填料吸收塔傳質(zhì)系數(shù)測定實驗的改進

舒世立，趙紅麗，黃艷娥

(唐山師范學(xué)院化學(xué)系，河北 唐山 063000)

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填料吸收塔傳質(zhì)系數(shù)測定實驗的改進

舒世立，趙紅麗，黃艷娥

(唐山師范學(xué)院化學(xué)系，河北 唐山 063000)

簡單說明了改進填料吸收塔傳質(zhì)系數(shù)測定實驗的重要性，分析了原有實驗裝置和實驗流程的不足。在實驗室現(xiàn)有的CO2-H2O吸收實驗裝置基礎(chǔ)上，經(jīng)過分析對實驗裝置和實驗過程進行了改進，加強實驗預(yù)習(xí)，完善考核制度。改進后縮短了實驗時間，增強了測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，一定程度上增強了學(xué)生的工程意識。

吸收實驗；二氧化碳；填料塔

化工原理是化工類專業(yè)的重要基礎(chǔ)課之一，與之配套的化工原理實驗也逐漸受到重視，化工原理實驗與學(xué)生前面進行的化學(xué)類實驗相比，應(yīng)用性和實踐性較強，實驗裝置既包含工藝過程，又包括了設(shè)備、儀表、管道等。與基礎(chǔ)化學(xué)實驗相比，實驗中測試點較多，過程復(fù)雜，需要多方面知識的綜合運用。通過實驗可以更進一步培養(yǎng)學(xué)生的分析和觀察能力，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，加深學(xué)生對理論知識的理解[1]。許多高校都在進行化工原理實驗的改革，如實驗教學(xué)過程改革、實驗裝置的改造、教學(xué)模式和教學(xué)方式的改進等等，其目的就是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和參與性，將實驗課的作用發(fā)揮至最大。

填料塔是氣體吸收中應(yīng)用最廣的工業(yè)設(shè)備，特別是20世紀60年代以后，隨著原有填料的不斷改進和新型填料的開發(fā)、應(yīng)用，以及塔內(nèi)氣體、液體分布器的發(fā)展，填料塔的應(yīng)用更加廣泛，因此，填料塔吸收實驗是重要的化工原理實驗之一。通過填料吸收塔傳質(zhì)系數(shù)測定實驗，學(xué)生可以更加直觀的了解吸收的基本流程和填料塔設(shè)備結(jié)構(gòu)，掌握總傳質(zhì)系數(shù)的測定方法；通過改變實驗過程中吸收劑、混合氣的流量，學(xué)生可以了解塔內(nèi)壓降、空塔氣速等對吸收過程的影響。從而啟發(fā)學(xué)生思維、加深對理論的理解、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。填料塔吸收實驗屬于驗證性實驗，實驗結(jié)果與理論計算之間的差距直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和對理論知識的進一步理解。實驗結(jié)果的好壞除了與學(xué)生的操作、分析有關(guān)，實驗裝置本身對實驗結(jié)果也有很大影響。而現(xiàn)在本校實驗課程中所用填料塔的實驗測定結(jié)果與理論有所出入，因此，改造填料塔，改進實驗過程非常必要。

