实验八、板式塔流体力学性能测定
一、实验目的
1．观察塔板上气、液两相流动状况。
2．测定气体通过塔板的压力降与空塔气速的关系、雾沫夹带率与空塔气速的关系、泄漏率和空塔气速的关系。
3．研究板式塔负荷性能图的影响因素并做出筛板塔的负荷性能图。
二、实验原理
板式塔为逐级接触的气～液传质设备，当液体从上层塔板经溢流管流经塔板与气体形成错流通过塔板，由于塔板上装有一定高度的堰，使塔板上保持一定的液层，然后越过堰从降液管流到下层塔板。气体从下层塔板经筛孔或浮阀、泡罩齿缝等，上升穿过液层进行气液两相接触，然后与液体分开继续上升到上一层塔板。塔板传质的好坏很大程度取决于塔板上的流体力学状况。
1．塔板上的气液两相接触状况及不正常的流动现象。
（1）气液两相在塔板上接触的三种状态：
1）当气体的速度较低时，气液两相呈鼓泡接触状态。塔板上存在明显的清液层，气体以气泡形态分散在清液层中间，气液两相在气泡表面进行传质。
2）当气体速度较高时，气液两相呈泡沫接触状态，此时塔板上清液层明显变薄，只有在塔板表面处才能看到清液，清液层随气速增加而减少，塔板上存在大量泡沫，液体主要以不断更新的液膜形态存在于十分密集的泡沫之间，气液两相以液膜表面进行传质。
3）当气体速度很高时，气液两相呈喷射接触状态，液体以不断更新的液滴形态分散在气相中间，气液两相以液滴表面进行传质。
（2）塔板上不正常的流动现象
1）漏液
当上升的气体速度很低时，气体通过塔板升气孔的动压不足阻止塔板上液层的重力，液体将从塔板的开孔处往下漏而出现漏液现象。
2）雾沫夹带
当上升的气体穿过塔板液层时，将板上的液滴挟裹到上一层塔板引起浓度返混的现象称为雾沫夹带。
3）液泛
当塔板上液体量很大，上升气体速度很高，塔板压降很大时，液体不能顺利地从降液管流下，于是液体在塔板上不断积累，液层不断上升，使塔内整个塔板间都充满积液的现象称为液泛。
2．流体力学性能测定
（1）压降
在塔板的上面和下面气液分离空间中各设置一个测压口，分别连在U型压差计的两端，可以测定气体通过塔板的压降。
压降通常包括干板压降和液层压降两部分。干板压降是指塔内不通液体，只有气体穿过塔板时测得的塔板压降，这部分压降主要是通过筛孔时克服阻力而产生的压降，液层压降是指气体通过塔板的清液层和泡沫层克服阻力而产生的压降。
（2）雾沫夹带率
在塔板上设置一层液体收集板，可以把气体从下层塔板带上来的液体收集，然后用一个导管将这些液体引出、收集并测量，可得夹带液体流量，再除以气体流量，可得雾沫夹带率。
（2—55）
（3）泄漏率
再塔板下面设置一个液体出口，可以把从筛孔流下的液体收集并测量，可得泄漏液体流量，泄漏液体流量除以液体流量即可得泄漏率。
（2—56）
3．筛板的流体力学模型
（1）压降
式中：Δp——塔板总压降，Pa；
Δpc——干板压降，Pa；
ΔpL——板上液层高度压降，Pa。
上式中，
式中：ρv——气相密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
u0——筛孔气速，m/s；
C0——筛孔流量系数，可通过图2—69求取。
筛板上因液层高度产生的压降ΔpL即液层有效阻力hL：
（2—57）
式中：ρL——液相密度，kg/m3；
g——重力加速度，m/s2；
hi——液层有效阻力，m液柱，可通过图2—70求取。
图中，气相动能因子表示为：
板上清液层高度表示为：
式中：hw——堰高，m；
how——堰上液流高度，m。
液层有效阻力hi，也可用如下方程计算：
当Fo<17时：
当Fo>17时：
（2）雾沫夹带量：
（2—58）
式中：ev——雾沫夹带量，kg液/kg气；
σ——液相表面张力，N/m；
uG——按有效面积计算的气速，m/s；
（2—59）
式中：Vs——气相流量，m3/s；
AT——塔截面积，m2；
Af——降液管截面积，m2；
HT——板间距，m；
hf——塔板上鼓泡层高度，m；
ф——表示鼓泡层平均相对密度，一般情况下：取ф＝0.4，
即hf＝2.5hL。
（3）漏液
为保证筛孔不漏液的下限气速为uow，筛板的uow可按下面的经验式计算：
（2—60）
式中：uow——漏液点的筛孔气速，m/s；
Co——筛孔流量系数；
hL——板上清液层高度，m；
hσ——与液体表面张力相当的液柱高度，m。
（2—61）
式中：σ——液体表面张力，N/m；
g——重力加速度，m/s2；
do——筛孔孔径，m；
ρL——液体密度，kg/m3。
4．塔板负荷性能图及操作弹性
