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（中职）化工生产单元操作吸收教学课件2吸收吸收原理吸收设备吸收流程吸收的应用单元操作单元操作3 3 吸收吸收31、了解吸收的相关知识、设备及在化工生产中的应用；2、理解气体吸收介质吸收剂的用量及对气体吸收的影响；3、掌握气体吸收的流程、装置、检测仪器等的操作和使用单元操作单元操作 3 3 吸收吸收4任务任务1 1 了解气体吸收在工业生产中的应用了解气体吸收在工业生产中的应用一、生活中的气体溶解现象一、生活中的气体溶解现象5任务任务1 1 了解气体吸收在工业生产中的应用了解气体吸收在工业生产中的应用o气体吸收定义：气体吸收定义：利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的单元操作o气体吸收实质：气体吸收实质：让混合气中的某一种气体溶解在特定的溶液中，从而达到分离的目的。6任务任务1 1 了解气体吸收在工业生产中的应用了解气体吸收在工业生产中的应用o气体的溶解度气体的溶解度 1 1、定义、定义 在一定的温度和压力下，混和气体和液体接触时，气相中的溶质便会向液相转移，而溶于液相中的溶质又会从液相中返回气相。当单位时间内溶于液相中的溶质量与从液相中返回气相的溶质量相等时，达到了动态平衡。这时液相中溶质的浓度称为溶解度。2 2、影响气体溶解度的条件、影响气体溶解度的条件 气体在液体中的溶解度与气体和液体的种类、温度、压力都有关系。气体的溶解度随温度升高而减小，随压力升高而增大。78任务任务1 1 了解气体吸收在工业生产中的应用了解气体吸收在工业生产中的应用o气体吸收分类：气体吸收分类：物理吸收：物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如油吸收苯，水吸收CO2、SO2等。化学吸收：化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。9任务任务1 1 了解气体吸收在工业生产中的应用了解气体吸收在工业生产中的应用二、吸收操作在工业生产中的应用二、吸收操作在工业生产中的应用分离混合气体分离混合气体净化气体净化气体工业废气的治理工业废气的治理工业应用工业应用回收有价值气体回收有价值气体10任务任务1 1 了解气体吸收在工业生产中的应用了解气体吸收在工业生产中的应用o吸收应用实例吸收应用实例气体吸收法生产稀硝酸气体吸收法生产稀硝酸氮氧化物依次经过三个换热器，冷却后先进入第一吸收塔，再进入第二吸收塔。在这个吸收过程中，目的是要把氮氧化物中的二氧化氮（NO2）分离出来。从图中可以看出，在吸收塔中是用水作为吸收剂的，水从塔顶喷淋下来，在吸收塔内与氮氧化物混合气逆流接触，混合气中的二氧化氮（NO2）溶于水中，溶解了二氧化氮（NO2）的水溶液就是产品稀硝酸。任务任务2 2 认识吸收流程认识吸收流程o吸收流程吸收流程 右图为吸收过程的简单示意图,从图中我们看到的主要设备是吸收塔,含有两个组分A和B的混合气体从塔底部进入吸收塔,在吸收塔内完成吸收过程后，吸收尾气从塔顶排出。吸收剂S从塔顶进入，在吸收塔内吸收了某个组分后从塔底排出，得到吸收液(S+A)11任务任务2 2 认识吸收流程认识吸收流程o流程相关概念流程相关概念o吸收质（或溶质）：吸收质（或溶质）：混合气体中溶解在吸收剂中的组分，用A表示；o惰性组分：惰性组分：不能溶解的组分，用B表示；o吸收剂：吸收剂：又称为溶剂，用S表示；o吸收液：吸收液：吸收了溶质后的溶液，由溶剂和溶质组成；o吸收尾气：吸收尾气：从吸收塔顶排出的气体，主要是由惰性组分和少量未被吸收的吸收质组成12任务任务2 2 认识吸收流程认识吸收流程 右图表示的是能够将吸收剂回收再利用的吸收装置。在这套装置中，除了吸收塔之外，还多了一个吸收剂再生装置。从塔底排出的吸收液进入再生装置后，将吸收的组分释放出来，这个组分就成为产品，吸收剂又送回吸收塔内重复利用。13带有吸收剂回收装置的吸收流程带有吸收剂回收装置的吸收流程 任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算一、学习吸收质浓度的表示方法及换算方法一、学习吸收质浓度的表示方法及换算方法1 1、摩尔分数、摩尔分数o混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分率称为该组分的摩尔分数，以符号 表示。组分i的摩尔分数为：式中:n-混合物总摩尔数，kmol。14任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算2 2、摩尔比、摩尔比 混合物中某组分摩尔数与惰性组分摩尔数的比值称为该组分的摩尔比，以符号表示。若混合物中除组分i外，其余为惰性组分，则组分i的摩尔比为：式中:-组分i的摩尔比；-混合物中惰性组分的摩尔数，kmol。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算3 3、摩尔分数与摩尔比的换算方法、摩尔分数与摩尔比的换算方法 同样，当混合物为气态时，常以Y表示气相的摩尔比。