化工原理气体吸收PPT课件.ppt
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1、关于化工原理气体吸收第一张,PPT共七十六页,创作于2022年6月第五章第五章 气体吸收气体吸收第一节第一节 概述概述第二节第二节 气液相平衡气液相平衡第三节第三节 传质机理与吸收过程的速率传质机理与吸收过程的速率 第四节第四节 填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算 第五节第五节 填料塔的结构及特性填料塔的结构及特性 第六节第六节 解吸操作解吸操作 第二张,PPT共七十六页,创作于2022年6月吸吸收收分分离离操操作作:利利用用混混合合气气体体中中各各组组分分在在液液体体中中溶溶解解度度差差异异,使使某某些些易易溶溶组组分分进进入入液液相相形形成成溶溶液液,不不溶溶或或难难溶溶组组分分仍仍留留在在
2、气气相相,从从而而实实现现混合气体的分离。混合气体的分离。吸收剂吸收剂气体气体yx界面界面气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面气相扩散气相扩散 液相扩散液相扩散 yi xi 气气体体吸吸收收是是混混合合气气体体中中某某些些组组分分在在气气液液相相界界面面上上溶溶解解、在在气气相相和和液液相相内内由由浓浓度度差差推动的传质过程。推动的传质过程。第一节第一节 概述概述吸收实质:吸收实质:第三张,PPT共七十六页,创作于2022年6月 吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法,是传质吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法,是传质过程中的一种形式,在化工生产中有广泛的应用。过程中的一种形式,
3、在化工生产中有广泛的应用。吸收的应用包括吸收的应用包括:1.原料气净化原料气净化;2.回收混合气体中的有用组分。回收混合气体中的有用组分。3.制备气体的溶液作为产品制备气体的溶液作为产品;4.环境保护,综合利用环境保护,综合利用;5.1.1 吸收操作在化工生产中的应用吸收操作在化工生产中的应用 第四张,PPT共七十六页,创作于2022年6月氨氨合合成成原原料料气气中中的的CO2用用乙乙醇醇胺胺水水溶溶液液吸吸收收,以以防防止止氨氨合合成成催催化化剂剂中毒中毒.1.原料气净化原料气净化H2(CO2)第五张,PPT共七十六页,创作于2022年6月低温甲醇洗工艺是德国低温甲醇洗工艺是德国Linde公
4、司和公司和Lurgi公司共同开发的一种酸性气体净化工艺。公司共同开发的一种酸性气体净化工艺。该工艺采用物理吸收法,以甲醇作为酸性气体吸收液,利用其在该工艺采用物理吸收法,以甲醇作为酸性气体吸收液,利用其在-60左右的低左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性,选择性地吸收原料气中的温下对酸性气体溶解度极大的物理特性,选择性地吸收原料气中的H2S,CO2及各种有及各种有机硫等杂质。机硫等杂质。低温甲醇洗装置低温甲醇洗装置煤制甲醇的生产工艺煤制甲醇的生产工艺空分空分水煤浆水煤浆气化气化低温低温 甲甲醇洗醇洗甲醇甲醇醋酸醋酸醋酐醋酐CO分离分离硫回收硫回收第六张,PPT共七十六页,创作于2022年
5、6月第七张,PPT共七十六页,创作于2022年6月来来自自煤煤项项目目的的甲甲醇醇洗洗装置情况:基本情况装置情况:基本情况工艺流程图工艺流程图原料气原料气/合成合成气体热交换气体热交换器器I新鲜甲新鲜甲醇储槽醇储槽锅炉给水锅炉给水冷却器冷却器原料气原料气冷却器冷却器补充泵补充泵 洗氨器洗氨器原料气原料气/合成气合成气体热交换器体热交换器II原料气原料气/废气热废气热交换器交换器地下地下废液罐废液罐地下地下废液泵废液泵吸收器吸收器C02 甲甲醇醇级级间冷却器间冷却器H2S-吸收器吸收器进料冷却器进料冷却器图例图例气体气体水水/蒸汽蒸汽液体液体热功率热功率流号流号备注备注合成气合成气原料气原料气原
6、原料料气气冷冷凝物凝物补充甲醇补充甲醇废甲醇废甲醇第八张,PPT共七十六页,创作于2022年6月2.回收混合气体中的有用组分回收混合气体中的有用组分洗油处理焦炉气以回收煤气中的苯。洗油处理焦炉气以回收煤气中的苯。吸收与解吸流程吸收与解吸流程含苯煤气含苯煤气脱苯煤气脱苯煤气洗油洗油苯苯水水过热蒸汽过热蒸汽加加热热器器冷冷却却器器第九张,PPT共七十六页,创作于2022年6月3.制备气体的溶液作为产品制备气体的溶液作为产品将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来,成为液态的产品或半成品,将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来,成为液态的产品或半成品,如:从含如:从含HCl气体中盐酸气体中盐酸,硫酸吸
