化工单元操作 吸收ppt课件.ppt

化工原理,Principles of Chemical Engineering,吸 收概 述,吸收是传质过程的一个基本单元操作过程,传质过程分为相间传质和相际传质，主要依靠物质的扩散，又称为扩散过程。,本章主要研究气体混合物的分离操作。,1.1定义：吸收：用适当的液体吸收剂处理气体混合物，利用混合气体中各组分在液体溶剂中溶解度的不同而分离气体混合物的操作。,吸收的依据：混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的差异。,操作性质：气液相间的单向传质过程。操作目的：？,1.2吸收和蒸馏的区别,气体吸收：选择一定的溶剂（外界引入第二相）造成两相，处理气体混合物。 液体蒸馏：对液体混合物加热，使混合物内部造成两相，利用不同组分挥发性的差异，使得液体混合物得以分离。,1.3本章节几个名词,本章研究单组份、恒温、常压、物理吸收过程吸收质（溶质）可溶组分（A）惰性气（载体）不被吸收的组分（B）吸收剂（溶剂）吸收操作中所用的液体（S）吸收液（富液）吸收操作中所得到的溶液（A+S）尾气吸收操作中所排出的气体（B+A）,2、吸收操作在化工等生产中的应用,（1）原料气的净化,（2）回收混合气中的有用组分,（3）制备某种气体的溶液作为产品,（4）环境保护，综合利用,吸收的反过程称为解吸,3、吸收操作的分类,有无化学反应：物理吸收和化学吸收,被吸收组分数：单组分和多组分吸收,温度是否变化：等温和非等温吸收,操作压强：常压吸收和加压吸收,本章主要讨论单组分等温物理吸收,二、吸收剂的选择要求,（1）溶解度大；（2）选择性高；（3）再生容易；（4）挥发性小；（5）粘度低；（6）化学稳定性高；（7）腐蚀性低；（8）无毒、无害、价廉等。,选择原则：经济、合理,吸收过程及设备,吸收-解吸流程,吸收设备-填料塔,第二节吸收过程的相平衡关系,一、吸收中常用的相组成表示法：二、气液相平衡关系1、气体在液体中的溶解度2、亨利定律3、吸收平衡曲线,一、相组成表示方法,1质量分数与摩尔分数,质量分数：,摩尔分数：,气相：,液相：,质量分数与摩尔分数的关系：,2.比质量分数与比摩尔分数,一般在应用过程中都省略下标,3.质量浓度与物质的量浓度,质量浓度：单位体积内所含物质的质量。,物质的量浓度：单位体积内所含物质的 物质的量。,质量浓度与质量分数的关系,摩尔浓度与摩尔分数的关系,对理想气体：,摩尔分数=压力分数=体积分数,二、吸收过程的气液平衡关系 吸收相平衡关系是指，气液两相达到平衡时，吸收质（溶质）在两相中的浓度关系，即吸收质在气相中的分压以及吸收质在吸收剂中的平衡溶解度的相对关系。,本节主要研究吸收达到平衡状态下的气液相组成关系（吸收质的组成）,溶解度曲线（气体在液体中的溶解度）,平衡状态：一定压力和温度下，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的易溶组分（溶质）向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中易溶组分的浓度不再增加，而气相中的易溶组分不再减少。此时，气液两相达到平衡。 注：此平衡状态为动态平衡。,饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓 度。（溶解度）,平衡分压pA*：平衡的状态下，（即达到平 衡时）气相中溶质的分压为平衡分压。,相平衡关系：平衡时溶质组分在气 液两相中的浓度关系。,溶解度曲线：气液相平衡关系绘成 的关系曲线。,氨在水中的溶解度,20下二氧化硫在水中的溶解度,几种气体在水中的溶解度曲线,结论：,1、在相同的吸收剂、温度和分压下，不同的溶质的溶解度不同； 2、同一物系，在相同的温度下，分压越高，则溶解度越大； 3、同一物系，在分压一定的情况下，温度越低，则溶解度越大。,重要结论：加压和降温对吸收操作有利。,减压和升温对解吸操作有利,2、亨利定律,在一定温度下，吸收达到平衡时，气液相组成符合亨利定律。,意义：在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比，其比例系数为亨利系数。,讨论：E来源：实验测得，查手册，其单位同压力。,E值的影响因素：溶质、溶剂、温度、压力。物系一定时：温度升高，E值？ E值即亨利系数表示气体溶解的难易程度。E值越大，溶解度越小，气体难溶，反之，E值越小，溶解度越大，气体易溶。