《模块八吸收》PPT课件.ppt

化工单元操作教学课件,制作：何灏彦,吸收是利用混合气中各组分在液体中的溶解度不同而将气体混合物分离的单元操作.一、吸收操作过程,模块八 吸收,任务一 了解吸收过程及其应用,名 称吸收剂或溶剂S：吸收塔顶喷淋所用的液体；吸收质或溶质A：混合气体中，能够溶解于液体的组分；惰性气B：不能溶解的组分；吸收尾气：吸收塔顶排出的气体，其主要成分是惰性气B，还含有残余的溶质A；吸收液：吸收塔底引出的溶液，其成分是溶剂S和溶质A。,流程图,二、吸收在化工生产中的应用 原料气的净化 有用组分的回收 某些产品的制取 废气的治理三、吸收操作的分类1.单组分吸收和多组分吸收2.等温吸收和非等温吸收 3.物理吸收和化学吸收4.低浓度吸收和高浓度吸收本模块只重点讨论低浓度、单组分、等温、物理吸收过程。四、吸收剂的选择 溶解度大 选择性好 挥发度低 再生易 黏性低 其它安全环保、价廉,任务二 认知吸收设备,一、填料塔的构造1.填料层 提供气液接触的场所。2.液体（再）分布器 均匀分布液体，以避免发生沟流、壁流现象。3.支撑板 支撑填料层，使气体均匀分布。4.除沫器 防止塔顶气体出口处夹带液体。,二、填料的类型,材料：陶瓷、金属、塑料堆放：整砌、乱堆,环形（拉西环、鲍尔环、阶梯环）形状：鞍形（矩鞍形、弧鞍形）波纹形（板波纹、网状波纹）,拉西环,鲍尔环,阶梯环,环,板波纹,丝网波纹,鞍形环,槽式液体分布器,三、填料作用及特性,1.填料作用（1）提供气液接触面；（2）强化气体湍动，降低气相传质阻力；（3）更新液膜表面，降低液相传质阻力。,2.填料特性（1）比表面积 a 单位堆积体积所具有的表面积，m2/m3、1/m。,（2）空隙率 单位体积填料中所具有的空隙体积，m3/m3。,（3）干填料因子 与（湿）填料因子 填料未被液体润湿时的值称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和均发生相应的变化，此时的值称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能。,四、填料塔的流体力学性能,L载点 F泛点,（一）填料层的持液量 适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。（二）填料层的压降 L，空隙率，气体流通通道减小，同一气速下，喷淋密度大，压降大。,2.载液区 L点以上，u大，阻碍液体顺畅下流，持液量 增加，此为拦液现象，出现拦液现象时的气速为载点气速。,1.恒持液量区 持液量：单位体积填料层内持有的液体体积。L点以下，u小，气液流动几乎与气速无关，持液量不变。,3.液泛区 u，液体在塔内积累而发生液泛，此时的气速称泛点气速。斜率急剧增加,使填料塔不能正常操作。,（三）液泛 在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，此种情况称为淹塔或液泛。（四）液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/（m2h）。最小喷淋密度,实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润湿；也可采用减小塔径予以补偿；对于金属、塑料材质的填料，可采用表面处理方法，改善其表面的润湿性能。（五）返混 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。返混使得传质平均推动力变小，传质效率降低。,五、填料塔的附件,填料支承装置,液体分布装置,2.