第五章 吸收.ppt

2020 2 18 1 第五章吸收 本章重点 填料吸收塔的工艺计算 2020 2 18 2 吸收主要内容 第一节概述第二节气液相平衡第三节吸收过程的速率第四节吸收塔的计算第五节填料塔 2020 2 18 3 第一节概述 吸收 利用气体中各组分在液相中溶解的差异而分离气体混合的操作称为吸收 所用液体称为吸收剂 或溶剂 气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质 不被溶解的组分称为惰性气体或载体 吸收操作的依据 混合气体中各组分溶解度的不同用吸收操作来进行气体混合物的分离时必须解决以下几方面的问题 1 选择合适的溶剂 2 提供气液接触的场所 传质设备 3 溶剂的再生 2020 2 18 4 吸收的目的 分离和净化原料气 分离和吸收气体中的有用组分 制取液体产品 废气的治理合适溶剂所应具备的条件 对被吸收的组分要有较大的溶解度 且有较好的选择性 要有较低的蒸气压 以减少吸收过程中溶剂的挥发损失 要有较好的化学稳定性 以免使用过程中变质 腐蚀性要小 以减小设备费用和维修费 5吸收后的溶剂应易于再生 2020 2 18 5 吸收的分类物理吸收 溶质不与溶剂发生明显的化学反应化学吸收 溶质与溶剂发生明显的化学反应单组分吸收 混合气中只有一个组分被吸收多组分吸收 混合气体中有两个或多个组分被吸收等温吸收 在吸收的过程中 温度变化很小非等温吸收 吸收过程中温度发生显著地变化本章重点 单组分等温物理吸收 2020 2 18 6 5 气体在液体中的溶解度在一定温度和压力下 气液两相接触时将发生溶质气体向液相转移 使其在液相中的浓度增加 当长期充分接触后 液相中溶质浓度不再增加达到饱和 这时两相达到相平衡 此时 溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度 简称为溶解度 溶解度随温度和溶质气体的分压不同而不同 平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压 溶质组分在两相中的组成服从相平衡关系 加压和降温有利于吸收操作 反之 升温和减压对解吸有利 但加压 减压费用太高一般不采用 第二节气液相平衡 2020 2 18 7 亨利定律一亨利定律当总压不高 一般小于500KPa 时 在一定温度下 稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系 PA E X式中 PA 溶质A在气相中的平衡分压 KPaX 溶质在液相中的摩尔分率 E 享利系数 KPa亨利定律其它几种表达形式 PA CA Hy m xY mXCA 液相中溶质的摩尔浓度 kmol m3 x y X Y 溶质在液相和气相的摩尔分率 摩尔比 2020 2 18 8 亨利定律各系数之间的关系 5 3相平衡与吸收过程的关系不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程是吸收还是解吸 要视溶质在气相中的分压与其液相中的平衡分压间的关系而定 若溶质在气体中得分压大于其液相的平衡分压 就会发生吸收过程 直至达到平衡状态为止 反之 若气相溶质的分压小于其液相的平衡分压 则溶液中的溶质就会解吸出来 重又返回到气相中 过程进行到气液达到平衡状态为止 相平衡指明传质过程的方向 当不平衡的气液两相接触时 溶质是被吸收还是解吸 取决于相平衡关系 2020 2 18 9 第三节吸收过程的速率用液体吸收气体中某一组分 是该组分从气相转移到液相的传质过程 它包括 1 该组分从气相主体传递到气 液两相的界面 2 在相界面上溶解而进入液相 3 从液相一侧界面向液相主体传递 在相内 气相或液相 传质方式包括分子扩散和湍流扩散 分子扩散 当流体内部某一组分存在浓度差时 因微观的分子热运动使组分从浓度高处传递到较低处 这种现象称为分子扩散 湍流扩散 当流体流动或搅拌时 由于流体质点的宏观运动 湍流 使组分从浓度高处向低处移动 这种现象称为湍流扩散 在湍流状态下 流体内部产生旋涡 故又称为涡流扩散 2020 2 