,亨利定律的其它表达形式,1、用摩尔浓度表示,H ：1)H 大，溶解度大，易溶气体H 小，溶解度小，难溶气体 2)H称溶解度系数kmol/(m3Pa),用摩尔分数表示,m 相平衡常数，无因次。,m 的讨论：1）m 大，溶解度小，难溶气体 2） 升温不利吸收， 加压有利吸收,用摩尔比表示,将x与X，y与Y的关系代入y*=mx中，则有,它在X-Y坐标中是一条经原点的曲线，称为吸收平衡线。,当溶液很稀时，X0， 1+（1-m）X0,此时它在X-Y坐标中是一条直线。,此表达式最常用也最有用。,Y,X,Y*,X*,相平衡关系在吸收过程中的应用,1判断过程进行的方向,气相液相,吸收,气液平衡,液相气相,解吸,过程的推动力,吸收推动力： Y-Y*,吸收推动力： X*-X,分析各状态点在不同位置的时候所要进行的过程。,吸收机理&吸收速率,吸收过程* A由气相主体到相界面，气相内传递；* A在相界面上溶解，溶解过程；* A自相界面到液相主体，液相内传递。,传质过程也称为扩散过程。,扩散的推动力是浓度差。,吸收机理,扩散的基本方式有分子扩散和涡流扩散两种，而实际操作中多为对流扩散。,分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。,涡流扩散：在流体作湍流运动的主体区时，流体质点的无规则运动造成质点的相互碰撞和混合，使组分从高浓度向低浓度方向传递，此现象称为涡流扩散。,涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，其速率决定于流体的流动形态。,对流扩散： 对流扩散包括湍流主体的涡流扩散和层流内层的分子扩散。 湍流主体中主要靠涡流扩散， 层流内层中主要靠分子扩散， 过渡层中两种扩散作用相当。所以对流传质过程要综合考虑分子扩散及涡流扩散作用，总称为对流扩散。,综上所述，通过传质机理的分析可知，吸收过程非常复杂。因此，需要一个成熟的简单理论来进行吸收过程的分析。,1926年，由刘易斯和惠特曼提出“双膜理论”，至今应用比较广泛。 气液接触界面的两侧分别有一层气膜和液膜，将所有问题的研究集中到这两层膜内。,双膜理论的内容,相互接触的气、液两流体间存在稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层流膜层。吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。在相界面处，气、液两相达于平衡。在膜层以外的气、液两相中心区，由于流体充分湍动，吸收质的浓度是均匀的，即两相中心区内浓度梯度为零，全部浓度变化集中在两个有效膜层内。,双膜理论示意图,通过分析，我们就把整个复杂的吸收过程，简化为吸收质只是经由气、液两膜层的分子扩散过程。因而两膜层也就成为吸收过程的两个基本阻力，在两相主体浓度一定的情况下，两膜层的阻力便决定了传质速率的大小。因此，双膜理论也可称为双阻力理论。,注意： 双膜理论应用范围为假设有着固定气液接触界面的情况，大大简化了吸收过程的分析过程和设计依据。,吸收速率,吸收速率定义：单位时间内通过单位传质面积的吸收质（溶质）的量。用符号NA表示，其单位为kmol/(s),计算依据：,因此，表达式类似于传热速率表达式。,传质的推动力为浓差，而在吸收中表示浓差的方法很多，这里主要讨论以摩尔比表示的浓差的表达式。,根据双膜理论假设可知，传质的阻力和推动力集中在了气、液膜里，研究气相主体区与界面气相浓度差为推动力，或界面液相与液相主体区浓度差为推动力的情况；也可研究总浓度差为推动力的情况。,以分系数（膜系数）表示的速率,1、气膜吸收速率方程 如果分别用Y和Yi表示气相主体区和界面处吸收质的摩尔比，则有以下表达式：,k气或kg气膜吸收分系数，kmol/(m2s)。,1/k气为气膜传质阻力,2、液膜吸收速率方程 如果分别用Xi和X表示界面处和液体主体区吸收质的摩尔比，则有以下表达式：,K液或kl 气膜吸收分系数，kmol/(m2s)。,1/k液 为液膜传质阻力。,由以上研究可知，分系数（膜系数）表示的吸收速率方程中有Xi、Yi，而实际操作中气液界面上的浓度时无法测量的，因此，分系数法不能应用于实际计算。,此问题转向可应用型研究，其原理：以同一相中的实际状态浓度X、Y和平衡浓度X*、Y*的差为推动力。,以总系数表示的速率 总推动力分析,吸收推动力：Y-Y*,吸收推动力：X*-X,以总系数表示的速率表达式,1/KX、1/KY液、气相吸收总阻力。