摩尔分数xA=nA/nxB=nB/nxA+xB=1,（一）相组成表示法（A+B混合物）,1.质量分数wA=mA/mwB=mB/mwA+wB=1,一、吸收的气液相平衡,任务三 获取吸收知识,由质量分数求摩尔分数：,两者的关系 由摩尔分数 求质量分数：,气体混合物的相组成,3.摩尔比:用X或Y表示（1）液相：,（2）气相：,（二）相平衡关系 1.气体在液体中的溶解度 混合气体和溶剂在一定温度和压力下，经长期充分接触后，达到一种动态平衡，即：吸收速率=解吸速率。这种状态被称为气液相平衡。,平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压，而液相中溶质的浓度称气体在液体中的溶解度。加压和降温可提高溶质在液相中的溶解度，对吸收操作有利；反之，升温和减压则对解吸收操作有利。,2.亨利定律,吸收平衡线,对很稀的溶液,例8-3 在总压101.3kPa及30下，氨在水中的溶解度为1.72g(NH3)/100g(H2O)。若氨水的气液平衡关系符合亨利定律，相平衡常数为0.764，试求气相中氨的摩尔比。解：,（三）相平衡在吸收过程的应用：,1.过程方向的判定：,当YY或XX时，进行解吸过程；当Y=Y或X=X时，两相处于平衡状态。,2.确定吸收推动力,吸收推动力可用气相浓度差表示，即Y=Y-Y；也可用液相浓度差表示，即X=X-X,平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接触才会发生气体的吸收或解吸。因此，实际浓度偏离平衡浓度越远，过程推动力越大，过程的速率也越快。,3.确定过程的极限：,吸收塔,混合气体,p1,尾气,p2,min,液体,x2,出塔气体浓度最低值：p2,min,离塔液体浓度最高值：x1,max,P2,min=E x2,液体,x1,max,实际生产中：,p2 p2,min x1 x1,max,受相平衡关系的限制,例8-4 某逆流接触的填料塔塔底排出液中含溶质x=0.0002，进口气体中含溶质2.5%(体积)，操作压强为1atm。气液平衡关系为Y=50X。问该塔内进行的是吸收过程还是解吸过程？塔底推动力为多少？解：,二、吸收的传质机理（一）物质传递的基本方式,分子扩散（靠分子运动）：静止、层流 流体内部存在某一组分的浓度差，分子的微观运动使组分由浓度高处传递至浓度较低处。,对流扩散：湍流 物质通过湍流流体的转移，扩散物质不仅靠分子本身的扩散作用，并且借助于湍流流体的携带作用而转移，而且后一种作用是主要的。,对流传质的速率 分子扩散的速率,（二）吸收过程的机理双膜理论论点：气液两相接触时，两相间有一稳定相界面，两侧分别存在着呈层流的稳定膜层气膜和液膜，溶质必须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层。（膜层厚度随流速而定）相界面上气液两相互为平衡。膜层以外的主体内，由于湍流而使溶质浓度均匀，浓度梯度（即传质阻力）全部集中在两个膜层内。,通过上述三个假定，吸收过程简化成为经过气液两膜的分子扩散过程，吸收过程的主要阻力集中于这两层膜中，膜层之外的阻力忽略不计，吸收过程的推动力主要来源于气相的分压差和液相的浓度差。双膜理论对于那些具有固定传质界面的系统且两流体流速不高的吸收过程，具有重要的指导意义。对于具有自由相界面的系统，尤其是高度湍动的两流体间的传质，双膜理论表现出它的局限性。故继双膜理论之后，又相继提出了一些新的理论，如表面更新理论、溶质渗透理论、滞流边界层理论及界面动力状态理论等。,三、吸收速率方程（一）吸收速率方程式,1.气相与界面的传质速率,2.