【學(xué)習(xí)課件】第二章吸收(下冊(cè))

1、本章重點(diǎn)：填料吸收塔的工藝計(jì)算第2章 吸收7/28/20221編輯ppt吸收 ：利用氣體中各組分在溶劑中溶解度的差異而分離氣體混合物的操作稱為吸收。所用溶劑稱為吸收劑（S）。氣體中被溶解的組分稱為吸收質(zhì)或溶質(zhì)（A） 。不被溶解的組分稱為惰性氣體或載體（B） 。吸收操作的依據(jù)：混合氣體中各組分溶解度的不同。吸收操作的目的 （） 分離和凈化原料氣 （原料氣在加工以前，其中無用的或有害的成分都要預(yù)先除去）。 （）分離和吸收氣體中的有用組分 。（）制取液體產(chǎn)品 。（）廢氣的治理 。7/28/20222編輯ppt吸收的分類 物理吸收： 溶質(zhì)不與溶劑發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng) 化學(xué)吸收：溶質(zhì)與溶劑發(fā)生明顯的化學(xué)反

2、應(yīng) 單組分吸收：混合氣中只有一個(gè)組分被吸收 多組分吸收：混合氣體中有兩個(gè)或多個(gè)組分被吸收 等溫吸收：在吸收的過程中，溫度變化很小 非等溫吸收：吸收過程中溫度發(fā)生顯著地變化 本章重點(diǎn)：?jiǎn)谓M分等溫物理吸收吸收吸收吸收7/28/20223編輯ppt 吸收操作必須解決的問題包括：選擇合適的溶劑、提供氣液接觸的場(chǎng)所和溶劑的再生。 7/28/20224編輯ppt7/28/20225編輯ppt2-1-1 氣體的溶解度 在一定溫度和壓力下，氣液兩相接觸時(shí)將發(fā)生溶質(zhì)氣體向液相轉(zhuǎn)移，使其在液相中的濃度增加，當(dāng)長(zhǎng)期充分接觸后，液相中溶質(zhì)濃度不再增加達(dá)到飽和，這時(shí)兩相達(dá)到相平衡。此時(shí)，溶質(zhì)在液相中的濃度稱為平衡溶解度

3、。簡(jiǎn)稱為溶解度。 溶解度隨溫度和溶質(zhì)氣體的分壓不同而不同，平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相中的分壓稱為平衡分壓。溶質(zhì)組分在兩相中的組成服從相平衡關(guān)系。加壓和降溫有利于吸收操作，反之，升溫和減壓對(duì)解吸有利。但加壓、減壓費(fèi)用太高一般不采用。 2.1 氣體吸收的相平衡關(guān)系7/28/20226編輯ppt7/28/20227編輯ppt7/28/20228編輯ppt2-1-2 亨利定律 （適用于稀溶液） 當(dāng)總壓不高（一般小于500KPa）時(shí)，在一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關(guān)系： 式中: Pi* -溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓, kPa xi-溶質(zhì)在液相中的摩爾分率 , E亨利系

4、數(shù)， kPa亨利定律其它幾種表達(dá)形式: （重點(diǎn)）7/28/20229編輯ppt亨利定律各系數(shù)之間的關(guān)系: 2.1.3 吸收劑的選擇：P85 .對(duì)被吸收的組分要有較大的溶解度，且有較好的選擇性。 .要有較低的蒸氣壓，以減少吸收過程中溶劑的揮發(fā)損失 要有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，以免使用過程中變質(zhì)。 腐蝕性要小,以減小設(shè)備費(fèi)用和維修費(fèi)。 5 吸收后的溶劑應(yīng)易于再生。 7/28/202210編輯ppt2.1.4 相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用1判斷傳質(zhì)進(jìn)行的方向 不平衡的氣液兩相接觸后所發(fā)生的傳質(zhì)過程是吸收還是解吸，取決于相平衡關(guān)系。 吸收過程平衡過程解吸過程7/28/202211編輯ppt例題：在總壓為10

