模块八吸收ppt.ppt
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1、化工单元操作教学课件,制作:何灏彦,吸收是利用混合气中各组分在液体中的溶解度不同而将气体混合物分离的单元操作. 一、吸收操作过程,模块八 吸收,任务一 了解吸收过程及其应用,名 称 吸收剂或溶剂S :吸收塔顶喷淋所用的液体; 吸收质或溶质A:混合气体中,能够溶解于液体的组分; 惰性气B:不能溶解的组分; 吸收尾气:吸收塔顶排出的气体,其主要成分是惰性气B,还含有残余的溶质A; 吸收液:吸收塔底引出的溶液,其成分是溶剂S和溶质A。,流程图,二、吸收在化工生产中的应用 原料气的净化 有用组分的回收 某些产品的制取 废气的治理 三、吸收操作的分类 1. 单组分吸收和多组分吸收 2. 等温吸收和非等温
2、吸收 3. 物理吸收和化学吸收 4. 低浓度吸收和高浓度吸收 本模块只重点讨论低浓度、单组分、等温、物理吸收过程。 四、吸收剂的选择 溶解度大 选择性好 挥发度低 再生易 黏性低 其它安全环保、价廉,任务二 认知吸收设备,一、填料塔的构造 1.填料层 提供气液接触的场所。 2.液体(再)分布器 均匀分布液体,以避免发生沟流、壁流现象。 3.支撑板 支撑填料层,使气体均匀分布。 4.除沫器 防止塔顶气体出口处夹带液体。,二、填料的类型,材料:陶瓷、金属、塑料 堆放:整砌、乱堆,环形 (拉西环、鲍尔环、阶梯环) 形状:鞍形 (矩鞍形、弧鞍形) 波纹形(板波纹、网状波纹),拉西环,鲍尔环,阶梯环,环
3、,板波纹,丝网波纹,鞍形环,槽式液体分布器,三、填料作用及特性,1.填料作用 (1)提供气液接触面; (2)强化气体湍动,降低气相传质阻力; (3)更新液膜表面,降低液相传质阻力。,2.填料特性 (1)比表面积 a 单位堆积体积所具有的表面积,m2/m3、1/m。,(2)空隙率 单位体积填料中所具有的空隙体积 ,m3/m3。,(3)干填料因子 与(湿)填料因子 填料未被液体润湿时的值称为干填料因子,它反映填料的几何特性;填料被液体润湿后,填料表面覆盖了一层液膜,a和均发生相应的变化,此时的值称为湿填料因子,它表示填料的流体力学性能。,四、填料塔的流体力学性能,L载点 F泛点,(一)填料层的持液
4、量 适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的,但持液量过大,将减少填料层的空隙和气相流通截面,使压降增大,处理能力下降。 (二)填料层的压降 L,空隙率,气体流通通道减小,同一气速下,喷淋密度大,压降大。,2.载液区 L点以上,u大,阻碍液体顺畅下流,持液量 增加,此为拦液现象,出现拦液现象时的气速为载点气速。,1.恒持液量区 持液量:单位体积填料层内持有的液体体积。 L点以下, u小,气液流动几乎与气速无关,持液量不变。,3.液泛区 u,液体在塔内积累而发生液泛,此时的气速称泛点气速。 斜率急剧增加,使填料塔不能正常操作。,(三)液泛 在泛点气速下,持液量的增多使液相由分散相变为连续相
5、,而气相则由连续相变为分散相,此时气体呈气泡形式通过液层,气流出现脉动,液体被大量带出塔顶,此种情况称为淹塔或液泛。 (四)液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。 液体喷淋密度是指单位塔截面积上,单位时间内喷淋的液体体积,以U表示,单位为m3/(m2h)。 最小喷淋密度,实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小,可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量,以保证填料表面的充分润湿;也可采用减小塔径予以补偿;对于金属、塑料材质的填料,可采用表面处理方法,改善其表面的润湿性能。 (五)返混 在填料塔内,气液两相的逆流
6、并不呈理想的活塞流状态,而是存在着不同程度的返混。造成返混现象的原因很多,如:填料层内的气液分布不均;气体和液体在填料层内的沟流;液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动;塔内气液的湍流脉动使气液微团停留时间不一致等。 返混使得传质平均推动力变小,传质效率降低。,五、填料塔的附件,填料支承装置,液体分布装置,2.摩尔分数 xA=nA/n xB=nB/n xA+ xB=1,(一)相组成表示法(A+B混合物),1.质量分数 wA=mA/m wB=mB/m wA+wB=1,一、吸收的气液相平衡,任务三 获取吸收知识,由质量分数 求摩尔分数:,两者的关系 由摩尔分数 求质量分数:,气体混合物的 相组
7、成,3.摩尔比: 用X或Y表示 (1)液相:,(2)气相:,(二)相平衡关系 1. 气体在液体中的溶解度 混合气体和溶剂在一定温度和压力下,经长期充分接触后,达到一种动态平衡,即:吸收速率=解吸速率。这种状态被称为气液相平衡。,平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压,而液相中溶质的浓度称气体在液体中的溶解度。 加压和降温可提高溶质在液相中的溶解度,对吸收操作有利;反之,升温和减压则对解吸收操作有利。,2. 亨利定律,吸收平衡线,对很稀的溶液,例8-3 在总压101.3kPa及30下,氨在水中的溶解度为1.72g (NH3)/100g(H2O)。若氨水的气液平衡关系符合亨利定律,相平衡常数为0.
