《气体吸收》PPT课件.ppt

第四章 气体吸收,4.1汽液平衡4.2吸收和解吸过程4.3多组分吸收和解吸的简捷计算法4.4化学吸收,吸收操作的类型：,吸收过程分类,喷淋吸收,鼓泡吸收,降膜吸收,恒摩尔流恒温操作,4.1 汽液平衡,物理吸收的相平衡,适用条件：溶质与溶剂中不发生解离、缔和及化学反应，且为稀溶液。压力高时不适用。,普遍化亨利定律,对溶质,气液两相达到平衡,二元系统，溶解平衡关系服从下方程,理想溶液,低压下,伴有化学反应的吸收相平衡,溶质的溶解度既服从汽液平衡关系，又服从化学平衡关系。亨利定律只反应气相中P2与液相中未反应的溶质浓度的关系。化学反应的溶解度大于物理过程的溶解度,设溶质A与溶剂中的B发生反应,理想溶液K=1,相平衡关系,4.2吸收和解吸过程,吸收和解吸过程流程,单纯吸收工艺流程,伴有吸收剂再生循环的吸收解吸流程,用蒸汽或惰气的蒸出塔的吸收流程,用再沸器的蒸出塔的吸收流程,用蒸馏塔的吸收流程,4.2.2 多组分吸收和蒸出过程分析吸收和蒸出过程的设计变量数和关键组分,吸收塔Nx：吸收剂 C+2原料气 C+2压力等级数 N 和 C+C+4+NNa：串级单元数 1,蒸出塔Nx：蒸出剂 C+2吸收液 C+2压力等级数 N 和 C+C+4+NNa：串级单元数 1,Na的指定：操作型计算：指定 N 设计型计算：指定 一个关键组分分离要求,4.2.2.2 单向传质过程,精馏过程：双相传质过程吸收过程：单相传质过程不能视为恒摩尔流（图4-7 a）流量 L和V从上向下；蒸出过程：单向传质过程L和V上到下，恒摩尔流假定不成立。,4.2.2.3 吸收塔内组分分布,分布曲线（图4-7 c、d）：从物系挥发度看C1、C2最大，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化。C5、C4最小，进塔立即吸收，上部几乎不变。C3适中，上段吸收快，在塔某板出现最大值。一般情况：1.不同组分在不同段吸收程度不同2.难溶组分（LNK），一般只在靠近塔顶几级被吸收，其他级吸收较小；易溶组分（HNK），一般只在靠近塔釜几级被吸收。3.关键组分在全塔范围内被吸收。,4.2.2.4 吸收和解吸过程的热效应,每板温度Tn 由于溶解热大，Tn与溶解吸收量有关，难预测，不能用泡、露点方法计算Tn，要用热量衡算求Tn。,吸收 液体温度沿塔向下；,蒸出 使液体温度沿塔向下。,吸收释放Q在液体和气体的分配与LMCP，L和GMCP,V有很大关系。,（1）若LMCP，LGMCP,V，Q传给L，塔顶尾气温度与进塔吸收剂温度相近，Q用于提高L的温度；在塔底，高温吸收液加热进塔气体，使部分Q返回塔内，气体T分布出现极大值。（2）若LMCP，LGMCP,V，且有明显的热效应，则出塔尾气和吸收液的温度分别大于其进口温度。（3）若LMCP，LGMCP,V，则Q大部分被气体带走，吸收液出口温度接近于原料气进料温度。,此外：,1.若吸收剂挥发性明显，在塔釜几块板上部分汽化，使该汽化的吸收剂与进料气中吸收剂的含量趋于平衡。于是有一个相反作用：吸收放出热量加热液体吸收剂汽化冷却液体塔中部出现温度极大值2.溶解热的影响 溶解热大，温度变化大，对吸收率影响大 a、温度升高，相平衡常数大，吸收推动力小。b、由于吸收过程要放热，使汽液温差大，除发生传热过程外，还有传质过程发生。复杂性大,吸收和精馏的对比：,4.3.多组分吸收和蒸出的简捷计算法,吸收过程工艺计算的基本概念4.3.1.1 吸收、解吸作用发生的条件,吸收,解吸,4.3.1.2 吸收过程的限度,塔顶,塔底,吸收过程的平衡级,吸收过程的计算内容,若离开某级的气体混合物和吸收液达到平衡，则此吸收塔级称为一个平衡级。