液相与界面的传质速率,3.吸收总传质速率方程：,进一步推导可知：,进一步推导可知：,对易溶气体,m很小，则1/kym/kx，Kyky，气膜阻力远大于液膜阻力,称为气膜控制过程。增加气相流率 Ky增大。如水吸收NH3或HCl）对难溶气体,m很大，则1/kx1/(m ky)，Kxkx，液相阻力远大于气膜阻力，称为液膜控制过程。（如水吸收O2.Cl2或CO2）对中等溶解度的气体吸收，当汽、液两相的传质阻力具有相近的数量级，两者都不能忽略，总传质速率由双膜控制。如水吸收SO2）,（二）传质阻力控制,四、吸收塔的计算,V惰性气体的摩尔流率，kmol/h；Y1 气体入口浓度（摩尔比）；Y2 气体出口浓度（摩尔比）；L 液体的摩尔流率，kmol/h；X2 液体入口浓度（摩尔比）；X1 液体出口浓度（摩尔比）。,前提条件：惰性气体气体和吸收剂的量不变化,（一）全塔物料衡算,单位时间气体释放的溶质的量：V(Y1 Y2),单位时间液体吸收的溶质的量：L(X1 X2),V(Y1 Y2)=L(X1 X2)=GA,吸收率,（二）塔内任一截面与塔底、塔顶间的物料衡算,在任一截面 m-n 与塔底间作物料衡算：,V(1)=L(X1 X),表明：稳定操作时，任意截面上的 YX 呈线性关系，上式称为吸收塔的操作线方程，操作线的斜率LV称为“液气比”。,LX+VY=LX1+VY1,图8-15 逆流吸收塔的操作线,例8-5 填料吸收塔从空气丙酮的混合气中回收丙酮，用水作吸收剂。已知混合气入塔时丙酮蒸气体积分数为6%，所处理的混合气量为1400m3/h，操作温度为293K，压力为101.3kPa，要求丙酮的回收率为98%，吸收剂的用量为154kmol/h，试问吸收塔底出口液组成为多少？解：,1.最小液气比的求取：（体系服从亨利定律）,（三）吸收剂用量的确定 由图可知，在V、Y1.Y2及X2已知的情况下，吸收操作线的一个端点A已经固定，另一个端点B则可在YY1的水平线上移动。,3.实际吸收剂用量的计算 求出 Lmin；再取 L=(1.12.0)Lmin。,2.最小液气比的图示：,例86 用清水吸收混合气体中的可溶组分A。吸收塔内的操作压强为105.7 kPa，温度为27，混合气体的处理量为1280 m3h，其中A物质的量的分数为0.03，要求A的回收率为95。操作条件下的平衡关系可表示为：Y0.65X。若取溶剂用量为最小用量的1.4倍，求每小时送人吸收塔顶的清水量L及吸收液组成X1。解,则 L1.4Lmin45.5kmol/h,（四）塔径的计算,式中 D塔径，m；Vs操作条件下混合气体的体积流量，m3/s；u空塔气速,按空塔截面计算的混合气体的线速度，m/s。,（五）吸收塔高的计算 1.填料层高度的基本计算式,1.基本计算式：,生产任务：X2，V，Y1Y2，NA,对通过虚线范围dZ高度的溶质进行物料衡算：（单位时间内）气体释放溶质的量=VdY；液体吸收溶质的量=LdX。,dGA=VdY=LdX=NAdA,对于dZ内：dA=a dZ VdY=NA a dZ=KY(Y-Y)a dZ,dA dZ层内所具有的气液接触面积，m2。,塔的截面积，m2。,a 每m3填料的有效传质面积，m2/m3。,同理 LdX=NA a dZ=Kx(X-X)dZ,对于稳定的吸收操作，V,L,KY,KX一定：,与比表面积 t不同，受填料的特性、设备及流动状况影响，实验难测，一般KY 与 或KX 与一起给出。,KY，KX 气（液）相体积传质系数，kmol/m3s,2.传质单元高度H与传质单元数N,（1）定义：,填料层高度为：传质单元高度传质单元数,Z=HOGNOG 或 Z=HOLNOL,（2）H、N的意义：,N：所含变量只与物质的相平衡以及进出口的浓度条件有关，与设备的形式和设备中的操作条件（如流速）无关。