18 10 5 4分子扩散与费克定律 A B分子在浓度差的作用下 向低浓区作分子扩散 由于容器中P始终恒定 可知 右移的A分子数 左移的B分子数 这是一个非稳态分子扩散过程 费克定律 JA 组分的扩散速率 kmol m2 s 式中负号表示扩散沿着组分浓度降低的方向进行在等分子反方向扩散时 有 JA JB 2020 2 18 11 5 5等摩尔逆向扩散 等摩尔反向扩散 在等分子反方向扩散的传质过程中 传质速率 扩散通量 5 6组分A通过静止组分B的扩散 单相扩散 2020 2 18 12 5 7分子扩散系数是物性之一 是介质种类 T P及浓度的函数 获取途径 查手册 资料等 P183表5 2 5 3列出了某些组分在空气和水中分子扩散系数 实测 通常组分在气体中的扩散 浓度的影响可以忽略 在液体中的扩散 浓度的影响不可忽略 而压力的影响不显著 5 8单相内对流传质对流传质包括分子扩散和湍流扩散 也称涡流扩散 将全部分压差集中在ZG中 假设其内只有层流 即 全部扩散 D DE 都集中在该ZG层中以分子扩散的形式传质 2020 2 18 13 吸收时 气侧 对流传质 的传质速率为 液侧 5 9两相间传质的双膜理论 相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面 界面两侧各有一层很薄的层流膜 溶质A以分子扩散的方式通两层膜 由气相进入液相主体 在相界面处 气液两相达平衡 在气液两相的主体中 由于流动充分湍动 物质浓度均匀 该理论把气液相际间的阻力全部集中在两个膜层中 2020 2 18 14 5 10总传质速率方程式一 总传质速率方程式NA KG P P P P 1 KG NA KL C C C C 1 KL 二 吸收总系数与两相分系数的关系若物系服从亨利定律1 KG 1 kG 1 H k L RG RL吸收总阻力1 KG是气膜阻力1 kG与液膜阻力1 H kL两者之和 1 KL 1 kL H kG RL RG 对于易溶气体 其溶解度很大 KG约等于kG 属于气膜控制过程 要提高吸收速率 关键是降低气膜层的厚度 对于难溶气体 其溶解度很低 KL约等于kL 属于液膜控制过程 要提高吸收速率 关键是降低液膜厚度 2020 2 18 15 5 11传质速率方程式的各种表示形式在吸收塔的计算中应用最多是以下两种形式NA KY Y Y NA KX X X 吸收塔计算的内容主要是通过物料衡算及操作线方程 确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸 塔径和塔高 5 12物料衡算与操作线方程对全塔来说 气体混合物经过吸收塔后 溶质的减少量等于液相中溶质的增加量 即V Y1 Y2 L X1 X2 操作线方程 第四节吸收塔的计算 2020 2 18 16 5 13吸收剂的用量与最小液气比出塔气体摩尔比Y2的给出形式 1 如果溶质是有害气体 一般直接规定Y2的值 2 如果吸收的目的是回收有用物质 则以回收率的形式给出 Y2 Y1 1 L 1 1 2 Lmin 2020 2 18 17 5 14填料层高度的计算 一 填料层高度的基本计算式 总传质面积 填料层体积 Z 填料层高度计算涉及物料衡算 传质速率和相平衡关系 我们前面介绍的所有传质速率方程都适用于稳定操作的吸收塔中的 某一横截面 而不能用于全塔 2020 2 18 18 微元填料层dZ中的吸收速率方程式 分别整理二式并积分得到 二 传质单元高度与传质单元数 HOG NOG HOL NOL 2020 2 18 19 HOG是设备性能的体现 一般变化幅度不大 NOG反映传质的难易程度 为减少NOG应设法增大推动力 计算填料层高度的关键是如何求算传质单元数三 传质单元数的计算根据气 液平衡关系呈现直线 或操作范围内是直线 曲线的情况 这里介绍三种求解方法 1 图解积分法适用于任何平衡关系 对被积函数取值 首先作出操作线和平衡线 数据处理 图解 2020 2 18 20 2脱吸因数 S 法应用前提是 在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程Y