氣體吸收分解課件

1、第四章 氣體吸收4.1汽液平衡4.2吸收和解吸過程4.3多組分吸收和解吸的簡捷計算法4.4化學(xué)吸收吸收操作的類型：化學(xué)反應(yīng)吸收溫度單組分吸收多組分吸收相對溶解度吸收量汽液接觸方式吸收過程分類物理吸收化學(xué)吸收噴淋吸收鼓泡吸收降膜吸收等溫吸收非等溫吸收貧氣吸收富氣吸收恒摩爾流恒溫操作4.1 汽液平衡4.1.1物理吸收的相平衡 適用條件：溶質(zhì)與溶劑中不發(fā)生解離、締和及化學(xué)反應(yīng)，且為稀溶液。壓力高時不適用。普遍化亨利定律對溶質(zhì)氣液兩相達到平衡 二元系統(tǒng)，溶解平衡關(guān)系服從下方程理想溶液 低壓下 4.1.2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收相平衡溶質(zhì)的溶解度既服從汽液平衡關(guān)系，又服從化學(xué)平衡關(guān)系。亨利定律只反映氣相中P2

2、與液相中未反應(yīng)的溶質(zhì)濃度的關(guān)系。化學(xué)反應(yīng)的溶解度大于物理過程的溶解度設(shè)溶質(zhì)A與溶劑中的B發(fā)生反應(yīng) HAKa理想溶液K=1相平衡關(guān)系4.2吸收和解吸過程4.2.1吸收和解吸過程流程4.2.1.1單純吸收工藝流程4.2.1.2伴有吸收劑再生循環(huán)的吸收解吸流程用蒸汽或惰氣的蒸出塔的吸收流程 吸收塔 蒸出塔尾氣吸收劑吸收液原料氣體蒸出用氣體蒸出氣用再沸器的蒸出塔的吸收流程吸收液補加吸收劑 吸收塔 再沸蒸出塔尾氣原料氣體蒸出氣用蒸餾塔的吸收流程吸收液補加吸收劑 吸收塔 再沸蒸出塔尾氣原料氣體吸收質(zhì)4.2.2 多組分吸收和蒸出過程分析4.2.2.1吸收和蒸出過程的設(shè)計變量數(shù)和關(guān)鍵組分 吸收塔Nx：吸收劑

3、C+ 2原料氣 C+2壓力等級數(shù) N 和 C+C+4+NNa：串級單元數(shù) 1 蒸出塔Nx：蒸出劑 C+ 2吸收液 C+2壓力等級數(shù) N 和 C+C+4+NNa：串級單元數(shù) 1Na的指定： 操作型計算：指定 N 設(shè)計型計算：指定 一個關(guān)鍵組分分離要求4.2.2.2 單向傳質(zhì)過程精餾過程：雙相傳質(zhì)過程吸收過程：單相傳質(zhì)過程不能視為恒摩爾流（圖4-7 a ）流量 L和V從上向下；蒸出過程：單向傳質(zhì)過程L和V上到下 ，恒摩爾流假定不成立。4.2.2.3 吸收塔內(nèi)組分分布分布曲線（圖4-7 c、d）：從物系揮發(fā)度看C1、C2最大，進塔幾乎不被吸收，塔頂稍有變化。C5、C4最小，進塔立即吸收，上部幾乎不變

4、。C3適中 ，上段吸收快，在塔某板出現(xiàn)最大值。一般情況：1.不同組分在不同段吸收程度不同2.難溶組分（LNK），一般只在靠近塔頂幾級被吸收，其他級吸收較小；易溶組分（HNK），一般只在靠近塔釜幾級被吸收。3.關(guān)鍵組分在全塔范圍內(nèi)被吸收。4.2.2.4 吸收和解吸過程的熱效應(yīng)每板溫度Tn 由于溶解熱大，Tn與溶解吸收量有關(guān)，難預(yù)測，不能用泡、露點方法計算Tn，要用熱量衡算求Tn。吸收 液體溫度沿塔向下；蒸出 使液體溫度沿塔向下。 吸收釋放Q在液體和氣體的分配與LMCP，L和GMCP,V有很大關(guān)系。（1）若LMCP，LGMCP,V，Q傳給L，塔頂尾氣溫度與進塔吸收劑溫度相近，Q用于提高L的溫度；在