5、1.3kPa，溫度為30的條件下，二氧化硫組成為Y=0.1的混合空氣與二氧化硫組成分別為X=0.002和X=0.003的水溶液接觸，試判斷過程進(jìn)行的方向。已知操作條件下氣、液平衡關(guān)系為Y=47.9X。吸收當(dāng)液相組成 該過程為解吸過程。 7/28/202212編輯ppt2確定傳質(zhì)的推動(dòng)力在吸收過程中，通常以實(shí)際的氣、液相組成與其平衡組成的偏離程度來表示吸收過程推動(dòng)力。實(shí)際組成偏離平衡組成越遠(yuǎn)，過程推動(dòng)力越大，過程速率也越快。 以氣相表示的吸收過程推動(dòng)力以液相表示的吸收過程推動(dòng)力7/28/202213編輯ppt3 指明傳質(zhì)過程的極限 在一定的操作條件下，當(dāng)氣液兩相達(dá)到平衡時(shí)，過程即行停止，可見平衡

6、是過程的極限 。在工業(yè)生產(chǎn)的逆流填料吸收塔中，即使填料層很高，吸收劑用量很少的情況下，離開吸收塔的吸收液組成也不會(huì)無限增大，其極限是與進(jìn)塔氣相組成成平衡 當(dāng)吸收劑用量大，氣體流量小時(shí)，即使填料層很高，出塔氣體組成也不會(huì)低于與吸收劑入口組成成平衡的氣相組成 相平衡關(guān)系限制了吸收劑出塔時(shí)的最高濃度和氣體混合物出塔時(shí)的最低濃度。7/28/202214編輯ppt2.2 傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率用液體吸收氣體中某一組分，是該組分從氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程。它包括： （1）該組分從氣相主體傳遞到氣、液兩相的界面。 （2）在相界面上溶解而進(jìn)入液相。 （3）從液相一側(cè)界面向液相主體傳遞。在相內(nèi)（氣相或液相）傳質(zhì)方式

7、包括分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散。 分子擴(kuò)散：當(dāng)流體內(nèi)部某一組分存在濃度差時(shí)，因微觀的分子熱運(yùn)動(dòng)使組分從濃度高處傳遞到較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。湍流擴(kuò)散：當(dāng)流體流動(dòng)或攪拌時(shí)，由于流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)（湍流），使組分從濃度高處向低處移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為湍流擴(kuò)散。在湍流狀態(tài)下，流體內(nèi)部產(chǎn)生旋渦，故又稱為渦流擴(kuò)散。 7/28/202215編輯ppt2-2-1 分子擴(kuò)散與費(fèi)克定律 A、B分子在濃度差的作用下，向低濃區(qū)作分子擴(kuò)散。由于容器中P始終恒定，可知:右移的A分子數(shù)=左移的B分子數(shù)。 這是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散過程擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量）：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積通過擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量。費(fèi)克定律 : JA-組分A在Z方向上

8、的擴(kuò)散速率，kmol/(m2.s) 式中負(fù)號(hào)表示擴(kuò)散沿著組分濃度降低的方向進(jìn)行 在等分子反方向擴(kuò)散時(shí)，有：JA=-JB 7/28/202216編輯ppt2-2-2 氣相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散 1、等分子反向擴(kuò)散 傳質(zhì)速率N：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位傳質(zhì)面積上通過的物質(zhì)量”。在只有等分子反方向擴(kuò)散的傳質(zhì)過程中，傳質(zhì)速率=擴(kuò)散通量在由A、B兩組分組成的混合氣體中，無論A在B中擴(kuò)散或反之，擴(kuò)散系數(shù)相等。7/28/202217編輯ppt等分子反向擴(kuò)散等摩爾反向擴(kuò)散的主要例子是精餾過程中兩組分的反向擴(kuò)散。2、一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散（單向擴(kuò)散） 對(duì)于A、B形成的均相氣體混合物，A溶解B不溶解，液相中不存在B組分。因