8、764,试求气相中氨的摩尔比。 解:,(三)相平衡在吸收过程的应用:,1.过程方向的判定:,当YY或XX时,进行解吸过程; 当Y=Y或X=X时,两相处于平衡状态。,2.确定吸收推动力,吸收推动力可用气相浓度差表示,即Y=Y-Y; 也可用液相浓度差表示,即X=X-X,平衡是过程的极限,只有不平衡的两相互相接触才会发生气体的吸收或解吸。因此,实际浓度偏离平衡浓度越远,过程推动力越大,过程的速率也越快。,3.确定过程的极限:,吸收塔,混合气体, p1,尾气, p2,min,液体, x2,出塔气体浓度最低值:p2,min,离塔液体浓度最高值:x1,max,P2,min =E x2,液体, x1,max
9、,实际生产中:,p2 p2,min x1 x1,max,受相平衡关系的限制,例8-4 某逆流接触的填料塔塔底排出液中含溶质x=0.0002,进口气体中含溶质2.5%(体积),操作压强为1atm。气液平衡关系为Y =50X。问该塔内进行的是吸收过程还是解吸过程?塔底推动力为多少? 解:,二、吸收的传质机理 (一)物质传递的基本方式,分子扩散(靠分子运动):静止、层流 流体内部存在某一组分的浓度差,分子的微观运动使组分由浓度高处传递至浓度较低处。,对流扩散:湍流 物质通过湍流流体的转移,扩散物质不仅靠分子本身的扩散作用,并且借助于湍流流体的携带作用而转移,而且后一种作用是主要的。,对流传质的速率
10、分子扩散的速率,(二)吸收过程的机理 双膜理论论点: 气液两相接触时,两相间有一稳定相界面,两侧分别存在着呈层流的稳定膜层气膜和液膜,溶质必须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层。(膜层厚度随流速而定) 相界面上气液两相互为平衡。 膜层以外的主体内,由于湍流而使溶质浓度均匀,浓度梯度(即传质阻力)全部集中在两个膜层内。,通过上述三个假定,吸收过程简化成为经过气液两膜的分子扩散过程,吸收过程的主要阻力集中于这两层膜中,膜层之外的阻力忽略不计,吸收过程的推动力主要来源于气相的分压差和液相的浓度差。 双膜理论对于那些具有固定传质界面的系统且两流体流速不高的吸收过程,具有重要的指导意义。对于具有自由相界
11、面的系统,尤其是高度湍动的两流体间的传质,双膜理论表现出它的局限性。故继双膜理论之后,又相继提出了一些新的理论,如表面更新理论、溶质渗透理论、滞流边界层理论及界面动力状态理论等。,三、吸收速率方程 (一) 吸收速率方程式,1.气相与界面的传质速率,2.液相与界面的传质速率,3.吸收总传质速率方程:,进一步推导可知:,进一步推导可知:,对易溶气体, m很小,则1/kym/kx,Kyky,气膜阻力远大于液膜阻力,称为气膜控制过程。增加气相流率 Ky增大。如水吸收NH3或HCl) 对难溶气体, m很大,则1/kx1/ (m ky),Kxkx,液相阻力远大于气膜阻力,称为液膜控制过程。 (如水吸收O2
12、.Cl2或CO2) 对中等溶解度的气体吸收,当汽、液两相的传质阻力具有相近的数量级,两者都不能忽略,总传质速率由双膜控制。 如水吸收SO2),(二)传质阻力控制,四、吸收塔的计算,V惰性气体的摩尔流率,kmol/h; Y1 气体入口浓度(摩尔比); Y2 气体出口浓度(摩尔比); L 液体的摩尔流率,kmol/h; X2 液体入口浓度(摩尔比); X1 液体出口浓度(摩尔比)。,前提条件:惰性气体气体和吸收剂的量不变化,(一)全塔物料衡算,单位时间气体释放的溶质的量: V ( Y1 Y2 ),单位时间液体吸收的溶质的量: L ( X1 X2 ), V( Y1 Y2 ) = L ( X1 X2
13、)=GA,吸收率,(二) 塔内任一截面与塔底、塔顶间的物料衡算,在任一截面 m-n 与塔底间作物料衡算:,V( 1 ) = L ( X1 X ),表明:稳定操作时,任意截面上的 YX 呈线性关系,上式称为吸收塔的操作线方程 ,操作线的斜率LV称为“液气比”。,LX + VY = LX1 + VY1,图8-15 逆流吸收塔的操作线,例8-5 填料吸收塔从空气丙酮的混合气中回收丙酮,用水作吸收剂。已知混合气入塔时丙酮蒸气体积分数为6%,所处理的混合气量为1400m3/h,操作温度为293K,压力为101.3kPa,要求丙酮的回收率为98%,吸收剂的用量为154kmol/h,试问吸收塔底出口液组成为
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