板式塔流体力学性能测定-实验报告.docx

化学实验教学中心
实验报告

化学测量与计算实验Ⅱ

实验名称： 板式塔流体力学性能测定 实验报告

学生姓名： 学号：

院 （系）： 年级： 级 班

指导教师： 研究生助教：

实验日期： 2017.05.25 交报告日期： 2017.06.01
一、实验目的
目前工业上普遍应用的两相流体的传质设备，主要有填料塔和板式塔两大类。板式塔 的应用比较广泛，研究工作也十分活跃，因此，新型塔板层出不穷。目前化学工业中常用的 板式塔主要泡罩塔、筛板塔或浮阀塔。
从某种意义上讲，板式塔的传质效率主要取决与两相流体在塔板上的流动特性。因此， 本实验采用目前工业上常用的筛板塔或浮阀塔，实验测定两相流体在塔板上的流动特性，考 察塔板上的气液接触方式、操作状况及其变化规律，寻求适宜操作范围。通过实验掌握板式 塔在结构、操作状况和性能上的特点，以及板式塔流动特性的实验研究方法。
二、实验原理
当气体通过塔板时，因阻力造成的压强降 Δ p 应为气体通过干塔板的压力降 ΔPd 与气体通过塔板上液层的压力降 Δp1 之和，即
Δ p = ΔPd +Δ p1 (1)
干板压力降又可表达为如下关系式：
∆Pd=ζ∙ρgua22 Pa (2a)
或 ∆h=∆Pdρ1g=ζ∙ρgρl∙u022g m 液柱 （2b）
式中，ua 为气体通过筛孔时的速度，m· s–1；
ρg、ρl 分别为气体和液体的密度，kg· m–3；
ζ 为干板阻力系数。
对于筛孔塔板，干板压降 ΔPd 与筛孔速度 ua 的变化关系可由实验直接测定，并可在双对数坐标上给出一条直线。实验曲线如图 1 所示，并可由此曲线拟合得出干板阻力系数 ζ 值。
气体通过塔板上液层的压力降Δp1 主要是由克服液体表面张力和液层重力所造成的。液层压力降 Δ p1 可简单地表示为
Δ p1 = Δ p－Δ pd= εh f ρ1g Pa (3a)
或
Δ h f = Δ h－Δ hd = εh f m 液柱 (3b)
式中，h f 为塔板上液层高度，m；相当于溢流堰的高度 h w 与堰上液面高度 h0w 之和。
ε为比例系数，该比例系数常称为充气系数（或发泡系数）。
气体通过湿塔板的总压力降 Δp 和塔板上液层的状况，将随着气流速度的变化而发生如下阶段性的变化，如图 2所示。
(1) 当气流速度较小时，塔板上未能形成液层，液体全部由筛孔漏下。在这阶段，塔板的压力降随气速增大而增大。
(2) 当气流速度增大到某一数值时，气体开始拦截液体，使塔板上开始积存液体而形成 液层。该转折点称为拦截点，如图中 A 点。这时气体的空塔速度称为拦液速度。
(3) 当气流速度略微增加时，塔板上积液层将很快上升到溢流堰的高度，塔板压力降也随之急剧增大。当液体开始由溢流堰溢出时，为另一个转折点，如图中 B 点。这时，仍有部分液体从筛孔中泄漏下去。自该转折点之后，随着气流速度增大，液体的泄漏量不断减少， 而塔板压力降却变化不大。
(4) 当气流速度继续增大到某一数值时，液体基本上停止泄漏，则称该转折点为泄漏点，如图中 C 点。自 C 点以后，塔板的压力降随气速的增加而增大。
(5)当气速高达某一极限值时，塔板上方的雾沫挟带将会十分严重、或者发生液泛。自该转折点（如图中 D 点）之后，塔板压降会随气速迅速增大。
图1 筛孔塔板干板压头降 Δhd 与筛孔速度 ua 之间的关系
图2 板式塔的 Δh 与空塔速度的关系曲线