,KX、KY液、气相吸收（传质）质总系数。,中的KY、KX如下：,当气体为难溶组分时，m很大，此时：,表明难溶气体的总阻力集中在液膜内，这种情况下液膜阻力控制整个吸收过程速率，故称为“液膜控制” 。,当气体为易溶组分时，m很小，此时：,表明难溶气体的总阻力集中在气膜内，这种情况下气膜阻力控制整个吸收过程速率，故称为“气膜控制” 。,溶解度适中的气体吸收过程，气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高过程速率，必须兼顾气液两膜阻力的降低。,速率方程的主要目的不在计算，而在于灵活运用。如气膜控制，在操作中增大气速可以减小气膜厚度，从而降低气膜阻力，增加吸收过程速率。,气液传质设备,填料塔,气液传质设备的基本功能,气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触、混合与传质后的气液两相能及时分开，互不夹带等。,气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，精馏操作中中用板式塔较多，在吸收操作中应用最广的是填料塔。,填料塔,填料塔构成,塔体填料填料压板液体分布器支承板气体除沫器,气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙.在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。,当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。,填料塔具有生产能力大，分离效率高压降小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。,填料塔特点概括,气液两相接触并进行传热、传质备,填料塔不仅结构简单，而且具有阻力小和 便于用耐腐蚀材料制造等优点,尤其适用于塔直径较小及处理有腐蚀性的 物料或要求压强较小的真空蒸馏系统,对于大流量的情况，也可使用填料塔,填料及其特性,填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，其作用是使气液两相的接触面积增大，并提高液体的湍动程度,选择填料的条件：使气、液接触面积大、传质系数高，同时通量大而阻力小。,填料的特性参数,比表面积a：单位体积填料层所具有的表面积(m2/m3)。被液体润湿的填料表面就是气液两相的接触面。大的a 和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。对同种填料，填料尺寸越小，a 越大，但气体流动的阻力也要增加。,空隙率：单位体积填料所具有的空隙体积(m3/m3)。代表的是气液两相流动的通道， 大，气、液通过的能力大，气体流动的阻力小。 = 0.450.95。,单位体积内堆积填料的数目n：对同一种填料，减小填料尺寸则填料数目增加，单位体积填料的造价增加，填料层的比表面积增大而空隙率下降，气体阻力也相应增加。反之，填料尺寸若过大，在靠近壁面处，由于填料与塔壁之间的空隙大，塔截面上这种实际空隙率分布的不均匀性，引起气液流动沿塔截面分布不均。因此，填料的尺寸不应大于塔径的1/101/8。,填料因子 ：填料比表面积与空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表示填料的流体力学性能，值越小，流动阻力越小。有干填料因子与湿填料因子之分。,堆积密度p ：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。,机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉等也是优良填料应尽量兼有的性质。,常用填料介绍,拉西环填料：最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。,缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线接触，故液体常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高。,在拉西环基础上衍生了环、十字环及螺旋环等，其基本改进是在拉西环内增加一结构，以增大填料的比表面积。