1 改造原因

本學(xué)校現(xiàn)在使用的填料吸收塔已經(jīng)運行超過10年，在這期間沒有對設(shè)備進行任何改造或是拆裝，填料塔存在的主要問題有：(1)由于直接采用自來水作吸收劑，自來水管道內(nèi)可能存在一些固體顆粒，在塔內(nèi)流動過程中，附著在塔內(nèi)壁，造成塔壁透光性降低，不便于觀察塔內(nèi)氣液接觸狀態(tài)；(2)由于場地所限，從未更換填料，所用的金屬絲網(wǎng)填料已有部分銹跡，影響實驗結(jié)果；(3)由于學(xué)生操作中，流量調(diào)節(jié)不是很熟練，有時氣速過大，造成填料已與填料支承板分離，處于懸空狀態(tài)，而且部分地方溝流、壁流嚴重；(4)空氣經(jīng)過風(fēng)機后沒有降溫設(shè)備，直接進入氣體混合罐，造成實驗過程中混合氣溫度不斷上升，氣體流量較大，與水接觸過程中，造成水溫上升，而二氧化碳在水中的溶解度隨溫度的升高而降低，如果系統(tǒng)的溫度變化較大，根據(jù)誤差傳遞原理，測定和計算的誤差就更大，影響實驗結(jié)果；(5)鋼瓶出來的二氧化碳經(jīng)普通減壓閥后直接進入轉(zhuǎn)子流量計，在實驗過程中造成減壓閥上結(jié)霜，壓力波動較大，氣體流量不穩(wěn)，影響實驗結(jié)果。而且二氧化碳為能溶于水的物質(zhì)，而理論課上溶質(zhì)為易溶物質(zhì)，造成測試結(jié)果與理論值差距較大。

2 改進過程

2.1 填料塔改造過程

水路系統(tǒng)：原來的進水管路未安裝任何過濾裝置，導(dǎo)致自來水中攜帶的雜質(zhì)等進入填料塔后，對塔壁和填料造成一定的影響，為了消除水中雜質(zhì)，在自來水出口位置安裝過濾裝置。過濾裝置采用多孔不銹鋼膜，既可濾除自來水中的固體顆粒，又便于更換，而且多孔不銹鋼膜清洗后可多次重復(fù)利用，同時濾過阻力較小，不會對后續(xù)實驗造成影響。

吸收液出口后加裝三通。三通的一口接塔體吸收液出口，一口接下水管道入口，一口接一酸性溶液儲罐，該儲罐主要用于中和氨氣-水吸收實驗的吸收液，經(jīng)過儲罐后再排入下水道，以減少環(huán)境污染。

氣路系統(tǒng)：氣體的溫度隨實驗進行時間的延長而升高，以前的裝置未安裝任何換熱設(shè)備，改造后，混合氣進入塔體前進行降溫處理。在混合罐出口接一軟管，將軟管放入水槽中，降低混合氣的溫度。

二氧化碳鋼瓶所用的減壓閥換為低溫閥，既可以延長減壓閥的使用時間，又可以維持相對穩(wěn)定的二氧化碳流量。在減壓閥后面安裝一緩沖罐，維持整個實驗過程中二氧化碳壓力基本恒定。

將混合罐進口前的三通改為帶閥門的四通，將進氣改為二氧化碳和空氣或氨氣和空氣，更加方便學(xué)生選擇吸收質(zhì)，進行不同的實驗，加深對理論知識的了解。

塔體和填料：經(jīng)過多年使用，塔壁透明度降低，不便于觀察塔內(nèi)氣液接觸狀態(tài)，因此，將內(nèi)部填料全部拆除，更換新填料同時清洗塔體。填料仍然采用金屬絲網(wǎng)波紋填料，增加每一塊填料的高度，相互接觸的兩段填料的波紋彎曲方向呈45o，增加流體在內(nèi)部流動的湍動程度，提高傳質(zhì)效果。

2.2 實驗過程的改進

目前的吸收實驗，實驗結(jié)果與理論知識存在較大的差距，造成學(xué)生對實驗態(tài)度敷衍，預(yù)習(xí)報告就是抄寫實驗講義，并沒有思考關(guān)于講義內(nèi)的實驗原理、實驗步驟和注意事項等內(nèi)容，導(dǎo)致雖然學(xué)生花費大量時間去寫預(yù)習(xí)報告，做實驗時卻不知道到底測什么數(shù)據(jù)，為什么要測這幾個數(shù)據(jù)，怎么去測量數(shù)據(jù)。而在實驗過程中，學(xué)生如果預(yù)習(xí)不充分，面對實驗裝置就會感到無從下手，喪失學(xué)習(xí)的意愿，理論與實踐嚴重脫節(jié)。實驗過程中，多數(shù)學(xué)生僅僅根據(jù)老師的講解與示范，參考實驗講義進行操作，不去思考測量數(shù)據(jù)與操作過程的關(guān)系。實驗后抄襲實驗報告。針對以上問題，結(jié)合吸收實驗的具體過程，對實驗過程進行改進。