,(Y1 Y2)(分离要求高，难分离）,积分值，N,N 反映了分离的难易程度。,H：与设备的型式、设备中的操作条件有关。,在L、V一定时，Z与Ky 或Kx 成反比。KY 或KX，即设备效能，则Z。H 反映了设备的效能，表示完成一个传质单元所需的塔高。,3.NOG、NOL的计算：,对数平均推动力法；脱吸因数法；数值积分法.,对数平均推动力法（服从亨利定律Y=mX）：,同理：,脱吸因数法,若吸收的气液相平衡关系服从亨利定律，且平衡线为一通过原点的直线，传质单元数可直接积分求解：,例8-7 在常压逆流吸收塔中，用清水吸收混合气体中溶质组分A。进塔气体组成为0.03（摩尔比，下同），吸收率为99；出塔液相组成为0.013。操作压力为101.3 kPa，温度为27，操作条件下的平衡关系为Y=2X。已知单位塔截面上惰气流量为54 kmol/（m2h），气相总体积吸收系数为113.46 kmol/（m3h），试求所需填料层高度。解：,五、其他吸收与解吸,1.化学吸收,化学吸收的特点 溶质的组成沿扩散途径的变化情况不仅与其自身的扩散速率有关，而且与液相中活泼组分的反相扩散速率、化学反应速率以及反应物的扩散速率有关。,化学吸收速率加快的原因反应消耗了进入液相中的吸收质，使吸收质的有效溶解度显著增加而平衡分压降低，从而增大了吸收过程的推动力。由于部分溶质在液膜内扩散途中就因化学反应而消耗，使过程阻力减少，吸收系数增大。,2.多组分吸收,定义：气体混合物中,若有两个以上的组份被吸收剂吸收,称为多组份吸收。多组份吸收的特点：组份间相互影响,相平衡关系较为复杂，传递性质复杂；各组份在液相的溶解度关系均符合亨利定律，则 操作线方程数目与气体中的组份数相同，各组份的操作线方程具有相同的斜率。,关键组分：在多组分吸收操作中具有关键意义的，因而必须保证其吸收率达到预期要求的组分。,4.高浓度气体吸收气液两相的摩尔流量沿塔高有较大的变化。吸收过程有显著的热效应。吸收系数不是常数。,3.非等温吸收 当吸收过程伴有明显的热效应时，此吸收过程称非等温吸收过程。实际上，吸收过程中由于气体的溶解，会产生溶解热；若发生化学反应时，还会放出反应热。如气体的溶解度变小，吸收推动力变小。因而非等温吸收比等温吸收需要更大的液气比，或较高的填料层。所以应尽量控制过程在近似等温的条件下进行。,5.解吸,解吸是使溶质从溶液中脱除的过程，是吸收的逆过程。其目的为：（1）溶剂再生；（2）得到溶质。吸收和解吸构成了一个完整的流程。,常用的解吸方法有：加热解吸 减压解吸 操作压力降低可使气相中溶质的分压相应地降低，溶质从吸收液中释放出来。从惰性气体中解吸 将溶液加热后送至解吸塔顶使之与塔底部通入的惰性气体（或水蒸汽）进行逆流接触，由于入塔惰性气体中溶质的分压为零，溶质从液相转入气相。采用精馏方法,任务四 填料吸收塔的操作,在实际工业生产中，吸收塔的气体入口条件（浓度和流量）往往是由上工序决定的。因此，吸收操作时能够调节的手段是改变吸收剂的入口条件，即温度、流量、组成三个要素。一、实际生产中的吸收操作流程 逆流优于并流 在两相进、出口组成相同的情况下，逆流时的平均推动力必大于并流。逆流操作可提高吸收效率和降低吸收剂耗用量。,1.部分吸收剂再循环的吸收流程,2.多塔串联吸收流程,3.吸收-解吸联合流程,二、吸收操作的影响因素,1.压力 增加吸收系统的压力，即增大了吸收质的分压，能提高吸收推动力，对吸收有利。但过高地增大系统压力，会使动力消耗增大，同时设备强度要求也提高，因而使设备的投资和操作费用加大。常压下进行。