9、此，吸收過程是A組分通過“靜止”B組分的單向擴(kuò)散。 7/28/202218編輯ppt稱為漂流因數(shù)，反映總體移動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響。其值恒大于1 值越大，總體移動(dòng)使組分A的傳質(zhì)速率增加得越快，越有利于傳質(zhì)。 7/28/202219編輯ppt2-2-3 液相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散由于對(duì)液體的分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律遠(yuǎn)不及對(duì)于氣體的研究，因此只能仿效氣相中的擴(kuò)散速率關(guān)系式寫出液相中的相應(yīng)關(guān)系式。2-2-4 擴(kuò)散系數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)簡(jiǎn)稱擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特性常數(shù)之一，是介質(zhì)種類、T、P及濃度的函數(shù)。7/28/202220編輯ppt獲取途徑：（1）查手冊(cè)、資料等。P94表2-2、2-3列出了某些組分在空氣和水中分子擴(kuò)散系數(shù)。（2

10、）實(shí)測(cè)（3）估算P94通常組分在氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略。在液體中的擴(kuò)散，濃度的影響不可忽略，而壓力的影響不顯著。 2-2-5 對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)包括分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散（也稱渦流擴(kuò)散）。將全部分壓差集中在ZG中，假設(shè)其內(nèi)只有層流。即，全部擴(kuò)散(D+DE)都集中在該ZG層中以分子擴(kuò)散的形式傳質(zhì)。7/28/202221編輯ppt吸收時(shí)，氣側(cè)“對(duì)流傳質(zhì)”的傳質(zhì)速率： 液側(cè)： 2-2-6 吸收過程的機(jī)理P101雙膜理論相互接觸的氣液兩相流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一層很薄的層流膜，溶質(zhì)A以分子擴(kuò)散的方式通兩層膜，由氣相進(jìn)入液相主體。在相界面處，氣液兩相互成平衡。在氣液兩相的主體中，由于

11、流動(dòng)充分湍動(dòng)，物質(zhì)濃度均勻。7/28/202222編輯ppt該理論把氣液相際間的傳質(zhì)過程轉(zhuǎn)化為通過兩個(gè)膜層的分子擴(kuò)散過程。2-2-7 吸收速率方程式 氣膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式7/28/202223編輯ppt以氣相總傳質(zhì)系數(shù)表示的吸收速率方程式對(duì)于易溶氣體,其溶解度H很大 易溶氣體的吸收速率主要由氣相一方即氣膜作用來控制,這種情況稱為“氣膜控制”。因此要提高吸收速率，關(guān)鍵是降低氣膜層的厚度 ,即增大氣相的湍動(dòng)程度。用水吸收氨可視為氣膜控制的吸收過程。7/28/202224編輯ppt以液相總傳質(zhì)系數(shù)表示的吸收速率方程式對(duì)于難溶氣體,H值較小難溶氣體的吸收速率主要由液相一方即液膜作用來控

12、制,這種情況稱為“液膜控制”。因此要提高吸收速率，關(guān)鍵是降低液膜層的厚度 ,即增大液相的湍動(dòng)程度。用水吸收氧氣可視為氣膜控制的吸收過程。7/28/202225編輯ppt2.3 吸收塔的計(jì)算（本章重點(diǎn)）已知：V-惰性氣體的摩爾流量, kmol/S Y1 -進(jìn)塔氣體中溶質(zhì)摩爾比 Y2 - 離 塔氣體中溶質(zhì)摩爾比 X2 - 進(jìn)塔吸收液中溶質(zhì)的摩爾比求：(1)完成分離任務(wù)所需吸收劑的用量L (2)出塔液體中溶質(zhì)的摩爾比X1 (3)所需的填料層高度Z (4)填料塔塔徑D7/28/202226編輯ppt2.3.1 吸收塔的物料衡算與操作線方程 出塔氣體摩爾比Y2 的給出形式（1） 如果溶質(zhì)是有害氣體，一般