7、收,硫酸吸收SO3制浓硫酸,水吸收甲醛制福尔制浓硫酸,水吸收甲醛制福尔马林液。马林液。第十张,PPT共七十六页,创作于2022年6月4.环境保护,综合利用环境保护,综合利用如含如含SO2,NO,NO2等废气中,要除去这些有害成份。等废气中,要除去这些有害成份。第十一张,PPT共七十六页,创作于2022年6月吸收质或溶质吸收质或溶质(solute):混合气体中的溶解组分,以混合气体中的溶解组分,以A表示。表示。惰性气体惰性气体(inert gas)或载体:或载体:不溶或难溶组分,以不溶或难溶组分,以B表示。表示。吸收剂吸收剂(absorbent):吸收操作中所用的溶剂,以吸收操作中所用的溶剂,以
8、S表示。表示。吸吸收收液液(strong liquor):吸吸收收操操作作后后得得到到的的溶溶液液,主主要要成成分分为为溶溶剂剂S和溶质和溶质A。吸吸收收尾尾气气(dilute gas):吸吸收收后后排排出出的的气气体体,主主要要成成分分为为惰惰性性气气体体B和少量的溶质和少量的溶质A。解解吸吸或或脱脱吸吸(desorption):与与吸吸收收相相反反的的过过程程,即即溶溶质质从从液液相相中中分离而转移到气相的过程。分离而转移到气相的过程。目的:循环使用吸收剂或回收溶质。目的:循环使用吸收剂或回收溶质。物物理理吸吸收收(physical absorption):吸吸收收过过程程溶溶质质与与溶溶
9、剂剂不不发发生生显显著著的的化化学学反反应应,可可视视为为单单纯纯的的气气体体溶溶解解于于液液相相的的过过程程。如如用用水水吸吸收收二二氧氧化化碳碳、用用水水吸吸收收乙乙醇醇或或丙丙醇醇蒸蒸汽汽、用用洗洗油油吸吸收收芳烃等。芳烃等。5.1.2 吸收操作必须解决的问题吸收操作必须解决的问题 第十二张,PPT共七十六页,创作于2022年6月化化学学吸吸收收(chemical(chemical absorption)absorption):溶溶质质与与溶溶剂剂有有显显著著的的化化学学反反应应发发生生。如如用用氢氢氧氧化化钠钠或或碳碳酸酸钠钠溶溶液液吸吸收收二二氧氧化化碳碳、用用稀稀硫硫酸酸吸吸收收氨
10、氨等等过过程程。化化学学反反应应能能大大大大提提高高单单位位体体积积液液体体所所能能吸吸收收的的气气体体量量并并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。单单组组分分吸吸收收:混混合合气气体体中中只只有有单单一一组组分分被被液液相相吸吸收收,其其余余组组分分因因溶溶解解度甚小其吸收量可忽略不计。度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收:多组分吸收:有两个或两个以上组分被吸收。有两个或两个以上组分被吸收。溶溶解解热热:气气体体溶溶解解于于液液体体时时所所释释放放的的热热量量。化化学学吸吸收收时时,还还会会有有反应热。反应热。非等温吸收:非等温吸收:体系温度发生明显变化的吸收
11、过程。体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收:等温吸收:体系温度变化不显著的吸收过程。体系温度变化不显著的吸收过程。第十三张,PPT共七十六页,创作于2022年6月气液两相的接触方式气液两相的接触方式连连续续接接触触(也也称称微微分分接接触触):气气、液液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级级式式接接触触:气气、液液两两相相逐逐级级接接触触传传质质,两相的组成呈阶跃变化。两相的组成呈阶跃变化。如板式塔。如板式塔。散装填料散装填料塑料鲍尔环填料塑料鲍尔环填料规整填料规整填料 塑料丝网波纹填料塑料丝网波纹填料 第十四张,PPT共七十六页,创作于2022年6月物理吸收
12、:物理吸收:吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应。如用水吸收二氧吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收:化学吸收:溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用NaOH或或Na2CO3溶溶液吸收液吸收CO2、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所、用稀硫酸吸收氨等过程。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。能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。单组分吸收:单组分吸收:混合气体中