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算 二、吸收剂用量的计算 对吸收塔进行物料衡算，得到吸收剂用量计算式：式中：V-进入吸收塔的惰性气体量，kmol/h；L-进入吸收塔的吸收剂用量，kmol/h；Y1-进塔混合气中吸收质的摩尔比；Y2-出塔吸收尾气中吸收质的摩尔比；X1-出塔吸收液中吸收质的摩尔比；X2-进塔吸收剂中吸收质的摩尔比。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算三、吸收剂用量对吸收过程的影响三、吸收剂用量对吸收过程的影响1 1、吸收剂用量、吸收剂用量L L与吸收液浓度与吸收液浓度X X1 1 通常在吸收过程中，待分离的混合气中溶质的摩尔比Y1以及混合气的流量V是由生产任务确定的，吸收生产的要求一般是：在选定吸收剂的条件下，分离混合气，并达到一定的吸收率，也就是要求出塔尾气中溶质的摩尔比Y2要达到规定的数值。在这些条件下，吸收剂用量的多少对吸收液中溶质的浓度会产生什么影响呢？下面我们通过吸收剂用量计算式进行分析。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算 或：L/V称为液气比，是指处理单位惰性气体所需要的吸收剂用量。液气比对于吸收操作来说，是一个重要的生产控制参数。可以看出公式中的V、Y1、X2这几个参数是生产任务要求的，出塔尾气中的吸收质摩尔比Y2可以通过吸收率计算得出，吸收率 与Y2的关系为：任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算 或 从公式可以看出：只要生产任务中给出吸收只要生产任务中给出吸收率，出塔尾气中吸收质的摩尔比率，出塔尾气中吸收质的摩尔比Y Y2 2就可以确就可以确定了，那么计算式中只有和吸收剂用量定了，那么计算式中只有和吸收剂用量L L是是与生产控制有关的与生产控制有关的。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算o结论结论 通过对吸收剂用量的计算公式可以得出：增大增大吸收剂用量吸收剂用量L L，出塔吸收液中溶质的摩尔比，出塔吸收液中溶质的摩尔比X X1 1就就减小，减小吸收剂用量减小，减小吸收剂用量L L，出塔吸收液中溶质的，出塔吸收液中溶质的摩尔比摩尔比X X1 1就增大。就增大。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算2 2、最小吸收剂用量、最小吸收剂用量o最小吸收剂用量：最小吸收剂用量：对一定的生产任务，溶解在吸收剂中的溶质量是不变的，如果吸收剂用量多，则吸收液中溶质的浓度就小，而吸收剂用量减小，则吸收液中溶质的浓度就增大，当吸收液中溶质浓度达到饱和时，溶解在吸收液中的溶质量就不再增加，这时的吸收剂用量就称为最小用量。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算o最小吸收剂用量的计算式如下：-最小吸收剂用量；-吸收液中溶质的饱和浓度，即饱和时的摩尔比，可以用相平衡方程计算得到，即：-相平衡常数任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算o结论结论 通过讨论，可得出：减少吸收剂用量是有限度的，这个限度是保证正常生产的基本条件，吸收剂的用量不能小于最小吸收剂用量。因此在生产中要同时兼顾生产要求和生产成本，也就是要保证产品质量，还要降低生产成本，这才是最合理的生产管理理念。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算3 3、液气比的确定、液气比的确定o在吸收操作中，液气比是一个重要的操作控制参数，调节的前提是确保达到预期的分离要求，适宜液气比的选择是由经济衡算来确定的，要使操作过程中的设备费用与操作费用之和为最小，通常适宜的液气为（1.11.12.02.0）倍的最小液）倍的最小液气比。气比。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算四、气液相平衡关系四、气液相平衡关系亨利定律亨利定律n在吸收过程中，当气液两相间的传质达到平衡时，它们之间的关系称为气液相平衡关系。相平衡关系可用亨利定律来表示。o1.1.亨利定律（亨利定律（p p-x x）溶质在液相中的摩尔分数亨利系数，kPa溶质在气相中的平衡分压，kPa 任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算o讨论讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，物系一定，2）E大的，溶解度小，难溶气体大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体小的，溶解度大，易溶气体3）E的来源：实验测得；查手册的来源：实验测得；查手册任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算o结论结论 通过亨利定律可以知道，易易溶溶气气体体的的亨亨利利系系数数较较小小，难难溶溶气气体体的的亨亨利利系系数数较较大大。亨亨利利系系数数E E随随温度升高而增大，随压力增大而减小。温度升高而增大，随压力增大而减小。