13、直接規(guī)定Y2的值。（2）如果吸收的目的是回收有用物質(zhì)，則以回收率的形式給出（重要）7/28/202227編輯ppt 2.3.2 吸收劑的用量的決定（重要）若平衡關(guān)系可用（重點(diǎn)）7/28/202228編輯ppt吸收劑用量的大小從設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)兩方面影響生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)權(quán)衡利弊，選擇適宜液氣比，使總費(fèi)用為最小。一般情況下（重要）7/28/202229編輯ppt 例1 在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦?fàn)t氣中的芳烴。吸收塔壓強(qiáng)為105kPa ，溫度為27 ，焦?fàn)t氣流量為1000m3/h ，其中所含芳烴組成為0.02（摩爾分?jǐn)?shù),下同），吸收率為95%，進(jìn)塔洗油中所含芳烴組成為0.005。若取吸收劑用量

14、為最小用量的1.5倍。試求進(jìn)入塔頂?shù)南从湍柫髁考俺鏊找航M成。（操作條件下氣液平衡關(guān)系為Y*=0.125X ）7/28/202230編輯ppt2-3-3 塔徑的計(jì)算Vs-在操作條件下混合氣體的體積流量 ，m3/s u- 混合氣體的空塔速度，m/s 在吸收過程中，由于溶質(zhì)不斷進(jìn)入液相，故混合氣體流量由塔底至塔頂逐漸漸小。在計(jì)算塔徑時(shí)，一般應(yīng)以塔底的氣體流量為依據(jù)。7/28/202231編輯ppt 塔徑的大小主要取決于空塔氣速，選擇較小的空塔氣速，則氣體通過塔時(shí)的阻力小，動(dòng)力消耗小，但塔徑增大，設(shè)備投資大而生產(chǎn)能力低，且低氣速不利于氣液充分接觸，傳質(zhì)效率低。 若選擇較高的空塔氣速，則通過填料層

15、的壓降大，動(dòng)力消耗大，且操作不平穩(wěn)，難以控制，但塔徑小，設(shè)備投資小。故塔徑的確定應(yīng)作多方案比較以求經(jīng)濟(jì)上優(yōu)化。通常取泛點(diǎn)氣速的倍。7/28/202232編輯ppt2.3.4 填料層高度的計(jì)算1、填料層高度的基本計(jì)算式7/28/202233編輯ppt- 塔截面積； m2 a- 單位體積填料層所提供的有效傳質(zhì)面積；m2/m3 7/28/202234編輯ppt2、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度液相總傳質(zhì)單元高度氣相總傳質(zhì)單元數(shù)液相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總體積吸收系數(shù)液相總體積吸收系數(shù)（重要）7/28/202235編輯ppt傳質(zhì)單元高度取決于設(shè)備型式、物系的性質(zhì)及操作條件，表明了過程的傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)

16、性能。它能反映傳質(zhì)阻力的大小、填料性能的優(yōu)劣及潤(rùn)濕情況的好壞。傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過程進(jìn)行的難易程度。生產(chǎn)任務(wù)所要求的氣相組成變化越大，吸收過程的平均推動(dòng)力越小，分離的難度越大，所需的傳質(zhì)單元數(shù)也就越大。3、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 1）圖解積分法（了解） 圖解積分法是直接根據(jù)定積分的幾何意義引出的一種計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)的方法，它適合于平衡關(guān)系的各種情況，特別是用于平衡線為曲線的情況。 7/28/202236編輯ppt2）、脫吸因數(shù)(S)法（吸收因數(shù)法A)應(yīng)用前提是：在吸收過程涉及的濃度范圍內(nèi)平衡關(guān)系可以用線性方程 Y*=mX+b (注：b可以0或0)表示的情況 。吸收因數(shù)脫吸因數(shù)7/28/202237編輯

