吸收操作

,第四章 吸收操作技术,化工单元操作技术,知识目标,理解吸收单元操作基本概念、吸收传质机理、相平衡,与吸收的关系；,了解吸收剂用量、填料层高度、塔径的计算；,了解吸收装置的结构和特点。,能力目标,能正确选择吸收操作的条件，对吸收过程进行正确的,调节控制,;,掌握典型吸收装置的正常开停车和事故处理。,第四章 吸收操作技术,第三节 吸收计算,第一节 吸收塔的结构及应用,第二节 吸收基础知识,第四节 吸收塔的操作,第一节 吸收塔的结构及应用,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,有选择地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。,吸收塔,混合气体,溶液,尾气,吸收剂,吸收的定义,3,、吸收剂的再生循环使用。,吸收塔,解吸塔,工业吸收过程,必须解决的问题：,1,、选择合适的吸收剂；,2,、提供合适的气液传质设备；,净化或精制气体,制备某种气体的溶液,回收混合气体中的有用组分,废气治理，保护环境,吸收在工业生产中的应用,（,1,）结构简单，便于安装，小直径的填料塔造价低。,（,2,）压力降较小，适合减压操作，且能耗低。,（,3,）分离效率高，用于难分离的混合物，塔高较低。,（,4,）适于易起泡物系的分离，因为填料对泡沫有限制和破碎作用。,（,5,）适用于腐蚀性介质，因为可采用不同材质的耐腐蚀填料。,（,6,）适用于热敏性物料，因为填料塔持液量低，物料在塔内停留时,间短。,（,7,）操作弹性较小，对液体负荷的变化特别敏感。当液体负荷较小,时，填料表面不能和好地润湿，传质效果急剧下降；当液体负,荷过大时，则易产生液泛。,（,8,）不宜处理易聚合或含有固体颗粒的物料。,填料塔的结构与特点,1.,比表面积,单位体积填料层所具有的表面积,2.,空隙率,单位体积填料层所具有的空隙体积,3.,填料因子,有液体喷淋条件下实测的,/,3,4.,单位堆积体积的填料数目,填料尺寸,， 数目,填料特性,实体填料,网状填料,填料塔的附件,填料支承装置,填料压紧装置,液体的分布装置,液体再分布装置,填料塔的附件,填料塔的附件,除沫装置,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,厚度,，,填料内的持液量,。,填料塔的流体力学性能,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。,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,气体通过填料层的压力降,线,B:,有液体喷淋，液体量小,线,C:,有液体喷淋，液体量大,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,u,L,以后：线斜率增大，上升气流开始阻碍液体顺利下流，,P,u,大于,u,F,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。,气体通过填料层的压力降,以线,B,为例,:,u,增大到,u,F,以后，,P,与,u,成垂直关系，上升气体阻止液体下流使液体,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,出塔顶的现象称液泛，,F,点称为泛点。,载点与泛点,载点（,L,点）,:,空塔气速,u,增大到,u,L,以后，上升气流与下降液体间的摩擦力使填料表面,持液量增多，气体实际速度与空塔气速的比值显著提高，压力降比以,前增加得快的现象称载液，,L,点称为载点。,泛点（,F,点）,:,目前一般认为填料塔的正常操作状态只到泛点为止,.,求泛点气速,;,根据工艺规定的允许压降值计算空塔气速，或根据选定的空塔气速计算压降。,埃克特通用关联图的应用,填料塔液泛与持液量,填料塔正常操作,第四章 吸收操作技术,第三节 吸收计算,第一节 吸收塔的结构及应用,第二节 吸收基础知识,第四节 吸收塔的操作,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,吸收操作的分类,本章主要讨论低浓度单组分等温的物理吸收,E:,亨利系数，由实验测定，单位与压强单位一致。,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正比。,p,*,=Ex,T,E,溶解度,同一溶剂中，难溶气体的,E,值很大，易溶气体的,E,值则很小。