第四章吸收.ppt

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1、第四章吸第四章吸 收收 学习目标学习目标 了解吸收的分类、典型的工业吸收过程、各种不同类了解吸收的分类、典型的工业吸收过程、各种不同类型的吸收设备及吸收在环境工程中的应用。型的吸收设备及吸收在环境工程中的应用。理解吸收操作的基本概念、吸收传质机理。理解吸收操作的基本概念、吸收传质机理。掌握吸收掌握吸收的相关的相关计算计算，能运用工程观念分析解决吸收能运用工程观念分析解决吸收操作中的实际问题。操作中的实际问题。第一节第一节 概概 述述 利用气体混合物中各种组分在同一液体（溶剂）中溶利用气体混合物中各种组分在同一液体（溶剂）中溶解度差异、分离混合物的操作称为气体吸收。解度差异、分离混合物的操作称为

2、气体吸收。一、工业吸收过程一、工业吸收过程 吸收吸收流程包括吸收和解吸两大部分流程包括吸收和解吸两大部分。吸收操作吸收操作要点：要点：选择合适的溶剂选择合适的溶剂。提供适当的传质设备以实现气液两相的接触提供适当的传质设备以实现气液两相的接触。溶剂再生以便循环使用。溶剂再生以便循环使用。吸收与解吸流程吸收与解吸流程 二、吸收的分类 1 1物理吸收与化学吸收物理吸收与化学吸收 2 2单组分吸收与多组分吸收单组分吸收与多组分吸收 3 3等温吸收与非等温吸收等温吸收与非等温吸收 4 4低组成吸收与高组成吸收低组成吸收与高组成吸收 工业生产中的吸收过程以低组成吸收为主工业生产中的吸收过程以低组成吸收为主

3、 三、吸收在环境治理中的应用三、吸收在环境治理中的应用 吸收被广泛地应用于气态污染物的净化吸收被广泛地应用于气态污染物的净化 用吸收法净化用吸收法净化的的气态污染物气态污染物：含含氮氧化物废气氮氧化物废气 含含硫氧化物废气硫氧化物废气 含含碳氢化合物废气碳氢化合物废气 含含硫氢化合物废气硫氢化合物废气 四、吸收设备的主要类型四、吸收设备的主要类型 气体吸收设备主要为板式塔与填料塔两大类。气体吸收设备主要为板式塔与填料塔两大类。两种主要吸收设备两种主要吸收设备 五、吸收操作的经济性五、吸收操作的经济性 吸收的操作费用主要包括。吸收的操作费用主要包括。气、液两相流经吸收设备的能量消耗；气、液两相流

4、经吸收设备的能量消耗；溶剂的挥发损失和变质损失；溶剂的挥发损失和变质损失；溶剂的再生费用，即解吸操作费。溶剂的再生费用，即解吸操作费。这三项以再生费用所占比例最大。这三项以再生费用所占比例最大。常用的解吸方式有升温、减压、吹气常用的解吸方式有升温、减压、吹气。第二节第二节 吸收净化的基本原理吸收净化的基本原理 一、吸收过程的气液相平衡一、吸收过程的气液相平衡 1.1.物理吸收的气液相平衡物理吸收的气液相平衡 在一定的温度和压力下，气、液两相发生接触后，吸收在一定的温度和压力下，气、液两相发生接触后，吸收质便由气相向液相转移，随着液体中吸收质浓度的逐渐增高，质便由气相向液相转移，随着液体中吸收质

5、浓度的逐渐增高，吸收速率逐渐减小，解吸速率逐渐增大。经过相当长的时间吸收速率逐渐减小，解吸速率逐渐增大。经过相当长的时间接触后，吸收速率与解吸速率相等，接触后，吸收速率与解吸速率相等，气液气液两两相相达到达到平衡平衡。平衡分压平衡分压：平衡状态下，被吸收气体在溶液上方的分压平衡状态下，被吸收气体在溶液上方的分压。溶解度溶解度：平衡状态下，可溶气体在溶液中的浓度平衡状态下，可溶气体在溶液中的浓度。几种常见气体在水中的溶解度几种常见气体在水中的溶解度 讨论：讨论：不同性质的气体在同一温度和分压条件下，溶解度各不同性质的气体在同一温度和分压条件下，溶解度各不相同不相同；气体的溶解度与温度有关，一般说