mX b 注 b可以 0或 0 表示的情况 即 2020 2 18 21 吸收因数用A表示A L mVS 1 A定义为脱吸因数 3对数平均推动力法应用前提 在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程Y mX b 注 b可以 0或 0 表示的情况 对于都是直线的平衡线和操作线 它们的差值 Y Y Y 与Y将呈线性关系 2020 2 18 22 5 15吸收塔操作计算所谓吸收塔的操作计算 指填料塔已建成 即填料层的高度是一定的 对于操作中的吸收塔 通常已知V和Y1以及控制目标Y2 或 生产中可调节的变量有温度t 压力P L 或L V 及进口溶液组成X2 如果温度升高 平衡线斜率增大 操作线与平衡线的间的距离变小 推动力变小 同样的塔高将不能完成分离任务 所以出塔气体中溶质的含量将升高 所以说降温对吸收有利 但温度太低流体的粘度大 流动性不好 如果压力P增大 相平衡常数m变小 传质推动力增大 对吸收有利 Y2的值减小 2020 2 18 23 如果L 或L V 增大 传质推动力增大 对吸收有利 Y2的值减小 但解吸的负荷增大 应综合考虑吸收和解吸的成本 如果解吸塔操作不好 可能使进入吸收塔的溶液中溶质的含量增高 即X2增大 操作线下移 传质推动力减小 Y2的值增大 5 16解吸塔的计算的内容自学第五节填料塔填料塔结构简单 压降低 易用耐腐蚀材料制造 是一种重要的气液传质设备 5 17填料塔的结构及填料特性填料塔的塔体为一圆形筒体 筒内分层装有一定高度的填料 自塔上部进入的液体通过分布器均匀喷洒于塔截面上 在填料层内液体沿填料表面呈膜状流下 各层填料之间设有液体再分布器 将液体重新均匀分布 2020 2 18 24 气体自塔下部进入 通过填料缝隙中自由空间 从塔上部排除 离开填料层的气体可能挟带少量雾状液滴 因此有时需要在塔顶安装除沫器 气液两相在填料塔内进行逆流接触传质 如图P206所示 填料塔生产情况的好坏与是否正确选用填料有很大关系 填料按其形状可以分为环形 鞍形 波纹形 P207有各种填料的图示环形填料主要有 拉西环 鲍尔环 阶梯环 鞍形环主要有 矩鞍形 弧鞍形 波纹形主要有 板形波纹 网状波纹 拉西环是最古老最典型的一种填料 形状简单 但阻力大 传质效率低 鞍形填料是一种象马鞍形的敞开式填料 它与鲍尔环都被认为是效率高 阻力小的性能好的工业用填料 2020 2 18 25 金属波纹网填料是六十年代发展起来的一种新型规整填料 填料有平行丝网波纹片垂直组装而成 填料可用陶瓷 金属 朔料等不同材料制成 填料的装填分为乱堆和整砌 乱堆 装卸较方便 压降大 适用于直径50mm以下的填料 整砌 压降小 适用于50mm以上的填料 各种填料性能的好坏是依靠填料特性参数反映 1 填料个数n 指单位体积填料中填料的个数 对于乱堆填料来说是一个统计数字 其值由实测方法求得 n值越大 提供的表面积也越大 对吸收有利 2 比表面积at 指单位体积填料中填料表面积 m2 m3at na a 指一个填料的表面积 空隙率 指干塔状态时单位体积填料所具有的空隙体积 m3 m3 2020 2 18 26 4 干填料因子及填料因子 干填料因子的表达式为at 2 1 m5 18填料塔内气液两相流动特性填料塔内气液两相通常为逆流流动 单位体积填料层中滞留的液体体积称为持液量 液体流量一定时 气体流速 或流量 越大 持液量也越大 则气体通过填料层的压力也越大 为确定塔径 需要选定空塔气速 为确定动力消耗需知道气体的压力降 气体通过填料层的压力降气速较低 填料表面液膜厚 液固间摩擦力和LS 与u几乎无关气速增至一定值后 气液间阻力不容忽视 液膜加厚 出现拦液现象 2020 2 18 27 再增大气速至液体不能顺利下流 此时填料层中的持液量增加迅速 往往可以看到填料层的某个高度上出现 积液层 若此时不增加气速 积液层仍在扩大 则会达到 液泛 液泛时的气速也是最大的极限气速 并由其确定适宜的操作气速 5 19塔径的计算 Vs 在操作条件下混合气体的体积流量 m3 su 混合气体的空塔速度 m s通常u 0 5