第七章 吸收.ppt

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1、第七章 吸收,本章要点： 吸收过程的气液相平衡关系 传质机理 吸收速率 吸收塔的计算：物料衡算，吸收剂用量计算，塔径，填料层高度计算,第一节 概述,吸收定义：使混合气体与选择的某种液体相接触时,利用混合气体中各组分在该液体中溶解度的差异,有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液,其它未溶解的组分仍保留在气相中,以达到从混合气体中分离出某些组分的目的。,一、吸收的依据和目的 依据：利用混合气体中各组分在液体中溶解程度的差异,溶解程度大的被吸收,难溶的则被留下了。作用： （1）原料气的净化。 （2）有用组分回收。 （3）制备有用溶液。 （4）废气治理。,二、工业吸收过程,必须解决问题

2、： 1、选择合适的吸收剂； 2、提供合适的气液传质设备； 3、吸收剂的再生循环使用。,三、吸收设备中气液两相接触方式 1、板式塔 2、填料塔,四、吸收操作的分类 按是否有化学反应分:物理吸收、化学吸收 按有无明显温度变化分:等温吸收、非等温吸收 按组分数分:单组分吸收、多组分吸收 按浓度分:低浓度气体吸收、 高浓度气体吸收 本章主要讨论:低浓度单组分等温的物理吸收。,第二节 传质机理,一、相组成的表示方法 1、 质量分率 w 和摩尔分率x 定义：混合物中某两个组分的质量(摩尔）比。,2、质量浓度和摩尔浓度,定义：,关系：,3、质量比和摩尔比,定义：混合物中某两个组分的质量（摩尔）比。换算关系,

3、4、气体混合物,二、传质机理,（一）分子扩散和菲克定律 分子扩散：在一相内部有浓度差的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。,菲克定律DAB:扩散系数,m2/s； dCA/dz:物质A的浓度梯度,kmol/m4; JA:分子扩散通量，kmol/(m2 s),（二）气相中的稳定分子扩散,1、等分子反向扩散,2、一组分通过另一停滞组分的扩散,（三）液相中的稳定分子扩散液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散速度，而且发生等分子反向扩散的机会很少，一组分通过另一停滞组分的较多见。,（四）扩散系数均由实验测定。,（五）对流传质 1、涡流扩散 凭藉流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。,2、对

4、流传质发生在流动着的流体与相界面之间的传质过程。在滞流内层主要是分子扩散。在过渡层既有分子扩散,也有对流扩散。在湍流主体中主要是对流扩散,阻力很小,可以忽略,即认为浓度一致。,（六）吸收过程的机理 双膜理论的基本论点如下： 1 在气液两流体相接触处,有一稳定的分界面,叫相界面。在相界面两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜。这两层薄膜可以认为是由气液两流体的滞流层组成,即虚拟的层流膜层,吸收质以分子扩散方式通过这两个膜层。 2 全部浓度变化集中在这两个膜层内。 3 在相界面处,气液浓度达成平衡,即界面上没有阻力。 通过以上假设,就把整个吸收过程简化为,吸收质经过双膜层的过程,吸收阻力就是双膜的阻力。

5、故该理论又称为双膜阻力理论。,一、气体在液体中的溶解度在一定温度下,使某一定量气体与一定量液体溶剂在密闭容器中接触,溶质向溶剂中转移。经过足够长的时间,气、液相浓度不在改变,宏观上传质过程停止,达成平衡。微观上是气体进出液体的分子数相等,故称相际动平衡,简称相平衡。达到平衡时,气相中溶质的压力称当时条件下的平衡分压pA,而液相中所含溶质气体的浓度既为当时条件下的气体在液体中的溶解度。,气体在液体中的溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。 溶解度曲线：1、2、3,第三节 吸收的气液相平衡关系,二、亨利定律当总压不高时,在一定温度下,稀溶液上方气体溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成

