第四章 吸收操作技术

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。第四章吸收操作技术化工单元操作技术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化工单元操作技术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第四章吸收操作技术化工单元操作技术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第四章吸收操作技术化工单元操作技术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；第四章吸收操作技术化工单元操作技术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第四章吸收操作技术化工单元操作技术（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第四章吸收操作技术化工单元操作技术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/34.单位堆积体积的填料数目填料尺寸，数目填料特性第四章吸收操作技术化工单元操作技术实体填料第四章吸收操作技术化工单元操作技术网状填料第四章吸收操作技术化工单元操作技术填料塔的附件填料支承装置填料压紧装置第四章吸收操作技术化工单元操作技术液体的分布装置液体再分布装置填料塔的附件第四章吸收操作技术化工单元操作技术填料塔的附件除沫装置第四章吸收操作技术化工单元操作技术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。第四章吸收操作技术化工单元操作技术线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，液体量大第四章吸收操作技术化工单元操作技术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:第四章吸收操作技术化工单元操作技术u增大到uF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uL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.第四章吸收操作技术化工单元操作技术求泛点气速;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第四章吸收操作技术化工单元操作技术填料塔液泛与持液量第四章吸收操作技术化工单元操作技术填料塔正常操作第四章吸收操作技术化工单元操作技术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四章吸收操作技术化工单元操作技术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第四章吸收操作技术化工单元操作技术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*=ExT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:第四章吸收操作技术化工单元操作技术p*=c/Hy*=mx亨利定律的不同表达形式H：溶解度系数，单位kmol/(kN·m)，H=/Emsm:相平衡常数第四章吸收操作技术化工单元操作技术XXxXmmXY1,)1(1*亨利定律的不同表达形式Y*=mX第四章吸收操作技术化工单元操作技术x=0.1y=0.05y*=0.1×0.94=0.094y解吸x*=0.05/0.94=0.053x解吸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=0.047y吸收x*=0.1/0.94=0.106x吸收第四章吸收操作技术化工单元操作技术2、计算过程推动力吸收塔VY1LX1VY2LX2相平衡与吸收的关系(X,Y)X*-XY-Y*(X`,Y`)XYXYY*X*Y`*X`Y`X`*Y`*-YX`-X`*第四章吸收操作技术化工单元操作技术3、判断过程进行极限吸收塔VY1LX1VY2LX2相平衡与吸收的关系设塔足够高，则：L减小，X1增大，X1max=X1*=Y1/m;L增大，Y2减小，Y2min=Y2*=mX2第四章吸收操作技术化工单元操作技术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。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)dzdCDJAABA吸收传质机理（一）传质基本方式1、分子扩散菲克定律：第四章吸收操作技术化工单元操作技术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。第四章吸收操作技术化工单元操作技术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。第四章吸收操作技术化工单元操作技术kG: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/kG:与推动力p-pi相对应的气膜阻力吸收速率方程1、气膜吸收速率方程NA=kg（p-pi）第四章吸收操作技术化工单元操作技术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。NA=ky（y-yi）气膜吸收速率方程第四章吸收操作技术化工单元操作技术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。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。吸收速率方程2、液膜吸收速率方程NA=kL（ci-c）NA=kx（xi-x）第四章吸收操作技术化工单元操作技术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LGAALAiLAiLAiGiAAHkkppHkppHkHcHckcckppN111111***ppKNGAKG:气相吸收总系数,单位kmol/（m2·s·kPa）吸收速率方程第四章吸收操作技术化工单元操作技术（2）以(c*-c)表示总推动力的总吸收速率方程LGAAGiAGiALAiGiAAkkHcckHcckHHpHpkcckppN111**ccKNLA*KL:液相吸收总系数，单位m/s，KG=H·KL同理可有：XXKNXA**YYKNYA总吸收速率方程第四章吸收操作技术化工单元操作技术对于易溶气体，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，二氧化碳等第四章吸收操作技术化工单元操作技术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化工单元操作技术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四章吸收操作技术化工单元操作技术（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:第四章吸收操作技术化工单元操作技术VY1+LX2=VY2+LX12、吸收操作线吸收塔VY1LX1VY2LX2吸收塔的物料衡算与操作线方程1、物料衡算V(Y1-Y2)=L(X1-X2)Y2=Y1(1-A)或第四章吸收操作技术化工单元操作技术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第四章吸收操作技术化工单元操作技术uVDs4VS---操作条件下混合气体的体积流量m3/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第四章吸收操作技术化工单元操作技术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0.2~1.0m/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Umin=（LW）min第四章吸收操作技术化工单元操作技术（LW）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LW:LW=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。第四章吸收操作技术化工单元操作技术dzNdANdGAAXXKYYKNXYA**dzXXKLdXdGdzYYKVdYdGXY)()(**吸收塔VY1LX1VY2LX2填料层高度的计算1、基本计算式第四章吸收操作技术化工单元操作技术将两式从塔顶至塔底积分，得：OLOLXXXOGOGYYYNHXXdXKLzNHYYdYKVz1212**填料层高度的计算第四章吸收操作技术化工单元操作技术12*YYOGYYdYNYOGKVH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