,表达式为,:,p,*,=c/H,y,*,=,mx,亨利定律的不同表达形式,H,：,溶解度系数，单位,kmol/(kN,m),，,H=,/Em,s,m:,相平衡常数,亨利定律的不同表达形式,Y,*,=,mX,x=0.1 y=0.05,y*=0.10.94=0.094 y,解吸,x*=0.05/0.94=0.053 y,吸收,x*=0.1/0.94=0.106 x,吸收,2,、计算过程推动力,吸收塔,V Y,1,L X,1,V Y,2,L X,2,相平衡与吸收的关系,(X,Y),X*-X,Y-Y*,(X,Y),X,Y,X,Y,Y*,X*,Y*,X,Y,X*,Y*-Y,X-X*,3,、判断过程进行极限,吸收塔,V Y,1,L X,1,V Y,2,L X,2,相平衡与吸收的关系,设塔足够高，则,：,L,减小，,X,1,增大，,X,1max,=X,1,*=Y,1,/m;,L,增大，,Y,2,减小，,Y,2min,=Y,2,*=mX,2,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，可由菲克定律描述。,D,AB,:,扩散系数,m,2,/s,；,dC,A,/dz,:,物质,A,的浓度梯度,kmol/m,4,;,J,A,:,分子扩散通量，,kmol/(m,2,s),吸收传质机理,（一）传质基本方式,1,、分子扩散,菲克定律：,凭藉流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。,发生在流动着的流体与相界面之间的传质过程。,传质基本方式,2,、涡流扩散,3,、对流传质,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。,1.,气液两流体相接触处为相界面，其两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜，可以认为它们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。,吸收传质机理,（二）,双膜理论,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。故该理论又称为双膜阻力理论。,k,G,:,气膜吸收系数，单位,kmol/kN,s,。,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/k,G,:,与推动力,p-p,i,相对应的气膜阻力,吸收速率方程,1,、 气膜吸收速率方程,N,A,=k,g,（p-p,i,）,k,y,:,气膜吸收系数，单位,kmol/(m,2,s),；,1/k,y,:,与推动力,y-y,i,相对应的气膜阻力 。,N,A,=,k,y,（,y-y,i,）,气膜吸收速率方程,k,L,:,液膜吸收系数，单位,m/s,；,1/k,L,:,与推动力（,c,i,-c,）,相对应的液膜阻力。,k,x,:,液膜吸收系数，单位,kmol/(m,2,s),；,1/k,L,:,与推动力（,x,i,-x,）,相对应的液膜阻力。,吸收速率方程,2,、液膜吸收速率方程,N,A,=,k,L,（,c,i,-c,）,N,A,=,k,x,（,x,i,-x,）,3,、总吸收速率方程,（,1,）以（,p-p*,）,表示总推动力的吸收速率方程,K,G,:,气相吸收总系数,单位,kmol,/,（,m,2,s,kP,a,）,吸收速率方程,（,2,）,以,(c*-c),表示总推动力的总吸收速率方程,K,L,:,液相吸收总系数，单位,m/s,，,K,G,=H,K,L,同理可有：,总吸收速率方程,对于易溶气体，吸收阻力主要集中在气膜中，这种吸收称为气膜控制。,对于难溶气体，吸收阻力主要集中在液膜，这种吸收称为液膜控制。,传质阻力的控制,例如,:,用水吸收氨，氯化氢气体,例如,:,用水吸收氧气，二氧化碳等,溶解度,:,溶解度越大，吸收速率越大，吸收剂用量越越少。,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。,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。,粘 度：粘度越小，流动性越好，吸收速率越大，泵的功耗越小，,且传质阻力减小。,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。