塔板上形成稳定液层后，塔板上气液两相的接触和混和状态，也将随着气速的改变而 发生变化。当气速较较小时，气体以鼓泡方式通过液层。随着气速增大，鼓泡层逐渐转化为 泡沫层，并在液面上形成的雾沫层也将随之增大。
对传质效率有着重要作用的因素是充气液层的高度及其结构。充气液层的结构通常用 其平均密度大小来表示。如果充气液层的气体质量相对于液体质量可略而不计，则
hf ρf = h1ρl (4)
式中，hf 、h1分别为充气液层和静液层的高度，m；
ρf 、ρl 分别为充气液层的平均密度和静液层的密度，kg· m– 3；
若将充气液层的平均密度之比定义为充气液层的相对密度，即
∅=ρfρl=hlhf
则单位体积充气液层中滞留的气体量，即持气量可按下式计算：
Vg=(hf-hl)/hf=1-∅ m3∙m-3 （5）
单位体积充气液层中滞留的液体量，即持液量可按下式计算：
Vl=hl/hf=∅ m3∙m-3 （6）
气体在塔板上的液层的平均停留时间为：
tg=hfS1-∅ Vs=hfu0(1-∅) s （7）
液体在塔板上的平均停留时间为
tl=hf∙S∙∅Ls=hf∅W s （8）
式中，S 为空塔横截面积，m2；Vs 为气体体积流率，m3∙s-1；Ls 为液体体积流率，m3∙s-1；W为液体喷淋密度，m3∙m-2∙s-1；u0 为气体的空塔速度，m∙s-1。
显然，气体和液体在塔板上的停留时间对塔板效率有着显著的影响。
塔板的压力降和气液两相的接触与混合状态不仅与气流的空塔速度有关，还与液体的喷淋密度、两相流体的物理化学性质和塔板的型式与结构（如开孔率和溢流堰高度）等因素 有关。这些复杂关系只能通过实验进行测定，才能掌握其变化规律。对于确定型式和结构的 塔板，则可通过实验测定来寻求其适宜操作区域。
三、实验装置及流程
本实验装置筛板塔，采用单层塔板和外溢流结构，如图 3所示。
图3 筛板塔
1.塔体；2.筛孔塔板；3.漏液排放口；
4.温度计；5.溢流装置
图4 板式塔流动特性实验装置流程
1.空气源；2.放空阀；3.消声器；4.孔板流量计；5.U型水柱压差计；6. U型汞柱压差计；7.板式塔；转子流量计；9. U型水柱塔压差计；10.高位槽；11.排水管
实验装置流程如图 4 示。水自高位槽，通过转子流量计，由塔板上方一侧的进水口进如入，并由塔板上另一侧溢流堰溢入溢流装置。通过塔板泄漏的液体，可由塔底排放口排出。来自空气源的空气，通过流量调节阀和孔板流量计进入塔底。通过塔板的尾气由塔顶排出。气体通过塔板的压力降由压差计显示。