6、来，随着温度升高，气体的溶解度与温度有关，一般说来，随着温度升高，溶解度下降溶解度下降；温度一定时，溶解度随溶质分压升高而增大，在吸收温度一定时，溶解度随溶质分压升高而增大，在吸收系统中，增大气相总压，组分的分压会升高，溶解度也随之系统中，增大气相总压，组分的分压会升高，溶解度也随之加大。加大。结论：结论：溶解度与气体和液体的性质有关，而且与吸收体系的温溶解度与气体和液体的性质有关，而且与吸收体系的温度、总压和气相组成有关。度、总压和气相组成有关。以以p p 及及x x 表示的平衡关系表示的平衡关系 以以y y 及及x x 表示的平衡关系表示的平衡关系 以以p p e e 及及c c 表示平衡

7、关系表示平衡关系 以以Y Y 及及X X 表示的平衡关系表示的平衡关系 2.2.化学吸收的气液相平衡化学吸收的气液相平衡 化学平衡关系可以写成 二、相平衡与吸收过程的关系二、相平衡与吸收过程的关系 1 1判别过程的方向判别过程的方向判别过程进行的方向判别过程进行的方向 2.2.指明过程的极限指明过程的极限 x x1max1max=x=x1e1e=y=y1 1 m m 吸收过程极限吸收过程极限 3.3.计算过程的推动力计算过程的推动力吸收推动力吸收推动力 三、吸收传质机理三、吸收传质机理 吸收过程两相间物质传递的三个步骤：吸收过程两相间物质传递的三个步骤：溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内物

8、质传溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内物质传递递。溶质在界面上溶解，由气相转入液相，即界面上发溶质在界面上溶解，由气相转入液相，即界面上发生生溶解过程；溶解过程；溶质自界面被传递到液相主体，即液相内物质传递。溶质自界面被传递到液相主体，即液相内物质传递。总过程速率分别由气相和液相内的传质速率所决定。总过程速率分别由气相和液相内的传质速率所决定。1.1.分子扩散与对流扩散分子扩散与对流扩散 分子扩散分子扩散 由分子无规则热运动而引起的物质传递现象称为分子扩由分子无规则热运动而引起的物质传递现象称为分子扩散。分子扩散速率主要取决于扩散物质和流体的某些物理性散。分子扩散速率主要取决于扩散物质和流

9、体的某些物理性质。质。分子扩散速率与流体在什么介质中扩散有关，在不同介分子扩散速率与流体在什么介质中扩散有关，在不同介质中扩散系数不同；与扩散的浓度梯度、扩散系数成正比。质中扩散系数不同；与扩散的浓度梯度、扩散系数成正比。扩散物质扩散物质扩散系数扩散系数D cm2/s扩散物质扩散物质扩散系数扩散系数D cm2/sH20.611H2O0.220N20.132C6H60.077O20.178C7H80.076CO20.138CH3OH0.132HCL0.130C2H5OH0.102SO20.103CS20.089SO30.095C2H5OC2H50.078NH30.17一些物质在空气中的扩散系数（

10、一些物质在空气中的扩散系数（、.k Pk Pa a）一些物质在水中的扩散系数（一些物质在水中的扩散系数（稀稀)扩散物质扩散物质扩散系数扩散系数D*109 m2/s扩散物质扩散物质扩散系数扩散系数D*109 m2/sO21.80C2H21.56CO21.50CH2COOH0.88NO21.51C2H5OH1.28NH31.76C3H7OH1.00Cl21.22C4H9OH0.87Br21.2C6H5OH0.77H25.13甘油甘油0.84N21.64尿素尿素0.73HCl2.64葡萄糖葡萄糖1.06H2S1.41蔗糖蔗糖0.60H2SO41.73HNO32.6NaCl1.35NaOH1.51 对