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算2.2.相平衡关系式相平衡关系式式中式中:Y:Y*-平衡时气相中溶质的摩尔比；平衡时气相中溶质的摩尔比；X-X-液相中溶质的摩尔比液相中溶质的摩尔比对于稀溶液，上式可以简化为：对于稀溶液，上式可以简化为：任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算将将相平衡关系式相平衡关系式标绘于标绘于Y-XY-X的直角坐标系中，即得到吸收的直角坐标系中，即得到吸收过程的相平衡线，即吸收平衡线，如下图所示。根据吸过程的相平衡线，即吸收平衡线，如下图所示。根据吸收平衡线，我们可以判定吸收过程进行的程度和方向收平衡线，我们可以判定吸收过程进行的程度和方向。XYY*=（x）吸收相平衡线任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算AXYX*Y*图1XX*YY*B 图2X(X*)Y(Y*)C 图3任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算o讨论讨论：1 1）在图）在图1 1中，中，A A点位于平衡线上方区域，在该区域内，点位于平衡线上方区域，在该区域内，属于吸收过程。，属于吸收过程。2 2）在图）在图2 2中，中，B B点位于平衡线下方区域，在该区域内，点位于平衡线下方区域，在该区域内，属于解吸过程。，属于解吸过程。3 3）在图）在图3 3中，中，C C点位于平衡线上，此时点位于平衡线上，此时 ，过程处于平衡状态。，过程处于平衡状态。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算五、影响吸收速率的因素五、影响吸收速率的因素吸收速率：单位时间内单位相传质面积上吸收的溶质量，称为A组分的传递速率，以NA表示，单位为kmol/(m2s)。吸收速率方程：表示吸收速率与吸收推动力之间的关系式。1 1、气膜吸收速率方程式、气膜吸收速率方程式kg 推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(sm2kPa)；ky 推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，kmol/(sm2)；kY 推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/(sm2)；p、y、Y 溶质A在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；pi、yi、Yi 溶质A在界面气相侧气相侧的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算2 2、液膜吸收速率方程式、液膜吸收速率方程式kc 推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；kx 推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；kX 推动力为摩尔比之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；c、x、X 溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和比摩尔浓度；ci、xi、Xi 溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和比摩尔浓度。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算3 3、总吸收速率方程式总吸收速率方程式式中：或 -吸收总阻力；或 -吸收总推动力 任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算六六.吸收机理吸收机理双膜理论双膜理论双膜双膜模型（模型（双膜阻力双膜阻力模型）模型）的基本论点（假设）的基本论点（假设）气液两相间有一气液两相间有一稳定的相界面稳定的相界面，界面两侧存在，界面两侧存在稳定的气膜稳定的气膜和液膜层和液膜层，溶质以，溶质以分子扩散分子扩散方式通过二膜层。方式通过二膜层。相界面上的气、液两相互成平衡，即相界面上的气、液两相互成平衡，即pi=f(ci)。气、液两相主体气、液两相主体中，流体充分湍动，溶质主要以中，流体充分湍动，溶质主要以涡流扩散涡流扩散的形式传质，没有任何形式的扩散阻力，即认为两相主体中的形式传质，没有任何形式的扩散阻力，即认为两相主体中浓度梯度为零，扩散阻力全部集中在两个膜层内。浓度梯度为零，扩散阻力全部集中在两个膜层内。任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算对流扩散对流扩散分子扩散 分子扩散根据双膜理论，吸收质从气相主体中以对流扩散的方式到达气膜边界，又以分子扩散的方式通过气膜到达气液界面，在界面上吸收质不受任何阻力从气相进入液相，然后以分子扩散的方式穿过液膜到达液膜边界，最后以对流扩散的方式转移到液相主体。双膜模型双膜模型任务任务3 3 吸收过程的计算吸收过程的计算双双膜膜理理论论将将两两流流体体相相际际传传质质过过程程简简化化为为经经两两膜膜层层的的稳稳定定分分子子扩扩散散的的串串联联过过程程。