17、pptX =X2 + V/L（Y-Y2）（重點(diǎn)）P1187/28/202238編輯ppt3）對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法應(yīng)用前提：在吸收過程涉及的濃度范圍內(nèi)平衡關(guān)系可以用線性方程Y*=mX+b (注：b可以0或0)表示的情況。 （重點(diǎn)）（重點(diǎn)）7/28/202239編輯ppt氣相對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力。同理，液相總傳質(zhì)單元數(shù)為： 或可用算術(shù)平均值代替對(duì)數(shù)平均值。 液相對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力7/28/202240編輯ppt例2 空氣和氨的混合氣體，在直徑為0.8m 的填料吸收塔中用清水吸收其中的氨。已知送入的空氣量為47.93kmol/h ，混合氣體中氨的分壓為1.34kPa ，經(jīng)過吸收后混合氣中有99.5%的氨被吸收下來

18、。操作溫度為20，壓力為101.325kPa 。在操作條件下，平衡關(guān)系為Y*=0.75X 。若吸收劑（水）用量為52kmol/h 。已知氨的氣相體積吸收總系數(shù)KYa =314kmol/(m3.h )。試求：(1) 吸收液的出塔組成； （2）所需填料層高度。（用吸收因數(shù)法） 7/28/202241編輯ppt 例3 在常壓填料吸收塔中，用清水吸收廢氣中氨氣，廢氣流量為2500m3/h （標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），其中氨氣濃度為0.02（摩爾分?jǐn)?shù)），要求回收率不低于98%，若水用量為3.6m3/h ，操作條件下平衡關(guān)系為Y=1.2X（式中X ,Y 為摩爾比），氣相總傳質(zhì)單元高度為0.7m ，試求：（1）塔底、塔

19、頂推動(dòng)力及全塔對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力； （2）氣相總傳質(zhì)單元數(shù) ；（3）填料層高度。（水的密度可取為1000m3/h）7/28/202242編輯ppt 例4 某混合氣體中含有溶質(zhì)A 3%（摩爾分?jǐn)?shù)），在常壓下用清水在填料塔內(nèi)逆流吸收，要求回收率為0.99，混合氣體的流率為0.02 kmol /（m2.s） 。采用的液氣比為最小液氣比的1.5倍，平衡關(guān)系為 ，氣相總傳質(zhì)系數(shù)Kya= 0.04kmol/(m3.s)。試求：（1）出塔溶液組成；（2）所需填料層高度。2.4 吸收系數(shù)（自學(xué)，課堂上簡(jiǎn)要介紹）7/28/202243編輯ppt2.5 解吸（脫吸）操作（了解）一般除以制取液相產(chǎn)品為目的的吸收操作外，均需對(duì)吸收劑進(jìn)行回收，以便于循環(huán)使用，降低吸收過程的操作成本。 解吸方法常用的解吸方法有氣提解吸法、減壓解吸法以及升溫解吸法。 1氣提解吸法氣提解吸法也稱載氣解吸法，其過程類似于逆流吸收，只是解吸時(shí)溶質(zhì)由液相傳遞到氣相。吸收液從解吸塔的頂部噴淋而下，載氣從解吸塔底部通入自下而上流動(dòng)，氣、液兩相在逆流接觸過程中，溶質(zhì)不斷地由液相轉(zhuǎn)移至氣相。與逆流吸收塔相比，解吸塔的頂部為濃端，塔底為稀端。工程上可以根據(jù)解吸工藝要求選用不同的載氣，常用的載氣有以下幾種： 7/28/202244編輯ppt（1）以惰性氣為載氣常用的惰性氣有空氣、氮?dú)夂投趸嫉葰怏w。該法適用于脫除少量溶質(zhì)并以吸收劑