11、流扩散对流扩散 涡流扩散涡流扩散-在湍流主体中，凭借流体质点的湍动与旋在湍流主体中，凭借流体质点的湍动与旋涡而引起的物质传递现象。涡而引起的物质传递现象。对对流扩散流扩散-湍流主体与相界面的分子扩散与涡流扩散湍流主体与相界面的分子扩散与涡流扩散两种传质作用的总和。两种传质作用的总和。对流扩散对流扩散特点特点:扩散物质主要借助主流流体的携带作用而转移。扩散物质主要借助主流流体的携带作用而转移。对流扩散速率比分子扩散速率大的多，对流扩散速对流扩散速率比分子扩散速率大的多，对流扩散速率率主要取决于流体的湍流程度。主要取决于流体的湍流程度。2.2.吸收传质理论吸收传质理论双膜理论示意图双膜理论示意图

12、双膜理论的基本论点：双膜理论的基本论点：气液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一气液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一有效滞流膜层，分别称为气膜、液膜，吸收质以分子扩散的有效滞流膜层，分别称为气膜、液膜，吸收质以分子扩散的方式通过此二膜层。方式通过此二膜层。在相界面处，气，液两相达到平衡。在相界面处，气，液两相达到平衡。在膜层以外的气，液两相中心区，流体充分湍流，吸在膜层以外的气，液两相中心区，流体充分湍流，吸收质浓度是均匀，全部浓度变化集中在两相有效膜内。收质浓度是均匀，全部浓度变化集中在两相有效膜内。相际传质过程为经由气、液两膜的分子扩散过程相际传质过程为经由气、液两膜的分子

13、扩散过程。溶质渗透理论溶质渗透理论：液体在下流过程中每隔一定时间液体在下流过程中每隔一定时间t to o发生一次完全的混合，发生一次完全的混合，使液体的浓度均匀化。使液体的浓度均匀化。溶质在液相中的浓度分布溶质在液相中的浓度分布第三节第三节 吸收传质速率方程吸收传质速率方程 吸收速率吸收速率 一、气膜和液膜吸收速率方程一、气膜和液膜吸收速率方程 1.1.气膜吸收速率方程式气膜吸收速率方程式 2.2.液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程 二、总吸收速率方程及对应的总吸收系数二、总吸收速率方程及对应的总吸收系数 1.1.以以 表示表示总总推推动动力的吸收速率方程式力的吸收速率方程式 2 2以以e表示总

14、推动力的吸收速率方程表示总推动力的吸收速率方程 3 3以以 表示总推动力的吸收速率方程表示总推动力的吸收速率方程 4 4以以 表示总推动力的总吸收速率方程表示总推动力的总吸收速率方程吸收控制因素实例吸收控制因素实例气膜控制气膜控制液膜控制液膜控制双膜控制双膜控制水吸收氨水吸收氨NH 水或弱碱吸收水或弱碱吸收CO2水吸收水吸收 SO2水吸收水吸收HCL SO2水吸收水吸收 CL2水吸收丙酮水吸收丙酮液碱或氨水吸收液碱或氨水吸收 SO2水吸收水吸收 O2浓硫酸吸收浓硫酸吸收NO2浓硫酸吸收浓硫酸吸收 SO2水吸收水吸收 H2弱碱吸收弱碱吸收 H2S吸收速率方程式一览表吸收速率方程式一览表吸收系数的