6、正比,这就是亨利定律。 其表达式为: p*=Ex E:亨利系数,由实验测定，单位与压强单位一致。 T E 溶解度 在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，易溶气体的E值则很小。,亨利定律的不同表达形式：p*=c/H H:溶解度系数,单位:kmol/(kN m) H=/Ems,y*=mx m:相平衡常数 总压P一定时y*=p*/P=(E/P)x=mxm=E/P T p m溶解度,y*=mx亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X=1则Y*=mX,二、相平衡与吸收的关系,1、判断过程进行方向x=0.05 y=0.1 y*=0.94xy*=0.940.05=0.047 y 吸收x*=0.1/0.9

7、4=0.106 x 吸收x=0.1 y=0.05y*=0.10.94=0.094 y 解吸x*=0.05/0.94=0.053 x 解吸,2、计算过程推动力,(X,Y),X*-X,Y-Y*,(X,Y),X,3、判断过程进行极限,设塔足够高： L减小，X1增大，X1max=X1*=Y1/m;L增大, Y2减小, Y2min=Y2*=mX2,第四节 吸收速率 一、 气膜吸收速率方程 NA=kg（p-pi） kG:气膜吸收系数,单位:kmol/kN s,它与扩散系数,操作压力,温度,气膜厚度,以及惰性组分的分压有关。 1/kG:与推动力p-pi相对应的气膜阻力,NA=ky（y-yi） ky:气膜吸收

8、系数,单位:kmol/(m2 s),1/ky:与推动力y-yi相对应的气膜阻力 。 ky=Pkg,二、液膜吸收速率方程 NA=kL（ci-c） kL:液膜吸收系数,单位:m/s； 1/kL:与推动力（ci-c）相对应的液膜阻力,NA=kx（xi-x） kx:液膜吸收系数,单位:kmol/(m2 s)； 1/kL:与推动力（xi-x）相对应的液膜阻力 kx=C kL,三、总吸收速率方程,1 以（p-p*）表示总推动力的吸收速率方程,KG:气相吸收总系数,单位:kmol/（m2s kPa）,2 以(c*-c)表示总推动力的总吸收速率方程,KL:液相吸收总系数,单位:m/s KG=H KL,同理可有

9、：,3 、气膜控制与掖膜控制 对于易溶气体,H很大,1/kG1/kLH，则 KG=kG 吸收阻力主要集中在气膜中,这种吸收称为气膜控制。 例如:用水吸收氨,氯化氢气体,对于难溶气体,H很小,H/kG1/kL,，则 KL=kL 这种吸收称为液膜控制吸收,吸收阻力主要控制在液膜 例如:用水吸收氧气,二氧化碳等,四、吸收剂的选择 1 溶解度 溶解度越大，吸收速率越大,吸收剂用量越越少。 2 选择性 吸收剂要对溶质组分有良好的吸收能力,对其它组分基本上不吸收,或吸收甚微,否则不能实现有效的分离。 3 挥发度 挥发度越大,则溶剂损失量越大,分离后气体中含溶剂量也越大。 4 粘度 粘度越小,流动性越好,吸

10、收速率越大,泵的功耗越小,且传质阻力减小。 5 其它 要求无毒,无腐蚀性,不易燃,不发泡,冰点底,价廉易得,具有化学稳定性。,第五节 吸收塔的计算,吸收塔分板式塔和填料塔,本章主要讨论填料塔。 主要计算任务: （1） 吸收剂用量的计算 （2） 塔底排除液浓度的计算 （3） 塔高度的计算 （4） 塔径的计算,一、吸收塔的物料衡算和操作线方程,1、物料衡算 VY1+LX2=VY2+LX1 或 V(Y1-Y2)=L(X1-X2)Y2=Y1(1-A),2、吸收操作线,二、吸收剂用量的选择 1、吸收剂用量的影响 2、最小液气比和液气比,三、塔径的计算,VS-操作条件下混合气体的体积流量m3/su-空塔气