对对吸吸收收过过程程则则为为溶溶质质通通过气膜和液膜的分子扩散过程。过气膜和液膜的分子扩散过程。任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备概述概述（IntroductionIntroduction）气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广。任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备操操作作原原理理：在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。填料塔填料塔（Packed TowerPacked Tower）溶剂填料塔气体任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备1.填料（Tower packing）填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备4 4）堆积密度）堆积密度 p p ：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。机机械械强强度度大，化化学学稳稳定定性性好以及价价格格低低廉廉等也是优良填料应尽量兼有的性质。注注意意：一些难以定量表达的因素(几何形状)对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备4.填料塔的附属结构（1）填料支承板（）填料支承板（Packing support plate）用以支承填料的部件。它应具有：用以支承填料的部件。它应具有：(1)(1)足足够够的的机机械械强强度度以以承承受受设设计计载载荷荷量量，支支承承板板的的设设计计载载荷荷主主要要包括填料的重量和液泛状态下持液的重量。包括填料的重量和液泛状态下持液的重量。(2)(2)足足够够的的自自由由面面积积以以确确保保气气、液液两两相相顺顺利利通通过过。总总开开孔孔面面积积应应尽尽可可能能不不小小于于填填料料层层的的自自由由截截面面积积。开开孔孔率率过过小小可可导导致致液液泛提前发生。一般开孔率在泛提前发生。一般开孔率在 70%70%以上。以上。任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备（2）填料压紧装置）填料压紧装置）（a）填料压紧栅板（b）填料压紧网板（C）大塔用填料压紧器 任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备（3）液体分布装置）液体分布装置右右图图展展示示了了两两种种液液体体分分布布装装置置，其其作作用用是是使使吸吸收收剂剂在在塔塔顶顶喷喷洒洒均均匀匀，使使填填料料表表面面都都能能有有吸吸收收剂剂流流过过，保保证证吸吸收收达达到最好的效果到最好的效果。液体分布装置液体分布装置任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备（3）液体再分布装置）液体再分布装置右图为液体再分右图为液体再分布装置，其作用布装置，其作用是避免发生壁流是避免发生壁流现象，保证填料现象，保证填料层内气液分布均层内气液分布均匀，确保一定的匀，确保一定的传质效率。传质效率。任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备（4）气体分布器（）气体分布器（Gas distributor）任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备（5 5）液体收集器（）液体收集器（Liquid collectorLiquid collector）任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备（6 6）除沫器（）除沫器（DemisterDemister）任务任务4 4 认识各类吸收设备认识各类吸收设备（7 7）喷淋装置）喷淋装置 任务任务5 5 认识解吸操作流程认识解吸操作流程 一一.解吸：使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸。解吸：使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸。1.气提解吸 2.减压闪蒸3.加热解吸4.采用精馏方法将溶质与溶剂分离二二.解吸的方法：使溶液与惰性气体或蒸汽逆流接触解吸的方法：使溶液与惰性气体或蒸汽逆流接触。1.获得所需较纯的气体溶质2.使溶剂得以再生，返回吸收塔循环使用任务任务5 5 认识解吸操作流程认识解吸操作流程解吸流程 任务任务5 5 认识解吸操作流程认识解吸操作流程逆流气体解吸塔的计算1.气、液逆流解吸塔的计算与逆流吸收塔的计算方式相同，但过程的推动力不同。2.填料层高度计算式仍为：H=HOGNOG 或 H=HOLNOL3.示意图G G y y2 2L L x x2 2L L x x1 1 塔顶塔顶“2”2”（高浓（高浓）塔底塔底“1”1”（低浓）（低浓）G G y y1 1