,吸收剂的选择,对,吸收剂的要求：,第四章 吸收操作技术,第三节 吸收计算,第一节 吸收塔的结构及应用,第二节 吸收基础知识,第四节 吸收塔的操作,（,1,） 吸收剂用量的计算,（,2,） 塔底排除液浓度的计算,（,3,） 填料层高度的计算,（,4,） 塔径的计算,吸收塔的设计计算,主要计算任务,:,VY,1,+LX,2,=VY,2,+LX,1,2,、,吸收操作线,吸收塔,V Y,1,L X,1,V Y,2,L X,2,吸收塔的物料衡算与操作线方程,1,、物料衡算,V(Y,1,-Y,2,)=L(X,1,-X,2,),Y,2,=Y,1,(1-,A,),或,1,、,吸收剂用量的影响,吸收剂用量的确定,2,、,最小液气比和液气比,V,S,-,操作条件下混合气体的体积流量,m,3,/s,，,由生产条件决定,u-,空塔气速,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，,在设计时规定,吸收塔塔径的计算,适宜空塔气速与泛点气速之比。,吸收塔塔径的计算,泛点率,:,u,适宜,=,（,50,80,）,u,泛点,一般填料塔的操作气速大致在,0.21.0m/s,。,此法算出的塔径还需调整，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,U,min,=,（,L,W,）,min,（,L,W,）,min,可由经验公式计算，也可采用一些经验值。,指塔的横截面上，单位长度的填料周边上，液体的体积流量,润湿率,L,W,:,L,W,=U/,吸收塔塔径的计算,为保证填料均匀润湿，避免壁流现象，需要对塔径与填料直径之比作校和。,吸收塔,V Y,1,L X,1,V Y,2,L X,2,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：,填料层高度的计算,气相总传质单元数，无单位。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。,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。,传质单元高度与传质单元数,适用范围：,平衡关系为,Y,*,=,mX,，,符合亨利定律,称为“脱吸因数” 。,传质单元数的计算,（,1,）解析法,将相平衡关系、操作线方程代入传质单元数式，积分得到：,反映吸收率的高低对传质单元数的影响。,S,反映吸收推动力的大小。,传质单元数的计算,适用范围：,平衡线为直线,或在吸收操作范围内近似为直线,.,传质单元数的计算,（,2,）对数平均推动力法,（,1,）陶瓷填料,（,2,）金属填料,（,3,）塑料填料,填料塔的设计原则,（一）填料的选择,1,填料种类的选择,2,填料规格的选择,3,填料材质的选择,（,1,）填料的传质效率,（,2,）填料的通量,（,3,）填料层的压降,（,4,）填料的使用性能 即填料的抗污垢、堵塞性能及是否方便拆装与检修。,填料塔的设计原则,（二）填料塔的工艺尺寸计算原则,（三）填料层压降的计算,1,塔径计算,2,填料层高度计算,根据填料填充类型采用计算方法不同。,散装填料压降可从有关填料手册中的实测数据查取，也可由埃克特,通用关联图来计算。,整装填料可通过关联公式计算，也可查填料手册,填料塔的设计原则,包括塔体设计及塔内件设计两部分。参考有关专业书籍。,（四）填料塔结构设计,填料塔可广泛地应用于吸收、萃取、精馏等单元操作过程中，各种单元操作,中填料塔的设计方法有所不同，上述设计过程只是一般原则,.,第四章 吸收操作技术,第三节 吸收计算,第一节 吸收塔的结构及应用,第二节 吸收基础知识,第四节 吸收塔的操作,吸收温度对塔的吸收率影响很大。,吸收剂的温度降低，气体的溶解度增大，溶解度系数增大。,工艺操作指标的调节,1,温度,2,压力,提高操作压力，可以提高混合气体中溶质组分的分压，增大,吸收的推动力，有利于气体吸收。但压力过高，操作难度和,生产费用会增大，因此，吸收一般在常压下操作。,稳定操作中，气速不大时,，,液体作层流流动，流体阻力小，吸收速率低；当气速增大流体为湍流流动时，气膜变薄，气膜阻力减小，吸收速率增大；当气速增大到液泛速度时，液体不能顺畅向下流动，造成雾沫夹带，甚至造成液泛现象。,工艺操作指标的调节,3,气体流量,改变吸收剂用量是吸收过程最常用的方法。当气体流量一定时，增大吸收剂流量，吸收速率增大，溶质吸收量增加，气体的出口浓度减小，回收率增大。,工艺操作指标的调节,4,吸收剂用量,想一想,:,液气比的影响,吸收剂入塔浓度升高，使塔内的吸收推动力减小，气体出口浓度,Y,2,升高。吸收剂的再循环会使吸收剂入塔浓度提高，对吸收过程不利。但有时采用吸收剂再循环可能有利，某些有显著热效应的吸收过程，吸收剂经塔外冷却后再循环可降低吸收剂的温度，相平衡常数减小，全塔吸收推动力有所提高，吸收效果好。,工艺操作指标的调节,5,吸收剂入塔浓度,X,2,吸收塔开车时应先进吸收剂，待其流量稳定后，再将混合气体送入塔中；,开停车操作,停车时应先停混合气体，再停吸收剂，长期不操作时应将塔内液体卸空。,操作过程中注意维持塔内的温度、压力、气液流量稳定，维,持塔釜恒定的液封高度。,