,已知：,关键组分的分离要求,求：,详细计算还求,吸收因子和蒸发因子,4.3.2 吸收因子法哈顿-富兰格林方程的推导,（1）基本方程 物料平衡,相平衡,(2)推导过程（略）,哈顿-富兰克林方程,讨论：,式的左端,Horton-Franklin方程关联了吸收率、吸收因子(液气比，K)和N,该式适用于所有组分和所有平衡级，但因K=f（T、P、x,y）、A、液气比和组成几个因素相互联系，又相互牵制，须用试差法求解。,试差步骤：,由,校核：,由热量衡算计算各级,判断,若不符，重新设值再行计算,4.3.2.2 平均吸收因子法 克雷姆塞尔方程的导出,假设：全塔温度变化不大（T取平均值），Ki可视为常数；V、L沿塔变化不大，取全塔平均值；溶液是理想溶液或接近理想溶液（稀溶液）,将之代入哈顿-富兰克林方程式并整理得：,由式（4-26）作图-A-N关系（图4-12）,吸收因子（解吸因子）图,图4-8,克雷姆塞尔方程讨论,应用此法计算时，注意推导公式中引进的三点假设，当与假设距离太大时，误差大。最好用逐级计算法进行设计计算；,若吸收剂中不含进料组分,新鲜吸收液，,求解思路,N一定，Ai。,1），前提是吸收剂的价格，经济性，一般；,2），但应考虑设备问题和操作费用；,A一般1.01.5,考虑冷冻效率问题。,3）,N可变，Ai基本不变，N。,1）,2）N，但N10，对 影响减小。,（3）吸收因子法在计算中的应用,已知条件,计算任务,步骤及概念,1）关键组分的吸收率、K关的确定,可由分离要求直接得到或经简单计算求得；K关由给定操作温度压力通过查图或计算得到,2）由最小液气比 确定实际液气比,为无穷多塔板下，达到规定分离要求时，1kmol进料气体所需吸收剂的kmol数（液气比）。,即最小液气比时，,当，N趋于无穷大时,所以,3）理论板数N的确定,4）其它组分吸收率 的计算,5）尾气中的i各组分的量及吸收量,7）吸收剂L0的确定,6）平均液气比,LV(LV)，LNL0+(VFV1),计算中注意几点,1）全塔平均吸收因子A平均的求取：,）A平均（A塔顶 A塔顶）2，或A平均；,2）若吸收液中不含溶质,3）该方法适用于贫气吸收，即L/V变化不太大，吸收量少的情况,相对吸收率和吸收率相等,例4-1 某厂裂解气分离车间采用中压油吸收分离工艺，脱甲烷塔进料100kmol/h，进料组成如下：该塔操作压力3.6兆帕（绝），吸收剂入塔温度-36，原料气入塔温度-10，乙烯回收率98%。试求：（1）完成分离要求所需的操作液气比（取操作液气比为最小液气比的1.5倍）。（2）该塔所需平衡级数。（3）各组分的吸收率及出塔尾气的组成。（4）采用C8馏分为吸收剂，计算吸收剂的用量。,解：吸收塔平均温度取进料温度和吸收剂温度的平均值,查P-T-K得3.6MPa（绝）-23各组分的值如下表：,按题意选择乙烯作为关键组分,（1）求操作液气比,最小液气比：,操作液气比,（2）平衡级数,，,由 查图4-12得,（3）各组分的吸收率、尾气量及其组成,求各组分的吸收率,求得各组分的相对吸收率。结果列于下表 中,求尾气数量及组成,计算结果列于下表 中,各组分的相对吸收率、尾气中量及组成,（4）求吸收剂加入量L0,入塔气量,塔顶尾气量,平均气量,塔底吸收液量,塔底吸收液的量,平均液量,例题：在24块板的塔中用油吸收炼厂气（组成见表），采用油气比为1，操作压力为0.263兆帕。若全塔效率为25，问平均操作温度为多少才能回收96的丁烷？并计算尾气的组成。,解：由题意知，先设液气比等于油气比，即，,N=N实际240.256块。,试差得,也可先查图48确定A的大致值，再由381式求A的确切值，查图得时，A约为1.4。）,由 查P21图21得T17，其余组分相应温度下的K、A、吸收率等值列于下表（取100kmol/h为计算基准）：,全塔的平均值，L0100kmol/h，VN+1100kmol/h,以此值新进行试算：,由查P21图21得T20，其余组分相应温度下的K、A、吸收率等值列于下表（取100kmol/h为计算基准）：,全塔 的平均值，L0100kmol/h，VN+1100kmol/h,与上一循环相比无大变化，故无需再次试差，所以表中组成即为尾气组成，操作温度为20。