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(共56张PPT)
模块六 吸收技术
01
任务一 认识吸收装置
02
任务二 确定吸收操作条件
03
任务三 选择与设计吸收装置
04
任务四 操作吸收装置
05
任务五 综合案例
06
总结与归纳
工业中的应用02任务二 确定吸收操作条件吸收操作是依据气体混合物中各组分在同一溶剂中的溶解度不同而完成分离的，且气体的溶解度是随溶剂的种类、吸收操作压力和操作温度的不同而不同的。吸收的目的即是利用各组分溶解度的不同完成气体净化或制备液体产品，所以影响吸收操作的条件首先是溶剂的类型，其次就是吸收操作压力、吸收温度。为了确定吸收条件，首先必须了解吸收过程中的平衡问题。02任务二 确定吸收操作条件蒸馏与吸收操作对比（1）蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入另一相形成两相系统；（2）蒸馏直接获得轻、重组分，吸收混合液经脱吸才能得到较纯组分；（3）蒸馏中气相中重组分向液相传递，液相中轻组分向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气相向液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于“停滞”状态。02任务二 确定吸收操作条件子任务1判断吸收的方向吸收过程的进行必须采用向气体混合物中喷淋液体溶剂的方式，只有这样混合气体中的溶质因溶解被溶剂吸收进入液相，而惰性组分仍留在气相中，才能完成溶质与惰性组分的分离。随着溶质在溶解过程的进行，液相中溶质越来越多，气相中的溶质越来越少，最终达到两相处于平衡的状态。当溶液的浓度不大时，其气相中的溶质分压与在液相中的平衡浓度成正比，这就是亨利定律。02任务二 确定吸收操作条件一、吸收过程中相组成的表示法吸收过程中，混合物系各组分的组成表示主要有以下几种表示方法：1.摩尔分数摩尔分数：指混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分数。如混合物中A组分摩尔分数为——分别为组分A在液相和气相中的摩尔分数；——气相或液相中组分A的摩尔数，mol；——混合物气相或液相的总摩尔数，mol。02任务二 确定吸收操作条件02任务二 确定吸收操作条件2.摩尔比摩尔比：指混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B（或溶剂S）摩尔数之比。在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比Y（或X）表示组成。02任务二 确定吸收操作条件每1000g水中含有18.7g氨，试计算氨的水溶液的摩尔浓度c、摩尔分率x、及摩尔比X。02任务二 确定吸收操作条件02任务二 确定吸收操作条件二、吸收操作中的相平衡关系吸收过程实质上是溶质组分自气相通过相界面迁移到液相中的过程，它包括气相内、液相内的相内传质过程和气相与液相之间的相际间的传质过程。气体中溶质传递到液相中的多少取决于溶质在溶解中的溶解度（溶解平衡）的大小。02任务二 确定吸收操作条件1.气体在液体中的溶解度及溶解度曲线在一定温度和压力下，气体在一定量溶剂中溶解达到平衡时，溶质在液相中的浓度即为该溶质在该溶剂中的溶解度。气相中溶质的分压为平衡分压。平衡时，溶质在气液两相中的浓度存在着平衡关系。气液相平衡关系用图线在二维坐标系中绘制的关系曲线，即为溶解度曲线，因此时溶质在气液两相中的浓度为平衡关系，故该曲线即为溶质在一定溶解中的气液相平衡曲线。02任务二 确定吸收操作条件02任务二 确定吸收操作条件02任务二 确定吸收操作条件加压降温可以提高气体溶质在溶剂中的溶解度，所以加压和降温有利于吸收操作，而减压和升温有利于解吸操作。02任务二 确定吸收操作条件溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC02任务二 确定吸收操作条件当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中：p* ——溶质在气相中的平衡分压，kPa；x——溶质在液相中的摩尔分数；E——亨利系数，kPa。—— 亨利定律亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E值一般随温度的上升而增大；E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；E的单位与气相分压的压强单位一致。