,2.温度,塔外部的冷却器 吸收液由塔中间抽出经外冷却器冷却后再送回塔内；塔底部分吸收液经外冷却器冷却后再送回塔内。塔内部的冷却器 填料塔冷却器设在两层填料之间、板式塔则直接安装于塔板上。,塔外部的冷却器,塔内部的冷却器,补充例题某常压操作填料塔用清水吸收焦炉气中的NH3，塔径为1.4m，填料层高7.5m。已知进塔混合气中NH3的浓度y1=0.0132，混合气体的处理量为5000标准m3/h，要求夏季时NH3的回收率不低于95%，吸收剂用量为最小用的1.5倍，当地夏季平均水温为30，冬季为10，NH3-水体系平衡关系为：30时，Y*=1.2X，10 时，Y*=0.5X。已测得此塔的Ky.a=220kmol/m3.h。试求：按30 水温设计时的实际用水量，kg/h；冬季操作，若维持其他操作条件不变，NH3的回收率为多少？冬季操作，若仍保持95%的回收率，操作上应采取什么措施？,解：按30水温设计时的用水量,冬季操作时的回收率,实际生产中，填料塔的大小，填料层高并未因季节而变。题意又告之，其他操作条件也未变，故Z、HOG均为定值，NOG也应为定值。,冬季操作仍维持回收率为95%，操作上可采取的措施:a减少吸收剂的喷淋量,b若维持吸收剂喷淋量不变，则可加大混合气的处理量V c由于冬季温度下，相平衡常数m减少，操作线与平衡线距离增加，推动力增加，所需NOG减少。因此，从理论上讲还可通过降低填料层高度来保持冬季回收率仍为95%。但这不属于操作措施。,3.吸收剂的进口浓度,降低入塔吸收剂中溶质的浓度，可以增加吸收的推动力。因此，对有吸收剂再循环的吸收操作来说，吸收液在解吸塔中的解吸应尽可能完全。（1）在吸收-解吸联合操作过程中，吸收剂进口浓度的选择是一个经济上的最优化问题。若所选择的吸收剂进口浓度过高，将使吸收过程的推动力减小，所需的吸收塔高度增加。当选择的吸收剂进口浓度过低时，对解吸的要求提高，解吸费用增加，只有通过多方案的计算和比较才能确定最佳值。（2）除上述经济方面的考虑外，还存在一个技术上允许的吸收剂最高进口浓度问题，因为当吸收剂进口浓度超过某一限度时，吸收操作将不可能达到规定的分离要求。,4.液气比,当Y1.Y2.X2一定时，液气比增大，将使X1减小，过程的平均推动力增大，从而可使所需的塔高降低，但解吸所需的再生费用将大大增加。反之，液气比减少，再生费用减少，但塔高增加。另外，吸收剂的最小用量也受技术上的限制。设计者只有通过多方案的比较，才能确定最经济的液气比。然而，设计时人们往往是先根据分离要求计算最小液气比，然后乘以某一经验的倍数以作为设计的操作液气比。,液气比的调节、控制主要应考虑如下几个方面的问题：为确保填料层的充分润湿，喷淋密度不能太小；最小液气比的限制决定于预定的生产目的和分离要求，并不是说吸收塔不允许在更低的液气比下操作。对于指定的吸收塔而言，在液气比小于原设计的(L/V)min下操作只是不能达到规定的分离要求而已。当放宽分离要求时，最小液气比也可放低；当入塔的气体条件（V、Y1）发生变化时，为了达到预期的分离要求，操作时应及时调整液体喷淋量；当吸收与解吸操作联合进行时，吸收剂的入塔条件（L、t、X2）将受解吸操作的影响，在此种联合操作系统中，加大吸收的喷淋量，虽然能增大吸收推动力，但应同进考虑解吸设备的生产能力。,5.强化吸收过程的途径,（1）增大吸收面积 在一定的气液流量下，采用性能较好、比表面积大的高效填料，并采用较好的液体喷淋装置是增加吸收面积的主要措施。（2）增大吸收推动力 采用逆流、增大液气比、提高操作压力和降低操作温度。（3）增大吸收系数 吸收系数与气液两相性质、流动状况和填料的性能有关。气膜控制、液膜控制？,