填料吸收塔传质系数测定实验的改进

舒世立，赵红丽，黄艳娥

(唐山师范学院化学系，河北 唐山 063000)



填料吸收塔传质系数测定实验的改进

舒世立，赵红丽，黄艳娥

(唐山师范学院化学系，河北 唐山 063000)

简单说明了改进填料吸收塔传质系数测定实验的重要性，分析了原有实验装置和实验流程的不足。在实验室现有的CO2-H2O吸收实验装置基础上，经过分析对实验装置和实验过程进行了改进，加强实验预习，完善考核制度。改进后缩短了实验时间，增强了测试数据的稳定性和可靠性，提高了学生分析问题、解决问题的能力，一定程度上增强了学生的工程意识。

吸收实验；二氧化碳；填料塔

化工原理是化工类专业的重要基础课之一，与之配套的化工原理实验也逐渐受到重视，化工原理实验与学生前面进行的化学类实验相比，应用性和实践性较强，实验装置既包含工艺过程，又包括了设备、仪表、管道等。与基础化学实验相比，实验中测试点较多，过程复杂，需要多方面知识的综合运用。通过实验可以更进一步培养学生的分析和观察能力，提高学生的创新能力，加深学生对理论知识的理解[1]。许多高校都在进行化工原理实验的改革，如实验教学过程改革、实验装置的改造、教学模式和教学方式的改进等等，其目的就是提高学生的学习积极性和参与性，将实验课的作用发挥至最大。

填料塔是气体吸收中应用最广的工业设备，特别是20世纪60年代以后，随着原有填料的不断改进和新型填料的开发、应用，以及塔内气体、液体分布器的发展，填料塔的应用更加广泛，因此，填料塔吸收实验是重要的化工原理实验之一。通过填料吸收塔传质系数测定实验，学生可以更加直观的了解吸收的基本流程和填料塔设备结构，掌握总传质系数的测定方法；通过改变实验过程中吸收剂、混合气的流量，学生可以了解塔内压降、空塔气速等对吸收过程的影响。从而启发学生思维、加深对理论的理解、培养学生的科学态度。填料塔吸收实验属于验证性实验，实验结果与理论计算之间的差距直接影响学生的学习热情和对理论知识的进一步理解。实验结果的好坏除了与学生的操作、分析有关，实验装置本身对实验结果也有很大影响。而现在本校实验课程中所用填料塔的实验测定结果与理论有所出入，因此，改造填料塔，改进实验过程非常必要。

1 改造原因

本学校现在使用的填料吸收塔已经运行超过10年，在这期间没有对设备进行任何改造或是拆装，填料塔存在的主要问题有：(1)由于直接采用自来水作吸收剂，自来水管道内可能存在一些固体颗粒，在塔内流动过程中，附着在塔内壁，造成塔壁透光性降低，不便于观察塔内气液接触状态；(2)由于场地所限，从未更换填料，所用的金属丝网填料已有部分锈迹，影响实验结果；(3)由于学生操作中，流量调节不是很熟练，有时气速过大，造成填料已与填料支承板分离，处于悬空状态，而且部分地方沟流、壁流严重；(4)空气经过风机后没有降温设备，直接进入气体混合罐，造成实验过程中混合气温度不断上升，气体流量较大，与水接触过程中，造成水温上升，而二氧化碳在水中的溶解度随温度的升高而降低，如果系统的温度变化较大，根据误差传递原理，测定和计算的误差就更大，影响实验结果；(5)钢瓶出来的二氧化碳经普通减压阀后直接进入转子流量计，在实验过程中造成减压阀上结霜，压力波动较大，气体流量不稳，影响实验结果。而且二氧化碳为能溶于水的物质，而理论课上溶质为易溶物质，造成测试结果与理论值差距较大。

2 改进过程

2.1 填料塔改造过程

水路系统：原来的进水管路未安装任何过滤装置，导致自来水中携带的杂质等进入填料塔后，对塔壁和填料造成一定的影响，为了消除水中杂质，在自来水出口位置安装过滤装置。过滤装置采用多孔不锈钢膜，既可滤除自来水中的固体颗粒，又便于更换，而且多孔不锈钢膜清洗后可多次重复利用，同时滤过阻力较小，不会对后续实验造成影响。