13、只有单一组分被液相吸收,其余组分因溶解度甚小混合气体中只有单一组分被液相吸收,其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。其吸收量可忽略不计。多组分吸收:多组分吸收:有两个或两个以上组分被吸收。有两个或两个以上组分被吸收。非等温吸收:非等温吸收:体系温度发生明显变化的吸收过程。体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收:等温吸收:体系温度变化不显著的吸收过程。体系温度变化不显著的吸收过程。本章主要讨论单组分、等温的物理吸收过程。本章主要讨论单组分、等温的物理吸收过程。5.1.3 吸收操作的分类吸收操作的分类 第十五张,PPT共七十六页,创作于2022年6月第二节第二节 气液相平衡气液相平衡 在吸收操
14、作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变,但惰性气体和在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变,但惰性气体和吸收剂的量始终保持不变。因此,在吸收计算中,相组成以比质量分数或比摩吸收剂的量始终保持不变。因此,在吸收计算中,相组成以比质量分数或比摩尔分数表示较为方便。尔分数表示较为方便。1 1比质量分数与比摩尔分数比质量分数与比摩尔分数如果混合物是双组分气体混合物时如果混合物是双组分气体混合物时比质量分数与比摩尔分数的换算关系比质量分数与比摩尔分数的换算关系在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时,通常以在操在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时,通常以在操作中不转移到另一相的组分作
15、为作中不转移到另一相的组分作为B B组分。在吸收中,组分。在吸收中,B B组分是指吸收剂或惰性气,组分是指吸收剂或惰性气,A A组分是指吸收质组分是指吸收质.M组分的千摩尔质量,组分的千摩尔质量,kg/kmol 第十六张,PPT共七十六页,创作于2022年6月2 2质量浓度与物质的量浓度质量浓度与物质的量浓度 对于气体混合物,在压强不太高、温度不太低的情况下,可视为理想气体,对于气体混合物,在压强不太高、温度不太低的情况下,可视为理想气体,则则A组分,有组分,有质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于A A组分组分,有有课本例题课本例题例
16、题例题 在一常压、在一常压、298K的吸收塔内,用水吸收混合气中的的吸收塔内,用水吸收混合气中的SO2,已知,已知混合气体中含混合气体中含SO2的体积分数为的体积分数为20%,其余组成可看作惰性气体,出,其余组成可看作惰性气体,出塔气体中含塔气体中含SO2体积分数为体积分数为2%,试分别用摩尔分数、摩尔比和摩尔,试分别用摩尔分数、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中浓度表示出塔气体中SO2的组成。的组成。解:解:y2=0.02 第十七张,PPT共七十六页,创作于2022年6月吸收的相平衡关系,是指气液两相达到平衡时,被吸收的组分(吸收质)在两相中的吸收的相平衡关系,是指气液两相达到平衡时,被吸收的组
17、分(吸收质)在两相中的浓度关系,即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。浓度关系,即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。5.2.1 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 气体溶解度曲线气体溶解度曲线平衡状态:平衡状态:一定压力和温度,一定量的吸收一定压力和温度,一定量的吸收剂与混合气体充分接触,气相剂与混合气体充分接触,气相 中的溶质中的溶质向溶剂中转移,长期充分接触后,液相中溶质向溶剂中转移,长期充分接触后,液相中溶质组分的浓度不再增加,此时,气液两相达到平组分的浓度不再增加,此时,气液两相达到平衡。衡。饱和浓度:饱和浓度:平衡时溶质在液相中的浓度。平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压:平衡分压:平衡时
18、气相中溶质的分压,用平衡时气相中溶质的分压,用 表示表示 吸收速率吸收速率=解吸速率解吸速率第十八张,PPT共七十六页,创作于2022年6月讨论:讨论:(2)温度)温度一一定,定,分压增加分压增加,在同一溶剂中,溶质的溶解度,在同一溶剂中,溶质的溶解度x随之增随之增加,加,有利于吸收有利于吸收。(1)分压)分压一一定,定,温度下降温度下降,在同一溶剂中,溶质的溶解度,在同一溶剂中,溶质的溶解度x随之随之增加,增加,有利于吸收有利于吸收。(3)相同的总压及摩尔分率,)相同的总压及摩尔分率,cO2 cCO2 cSO2 YA*,。若出现。若出现YAYA*,为吸收过程;,为吸收过程;A点在平衡线上,点
