ)到專業(yè)的作用。而與之相配套的化工原理實(shí)驗(yàn)，是化工原理課程教學(xué)中工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)的主要途徑。同時(shí)，也是化工、制藥、生物、環(huán)境、材料、應(yīng)化等相關(guān)專業(yè)的學(xué)生接觸工程類實(shí)驗(yàn)的第一門實(shí)驗(yàn)課，是培養(yǎng)學(xué)生的工程觀念和工程實(shí)踐能力的重要實(shí)踐性課程，對(duì)學(xué)生今后接觸工程類實(shí)踐的影響至關(guān)重要[2]。與有機(jī)、無(wú)機(jī)、物化、分析等化學(xué)實(shí)驗(yàn)相比，化工原理實(shí)驗(yàn)以化工單元操作為中心，實(shí)驗(yàn)過(guò)程都采用較大型的裝置設(shè)備，比較接近生產(chǎn)實(shí)際情況。其中，填料塔是工業(yè)生產(chǎn)中歷史悠久，最為廣泛使用的一種設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗小，是近些年來(lái)新型填料的開發(fā)和應(yīng)用，使得填料塔在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用更加普遍。20世紀(jì)60年代以來(lái)，由于對(duì)亂堆填料和規(guī)整填料的不斷研發(fā)，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(diǎn)，填料塔的直徑已經(jīng)可達(dá)幾米，甚至幾十米[3]。因此，在化工原理實(shí)驗(yàn)中，填料吸收實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱耸箤W(xué)生掌握填料吸收裝置的工藝流程和設(shè)備結(jié)構(gòu)；了解填料塔流體力學(xué)狀況，測(cè)定填料層的壓降和氣速的關(guān)系曲線；掌握總傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定方法，并對(duì)相關(guān)的影響因素進(jìn)行分析；掌握利用傳至速率方程解決傳質(zhì)問(wèn)題的方法[4-7]。填料塔內(nèi)填充了具有特定形狀的填料，以構(gòu)成填料層，是塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣、液接觸的有效部位。希望所設(shè)計(jì)的填料傳輸效率要求高，填料塔中填料層壓降低，填料機(jī)械強(qiáng)度高，填料塔便于清洗、安裝、拆卸等。但現(xiàn)有的吸收實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置，其實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容較為單一，不能滿足學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同種填料以及各種高度的填料進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)[8]。為了擴(kuò)大學(xué)生的興趣和思維，充分利用待報(bào)廢的舊裝置，通過(guò)開發(fā)改造，研制出一種具有多功能的“裝卸式吸收實(shí)驗(yàn)裝置”，以滿足學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展的需求，提高學(xué)生的的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力；同時(shí)也滿足相關(guān)教師的科研使用。

1.裝卸式吸收實(shí)驗(yàn)裝置的研究

根據(jù)化工原理相關(guān)知識(shí)以及現(xiàn)有吸收實(shí)驗(yàn)裝置的缺陷，提出對(duì)塔體進(jìn)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?dú)怏w，考察不同條件下水吸收丙酮的效率。使單一實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)擴(kuò)展改造升級(jí)，形成具有多功能、綜合型的實(shí)驗(yàn)裝置，改造后的吸收實(shí)驗(yàn)裝置，只要通過(guò)更換不同的塔柱就可以對(duì)不同情景進(jìn)行研究，到達(dá)以拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的目的。此外，通過(guò)卡箍式接頭快速連接的方式，對(duì)填料吸收塔主體進(jìn)行分解，改造后的填料吸收塔主體由塔柱、氣體進(jìn)口及液封裝置、液體進(jìn)口及噴淋裝置等三部分構(gòu)成以及空氣壓縮機(jī)、流量計(jì)和塔底部設(shè)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(lái)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(jì)量后的空氣進(jìn)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(shí)，計(jì)量后的吸收劑——水由高位槽進(jìn)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(jìn)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(jìn)入尾氣收集罐。

圖1 改造后吸收塔裝置圖

本實(shí)驗(yàn)室原有的填料塔吸收實(shí)驗(yàn)裝置是九十年代購(gòu)自華東理工大學(xué)，主要是通過(guò)改變氣、液相的流量來(lái)進(jìn)行操作，該裝置的總體使用效果較好，安全性較高，但是無(wú)法對(duì)不同的填料的進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)重新改造后，該吸收實(shí)驗(yàn)裝置可以對(duì)不同填料進(jìn)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(guī)格尺寸；對(duì)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(zhì)系數(shù)和吸收效率進(jìn)行測(cè)定、對(duì)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(zhì)系數(shù)和吸收效率進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)[9-10]并增設(shè)噴淋頭裝置，盡量保證吸收劑噴淋密度能達(dá)到均勻分布，盡量減少填料層中液體溝流現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高填料吸收塔傳質(zhì)的效果，進(jìn)一步考察不同噴淋密度及噴淋方式對(duì)吸收效率的影響。對(duì)完成不同科研任務(wù)、進(jìn)一步加深對(duì)吸收實(shí)驗(yàn)的理解以及提高學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)有一定的作用。