11、速,即按空塔截面积计算的混合气体的线速度,塔底气量最大,一般以塔底气量计算,四、填料层高度的计算 1、基本计算式,将两式从塔顶至塔底积分，得：,2、传质单元高度和传质单元数,气相总传质单元数,无单位。它与气相进出口浓度及平衡关系有关。反映吸收过程进行的难易程度，与吸收塔的结构以及气液流动状况无关。NoG 值大 ,吸收进行困难,为使Z减小,应选高效填料使HoG小,或改吸收剂使Y-Y*增大, NoG减小.,气相总传质单元高度,单位m,与操作条件、设备形式有关。反映吸收设备效能高低。,3、传质单元数的计算,（1）解析法 适用范围：平衡关系为Y*=mX,符合亨利定律 将相平衡关系、操作线方程代入传质单

12、元数式，积分得到：,称为“脱吸因数”，无因次。,反映吸收率的高低对传质单元数的影响。,当Y1,X2一定, Y2=Y1(1- ), 对于同一S, NoG,S 反映吸收推动力的大小。,当Y1 ， (Y2) , X2 , m 一定,S = mVB / Ls,即Ls/VB,X1,Y-Y*,NoG,反之S,NoG。,S大，对吸收不利，S小，则Ls大，操作费用大，一般 S=0.70.8之间。,（2）对数平均推动力法 适用范围：平衡线为直线,或在吸收操作范围内近似为直线 仿照传热过程，用平均推动力代替全塔推动力。,（3）图解积分法 适用范围：普遍适用于各种平衡关系,步骤： i 在X-Y作标系中绘出平衡线,与

13、操作线 ii 选点,列表 iii 作Y1/（Y-Y*）图 iv 求面积,五、吸收塔计算分析 1、设计型计算 2、操作型计算,六、理论板数的计算 理论板的定义:气液相接触充分,传质良好,离开时达平衡状态。 1、图解法求NT: 在吸收操作线与平衡线之间画梯级,Y,X,2、若交替使用相平衡方程与操作线方程，由塔顶至塔底计算，相平衡使用次数即理论板数。,A1,若 A=1,对比NOG与N:,即NOG=N,七、解吸塔的计算,推动力Y*-Y=X-X*,全塔物料衡算： VB(Y1-Y2)=Ls(X1-X2),操作线方程：,1、解吸气体用量的计算 一般LS,X1,Y2,X2一定，VB,LS/VB,Y1.,Y2,

14、2、解吸填料层高度的计算,吸收因数法：,平均推动力法：,图解积分发：,第六节 传质系数,吸收系数的来源： 一 实验测定。 二 选用适当的经验公式进行计算。 三 选用适当的准数关联式进行计算。,总吸收系数的测定 用填料层高度计算公式进行计算。吸收系数的经验关联式,第七节 填料塔 71 填料塔的结构及填料的特性,一、塔体,金属或陶瓷塔体一般均为圆柱形大型耐酸石或耐酸砖则以砌成放形或年多角形为便,二、填料,对操作影响较大的填料特性有： 1 比表面积 =s/v=m2/m3=单位体积填料层所具有的表面积 传质面积 2 空隙率 单位体积填料层所具有的空隙体积 应尽可能大,以提高气液通过能力和减小气液阻力

15、3 填料因子 把有液体喷淋条件下实测的/2相应数值称湿填料因子,也称填料因子,单位:l/m 填料阻力 发生液泛时的气速 亦即流体力学性能好 4 单位堆积体积的填料数目 填料尺寸 数目 气流阻力 填料造价 填料尺寸 塔壁处 气流易短路,为控制气流不均匀,填料尺寸不应大于（1/10-1/8）D,填料的种类：1、实体填料,2、网状填料,三 、填料支承装置 删板填料支承 升气管式支承 四、 液体的分布装置 1 塔顶液体分布装置 a 莲蓬头式喷洒器 b 盘式分布器 c 齿槽式分布器 2 液体再分布器 壁流效应:液体沿填料下流时,逐渐向塔壁汇流的现象 a 截锥式液体再分布器 b 升气管式支承板作液体再分布

