吸收剂的选择

关于吸收剂的选择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。

吸收塔混合气体溶液尾气吸收剂第2页,共58页，2024年2月25日，星期天一、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。第3页,共58页，2024年2月25日，星期天二、工业吸收过程必须解决问题：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。吸收塔解吸塔第4页,共58页，2024年2月25日，星期天三、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5页,共58页，2024年2月25日，星期天第二节传质机理一、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。第6页,共58页，2024年2月25日，星期天2、质量浓度和摩尔浓度定义：关系：第7页,共58页，2024年2月25日，星期天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。换算关系第8页,共58页，2024年2月25日，星期天4、气体混合物第9页,共58页，2024年2月25日，星期天二、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)第10页,共58页，2024年2月25日，星期天（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第11页,共58页，2024年2月25日，星期天（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。第12页,共58页，2024年2月25日，星期天（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。第13页,共58页，2024年2月25日，星期天（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。故该理论又称为双膜阻力理论。第14页,共58页，2024年2月25日，星期天一、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p

A,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第15页,共58页，2024年2月25日，星期天二、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正比,这就是亨利定律。其表达式为:p*=ExE: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。第16页,共58页，2024年2月25日，星期天亨利定律的不同表达形式：

p*=c/HH:溶解度系数,单位:kmol/(kN·m)H=

/Emsy*=mxm:相平衡常数总压P一定时y*=p*/P=(E/P)x=mxm=E/PT

p

m

溶解度

第17页,共58页，2024年2月25日，星期天y*=mx亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X=1则

Y*=mX第18页,共58页，2024年2月25日，星期天二、相平衡与吸收的关系1、判断过程进行方向

x=0.05y=0.1y*=0.94xy*=0.94×0.05=0.047>y吸收

x*=0.1/0.94=0.106>x吸收

x=0.1y=0.05y*=0.1×0.94=0.094>y解吸

x*=0.05/0.94=0.053<x解吸第19页,共58页，2024年2月25日，星期天2、计算过程推动力吸收塔VY1LX1VY2LX2(X,Y)X*-XY-Y*(X`,Y`)XYXYY*X*Y`*X`Y`X`*Y`*-YX`-X`*第20页,共58页，2024年2月25日，星期天3、判断过程进行极限吸收塔VY1LX1VY2LX2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21页,共58页，2024年2月25日，星期天第四节吸收速率一、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第22页,共58页，2024年2月25日，星期天二、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第23页,共58页，2024年2月25日，星期天

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/（m2·s·kPa）第24页,共58页，2024年2月25日，星期天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/sKG=H·KL同理可有：第25页,共58页，2024年2月25日，星期天3、气膜控制与掖膜控制对于易溶气体,H很大,1/kG>>1/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/kG<<1/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,二氧化碳等第26页,共58页，2024年2月25日，星期天四、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27页,共58页，2024年2月25日，星期天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）塔径的计算第28页,共58页，2024年2月25日，星期天一、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、吸收操作线吸收塔VY1LX1VY2LX2第29页,共58页，2024年2月25日，星期天二、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第30页,共58页，2024年2月25日，星期天四、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：吸收塔VY1LX1VY2LX2第31页,共58页，2024年2月25日，星期天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。第32页,共58页，2024年2月25日，星期天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元数式，积分得到：称为“脱吸因数”，无因次。第33页,共58页，2024年2月25日，星期天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=0.7～0.8之间。第34页,共58页，2024年2月25日，星期天（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。第35页,共58页，2024年2月25日，星期天（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,与操作线ii选点,列表

iii作Y—1/（Y-Y*）图iv求面积第36页,共58页，2024年2月25日，星期天五、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YX第37页,共58页，2024年2月25日，星期天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。A≠1

若A=1第38页,共58页，2024年2月25日，星期天对比NOG与N:即NOG=N第39页,共58页，2024年2月25日，星期天七、解吸塔的计算解吸塔VY2LX2VY1LX1推动力＝Y*-Y=X-X*全塔物料衡算：VB(Y1-Y2)=Ls(X1-X2)操作线方程：第40页,共58页，2024年2月25日，星期天1、解吸气体用量的计算一般LS,X1,Y2,X2一定，VB↓,LS/VB↑,Y1↑.Y2X2Y2X1Y1*第41页,共58页，2024年2月25日，星期天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42页,共58页，2024年2月25日，星期天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43页,共58页，2024年2月25日，星期天第七节填料塔7－1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、填料第44页,共58页，2024年2月25日，星期天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第45页,共58页，2024年2月25日，星期天填料的种类：1、实体填料第46页,共58页，2024年2月25日，星期天2、网状填料第47页,共58页，2024年2月25日，星期天三、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器第48页,共58页，2024年2月25日，星期天7－2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,液体量大第49页,共58页，2024年2月25日，星期天以线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。第50页,共58页，2024年2月25日，星期天载点（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.第51页,共58页，2024年2月25日，星期天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第52页,共58页，2024年2月25日，星期天三泛点气速用图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第53页,共58页，2024年2月25日，星期天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