易溶气体难溶气体E小E大溶解度亨利系数～02任务二 确定吸收操作条件若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度c表示，亨利定律为H— 溶解度系数，kmol/(m3·kPa)溶解度溶解度系数2.p～c关系易溶气体难溶气体H大H小02任务二 确定吸收操作条件当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有y* ——与组成为x的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；c——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；m——相平衡常数；H——溶解度系数；kmol/(m3 kPa)；02任务二 确定吸收操作条件02任务二 确定吸收操作条件三个比例系数之间的关系：式中cm为溶液的总浓度（kmol/m3）。对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此cm= /Ms，其中 为溶液的密度，Ms为溶剂的摩尔质量。02任务二 确定吸收操作条件以摩尔比表示组成的相平衡关系X——溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*——与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当m趋近 1 或当X很小时溶解度相平衡常数～易溶气体难溶气体m小m大02任务二 确定吸收操作条件某种混合气中含有30%（体积百分数）的CO2，其余为空气。于101.3kPa及30℃下用清水吸收其中CO2，试求液相中CO2的最大浓度。02任务二 确定吸收操作条件根据分压定律：02任务二 确定吸收操作条件三、相平衡关系的应用1．相平衡关系在判断吸收过程方向上的应用吸收过程中的相平衡关系，除了采用相平衡方程表示之外，亦可依据上述方程在二维坐标系上绘制曲线（相平衡曲线）。Y=mX绘制的曲线是一组从原点出发的直线，图即为Y-X相平衡关系相图。对于具有相平衡系统的物系，在未达平衡系统之前，一定存在组分将由一相向另一相传递，并最终趋于平衡。吸收传质过程的方向就是使系统向达到平衡的方向进行。02任务二 确定吸收操作条件对于A点有YA>YA*或XA<XA*，说明了气相中溶质组成比与之对应的液相组成的平衡组成高，或是液相中溶质组成比与之气相组成的平衡组成低，即溶质必须部分由气相传递液相才能使气液达到平衡，故A点对应的为吸收状态。02任务二 确定吸收操作条件对于B点有YB<YB*或XB*> XB，说明溶质必须从液相中部分解吸才能使溶质在气液两相达到平衡，故B点对应的是解吸状态。02任务二 确定吸收操作条件以气相表示的传质推动力以液相表示的传质推动力吸收推动力示意图y*=mx2.吸收推动力的计算02任务二 确定吸收操作条件2.吸收推动力的计算ΔY=YA-YA*;ΔX=XA*-XA均表示A点所对应的吸收状态的气相组成表示的推动力和液相组成表示的吸收推动力；02任务二 确定吸收操作条件ΔY=YB-YB*;ΔX=XB*-XB均表示B点所对应的吸收状态的气相组成表示的推动力和液相组成表示的吸收推动力。02任务二 确定吸收操作条件子任务2分析吸收条件对于等温物理性吸收操作过程，能顺利进行必须具备的条件是：①合适的吸收剂（溶剂），即混合气体中某一组分能溶于吸收剂中；②适宜的操作压力和温度，即吸收质在该操作压力和温度下，溶解度较大，而惰性组分几乎不溶解；③适宜的吸收剂用量（或称液气比，亦称喷淋量）及气、液两相充分接触传质界面（填料）。02任务二 确定吸收操作条件分类依据类型按过程有无化学反应分物理吸收化学吸收按被吸收的组分数目分单组分吸收多组分吸收按过程有无温度变化分等温吸收变温吸收按过程操作压力的大小分常压吸收加压吸收02任务二 确定吸收操作条件一、吸收剂（溶剂）在吸收分离操作过程中，吸收剂的性能是决定吸收操作是否优良的关键。吸收剂选用原则：①溶剂对溶质具有良好的选择性和较大的吸收能力；②溶剂在操作温度下，挥发性小，可避免溶剂进入气相而造成溶剂的损失；③沸点高，热稳定性好，不易起泡；④在操作温度下黏度小，保证液体在塔内流动性能好，从而提高吸收效果，降低液体输送功耗；⑤化学稳定性高，腐蚀性低、无毒、不燃；⑥吸收剂价廉易得，易于再生循环使用。02任务二 确定吸收操作条件吸收剂选用方法：①对于物理吸收，要求溶解度大，可利用物质“相似相溶”原则选用吸收剂；②对于化学吸收，可利用溶质与溶剂发生化学反应难易程度选用吸收剂；③易溶于水的溶质，可优先选用水作吸收剂。优点是价廉易得，流程、设备及操作都比较简单，但净化度较低，动力消耗较高；④溶质为酸性气体的，选用碱液作吸收剂；溶质为碱性气体的，则选用酸作吸收剂。