16、器,72 填料塔的流体力学特性,一 塔内气液两相的流动当液体自塔顶向下借重力在填料表面作膜状流动时,膜内平均流速决定于流动的阻力。而此阻力来自于液膜与填料表面,及液膜与上升气流之间的摩擦。 液膜厚度不仅取决于液体流量,而且与气体流量有关 气量 液膜厚 填料内的持液量 图7-29为不同液体喷淋量下取得的填料层压力降与空塔气速的双对数关系线： 线A:气体通过干填料层时,压力降与空塔气速的关系,为直线 线B:有液体喷淋,液体量小 线C:有液体喷淋,液体量大,以线B为例: u较低（点L以下）:线与A线大致平行。u P 液体下流与流速无关 u大于uL以后:线斜率增大,上升气流开始阻碍液体顺利下流,P u

17、大于uF以后:P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,发生液泛。,载点（L点）:空塔气速u增大到uL以后,气速以使上升气流与下降液体间摩擦力开始阻碍液体顺利下流,使填料表面持液量增多,占去更多空隙,气体实际速度与空塔气速的比值显著提高,故压力降比以前增加的快,这种现象称载液,L点称载点。 泛点F:u增大到uF以后P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,塔的操作极不稳定,甚至被完全破坏,这种现象称液泛,F点称为泛点。 线C的载点和泛点气速

18、都比线B的更低目前一般认为填料塔的正常操作状态只到泛点为止.,二 填料层的压力降 吸收操作中,需知压力降以确定动力消耗 精馏操作中,需知压力降以确定釜压 目前多用埃克特的通用图而重新绘制的填料层压降和填料塔泛点的通用关联图求P。如图7-30,三 泛点气速 用图7-30计算 （1）先求横坐标 （2）过横坐标点作垂线,交泛点线得泛点纵坐标 （3）由泛点纵坐标求泛点气速,7-2 填料塔的设计原则 一 填料的选择 1 填料尺寸的选定 2 填料材质方面的选定 二 塔径 塔径取决于气体的体积流量和适宜的空塔气速。前者由生产条件决定,后者则在设计时规定 泛点率:适宜空塔气速与泛点气速之比 u适宜=（50-8

19、0）u泛点 一般填料塔的操作气速大致在0.2-1.0m/s D2=4VS/u u:适宜的空塔气速 用上法计算出的塔径要进行圆整,且要验算塔内液体的喷淋密度是否大于最小喷淋密度.,喷淋密度Umin=（LW）min 润湿率LW:指塔的横截面上,单位长度的填料周边上,液体的体积流量 LW=U/ 一般D75mm （LW）min=0.08m3/mhD75mm （LW）min=0.12m3/mh 如果限于生产条件,所采用的喷淋密度使润湿率低于上述规定数值时,就要增高填料层作为补偿,即按正常方法算出的填料层高度再除以填料表面效率表 表由图7-31查查得 此外,为保证填料润湿均匀,还应注意使塔径与填料尺寸之比

20、大于8,即选用填料不宜过大,以免使填料与塔壁之间存在额外空隙,而易于出现壁流现象,三 压力降 以图7-30计算P。 若P超出工艺要求时,则按P由图7-30反求气速u,再重算塔径D 普通常压塔:P=147-490Pa/m填料层 真空塔:P78Pa/m填料层四 填料高度 1 传质单元法 2 等板高度法,7-4 填料塔与板式塔的比较 1 操作范围 2 物料要求和清洗 3 温度要求装置的安装难易 4 规模 5 准确可靠性 6 造价 7 对易气泡的物系的适用情况 8 对物系的腐蚀性的适用情况 9 热敏性物系 10 板压降,耗能 11 对气膜控制的适用,填料塔的操作,鞍形填料塔液泛 鞍形填料塔正常操作1 鞍形填料塔正常操作2 鞍形填料塔正常操作3,