1、 实验四 填料塔液相轴向混合特性的测定填料塔是化工生产中成用的分离设备之一，广泛应用于精馏、吸收、解吸、气体洗涤、液体萃取等单元操作过程。特别是近几年许多高效填料的开发和应用，填料塔在化工生产上的应用更加广泛，取得了显著的经济效益。填料塔结构、填料性能及流体在填料塔内流动状况，不仅有理论意义，而且有实际意义。流体在系统中有两种理想流动模型，即平推流（FPR）和全混流（CSTR ）模型。而在实际流动中，流体的流动状况介于两种理想流动之间，也就是说，流体存在一定程度的返混。返混程度一般不能直接测定，通常是借助一维扩散数学模型描述。一实验目的1掌握脉冲法测定填料塔中液相停留时间分布的方法；2掌握用矩
2、量法估计液相返混参数的 Pe（彼可列数）的方法，并严整非理想流动的理论；3测定不同液体流速对 Pe 的影响，求出 Ped 与 ReL 的关系式；4了解 APPLE微机系统数据采集的方法。二实验原理描述返混的数学模型很多，较简单实用的是一维扩散模型。一维扩散模型的数学表达式：czPe21（）DaxUH式中 Pe 为彼可列数，描述返混程度的模型参数。对式（）求解：定解条件：实验采用脉冲法加入示踪剂，在流体出口处测定示踪剂浓度，闭式容器，列出如下定解条件：取 c=f(z, )初始条件：c (z,0)=0边界条件：c (0, )=c1( )c(, )=有限量用 Laplace 变换解得：c( )= )
3、1(4exp)2(23P（）估计模型参数 Pe：估计方法有多种，如矩量法、传递函数法、拟合法等。本实验采用矩量法，需用到如下两个数学定义：（）浓度 c(t)的一阶原点矩：tdcM01)(（）（）浓度 c(t)的二阶中心矩：01)(dtc（）202)(tt式中， 数学期望；t方差或散度。2结合式（） 、 （） ，可导出如下方程：)1()22PePett （）实验测得的 c(t)与 t 的关系数据，然后由式（）求得 ，由式（）求t得 ，通过（）式求得 Pe 的值。2t二实验装置与流程1实验主要设备与仪器填料塔：塔体为 1005mm 有机玻璃管制成，塔高 3m；塔内件主要有液体分布器、液体收集器、气
4、体分布板、填料支撑架等。实验流程见图 41。填料：塔内装填 CY 型高效规整不锈钢丝网填料，其特征参数见表 1，结构见图 42。计算机系统：APPLE-主机、屏幕显示器、打印机、磁盘驱动器等。电导率仪：DDS-1A 型。放大器：ZF-69 型；示踪剂：KC 1(CP)饱和液。表 1 CY 型高效规整金属丝网填料特征参理论板数m-1比表面积m2/m3空隙率m3/m3堆集密度kg/m3液体负荷m3/m2.h气体负荷m/skg/m305压 降mmHg/m810 700 95 240 0.220 20 24图 41 实验流程图图 42 填料塔结构示意图空气压缩机；空气稳压缶；放空阀；水贮槽；液体泵；浮
5、球阀；温度计；短路阀；转子流量计；水调节阀；气体调节阀；转子流量计；进气压力表；温度计；压差计；水分布器；进气阀；液封管；铂电极；进气分布板；收集器；填料；填料塔；电磁阀；示踪剂瓶；示踪剂；定滑轮；电导率仪；转换片；打印机；计算机；磁盘驱动器2数据采集：微机数据采集原理方框图示于图。如前所述，实验测得的主要数据是不同时刻 KCl 的水通过铂电极时，将 c(t)送入传感器（电导率测定仪） ；传感器将 c(t)转换为豪伏级直流电压信号，电压信号经放大器放大（转换卡要求）接着送入转换卡（即数模转换卡） ；转换卡的功能是将电压信号转换成数字量，数字量送微机内存。然后用预先输入微机的 Ture-BASI