四、实验方法
实验前，先检查空气调节阀和进水阀是否关严，放空阀是否全部开启。然后将高位水槽充满水，并保持适当的溢流量。
实验时，可按如下步骤进行操作：
(1)启动空气源。空气流量由空气调节阀和旁路放空阀联合调节。通过不断改变气体流量，测定干板压降与气速的变化关系。对于筛板塔，一般测取 5～6 组数据即可。
(2)当进行塔板流动特性试验时，应先缓慢打开水调节阀，调定水的喷淋密度（一般喷淋密度在5－10 m3∙m-2∙s-1 范围内为宜，相对于水流量为 40－80 L·h-1 ，然后再按上述方法调节空气流量。在一定喷淋密度下，测定塔板总压降、塔板上充气液层高度等数据。在 全部量程范围内，一般需测取 15 组以上数据，尤其是在各转折点附近，空塔速度变化的间隔以小一些为宜。实验过程中要仔细观察并记录塔板上气液接触和混合状态的发展变化过程，特别要注意各阶段的转折点。
实验结束时，关闭水调节阀和高位槽的进水阀门，然后完全打开旁路放空阀，再将空气调节阀关严，记下静液层高度，再关闭水，最后关掉空气源的电源。
实验时应注意的事项：
(1) 空气源切不可在所有出口全部关闭下启动和运行，以防烧坏设备；空气源的启动和 空气流量的调节，必须严格按上述操作步骤，用旁路阀和调节阀联合调节。
(2) 实验过程中，应密切注意高位水槽的液面和溢流水量，需要根据实验时水流量的变 化，随时调节自来水的进水量。
五、实验数据记录与处理
1.测量并记录实验设备及操作的基本参数。
设备结构参数与操作参数：
筛塔板
规格
塔的内径 dmm
100
孔板流量计
锐孔直径 d0mm
10
筛孔直径 damm
2.7
管道直径 dmm
26
筛孔数目n个
91
孔流系数 C0mm
0.61
筛板开孔率 ε0%
6.6
操作参数
室温 Ta/℃
22.5
筛板厚度 δmm
1.2
气压 pa/Pa
101300
溢流堰高度 hwmm
60
操作气压 p/Pa
101300
2.记录与整理实验数据
（1）干板实验
塔板型式：CEA-M04
实验序号
1
2
3
4
5
空气温度 Tg/℃
入口温度
27.5
30.5
32.0
34.5
36.0
出口温度
24.8
28.0
29.0
30.0
31.0
平均温度
26.2
29.3
30.5
32.3
33.5
空气密度 ρg/(kg∙m-3)
1.180
1.168
1.163
1.156
1.152
空气流量
R/mmH2O
150
250
350
450
550
Vs/(m3∙s-1)
0.00239
0.00310
0.00368
0.00418
0.00463
孔气速 ua/(m∙s-1)
4.59
5.96
7.06
8.03
8.90
干板
压降
∆hd/mmH2O
1
183.0
182.0
182.5
181.0
180.0
2
185.0
186.0
187.0
188.0
188.0
差值
2.0
4.0
4.5
7.0
8.0
∆Pd/Pa
37.17
62.65
87.94
113.75
139.70
干板阻力系数 ζ
1.495
1.510
1.517
1.526
1.531

备注：
① 空气温度 Tg 取入口温度与出口温度的平均值。
② 由于温度/压强-空气密度表中温度均为整数值，因此采取以下公式对密度进行直接计算：

ρ：在温度t与压力p状态下的干空气密度（kg.m-3）
ρ0:0℃，压力为0.1013MPa状态下干空气的密度，ρ0=1.293（kg.m-3）
P：绝对压力（MPa） t：热力学温度（℃）
③ 孔板流量计体积流量Vs的计算公式：
式中，C0：流量系数，无因次，通常为0.6~0.7 （本次试验C0=0.61）
A0：孔板小孔（锐孔）的截面积（A0=7.85×10-5m2）
ρ：待测流体（空气）密度 ρi：U管压差计指示液密度（ρ水=1×103kg/m3 ）
④ 孔气速 ua=VsnSa
Sa：单个筛孔的面积，n ：筛孔数目
⑤ 筛板塔板干板压力降 Δhd 与筛孔速度 ua之间的关系

Tua/(m∙s-1)
Δhd/mmH2O

Tua/(m∙s-1)
Δhd/mmH2O

对于双对数坐标图，趋势线方程y = 0.00009x2.0655，对应的公式为：
则有ζ∙ρg2gρl=0.00009，ρl=1000 kg/m3 ；
而对于算术坐标图，趋势线方程y = 2.0655x - 4.0493，对应的公式为：

则有logζ∙ρg2gρl=-4.0493
理论该倾斜直线的斜率为2，实验所得斜率为2.0655，存在一定的误差。分析原因可能为实验操作存在人为误差，干板阻力系数实际上是随着温度改变的，并不是恒定值。