塔板的气液正常操作通常以塔板的负荷性能图表示，如图2—71，负荷性能图以气体体积流量（m3/s）为纵坐标，液体体积流量（m3/s）为横坐标标绘而成，它由漏液线、雾沫夹带线、液相负荷下限线、液相负荷上限线和液泛线五条线组成，其中每条线代表一个极限操作情况，五条线包围部分是正常操作范围。当塔板的类型、结构尺寸以及待分离的物系确定后，负荷性能图可通过实验确定。
图2-71 塔板负荷性能图
1．雾沫夹带线2。液冷线3。液相上限线4。漏液线5。液相下限线
塔的操作弹性是评价塔性能的重要指标，在塔的操作液气比下，如图2-71所示，操作线OAB与界限曲线的交点的气相最大负荷V大与气相允许最小负荷V小之比称为操作弹性，即：
操作弹性=
（2—62）
设计塔板时，可适当调整塔板结构参数使操作点P在图中适中位置，以提高塔的操作弹性。
三、实验装置及流程
图2-72 板式塔流体力学性能测定实验装置流程示意图
1－空气出口，2－雾沫夹带收集板，3－雾沫夹带液出口，4－进水流量计
5－进水口，6－实验塔板（筛板、浮阀、泡罩塔板），7－泄漏率测定板
8－降液管，9－出水口，10－进气流量计，11－空气进口，12－泄漏液出口
板式塔流体力学性能测定实验装置的塔体是用有机玻璃制成，三层塔板分段用法兰连接。上层塔板为雾沫夹带收集板，中间塔板为可更换实验板（筛板、浮阀、泡罩塔板），下层塔板为泄漏率测定板。
气体从下面通入塔内，从塔顶流出；液体从中间塔板上面加入，从下层塔板的降液管中流出。
塔板压降的测定：在中间实验塔板的上下各设置了一个测压口，分别连在U型压差计的两端，压差计的读数直接反映了塔板压降的大小。
雾沫夹带的测定：在雾沫夹带收集板的下面引出这些液体，并测定流率，可以计算雾沫夹带。
泄漏率的测定：在塔底引出泄漏液，收集后测定泄漏速率，可计算泄漏率。
塔板主要结构参数：
塔内径 D=190mm； 板间距 HT＝200mm； 出口堰长Lw＝100mm；
出口堰高hw＝25mm； 降液管直径d＝21mm； 降液管底隙高度h0＝18mm；
筛孔直径d0＝3mm； 筛孔数n＝210。
其他结构尺寸入板厚σ等应根据塔板的结构测量求得。
四．实验步骤及主意事项。
1． 实验步骤
（1） 熟悉实验装置流程，了解各部分的作用。
（2） 启动风机改变气体流量，测量干板压降与气速的关系。
（3） 选定一个液体流量，改变气体流量，测量塔板压降、雾沫夹带率和泄漏率。
（4） 改变液体流量，重复（3）的内容。
（5） 实验结束，先关水，后关气。
2． 注意事项
（1） 在做一定液体负荷下的压降与气速关系实验时，应先通水，后开气。
（2） 液体流量选定后，气体量避免太小，以防止过大的泄漏率；同时应避免气体量太小，以防止过大的雾沫夹带率造成液泛。
（3） 测定雾沫夹带率和泄漏率时，应用秒表计时，以通过测得一定时间内的雾沫夹带量和泄漏量来获得雾沫夹带率和泄漏率。
五．实验报告要求
1． 在双对数座标纸上描绘出干板和各种液体流量下塔板和压降与空塔速度的关系图。
2． 在双对数座标纸上描绘泄漏率、雾沫夹带率与空塔速度的关系图。
3． 示意画出塔板的负荷性能图，并说明理由。
4． 描述气速从小到大，塔板上的几种流动状态。
六．思考题
1． 分析气相负荷对压降对空塔气速△p～u，雾沫夹带率对空塔气速e～u，泄漏率对空塔气速θ～u的影响。
2． 定性分析液泛与那些因素有关。
3． 板间距加大，塔板的负荷性能图将发生什么变化？
4． 如何利用该实验装置得到塔板的负荷性能图？
塔板上的流动状态主要取决于哪几个方面？
第二篇：填料塔吸收流体力学性能测定实验(09化工)
填料吸收塔流体力学性能测定
一、实验目的
1.了解吸收过程的流程、设备结构，并掌握吸收操作方法。
2.在不同空塔气速下，观察填料塔中流体力学状态。测定气体通过填料层的压降与气速的关系曲线。
3.了解填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数的测定方法。
4.通过实验了解ΔP—u曲线和传质系数对工程设计的重要意义。
二、实验原理
吸收塔中填料的作用主要是增加气液两相的接触面积，而气体在通过填料层时，由于有局部阻力和摩擦阻力而产生压强降。
填料塔的流体力学特性是吸收设备的重要参数，它包括压强降和液泛规律。测定填料塔的流体力学特性是为了计算填料塔所需动力消耗和确定填料塔的适宜操作范围，选择适宜的气液负荷，因此填料塔的流体力学特性是确定最适宜操作气速的依据。