2.裝卸式吸收實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用

(1)最佳填料規(guī)格的選擇

填料塔的效率主要取決于填充填料的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能。而填料塔的流體力學(xué)性能指標(biāo)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(shù)。利用裝卸式吸收實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)不同填料進(jìn)行流體力學(xué)的測(cè)定[11-13]，通過(guò)比較分析液泛現(xiàn)象，氣流出現(xiàn)脈動(dòng)程度，液體被氣流大量帶出塔頂，塔的操作極其不穩(wěn)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(guī)格。其中壓強(qiáng)降是填料塔中的重要參數(shù)，填料塔的壓力降主要來(lái)源于填料片表面液膜與上升氣體之間的摩擦構(gòu)成的流動(dòng)阻力，氣體通過(guò)填料層壓強(qiáng)降的大小決定了塔的動(dòng)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(fù)荷有關(guān)，還和和填料結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此在本文中，將不同填料下的壓強(qiáng)降與一定噴淋量和空塔氣速的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匯在對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)條件：介質(zhì)為空氣—水；填料塔內(nèi)徑d=48mm；填料層高度h=400mm；噴淋密度L=6L/h；空氣進(jìn)口壓力0.02MPa；大氣壓力0.1013MPa；實(shí)驗(yàn)室溫17.6℃。

針對(duì)吸收實(shí)驗(yàn)對(duì)噴淋密度的要求，本文對(duì)三種不同規(guī)格的填料進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖2所示，②號(hào)填料和③號(hào)填料在空氣量2000L/h（最大），和噴淋密度為L(zhǎng)=6L/h時(shí)都沒(méi)有出現(xiàn)液泛現(xiàn)象；①號(hào)填料在噴淋密度為L(zhǎng)=6L/h，和空氣量400L/h時(shí)就出現(xiàn)少量液泛現(xiàn)象，空氣量增至600L/h時(shí)出現(xiàn)較多的液泛現(xiàn)象。因此在本實(shí)驗(yàn)裝置，①號(hào)填料尺寸過(guò)小，至填料堆集空隙率過(guò)小，阻力過(guò)大，容易產(chǎn)生液泛，使吸收效率下降，①號(hào)填料不適合本實(shí)驗(yàn)裝置上使用；②號(hào)填料和③號(hào)填料都能滿足本實(shí)驗(yàn)裝置吸收的要求。在相同的填料高度下，②號(hào)填料的填料比表面積大于③號(hào)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(shí)②號(hào)填料和③號(hào)填料在相同條件下，其塔壓差相差不大，所以建議選擇②號(hào)填料作為本實(shí)驗(yàn)裝置的填料。

圖2 填料環(huán)直徑對(duì)填料塔力學(xué)性能影響

(2)研究不同類型的填料對(duì)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(jìn)行質(zhì)、熱傳遞的場(chǎng)所。填料的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能與填料的材質(zhì)、大小和幾何形狀緊密相關(guān)。材質(zhì)一定是，表征填料特性的數(shù)據(jù)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(dá)的因素如填料的幾何形狀對(duì)填料的流體力學(xué)性能和傳質(zhì)性能也往往有著重要的影響。因此，在實(shí)驗(yàn)條件相同情況下本文采用了不同規(guī)格的拉西環(huán)以及彈簧填料來(lái)分析不同類型的填料對(duì)吸收效率的影響。拉西環(huán)形狀簡(jiǎn)單，為外徑與高度相等的圓環(huán)，因而制造容易，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)中，因此本文以拉西環(huán)作為典型研究對(duì)象。

實(shí)驗(yàn)條件：介質(zhì)為丙酮空氣混合氣體—水；填料塔內(nèi)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(jìn)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(guī)格尺寸越小其吸收效率越高，在拉西環(huán)填料的比較中，③號(hào)填料的吸收效率不到70%，遠(yuǎn)低于①②填料的吸收效率（90%以上），并結(jié)合實(shí)驗(yàn)2.1吸收塔流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的結(jié)論，所以，可綜合考慮選擇②填料作為本實(shí)驗(yàn)裝置的填料。

圖3 不同填料環(huán)對(duì)填料塔力學(xué)性能影響

(3)研究不同填料高度對(duì)吸收效率的影響[13-15]

填料的傳質(zhì)性能在化工精餾或者吸收的過(guò)程中的可以用每米填料的理論級(jí)數(shù)或等板高度來(lái)表示，因此本文考察了同一種規(guī)格的填料，在不同裝填高度的情況下，對(duì)吸收效率的影響。

實(shí)驗(yàn)條件：介質(zhì)為丙酮空氣混合氣體—水；填料塔內(nèi)徑d=48mm；陶瓷拉西環(huán)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(jìn)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(cè)得的吸收效率只提高6%左右，而從400mm到500mm所測(cè)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(duì)填料塔力學(xué)性能影響

3.結(jié)論

作為填料塔的關(guān)鍵部件，填料的性能直接決定了填料塔傳質(zhì)效能。因此，對(duì)特定填料塔裝置來(lái)說(shuō)，選擇一種合適的填料規(guī)格及選擇適當(dāng)?shù)奶盍涎b填高度，是吸收實(shí)驗(yàn)過(guò)程中一個(gè)重要考察內(nèi)容。通過(guò)研制開發(fā)的“裝卸式吸收實(shí)驗(yàn)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(zhì)系數(shù)和吸收效率等的比較及評(píng)價(jià)，該吸收實(shí)驗(yàn)裝置與原有的吸收裝置相比，極大地豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，促進(jìn)了學(xué)生興趣的培養(yǎng)，有利于學(xué)生觀念、思維的創(chuàng)新，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和工程意識(shí)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程能力。從“裝卸式吸收實(shí)驗(yàn)裝置”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和比較中可以看出，對(duì)塔徑為48mm的吸收實(shí)驗(yàn)裝置，最佳填料選擇②號(hào)填料，即拉西環(huán)填料Ф9*6*10，最佳填料層堆積高度選擇為500mm。