（2）塔板流动特性实验
塔板型式：CEA-M04
水的温度 TL=26.2 ℃
水的流量 Lh=60 L/h=0.06 m3h=216 m3s
空塔截面积 S0=3.14×0.25×(0.1)2=7.85×10-3 m2
喷淋密度 W=LhS=2.75×104 m3∙m-2∙s-1
其他数据见附纸，由于 ∆hd、∆Pd 只有5组数据，相应的充气系数 ε 也只有五组数据。

筛板塔的压力降Δh与空塔速度u0之间的关系（双对数作图）
B
C
D
Tua/(m∙s-1)
Δh/mmH2O

分析：
转折点
流速 u0/ m∙s-1
A
0.097
B
0.223
C
0.488
D
0.808

如图所示，BC段为一条水平直线，可认为适宜操作区间为B点与C点之间，即
（0.223-0.488 m∙s-1）。
（1）当气流速度较小时，塔板上未能形成液层，液体全部由筛孔漏下。在这阶段，塔板的压力降随气速增大而增大。
（2）当气流速度增大到某一数值时，气体开始拦截液体，使塔板上开始积存液体而形成液层。该转折点称为拦液点，如图中A点。这时气体的空塔速度（0.097 m∙s-1）称为拦液速度。
（3）当气流速度略为增加时，塔板上积液层将很快上升到溢流堰的高度，塔板压力降也随之急剧增大。当液体开始由溢流堰溢出时，为另一个转折点，如图中 B点（0.223 m∙s-1）。这时，仍有部分液体从筛孔中泄漏下去。自该转折点之后，随着气流速度增大，液体的泄漏量不断减少，而塔板压力降却变化不大。
（4）当气流速度继续增大到某一数值时，液体基本上停止泄漏，则称该转折点为泄漏点，如图中C点（0.488 m∙s-1）。自C点以后，塔板的压力降随气速的增加而增大。
（5）当气速高达某一极限值时，塔板上方的雾沫挟带将会十分严重、或者发生液泛。自该转折点图中D点（0.808 m∙s-1）之后，塔板压降会随气速迅速增大。

8

实验序号
入口
温度
℃
出口
温度
℃
空气
温度
Tg/℃
空气密度
ρg/(kg∙m-3)
空气流量
空塔气速
u0
(m∙s-1)
单板压降
静液层高度
hl/mm
充气液层高度
hf/mm
充气系数
ε
Rd
mmH2O
Vs
(m3∙s-1)
∆h
mmH2O
∆P
Pa
1
26
29.1
27.6
1.174
10
0.00062
0.08
60
605.57
55
15
3.867
2
26.5
29
27.8
1.174
20
0.00087
0.11
65
660.45
30
60
1.017
3
26.5
28.5
27.5
1.175
30
0.00107
0.14
74
769.04
30
70
0.993
4
26.4
28
27.2
1.176
50
0.00138
0.18
69
721.35
20
90
0.689
5
26.5
28
27.2
1.176
70
0.00163
0.21
69
737.50
20
100
0.610
6
26.5
27.5
26.8
1.177
80
0.00175
0.22
69
\
15
105
\
7
27
27.1
27.0
1.177
100
0.00195
0.25
69
\
15
115
\
8
26
26.8
26.4
1.179
200
0.00276
0.35
76
\
15
120
\
9
27
26.0
26.5
1.179
300
0.00338
0.43
70
\
15
130
\
10
28.5
25.5
27
1.177
400
0.00391
0.50
74
\
\
\
\
11
30.5
25
27.8
1.174
500
0.00437
0.56
76
\
\
\
\
12
41.0
25
33
1.154
558
0.00466
0.59
79
\
\
\
\
13
50.0
25
37.5
1.137
816
0.00568
0.72
99
\
\
\
\
14
51.9
25
38.4
1.134
952
0.00614
0.78
95
\
\
\
\
15
54.5
25
39.8
1.129
1047
0.00645
0.82
100
\
\
\
\