气体通过干填料（L=0）时，其压强降与空塔气速之间的函数关系在双对数坐标上为一直线，如图中AB线，其斜率为1.8～2。当有液体喷淋时，在低气速时，压强降和气速间的关联线与气体通过干填料时压强降和气速间的关联线AB线几乎平行，但压降大于同一气速下干填料的压降，如图中CD段。随气速的进一步增加出现载点（图中D点），填料层持液量开始增大，压强降与空塔气速的关联线向上弯曲，斜率变大，如图中DE段。当气速增大到E点，填料层持液量越积越多，气体的压强几乎是垂直上升，气体以泡状通过液体，出现液泛现象，此点E称为泛点。
图1 填料层的ΔP～u关系
三、实验装置
1风机 2空气调节阀 3油分离器 4空气流量计 5填料塔 6栅板 7排液管 8莲蓬头 9尾气调压阀
10尾气取样管 11稳压瓶 12考克 13吸收盒 14湿式气体流量计15总阀 16水过滤减压阀 17水调节阀
18水流量计 19压差计 20塔顶表压计 21表压计 22温度计 23氨瓶 24氨瓶阀 25氨自动减压阀
26氨压力表 27缓冲罐 28转子流量计 29表压计 30闸阀
图2 吸收实验装置流程图
空气由风机1供给，阀2用于调节空气流量（放空法），阀2开大，空气入塔流量减少。这是因为容积式风机不能用启闭出口阀门来调节空气流量的缘故，当然，如果采用离心式风机，也可不用这种调节方法。在气管中空气与氨混合入塔，经吸收后排出，出口处有尾气调压阀9，这个阀在不同的流量下能自动维持一定的尾气压力（约90至130mmH2O柱），作为尾气通过分析器的推动力。
水经总阀15进入水过滤减压器16，经调节阀17及流量计18入塔，水过滤减压器一方面滤去水中铁锈和污泥，另方面能自动稳定压力，以消除自来水压力波动引起的流量波动。
氨气由氨瓶23供给，开启氨瓶阀24，氨气即进入自动减压阀25中。这阀能自动将输出氨气压力稳定在0.5～1kg/cm2范围内。由于气体流量与气体状态有关，所以每个气体流量计前均有表压计和温度计。
为了测量塔内压力和填料层压降，装有表压计20和压差计19，另外还需用大气压力计（由用户自备）以测量大气压力。塔底压强测量口有一小段斜管是用以避免水堵现象。
排液管7可以上下移动，使液面控制在管子内部而不上升到塔截面内。
闸阀32不是用来调节流量的，它的作用是提高风机利用率，当不做吸收实验时，可将此阀关闭，从油分离器3的预留管口接出旁管以供应其他地方用气。
四、实验步骤和实验方法
1.主要步骤：
1)打开风机，测定干塔数据。
2)打开水阀，使填料塔先预液泛，填料充分润湿。
3)固定喷淋量，慢慢加大气速，测量气速和压降的关系，并且记录塔内拦液和液泛的现象。
4)改变喷淋量，重复上述实验。
2.主要实验方法：
1)测定干填料压强降时，塔内填料务必事先吹干，调节空气调节阀开度，测定塔压降，得到ΔP—u关系。
2)测定湿填料压强降
a、测定前要进行预液泛时，使填料表面充分润湿。
b、实验接近液泛时，进塔气体的增长速度要放慢，不然图中泛点不易找到。密切观察填料表面气液接触状况，并注意填料层压降变化幅度，待各参数稳定后再读数据。液泛后填料层压降在几乎不变气速下明显上升，务必要掌握这个特点。稍稍增大气量，再取一、二个点就可以了，并注意不要使气速过分超过泛点，避免冲破填料。
3)要注意空气转子流量计的调节阀要缓慢开启和关闭，以免冲碎玻璃管。
五、数据记录
设备编号： 大气压力： 填料高度：0.8m
水温： 塔平均内径：0.111m
空气流量计标定状态：760mmHg 20oC空气标定
1.干塔数据
2.一定喷淋量下数据1
一定喷淋量下数据2：
六、报告要求
计算干填料以及一定喷淋量下湿填料在不同空塔气速下每米填料层高度的压强降，即ΔP/Z，并在双对数坐标上作图，找出载点和泛点。
七、讨论题
1、阐述干填料压降线和湿填料压降线的特征。
2、填料塔结构有什么特点？
3、测定干填料压强降时，塔内填料表面吹得不太干，对测定结果有什么影响？
4、说明填料塔的流体力学特性是确定适宜操作气速的依据。
八、注意事项
1）转子流量计如果突然增加流量或突然减少流量，转子波动太剧烈就会打烂玻璃锥管，因此必须注意风机起动或停车时，一定要将旁通闸阀2全开，让大量空气从旁路排走，以保证风机起动或停车时转子不会突然升起或下降；并注意调节流量时要缓慢。
2）本实验在固定喷淋液量（参考值100-130升/时）下，改变气体流量测定
关系，在接近液泛时，气量应缓慢增加，并注意观察气液接触状况和压降
变化幅度，注意不要使气速过分超过泛点，以避免冲破和冲跑填料。