實驗預(yù)習(xí)報告要求學(xué)生結(jié)合預(yù)習(xí)情況，根據(jù)自己的理解寫出實驗原理，實驗講義僅僅涉及CO2-H2O吸收實驗的步驟，要求學(xué)生自己寫出NH3-H2O吸收實驗的步驟，如果照抄實驗講義，則認為預(yù)習(xí)不完全。由于學(xué)生沒有工廠實習(xí)經(jīng)歷，并不知道填料塔真實組成，而實驗室空間有限，只有一臺填料吸收塔設(shè)備，因此，采用開放實驗室的方式，與老師預(yù)約時間，在非上課時間進行實地預(yù)習(xí)[2-3]。

實驗過程中，教師的講解不再以講解實驗過程和演示實驗步驟為主，改為以講解實驗注意事項和儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)為主[4]。每次教師講解前，給學(xué)生留有10～15 min的時間熟悉實驗裝置的結(jié)構(gòu)、性能、操作方法。正式講課時，以提問的方式讓學(xué)生再次熟悉實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)、操作方法。比如，實驗講義上寫著“打開二氧化碳鋼瓶”幾個字，啟發(fā)學(xué)生思考如何打開鋼瓶、打開各個閥門的順序、開閥門時應(yīng)該注意什么問題等。實驗講義上寫著調(diào)節(jié)氣體或液體流量，老師可以提問學(xué)生，氣體或液體流量在調(diào)節(jié)過程中對實驗結(jié)果有什么影響，如果實驗過發(fā)現(xiàn)尾氣中二氧化碳量與進氣中二氧化碳量基本一致，應(yīng)如何調(diào)節(jié)混合氣以及水的流量等。以此來啟發(fā)學(xué)生通過查閱相關(guān)文獻或是互相討論來解決問題，將理論與實踐結(jié)合起來。實驗過程中，以巡視式指導(dǎo)為主，不再局限于死盯學(xué)生的操作步驟，對于學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中解決不了的問題，根據(jù)具體實驗過程，教師啟發(fā)學(xué)生逐步解決問題。同時針對儀器少，學(xué)生多的問題，增強學(xué)生的參與性，掌握實驗技能。針對實驗過程中出現(xiàn)的結(jié)論與理論不符問題，引導(dǎo)學(xué)生從實驗的過程中分析問題、解決問題，或者提出新的實驗方案，在條件允許下可以重組實驗裝置，重新操作。通過這樣的實驗過程，可以提高學(xué)生的動手能力，改變以前“放羊”式的上課模式，提高了教學(xué)效果。但是，學(xué)生首次接觸與工程相關(guān)的實驗，需要教師詳細講解儀器設(shè)備的使用方法、演示操作過程，該步驟要避免過多的理論講解，以示范為主，實驗過程中根據(jù)學(xué)生的問題，隨時指導(dǎo)，這樣既提高了學(xué)生的動手能力，又加深了學(xué)生對儀器設(shè)備操作步驟的記憶。

以前的吸收實驗，僅僅測量一個總氣體傳質(zhì)系數(shù)，經(jīng)過改進后，對于有興趣的同學(xué)，可以通過改變實驗過程中進氣流量、液體流量、吸收液種類等，測定關(guān)于吸收過程中塔內(nèi)壓降、氣體、液體流量與吸收系數(shù)的關(guān)系等相關(guān)內(nèi)容。