,4.3.2.3 平均有效吸收因子法,基本思想,定义平均有效吸收因子,定义平均有效吸收因子,(4-24)式可变为,假设：对具有N块板的吸收塔，吸收主要由塔顶和塔底两块板完成。当吸收塔只有两块理论板时：,当吸收塔具有N块理论板时:,若吸收剂中不含被吸收组分，则,计算需求Ae,其与AN和A1有关用以下两个假定来估计各板的流率和温度,(A)各板的吸收率相同，即塔内任意相邻两板的气相流率的比值相等。,(B)塔内的温度变化与吸收量成正比 即,有效吸收因子法计算的步骤,（1）用平均吸收因子法粗算，初算v1和lN。,（2）用热量衡算确定塔底吸收液的温度 设定塔顶板的温度，按全塔热量衡算确定,（3）估计L1、VN和,（4）计算各组分在塔顶板和底板条件下的吸收因子；,（5）由下两式求有效吸收因子的值；,（6）由图4-12确定吸收率；（7）作物料衡算求尾气吸收液的组成，校核全部假设，直到相符为止。,4.3.3.解吸因子法,4.3.3.1.方法,解吸（蒸出）的条件：,（1）加热；（2）减压；（3）惰性气体解吸；（4）提馏的方法：吹气使，加热,4.3.3.2.解吸过程计算（蒸出因子法）,（1）计算公式,类似吸收过程,（2）方法,由操作温度确定各组分的K值；,由分离要求确定解吸率（相对解吸率）C关0，N时，C关0S关m；,由；,由（吸收1.22.0倍）；,求出各组分被解吸的量。,由 求各组分的Si值；,由C0关、S关用 或图（4-12）求出N值；,由N和各组分的Si值由 求出C0i值；,4.4 化学吸收,双膜理论：,被溶解组分与吸收剂中活性组分发生化学反应，溶质A在液膜中为反应所消耗，传质推动力：CAi-CAL优点：1.吸收容量大 2.吸收率高；设备投资少 3.蒸出不完全（可逆反应）,4.4.1 化学吸收类型和增强因子,化学吸收的类型(1)慢速反应,通过液膜扩散时来不及反应便进入气相主体，反应主要在液相主体中进行。,（2）中速反应,边扩散、边反应，反应在反应区上完成。,（3）快速反应,边扩散、边反应，反应在反应区上完成。,（4）瞬时反应,反应在反应面上完成。,4.4.1.2 化学吸收的增强因子,吸收中化学反应存在从推动力和液相传质分系数两个方面影响液相传质速率。引入增强因子E反映诸因素对液相传质分系数kL的影响。,二个极端情况：,a.慢速反应,b.瞬时可逆反应,c.对于快速和中速反应,对快速和中速反应，kL既与反应速率有关，也与传质速率有关。E可表示为两个无因次参数的函数。,（1）八田数（Hatta number),（2）浓度-扩散参数,Ha值越大，膜内反应量越大，Ha0，为物理吸收。,化学吸收速率,4.4.2.1 膜模型的反应-扩散方程,一级不可逆反应,（1）快速反应,(2）慢速反应,增加设备储液量，采用液相容积大的传质设备（如鼓泡塔）即选择合适的传质设备是非常重要的。,不可逆瞬时反应,故只有通过提高溶液中B的浓度来提高化学反应吸收速率。,4.4.2.3 二级不可逆反应,（1）瞬时反应,（2）快速反应,上式是隐函数，求解E较复杂，用图（4-19）表示，很方便。,图4-19二级不可逆反应的增强因子,Ha,快速反应的二种极限情况：,此时E的物理意义是传质系数足够大，整个液相浓度不变且等于液相主体浓度,4.4.2.4 可逆反应,1、一级可逆反应,与cAL0的一级不可逆反应相同。,(2)瞬时可逆反应,成立条件。,化学吸收计算,(1)单位体积填料吸收速率方程,(3)单位体积填料总吸收速率方程,推导得,物理吸收气相传质总系数：,化学吸收气相传质总系数：,(4)填料高度,fan,fan,第四章 气体吸收,4.3多组分吸收和解吸的简捷计算法吸收过程工艺计算的基本概念4.3.2 吸收因子法哈顿-富兰格林方程的推导 4.3.2.2 平均吸收因子法克雷姆塞尔方程的导出克雷姆塞尔方程讨论,