5、塔底，高溫吸收液加熱進塔氣體，使部分Q返回塔內(nèi)，氣體T分布出現(xiàn)極大值。（2）若LMCP，LGMCP,V，且有明顯的熱效應(yīng)，則出塔尾氣和吸收液的溫度分別大于其進口溫度。（3）若LMCP，LGMCP,V，則Q大部分被氣體帶走，吸收液出口溫度接近于原料氣進料溫度。此外：1.若吸收劑揮發(fā)性明顯，在塔底幾塊板上部分汽化，使該汽化的吸收劑與進料氣中吸收劑的含量趨于平衡。 于是有一個相反作用：吸收放出熱量加熱液體吸收劑汽化冷卻液體塔中部出現(xiàn)溫度極大值2. 溶解熱的影響 溶解熱大，溫度變化大，對吸收率影響大 a、溫度升高，相平衡常數(shù)大，吸收推動力小。 b、由于吸收過程要放熱，使汽液溫差大，除發(fā)生傳熱過程外，還

6、有傳質(zhì)過程發(fā)生。復(fù)雜性大吸收和精餾的對比 ：操作類型 吸收 精餾 任務(wù) 分離氣體混合物 分離液體混合物 分離依據(jù) 溶解度不同 相對揮發(fā)度不同 傳質(zhì)過程 單向gl 雙向gl 板上汽液狀態(tài) 氣相過熱，液相過冷 氣、液相為飽和狀態(tài) 進料位置 氣相自塔底入，液自塔頂入 原料液塔中部加入產(chǎn)品 塔頂?shù)卯a(chǎn)品，吸收液需進一步分離 可在塔頂塔底分別得到產(chǎn)品 關(guān)鍵組分 1個 2個 Na 1個 5個4.3. 多組分吸收和蒸出的簡捷計算法4.3.1吸收過程工藝計算的基本概念4.3.1.1 吸收、解吸作用發(fā)生的條件 吸收解吸吸收劑L0 x0尾氣V1 y1吸收液LN xN原料VN+1 yN+1N14.3.1.2 吸收過程

7、的限度 塔頂 塔底 4.3.1.3吸收過程的平衡級4.3.1.4吸收過程的計算內(nèi)容 若離開某級的氣體混合物和吸收液達到平衡，則此吸收塔級稱為一個平衡級。 已知：關(guān)鍵組分的分離要求 求： 詳細計算還求吸收因子和蒸發(fā)因子4.3.2 吸收因子法4.3.2.1哈頓-富蘭格林方程的推導(dǎo) （1）基本方程 物料平衡 Vn yi,n Ln-1 xi,n-1Vn+1 yi,n+1 Ln xi,nn相平衡 (2)推導(dǎo)過程（略）哈頓-富蘭克林方程討論：式的左端 Horton-Franklin方程關(guān)聯(lián)了吸收率、吸收因子(液氣比，K)和N 該式適用于所有組分和所有平衡級，但因K=f（T、P、x,y）、A、液氣比和組成幾

8、個因素相互聯(lián)系，又相互牽制，須用試差法求解 。試差步驟：設(shè)：由校核：由熱量衡算計算各級判斷若不符，重新設(shè)值再行計算 4.3.2.2 平均吸收因子法 克雷姆塞爾方程的導(dǎo)出假設(shè)：全塔溫度變化不大（T取平均值），Ki可視為常數(shù)；V、L沿塔變化不大，取全塔平均值；溶液是理想溶液或接近理想溶液（稀溶液）將之代入哈頓-富蘭克林方程式并整理得：AAA=jj111有：由式（4-26）作圖-A-N關(guān)系（圖4-12）吸收因子（解吸因子）圖圖4-8克雷姆塞爾方程討論應(yīng)用此法計算時，注意推導(dǎo)公式中引進的三點假設(shè)，當與假設(shè)距離太大時，誤差大。最好用逐級計算法進行設(shè)計計算； 若吸收劑中不含進料組分新鮮吸收液，求解思路N一

9、定，Ai 。1） ，前提是吸收劑的價格，經(jīng)濟性，一般 ； 2） ，但應(yīng)考慮設(shè)備問題和操作費用； A一般1.01.5考慮冷凍效率問題。 3）N可變，Ai基本不變，N 。1） 2）N ，但N10，對 影響減小。（3）吸收因子法在計算中的應(yīng)用已知條件計算任務(wù)步驟及概念1）關(guān)鍵組分的吸收率 、K關(guān)的確定 可由分離要求直接得到或經(jīng)簡單計算求得；K關(guān)由給定操作溫度壓力通過查圖或計算得到2）由最小液氣比 確定實際液氣比為無窮多塔板下，達到規(guī)定分離要求時，1kmol進料氣體所需吸收劑的kmol數(shù)（液氣比）。即最小液氣比時，當 ，N趨于無窮大時 所以 3）理論板數(shù)N的確定4）其它組分吸收率 的計算5）尾氣中的i