2.3 實驗考核過程改進

客觀公正的評價學(xué)生成績有助于提高學(xué)生的實驗教學(xué)過程各個環(huán)節(jié)的重視。因此，學(xué)生的考核由實驗預(yù)習(xí)、實驗操作、實驗報告和實驗操作考試四部分組成。實驗預(yù)習(xí)考核是評價學(xué)生實驗準(zhǔn)備是否充分，主要通過提問的方式，考查學(xué)生對實驗操作步驟和注意事項的記憶。實驗操作考核主要考查學(xué)生過程中的動手操作能力、觀察能力、分析問題和解決問題的能力，以及實驗結(jié)束后桌面整潔程度等，以小組評分為主，對其中動手較多，動手能力較強的同學(xué)適當(dāng)加分，對旁觀學(xué)生適當(dāng)扣分。實驗報告是對實驗過程的總結(jié)，對其的考核主要涉及實驗數(shù)據(jù)的處理及作圖、實驗結(jié)果理論分析是否正確、實驗結(jié)果討論等方面的內(nèi)容[5]。填料吸收塔傳質(zhì)系數(shù)測定實驗講義已對實驗數(shù)據(jù)處理過程進行了詳細的敘述，而且理論課程也詳細講解了關(guān)于吸收塔各個參數(shù)的計算過程，因此，實驗報告中關(guān)于數(shù)據(jù)處理部分所占的比重降低，主要考察學(xué)生的對實驗結(jié)果的分析與討論，以期通過實驗報告考查學(xué)生分析總結(jié)能力[6,7]。但為了防止學(xué)生之間互相抄襲，要求列出一組實驗數(shù)據(jù)的處理過程，包括完整的計算過程和計算結(jié)果。

在期末進行實驗操作考試，采取面試的方式。抽簽決定考核吸收實驗中哪一部分的內(nèi)容，學(xué)生按老師的要求完成相應(yīng)操作，回答老師提出的與實驗相關(guān)的問題，并對實驗數(shù)據(jù)進行處理[8]。

實驗預(yù)習(xí)、實驗過程、實驗報告和實驗操作考試四部分在最后成績中所占比例按1：4：3：2的比例進行分配。

3 結(jié) 論

吸收實驗作為化工原理實驗的重要組成部分，在培養(yǎng)學(xué)生綜合利用化工原理理論知識解決實際問題方面有重要的作用。通過改造實驗設(shè)備、嚴格要求實驗預(yù)習(xí)、強化實驗過程、建立新的考核方法，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和實驗教學(xué)效果，讓學(xué)生在輕松的氛圍中提高動手能力，從而加深對吸收過程的理解，掌握吸收計算過程和利用理論知識解決工程實際問題的基本技能，提高工程素質(zhì)。

[1] 程遠貴,余輝,周勇.《化工原理》實驗教學(xué)探索[J].實驗科學(xué)與技術(shù),2014,12(2):66-68.

[2] 李鵬.開放式化工原理實驗教學(xué)模式研究[J].化工設(shè)計通訊,2016,42(3):141.

[3] 李書鵬,張偉光,辛陽,等.開放式化工原理實驗教學(xué)模式的探索與實踐[J].化工時刊,2015(3):44-46.

[4] 宋連香,夏烈文.關(guān)于化工原理實驗教學(xué)的幾點思考[J].樂山師范學(xué)院學(xué)報,2014,29(12):116-118.

[5] 石新雨,譚志斗,楊艷,等.地方高校化工原理實驗教學(xué)改革探索[J].廣東化工,2014,41(23):175-176.

[6] 李強,施云芬,張延林等.卓越工程師培養(yǎng)的化工原理實驗教學(xué)改革與實踐[J].廣東化工,2014,41(15):278-279.

[7] 李青云.應(yīng)用型本科《化工原理實驗》課程改革探索[J].廣東化工,2016,43(1):176.

[8] 謝勝利.地方高校化工原理實驗教學(xué)改革初探[J].廣州化工.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

唐山師范學(xué)院教育教學(xué)改革研究項目(2015001004)。

舒世立(1979-)，女，講師，主要從事催化劑制備及催化反應(yīng)研究。

G420

A

1001-9677(2016)022-0148-03