02任务二 确定吸收操作条件二、吸收操作条件（压力、温度）吸收是利用混合气体中各组分在一定条件（温度、压力）下，在同一溶剂中的溶解度的不同而分离气体混合物的，其中溶解度大的溶质被吸收进入溶剂，形成溶液；溶解度小的仍留在气体中，作为惰性组分。当溶解达到平衡时，溶质在气、液两相中的组成即成平衡关系，该平衡关系与条件（温度、压力）保持一致，若改变条件，则原有的平衡被打破，会在新的条件下建立新的平衡。02任务二 确定吸收操作条件实际生产过程中，吸收操作条件（温度、压力）的确定:首先取决于混合气体各组分在同一溶剂中的溶解性能，特别是溶解的差异性；其次是分离要求及分离方法实施的可行性，确定合适的吸收温度、吸收压力。通常低温、高压有利于吸收操作。加压和降温减压和升温有利于吸收操作有利于解吸操作02任务二 确定吸收操作条件三、适宜的吸收剂用量吸收剂的用量在吸收操作中是非常重要的经济因素。对特定的分离对象、分离任务及分离要求，一般在设计时，会依据吸收分离对象、分离要求及分离物系的性质做合理的推算，其用量多是固定的，不过因实际生产条件变化多样，且分离任务亦随生产任务的变化而变化，故吸收剂用量作为吸收重要的操作参数、经济指标，会依据分离要求随时作出调整，前提是综合费用最经济。02任务二 确定吸收操作条件四、气液充分接触面积（填料种类）作为吸收条件，填料类型是在吸收分离物系性质、分离要求、分离任务确定条件下，结合填料性能而确定下来的，在吸收操作时是无法改变的。02任务二 确定吸收操作条件分离物系选用的吸收剂吸收方法选用理由（备注）煤制半水煤气-脱硫（N2+CO+H2+CO2+H2S）氨水-液相催化剂二乙醇胺化学吸收化学吸收H2S被吸收并转化为单质硫吸收剂循环使用合成氨生产中的变换气脱碳碳酸丙烯酯热钾碱物理吸收化学吸收吸收剂再生可采用与吸收同温下进行利用碳酸盐和碳酸氢盐的转化关系进行吸收剂的再生KCl转化副产HCl废气处理水物理吸收HCl在水中溶解度很大，且用水吸收HCl形成副产物盐酸依据表中混合气体的性质及分离要求，分析选用分离方法02任务二 确定吸收操作条件子任务3计算吸收剂用量操作过程中，其操作温度或压力发生变化时，在不改变分离任务和要求的前提下，仍可通过改变吸收剂的用量来满足吸收要求。吸收剂用量的多少主要取决于吸收要求（吸收率或净化气的含量Y2）。02任务二 确定吸收操作条件1.全塔物料衡算计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量L或吸收剂出口浓度X1。混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，通过塔的惰性气体量和溶剂量是不变的。02任务二 确定吸收操作条件下标“1”代表塔内填料层下底截面，下标“2”代表填料层上顶截面。V——单位时间通过塔的惰性气体量；kmol(B)/s；L ——单位时间通过吸收塔的溶剂量；kmol(S)/s；Y ——任一截面的混合气体中溶质与惰性气体的摩尔比；kmol(A)/kmol(B)；X ——任一截面的溶液中溶质与溶剂的摩尔比；kmol(A)/kmol(S)。V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X02任务二 确定吸收操作条件进塔气量V和组成Y1是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成X2一般由工艺条件所确定，出塔气体组成Y2则由任务给定的吸收率 求出 。02任务二 确定吸收操作条件02任务二 确定吸收操作条件2.吸收操作线方程与操作线若取填料层任一截面与塔的塔底端面之间的填料层为物料衡算的控制体，则所得溶质A的物料衡算式为V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X上两式均称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相组成Y和X之间的关系。（L/V）称为吸收塔操作的液气比。02任务二 确定吸收操作条件YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*MY- Y*X*-X操作线方程与操作线当L/V一定，操作线方程在Y-X图上为以液气比L/V为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点(Y1，X1)和(Y2，X2)的直线，称为吸收操作线。操作线上任一点M与平衡线间的垂直距离 (Y-Y*)为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离 (X*-X)为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。