6、C 语言程序进行数据处理。测量浓度的 传感器 放大器 微机系统一次仪表元件 转换卡 图 微机数据采集原理方框图三实验方法物系为水和空气微机在线数据采集。实验步骤如下：1掌握仪器的使用方法：在教师指导下，熟悉并掌握电导率仪、放大器的使用方法及 APPLE 微机系统的操作。2接通电导率仪的电源，预热 20 分钟。3将预先配置好的饱和 KCl 溶液加入示踪剂瓶内，用定滑轮将瓶升至预定高度。仔细观察液面是否变化？液面不变为正常。4启动空压机：关闭调节阀 11（图标注的序号，下同） ，打开放空阀 3，启动空压机 1；缓慢打开调节阀中的一个，并配合关小防空阀 3，使转子流量计的转子稳定在 5m3/h 的刻
7、度处。5启动水泵：关闭水调节阀 10,将短路阀 8 开至最大，启动水泵 5。然后慢慢开启水调节阀 10 中的一个，同时关小短路阀 8，使水入塔。在大流量下运转半小时，润湿填料。6启动数据采集系统，将应用程序从磁盘装入内存，使其处于工作状态。7取实验数据：待系统稳定之后（即空气流量、水流量温度在预定值，微机处于采集数据状态） ，启动电磁阀 24 注入示踪剂，同时命令微机采集数据。采数结束后接着进行数据处理，打印机自动输出结果TD（数学期望）、DD（方差）和 PE（彼可列数） 。8键入实验条件：将空气流量、水流量、床层压差、进气压力顺序键入微机内存，并自动打印输出。9维持空气流量 5m3/h 不变
8、，水的流量分别为200、300、400、500、600l/h,取实验数据。每一水流量条件下，重复两次取数据，使 PE 值的相对误差5%即为合格，否则维持条件不变继续实验，直至合格为止；然后改变水流量进行下一个条件实验，依次进行，完毕为止。10结束实验：取完实验数据，首先将示踪剂瓶内剩余 KCl 溶液倾如回收瓶，加入自来水约 500ml，启动电磁阀分几次入塔，目的为冲洗示踪剂管路。几分钟后，关空压机、水泵、电导率仪、微机系统等仪器设备的电源，并使所以仪器复原。四注意事项1塔下部液封面高度必须维持在进气管 17 的下面并接近进气管。2每改变水流量一次，稳定 10 分钟左右才能测数据；每加一次示踪剂
9、，必须间隔 10 分钟方可再注入示踪剂。3微机采集数据个数控制在 160200 个之间即可，并在整个实验中保持不变。五数据处理记录实验数据表格如下，供参考用。液 相 气 相 计 算 结 果实验序号温度TL()流量QL(L/H)空塔速度UL(m/s)ReL进气温度TG()进气压力PG(mmHg)流量QG(m3/h)TD DD PE Ped注:pe d 是以填料当量直径表示的彼可列数ped=PE (H=1.5m,d=20mm) hHReL 是以水表示的雷诺数Re L LUD六主要符号说明c示踪剂 KCl 浓度，无因次 ax有效轴向扩散系数，m/sd填料当量直径，mm填料层高度，mped以填料当量直
10、径表示的 pe,无因次ReL以水相空塔表示的 Re,无因次液相缝隙速度，m/sUL水相空塔速度，m/sZ 无因次距离水密度，kg/m 3水粘度，kg.s/m 2无因次时间七思考题1试分析 ped 随 ReL 变化的原因。2实验装置及操作是否与解析扩散的边界条件相符合？试分析上述原因给实验结果带来的影响。3实验取样方法会给测定 ped 带来什么误差？4微机采集数据必须注意什么？参考文献潭浩强等.BASIC 语言.北京：科学出版社.1984王秀玲等.微型计算机 A/DD/A 转换接口技术及数据采集系统设计.北京.清华大学出版社.1987王强如等.计算机屏幕绘图与数学仿真.天津：天津大学出版社.1987袁孝竟等.化学工业与工程.1989.(2):1