19、在平衡线上,YA=YA*,体系达平衡,吸收过程停止;当体系达平衡,吸收过程停止;当 A点位于平衡线的下方时,则点位于平衡线的下方时,则YAYA*,是吸收进行的必要条件,而差值,是吸收进行的必要条件,而差值 YA=YA-YA*,则是吸收则是吸收过程的推动力,差值越大,吸收速率越大。过程的推动力,差值越大,吸收速率越大。第二十九张,PPT共七十六页,创作于2022年6月例例:在在常常压压及及20下下,测测得得氨氨在在水水中中的的平平衡衡数数据据为为:0.5gNH3/100gH2O浓浓度度为为的的稀稀氨氨水水上上方方的的平平衡衡分分压压为为400Pa,在在该该浓浓度度范范围围下下相相平平衡衡关关系系
20、可可用用亨亨利利定定律律表表示示,试试求求亨亨利系数利系数E,溶解度系数,溶解度系数H,及相平衡常数,及相平衡常数m。(氨水密度可取为。(氨水密度可取为1000kg/m3)由亨利定律表达式知:由亨利定律表达式知:解:解:第三十张,PPT共七十六页,创作于2022年6月亨利系数为亨利系数为 又又 相平衡常数相平衡常数 第三十一张,PPT共七十六页,创作于2022年6月溶解度系数为:溶解度系数为:或由各系数间的关系求出其它系数或由各系数间的关系求出其它系数 第三十二张,PPT共七十六页,创作于2022年6月5.3 传质机理与吸收过程的速率传质机理与吸收过程的速率(!需补充)(!需补充)1.1.传质
21、的基本方式传质的基本方式吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到液相是通过扩散进行的,因此传质过程也称为扩散过程。液相是通过扩散进行的,因此传质过程也称为扩散过程。吸收过程涉及两相间的物质传递,包括三个步骤:吸收过程涉及两相间的物质传递,包括三个步骤:1.溶质由气相主体传递到两相界面,即溶质由气相主体传递到两相界面,即气相内的物质传递气相内的物质传递;2.溶质在相界面上的溶解,由气相转入液相,即溶质在相界面上的溶解,由气相转入液相,即界面上发生的溶解过程;界面上发生的溶解过程;3.溶质自界面被传递至液相
22、主体,即溶质自界面被传递至液相主体,即液相内的物质传递液相内的物质传递。一般认为相界面的传质阻力很小,气液两相的浓度符合亨利定律,总过程的速率由一般认为相界面的传质阻力很小,气液两相的浓度符合亨利定律,总过程的速率由一般认为相界面的传质阻力很小,气液两相的浓度符合亨利定律,总过程的速率由一般认为相界面的传质阻力很小,气液两相的浓度符合亨利定律,总过程的速率由气相与液相内的传质速率决定。气相与液相内的传质速率决定。气相与液相内的传质速率决定。气相与液相内的传质速率决定。第三十三张,PPT共七十六页,创作于2022年6月(1 1)分子扩散)分子扩散 物质以分子运动的方式通过静止流体的转移,或物质物
23、质以分子运动的方式通过静止流体的转移,或物质通过层流流体,且传质方向与流体的流动方向相垂直的转移,导致物质通过层流流体,且传质方向与流体的流动方向相垂直的转移,导致物质从高浓度处向低浓度处传递,这种传质方式称为分子扩散。分子扩散只从高浓度处向低浓度处传递,这种传质方式称为分子扩散。分子扩散只是由于分子热运动的结果,扩散的推动力是浓度差,扩散速率主要决定是由于分子热运动的结果,扩散的推动力是浓度差,扩散速率主要决定于扩散物质和静止流体的温度及某些物理性质。于扩散物质和静止流体的温度及某些物理性质。传质的基本方式传质的基本方式分子扩散分子扩散 对流扩散对流扩散 涡流扩散涡流扩散 第三十四张,PPT
24、共七十六页,创作于2022年6月(2 2)涡流扩散)涡流扩散 在湍流主体中在湍流主体中,凭借流体质点的湍动和漩涡进行物质传递凭借流体质点的湍动和漩涡进行物质传递的现象,称为涡流扩散。若将一勺砂糖放入杯水之中,用勺搅动,则将甜的现象,称为涡流扩散。若将一勺砂糖放入杯水之中,用勺搅动,则将甜的更快更均,那便是涡流扩散的效果了。涡流扩散速率比分子扩散速率大的更快更均,那便是涡流扩散的效果了。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多,涡流扩散速率主要决定于流体的流动形态。得多,涡流扩散速率主要决定于流体的流动形态。(3 3)对流扩散)对流扩散对流扩散为湍流气体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散这两种传对流扩散为
25、湍流气体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散这两种传质作用的总称。质作用的总称。对流扩散亦称对流传质,对流传质包括湍流主体的涡流扩散和层流对流扩散亦称对流传质,对流传质包括湍流主体的涡流扩散和层流内层的分子扩散。内层的分子扩散。第三十五张,PPT共七十六页,创作于2022年6月2 2双膜理论双膜理论 由于吸收过程是物质在两相之间的传递,由于吸收过程是物质在两相之间的传递,其过程极为复杂。为了从理论上说明这个机其过程极为复杂。为了从理论上说明这个机理,曾提过多种不同的理论,其中应用最广理,曾提过多种不同的理论,其中应用最广泛的是泛的是19261926年由刘易斯和惠特曼提出的年由刘易斯和惠特曼提出的“
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