02任务二 确定吸收操作条件并流操作线方程对气、液两相并流操作的吸收塔，取塔内填料层任一截面与塔顶（浓端）构成的控制体作物料衡算，可得并流时的操作线方程，其斜率为（-L/V）。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*MY- Y*X*-X02任务二 确定吸收操作条件吸收塔内流向的选择在Y1至Y2范围内，两相逆流时沿塔高均能保持较大的传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，逆流操作的平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流优于并流。这与间壁式对流传热的并流与逆流流向选择分析结果是一致的。工业吸收一般多采用逆流，本章后面的讨论中如无特殊说明，均为逆流吸收。与并流相比，逆流操作时上升的气体将对借重力往下流动的液体产生一曳力，阻碍液体向下流动，因而限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不利的一面。02任务二 确定吸收操作条件3.吸收剂用量与最小液气比吸收剂用量L或液气比L/V在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要的参数。吸收塔的设计计算中，气体处理量V，以及进、出塔组成Y1、Y2由设计任务给定，吸收剂入塔组成X2则是由工艺条件决定或设计人员选定。可知吸收剂出塔浓度X1与吸收剂用量L是相互制约的。由全塔物料衡算式选取的L/V ，操作线斜率 ，操作线与平衡线的距离 ，塔内传质推动力 ，完成一定分离任务所需塔高 ；L/V ，吸收剂用量 ，吸收剂出塔浓度X1 ，循环和再生费用 ；若L/V ，吸收剂出塔浓度X1 ，塔内传质推动力 ，完成相同任务所需塔高 ，设备费用 。02任务二 确定吸收操作条件不同液气比L/V下的操作线图直观反映了这一关系。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VY- Y*A’X1’(L/V)’X1,max(L/V)minC要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量GA=V(Y1-Y2)，L/V的减小是有限的。当L/V下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的L/V称为最小液气比，用(L/V)min表示，而对应的X1则用X1,max表示。02任务二 确定吸收操作条件随L/V的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平衡线的形状。YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max两线在Y1处相交时，X1,max=X1*；两线在中间某个浓度处相切时，X1,max<X1*。最小液气比的计算式：最小液气比(L/V)min02任务二 确定吸收操作条件在最小液气比下操作时，在塔的某截面上（塔底或塔内）气、液两相达平衡，传质推动力为零，完成规定传质任务所需的塔高为无穷大。对一定高度的塔而言，在最小液气比下操作则不能达到分离要求。实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设备费用和操作费用两方面因素，按总费用最低的原则来选取。根据生产实践经验，一般取02任务二 确定吸收操作条件以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足够的传质面积，因此所取吸收剂用量L值还应不小于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上、单位时间内的液体流量不得小于某一最低允许值。02任务二 确定吸收操作条件用20℃的清水逆流吸收氨－空气混合气中的氨，已知混合气体温度为20℃，总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.0133kPa，要求混合气体处理量为773m3/h，水吸收混合气中氨的吸收率为99％。在操作条件下物系的平衡关系为Y*=0.757X，若吸收剂用量为最小用的2倍。（1）此时塔内每小时需清水量为多少kg？（2）塔底液相浓度为多少？02任务二 确定吸收操作条件实际用水量为：（1）（2）

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