15、表达式及吸收系数的吸收系数的表达式及吸收系数的换换算算提高吸收效果的方法：提高吸收效果的方法：提高气、液两相相提高气、液两相相对对运运动动速度，降低气膜、液膜的厚度速度，降低气膜、液膜的厚度以减小阻力。以减小阻力。选选用用对对吸收吸收剂剂溶解度大的溶液作吸收溶解度大的溶液作吸收剂剂。适当提高供液量，降低液相主体中溶适当提高供液量，降低液相主体中溶质浓质浓度以增大吸收度以增大吸收推推动动力。力。增大气液相接触面增大气液相接触面积积。5化学吸收速率方程化学吸收速率方程 化学吸收步骤化学吸收步骤：气相反应物由气相主体通过气膜向相界面扩散；气相反应物由气相主体通过气膜向相界面扩散；反应物由相界面向液相

16、扩散；反应物由相界面向液相扩散；反应物在液膜内或液相主体与反应物反应，形成反应物在液膜内或液相主体与反应物反应，形成反应区；反应区；反应产物若为液相产物，向液相主体扩散，若为气反应产物若为液相产物，向液相主体扩散，若为气体产物则向界面扩散；体产物则向界面扩散；气态产物由界面向气相主体扩散。气态产物由界面向气相主体扩散。化学吸收速率方程化学吸收速率方程：第四节第四节 吸收计算吸收计算 填料塔的工艺计算填料塔的工艺计算：确定吸收剂（溶剂）的用量；确定吸收剂（溶剂）的用量；计算塔的主要工艺尺寸，包括塔径和塔的有效高度计算塔的主要工艺尺寸，包括塔径和塔的有效高度。计算的基本依据计算的基本依据：物料衡算

17、，气、液平衡关系及速率关系。物料衡算，气、液平衡关系及速率关系。假设条件假设条件：吸收为低浓度等温物理吸收，总吸收系数为常数吸收为低浓度等温物理吸收，总吸收系数为常数。惰性气体和吸收剂在整个吸收塔中均为常量惰性气体和吸收剂在整个吸收塔中均为常量。吸收塔中气、液两相逆流流动。吸收塔中气、液两相逆流流动。逆流吸收塔物料衡算逆流吸收塔物料衡算逆流操作吸收塔中操作线逆流操作吸收塔中操作线 一、一、吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程 1 1全塔物料衡算全塔物料衡算 Y Y2 2Y Y1 1(1(1一一 A A)2 2吸收塔的操作线方程式与操作线吸收塔的操作线方程式与操作线 VY+L

18、XVY+LX1 1=VY=VY1 1+LX+LX Y=X+(YY=X+(Y1 1-X-X1 1)或或 二、溶剂用量的决定二、溶剂用量的决定吸收塔最小气液比吸收塔最小气液比 最小液气比最小液气比：一般情况下取溶剂用量为最小用量的一般情况下取溶剂用量为最小用量的1 1.1 12.02.0倍倍 L min=V =(1.12.0)()min L L=(1.1=(1.12.0)2.0)L L minmin 三、塔径的计算三、塔径的计算 吸收塔直径吸收塔直径：泛点气速法泛点气速法 对于散装填料：对于散装填料：u uu u F F=0=05 50 08585 对于规整填料：对于规整填料：u uu u F F

19、=0=06 60 09595 气相动能因子气相动能因子(F F 因子因子)法法 气相负荷因子气相负荷因子(CsCs因子法因子法)D=F=u u C CS S=0.8=0.8C CS,maxS,max 四、吸收塔高的计算四、吸收塔高的计算 1.1.填料层高度的基本计算式填料层高度的基本计算式 对微元层内组分（溶质）物料对微元层内组分（溶质）物料衡算可得衡算可得：对于稳定操作的吸收塔，低组成对于稳定操作的吸收塔，低组成气体吸收填料层高度的基本式为气体吸收填料层高度的基本式为：微元填料层的物料衡算微元填料层的物料衡算 2.2.传质单元数与传质单元高度传质单元数与传质单元高度令令:则则:传质单元数传质