吸收液出口后加装三通。三通的一口接塔体吸收液出口，一口接下水管道入口，一口接一酸性溶液储罐，该储罐主要用于中和氨气-水吸收实验的吸收液，经过储罐后再排入下水道，以减少环境污染。

气路系统：气体的温度随实验进行时间的延长而升高，以前的装置未安装任何换热设备，改造后，混合气进入塔体前进行降温处理。在混合罐出口接一软管，将软管放入水槽中，降低混合气的温度。

二氧化碳钢瓶所用的减压阀换为低温阀，既可以延长减压阀的使用时间，又可以维持相对稳定的二氧化碳流量。在减压阀后面安装一缓冲罐，维持整个实验过程中二氧化碳压力基本恒定。

将混合罐进口前的三通改为带阀门的四通，将进气改为二氧化碳和空气或氨气和空气，更加方便学生选择吸收质，进行不同的实验，加深对理论知识的了解。

塔体和填料：经过多年使用，塔壁透明度降低，不便于观察塔内气液接触状态，因此，将内部填料全部拆除，更换新填料同时清洗塔体。填料仍然采用金属丝网波纹填料，增加每一块填料的高度，相互接触的两段填料的波纹弯曲方向呈45o，增加流体在内部流动的湍动程度，提高传质效果。

2.2 实验过程的改进

目前的吸收实验，实验结果与理论知识存在较大的差距，造成学生对实验态度敷衍，预习报告就是抄写实验讲义，并没有思考关于讲义内的实验原理、实验步骤和注意事项等内容，导致虽然学生花费大量时间去写预习报告，做实验时却不知道到底测什么数据，为什么要测这几个数据，怎么去测量数据。而在实验过程中，学生如果预习不充分，面对实验装置就会感到无从下手，丧失学习的意愿，理论与实践严重脱节。实验过程中，多数学生仅仅根据老师的讲解与示范，参考实验讲义进行操作，不去思考测量数据与操作过程的关系。实验后抄袭实验报告。针对以上问题，结合吸收实验的具体过程，对实验过程进行改进。

实验预习报告要求学生结合预习情况，根据自己的理解写出实验原理，实验讲义仅仅涉及CO2-H2O吸收实验的步骤，要求学生自己写出NH3-H2O吸收实验的步骤，如果照抄实验讲义，则认为预习不完全。由于学生没有工厂实习经历，并不知道填料塔真实组成，而实验室空间有限，只有一台填料吸收塔设备，因此，采用开放实验室的方式，与老师预约时间，在非上课时间进行实地预习[2-3]。

实验过程中，教师的讲解不再以讲解实验过程和演示实验步骤为主，改为以讲解实验注意事项和仪器设备的结构为主[4]。每次教师讲解前，给学生留有10～15 min的时间熟悉实验装置的结构、性能、操作方法。正式讲课时，以提问的方式让学生再次熟悉实验设备的结构、操作方法。比如，实验讲义上写着“打开二氧化碳钢瓶”几个字，启发学生思考如何打开钢瓶、打开各个阀门的顺序、开阀门时应该注意什么问题等。实验讲义上写着调节气体或液体流量，老师可以提问学生，气体或液体流量在调节过程中对实验结果有什么影响，如果实验过发现尾气中二氧化碳量与进气中二氧化碳量基本一致，应如何调节混合气以及水的流量等。以此来启发学生通过查阅相关文献或是互相讨论来解决问题，将理论与实践结合起来。实验过程中，以巡视式指导为主，不再局限于死盯学生的操作步骤，对于学生在预习过程中解决不了的问题，根据具体实验过程，教师启发学生逐步解决问题。同时针对仪器少，学生多的问题，增强学生的参与性，掌握实验技能。针对实验过程中出现的结论与理论不符问题，引导学生从实验的过程中分析问题、解决问题，或者提出新的实验方案，在条件允许下可以重组实验装置，重新操作。通过这样的实验过程，可以提高学生的动手能力，改变以前“放羊”式的上课模式，提高了教学效果。但是，学生首次接触与工程相关的实验，需要教师详细讲解仪器设备的使用方法、演示操作过程，该步骤要避免过多的理论讲解，以示范为主，实验过程中根据学生的问题，随时指导，这样既提高了学生的动手能力，又加深了学生对仪器设备操作步骤的记忆。