10、各組分的量及吸收量7）吸收劑L0的確定6）平均液氣比LV(LV)， LNL0+(VFV1)()NLLL+=021又有()()01010002212LLLVVLLVVLLLLLNFFN-=-=-+=+=所以()()01010002212LLLVVLLVVLLLLLNFFN-=-=-+=+=所以計算中注意幾點1）全塔平均吸收因子A平均的求?。?）A平均（A塔頂 A塔頂）2， 或A平均 ；)取T平均（T塔頂T塔頂）2， 求得K平均值，取求得A平均。 2）若吸收液中不含溶質(zhì)3）該方法適用于貧氣吸收，即L/V變化不太大，吸收量少的情況相對吸收率和吸收率相等例4-1 某廠裂解氣分離車間采用中壓油吸收分離工

11、藝，脫甲烷塔進料100kmol/h，進料組成如下：該塔操作壓力3.6兆帕（絕），吸收劑入塔溫度-36，原料氣入塔溫度-10，乙烯回收率98%。試求：（1）完成分離要求所需的操作液氣比（取操作液氣比為最小液氣比的1.5倍）。（2）該塔所需平衡級數(shù)。（3）各組分的吸收率及出塔尾氣的組成。（4）采用C8餾分為吸收劑，計算吸收劑的用量。組分氫氣甲烷乙烯乙烷丙烯丙烷碳四mol%1530.028.05.019.01.02.0解：吸收塔平均溫度取進料溫度和吸收劑溫度的平均值查P-T-K得3.6MPa（絕）-23各組分的值如下表：組分3.20.650.470.120.100.046按題意選擇乙烯作為關(guān)鍵組分

12、（1）求操作液氣比最小液氣比：操作液氣比 （2）平衡級數(shù)，由 查圖4-12得（3）各組分的吸收率、尾氣量及其組成求各組分的吸收率求得各組分的相對吸收率。結(jié)果列于下表 中求尾氣數(shù)量及組成計算結(jié)果列于下表 中各組分的相對吸收率、尾氣中量及組成 組分 AiH20015.00.410C100.2980.2988.9421.060.575C2=1.470.9827.450.550.0152.0321.005.0000.007.9581.0019.0009.551.001.00020.7611.002.00063.3936.611.0000（4）求吸收劑加入量L0入塔氣量 塔頂尾氣量 平均氣量塔底吸收液量

13、塔底吸收液的量平均液量例題：在24塊板的塔中用油吸收煉廠氣（組成見表），采用油氣比為1，操作壓力為0.263兆帕。若全塔效率為25，問平均操作溫度為多少才能回收96的丁烷？并計算尾氣的組成。組分 yi% 80.0 8.0 5.0 4.0 2.0 1.0100解：由題意知，先設(shè)液氣比等于油氣比，即 ，N=N實際240.256塊。試差得 也可先查圖48確定A的大致值，再由381式求A的確切值， 查圖得時，A約為1.4。） 由 查P21圖21得T17，其余組分相應(yīng)溫度下的K、A、吸收率等值列于下表（取100kmol/h為計算基準）：組分 vN+1 80.0 8.0 5.0 4.0 2.0 1.0 1

14、00 Ki 51 8.8 2.7 0.7067 0.21 0.067 Ai 0.0196 0.1136 0.3704 1.415 4.762 14.925 0.0196 0.1136 0.3698 0.96 0.9999 1.000 1.568 0.909 1.849 3.84 1.9998 1.0000 11.166 78.432 7.091 3.151 0.16 0.0002 0.0000 88.834 yi% 88.29 7.98 3.55 0.18 0.00 0.000 100.00全塔的平均值，L0100kmol/h， VN+1100kmol/h以此值新進行試算：由查P21圖21得T

15、20，其余組分相應(yīng)溫度下的K、A、吸收率等值列于下表（取100kmol/h為計算基準）：組分 vN+1 80.0 8.0 5.0 4.0 2.0 1.0 100 Ki 529.42.90.790.2350.078Ai 0.0215 0.11890.3851 1.415 4.757 14.333 0.0215 0.1189 0.3847 0.96 1.000 1.000 1.720.951 1.924 3.84 2.0 1.0 11.43478.287 7.05 3.076 0.16 0.0000.0000 88.566yi% 88.3867.960 3.473 0.1810.00 0.000