20、单元数N N-反映吸收过程进行的难易反映吸收过程进行的难易。传质单元高度传质单元高度H H-反映反映吸收设备效能的高低吸收设备效能的高低。传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数 3.3.传质单元数的求法传质单元数的求法 脱吸因子法脱吸因子法 关关联图联图 对数平均推动力法对数平均推动力法 Y m和和 X m分别表示塔顶和塔底的气相推动力的对数分别表示塔顶和塔底的气相推动力的对数平均值和液相推动力的的对数平均值。平均值和液相推动力的的对数平均值。m=X m=五、吸收塔的操作与调节五、吸收塔的操作与调节 吸收塔可调节的因素吸收塔可调节的因素:流量流量L L、温度、温度T T、含量、含量X

21、 X2 2 增大溶剂用量增大溶剂用量,平均推动力加大平均推动力加大;降低溶剂温度降低溶剂温度,平均推动力增大平均推动力增大;降低溶剂入口含量降低溶剂入口含量,全塔平均推动力随之增大全塔平均推动力随之增大。吸收塔的操作调节吸收塔的操作调节第五节第五节 解解 吸吸 使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸。使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸。一、解吸方法一、解吸方法 （1 1）气提解吸）气提解吸 惰性气体气提惰性气体气提-以空气、氮气、二氧化碳作载气以空气、氮气、二氧化碳作载气;汽提汽提-以水蒸气作载气，同时兼作加热热源以水蒸气作载气，同时兼作加热热源;提馏提馏-以溶剂蒸气作为载气。以溶

22、剂蒸气作为载气。（2 2）减压解吸）减压解吸 （3 3）加热解吸）加热解吸 （4 4）加热）加热-减压解吸减压解吸 二、气提解吸的计算二、气提解吸的计算 最小气液比和载气流量的确定最小气液比和载气流量的确定 (X-X)+(X-X)+Y解吸操作线及最小解吸操作线及最小 液气比的确定液气比的确定最小气液比最小气液比、载气流量、载气流量为为 传质单元数的计算传质单元数的计算 称称为为吸收因数，它是操作吸收因数，它是操作线线斜率与斜率与平衡平衡线线斜率的比斜率的比值值，无量，无量纲纲。式中式中，第六节第六节 吸收设备吸收设备 吸收设备应满足以下要求：吸收设备应满足以下要求：气、液之间应有较大的接触面积

23、和一定的接触时间；气、液之间应有较大的接触面积和一定的接触时间；气液之间扰动强烈、吸收阻力低、吸收效率高；气液之间扰动强烈、吸收阻力低、吸收效率高；气流通过时压力损失小，操作稳定；气流通过时压力损失小，操作稳定；结构简单，制作维修方便，造价低廉；应具有相应的结构简单，制作维修方便，造价低廉；应具有相应的抗腐蚀和防堵塞能力。抗腐蚀和防堵塞能力。一、填料吸收塔一、填料吸收塔填料吸收器填料吸收器几种常见的填料几种常见的填料 二、二、板式塔板式塔筛板塔筛板塔第七节第七节 吸收气体污染物的工艺配置吸收气体污染物的工艺配置 一、吸收剂的选择一、吸收剂的选择 溶解度要大；溶解度要大；选择性要好；选择性要好；

24、挥发度要低；挥发度要低；操作温度下吸收剂应具有较低的粘度；操作温度下吸收剂应具有较低的粘度；对设备腐蚀性小或无腐蚀性，尽可能无毒；对设备腐蚀性小或无腐蚀性，尽可能无毒；另外要考虑到价廉、易得、化学稳定性好，便于再生，另外要考虑到价廉、易得、化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等经济和安全因素。不易燃烧等经济和安全因素。二、二、吸收工艺流程中的配置吸收工艺流程中的配置 富液的处理富液的处理 除尘除尘 烟气的预冷却烟气的预冷却 在低温省煤器中直接冷却在低温省煤器中直接冷却 直接增湿冷却直接增湿冷却 采用预洗涤塔除尘增湿降温采用预洗涤塔除尘增湿降温 结垢和堵塞结垢和堵塞 除雾除雾 气体的再加热气体的再加热