以前的吸收实验，仅仅测量一个总气体传质系数，经过改进后，对于有兴趣的同学，可以通过改变实验过程中进气流量、液体流量、吸收液种类等，测定关于吸收过程中塔内压降、气体、液体流量与吸收系数的关系等相关内容。

2.3 实验考核过程改进

客观公正的评价学生成绩有助于提高学生的实验教学过程各个环节的重视。因此，学生的考核由实验预习、实验操作、实验报告和实验操作考试四部分组成。实验预习考核是评价学生实验准备是否充分，主要通过提问的方式，考查学生对实验操作步骤和注意事项的记忆。实验操作考核主要考查学生过程中的动手操作能力、观察能力、分析问题和解决问题的能力，以及实验结束后桌面整洁程度等，以小组评分为主，对其中动手较多，动手能力较强的同学适当加分，对旁观学生适当扣分。实验报告是对实验过程的总结，对其的考核主要涉及实验数据的处理及作图、实验结果理论分析是否正确、实验结果讨论等方面的内容[5]。填料吸收塔传质系数测定实验讲义已对实验数据处理过程进行了详细的叙述，而且理论课程也详细讲解了关于吸收塔各个参数的计算过程，因此，实验报告中关于数据处理部分所占的比重降低，主要考察学生的对实验结果的分析与讨论，以期通过实验报告考查学生分析总结能力[6,7]。但为了防止学生之间互相抄袭，要求列出一组实验数据的处理过程，包括完整的计算过程和计算结果。

在期末进行实验操作考试，采取面试的方式。抽签决定考核吸收实验中哪一部分的内容，学生按老师的要求完成相应操作，回答老师提出的与实验相关的问题，并对实验数据进行处理[8]。

实验预习、实验过程、实验报告和实验操作考试四部分在最后成绩中所占比例按1：4：3：2的比例进行分配。

3 结 论

吸收实验作为化工原理实验的重要组成部分，在培养学生综合利用化工原理理论知识解决实际问题方面有重要的作用。通过改造实验设备、严格要求实验预习、强化实验过程、建立新的考核方法，提高学生的学习积极性和实验教学效果，让学生在轻松的氛围中提高动手能力，从而加深对吸收过程的理解，掌握吸收计算过程和利用理论知识解决工程实际问题的基本技能，提高工程素质。

[1] 程远贵,余辉,周勇.《化工原理》实验教学探索[J].实验科学与技术,2014,12(2):66-68.

[2] 李鹏.开放式化工原理实验教学模式研究[J].化工设计通讯,2016,42(3):141.

[3] 李书鹏,张伟光,辛阳,等.开放式化工原理实验教学模式的探索与实践[J].化工时刊,2015(3):44-46.

[4] 宋连香,夏烈文.关于化工原理实验教学的几点思考[J].乐山师范学院学报,2014,29(12):116-118.

[5] 石新雨,谭志斗,杨艳,等.地方高校化工原理实验教学改革探索[J].广东化工,2014,41(23):175-176.

[6] 李强,施云芬,张延林等.卓越工程师培养的化工原理实验教学改革与实践[J].广东化工,2014,41(15):278-279.

[7] 李青云.应用型本科《化工原理实验》课程改革探索[J].广东化工,2016,43(1):176.

[8] 谢胜利.地方高校化工原理实验教学改革初探[J].广州化工.2015,43(1):178-179.

Reform of Absorption Experiment for Measuring Mass Transfer Coefficient

SHUShi-li,ZHAOHong-li,HUANGYan-e

(Department of Chemistry, Tangshan Normal University, Hebei Tangshan 063000, China)

The importance of reform of CO2-H2O absorbing laboratory was introduced. The experiment apparatus for absorbing CO2, the methods and the experiment process were put forward by analyzing the defects of old experiment process based on CO2-H2O absorbing experiment in laboratory. By providing a variety of preview mode, strengthening the experiment teaching courses, establishing scientific evaluation methods and the teaching system of absorption experiment, the keeping temperature unchanged was better, the experiment time was greatly shortened and the accuracy of experiment was largely improved, the practical and innovative ability of students was enhanced, the engineering consciousness of students was strengthened.

absorption experiment; CO2; packed tower

唐山师范学院教育教学改革研究项目(2015001004)。

舒世立(1979-)，女，讲师，主要从事催化剂制备及催化反应研究。

G420

A

1001-9677(2016)022-0148-03