16、100.00全塔 的平均值，L0100kmol/h，VN+1100kmol/h 與上一循環(huán)相比無大變化，故無需再次試差，所以表中組成即為尾氣組成，操作溫度為20。 4.3.2.3 平均有效吸收因子法基本思想定義平均有效吸收因子 定義平均有效吸收因子 (4-24)式可變?yōu)榧僭O(shè)：對具有N塊板的吸收塔，吸收主要由塔頂和塔底兩塊板完成。 當吸收塔只有兩塊理論板時：當吸收塔具有N塊理論板時:若吸收劑中不含被吸收組分 ，則計算需求Ae,其與AN和A1有關(guān)用以下兩個假定來估計各板的流率和溫度(A) 各板的吸收率相同，即塔內(nèi)任意相鄰兩板的氣相流率的比值相等。(B) 塔內(nèi)的溫度變化與吸收量成正比 即有效吸收因子

17、法計算的步驟（1）用平均吸收因子法粗算，初算v1和lN。（2）用熱量衡算確定塔底吸收液的溫度 設(shè)定塔頂板的溫度 ，按全塔熱量衡算確定（3）估計L1、VN和 （4）計算各組分在塔頂板和底板條件下的吸收因子；（5）由下兩式求有效吸收因子的值； （6）由圖4-12確定吸收率；（7）作物料衡算求尾氣吸收液的組成，校核全部假設(shè)，直到相符為止。4.3.3.解吸因子法4.3.3.1.方法解吸（蒸出）的條件： （1）加熱 ； （2）減壓 ； （3）惰性氣體解吸 ； （4） 提餾的方法：吹氣使 ，加熱 4.3.3.2.解吸過程計算（蒸出因子法） （1）計算公式 類似吸收過程NN-1n+1 nn-121蒸出氣V

18、N吸收液LN+1蒸出劑V1吸收劑L1（2）方法 由操作溫度確定各組分的K值； 由分離要求確定解吸率（相對解吸率）C關(guān)0，N時，C關(guān)0S關(guān)m； 由 ； 由 （吸收1.22.0倍）；求出各組分被解吸的量。 由 求各組分的Si值； 由C0關(guān)、S關(guān)用 或圖（4-12）求出N值；由N和各組分的Si值由 求出C0i值；4.4 化學(xué)吸收雙膜理論：汽相主體液相主體AiPAiy或AiCAix或傳質(zhì)方向氣體界面液體 被溶解組分與吸收劑中活性組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溶質(zhì)A在液膜中為反應(yīng)所消耗，傳質(zhì)推動力：CAi-CAL優(yōu)點： 1.吸收容量大 2.吸收率高；設(shè)備投資少 3.蒸出不完全（可逆反應(yīng)）4.4.1 化學(xué)吸收類型和增

19、強因子4.4.1.1化學(xué)吸收的類型(1)慢速反應(yīng)通過液膜擴散時來不及反應(yīng)便進入氣相主體，反應(yīng)主要在液相主體中進行。AiCAiP界面氣膜液膜ALC（2）中速反應(yīng)邊擴散、邊反應(yīng)，反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)上完成。AiCAiP界面氣膜液膜反應(yīng)區(qū)ALC（3）快速反應(yīng)邊擴散、邊反應(yīng)，反應(yīng)在反應(yīng)區(qū)上完成。AiCAiP界面氣膜液膜反應(yīng)區(qū)AANr（4）瞬時反應(yīng)AiC反應(yīng)面AiP界面氣膜液膜 反應(yīng)在反應(yīng)面上完成。AANr4.4.1.2 化學(xué)吸收的增強因子 吸收中化學(xué)反應(yīng)存在從推動力和液相傳質(zhì)分系數(shù)兩個方面影響液相傳質(zhì)速率。引入增強因子E反映諸因素對液相傳質(zhì)分系數(shù)kL的影響。0LLkkE=增強因子：二個極端情況：a.慢速反應(yīng)b. 瞬時可逆反應(yīng)c. 對于快速和中速反應(yīng) 對快速和中速反應(yīng)，kL既與反應(yīng)速率有關(guān)，也與傳質(zhì)速率有關(guān)。E可表示為兩個無因次參數(shù)的函數(shù)。 （1）八田數(shù)（Hatta number)（2）濃度-擴散參數(shù)Ha值越大，膜內(nèi)反應(yīng)量越大，Ha0，為物理吸收。4.4.2化學(xué)吸收速率4.4.2.1 膜模型的反應(yīng)-擴散方程ZCA液膜CALd4.4.2.2一級不可逆反應(yīng)（1） 快速反應(yīng)AAiANcDk施均不能提