,鲍尔环填料,在环的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱离侧壁而是形成向内弯的叶片。上下两层长方形小孔位置交错。,同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用。 比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。,鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。,阶梯环填料,阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。,这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。,阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。,弧鞍形或矩鞍形填料,一种表面全部展开的具有马鞍形状的瓷质型填料 (马鞍填料)。弧鞍填料在塔内呈相互搭接状态，形成弧形气体通道。,优点：空隙率高，气体阻力小，液体分布性能较好，填料性能优于拉西环。,缺点：相邻填料易相互套叠，使填料有效表面降低，从而影响传质速率。,矩鞍填料的两端为矩形，且填料两面大小不等。克服了弧鞍填料相互重叠的缺点，填料的均匀性得到改善。液体分布均匀，气液传质速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一种瓷质填料。,金属鞍环填料,有环形与鞍形的结构特点，生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大，在减压蒸馏中其优势更为显著。,规整填料波纹填料,减压操作，填料塔的压降应尽可能小，以维持塔底的真空度和较低的沸点。而散装填料阻力较大。波纹填料是由许多层波纹薄板或金属网组成，有高度相同但长度不等的若干块波纹薄板搭配排列成波纹填料盘。波纹与水平方向成45倾角，相邻盘旋转90后重叠放置，使其波纹倾斜方向互相垂直。每一块波纹填料盘的直径略小于塔体内径，若干块波纹填料盘叠放于塔内。气液两相在各波纹盘内呈曲折流动以增加湍动速度。,规整填料网体填料,优点：网丝细密，空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。缺点：造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。,规整填料特点,规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。,规整填料的优点：空隙大，生产能力大，压降小。流道规则，只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。规整填料的缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于较难分离或分离要求很高的情况。,填料塔内的流体力学特征,填料塔内的流体力学特性包括气体通过填料层的压降、液泛速度、持液量（操作时单位体积填料层内持有的液体体积）及气液两相流体的分布等。,气体通过填料层的压降,从左至右喷淋密度递减。,同一气速下，喷淋密度越大，压降也越大。,A点称为载点，B 点称为泛点。,压降与空塔气速的分析,恒持液量区 ：当气速较低时，填料表面持液量不随气速而变。,载液区 ：上升气流阻碍液体顺畅下流，持液量开始随气速的的增加而增加，此种现象称为拦液现象。发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速。,压降与空塔气速的分析,液泛区 ：气速达到B点后，随着持液量的增加，液体被拖住而很难下流，塔内液体迅速积累而发生液泛，此时空塔气速称为泛点气速，泛点气速是填料塔正常操作气速的上限。,持液量,持液量大则阻力大，但必要的持液量还是必要的。持液量主要分为静持液量和动持液量。静持液量指停止喷淋后再经过规定的滴液时间，仍滞留在填料层中的液体量；动持液量指在一定喷淋条件下，持于填料层中的液体总量与静持液量之差，停止喷淋后此部分液体可以离开填料。持液量与填料类型、尺寸、液体性质和喷淋密度等有关。,吸收过程的强化途径,增大吸收系数KY、KX，即减小传质阻力，如判断气、液膜控制，增大相应流体的湍动程度，注意设备的承压能力!增大推动力，如加压、降温等措施。增大传质面积，如减小分散相的特征尺寸。,