填料吸收塔的操作及吸收傳質(zhì)系數(shù)的測(cè)定課件.ppt

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1、填 料 吸 收 塔 的 操 作及吸 收 傳 質(zhì) 系 數(shù) 的 測(cè) 定 吸 收 概 述n 吸 收 操 作 是 氣 體 混 合 物 的 重 要 分 離 方 法 ， 它 是 將 氣 體 混合 物 與 適 當(dāng) 的 液 體 接 觸 （ 氣 液 逆 流 或 并 流 ） ， 氣 體 中 一種 或 多 種 組 分 溶 解 于 溶 液 中 ， 不 能 溶 解 的 組 分 仍 留 在 氣相 中 ， 從 而 利 用 各 組 分 在 液 體 中 溶 解 度 的 差 異 而 使 氣 體中 不 同 組 分 分 離 的 操 作 。 混 合 氣 體 中 ， 能 夠 溶 解 于 液 體的 組 分 稱(chēng) 為 吸 收 質(zhì) 或 溶 質(zhì)

2、； 不 能 溶 解 的 組 分 稱(chēng) 為 惰 性 氣體 ； 吸 收 操 作 所 用 的 溶 劑 稱(chēng) 為 吸 收 劑 ； 溶 有 溶 質(zhì) 的 溶 液稱(chēng) 為 吸 收 液 或 簡(jiǎn) 稱(chēng) 溶 液 ； 排 出 的 氣 體 稱(chēng) 為 吸 收 尾 氣 ， 其主 要 成 分 應(yīng) 是 惰 性 氣 體 ， 還 含 有 殘 余 的 溶 質(zhì) 。 n 分 類(lèi) ： 物 理 吸 收 和 化 學(xué) 吸 收 ； 等 溫 吸 收 和 非 等 溫 吸 收 ；單 組 分 吸 收 和 多 組 分 吸 收 等 。n 應(yīng) 用 ： 1.制 取 化 工 產(chǎn) 品 ； 2.分 離 氣 體 混 合 物 ； 3.從 氣 體中 回 收 有 用 組 分 ； 4.

3、氣 體 凈 化 等 。 實(shí) 驗(yàn) 目 的1.了 解 填 料 吸 收 塔 的 結(jié) 構(gòu) 和 流 程 。2.了 解 吸 收 劑 進(jìn) 口 條 件 的 變 化 對(duì) 吸 收操 作 結(jié) 果 的 影 響 。 3.掌 握 吸 收 總 傳 質(zhì) 系 數(shù) 的 測(cè) 定 方 法 。 實(shí) 驗(yàn) 基 本 原 理1.氣 液 相 平 衡 關(guān) 系2.吸 收 速 率 方 程 式3.全 塔 物 料 衡 算 和 操 作 線(xiàn) 方 程4.填 料 吸 收 塔 的 操 作 和 調(diào) 節(jié) 1.氣 液 相 平 衡 關(guān) 系 大 多 數(shù) 氣 體 物 質(zhì) A溶 解 形 成 稀 溶 液 時(shí) ， 稀 溶 液上 方 溶 質(zhì) A的 平 衡 分 壓 p*A與 其 在 溶

4、 液 中 的 摩 爾 分 數(shù)xA成 正 比 ： p*A=ExA 這 就 是 亨 利 定 律 。 式 中 E為 亨 利 系 數(shù) (kPa)。 若 氣 相 組 成 也 用 平 衡 摩 爾 分 數(shù) y*表 示 ， 則 上 式可 寫(xiě) 為 ： y*=ExA/p總 令 m=E/p總 ， 則 y*=mxA 式 中 ： m-相 平 衡 常 數(shù) ， 量 綱 為 1。 吸 收 過(guò) 程 中 ， 由 于 溶 液 和 氣 體 的 總 量 在 不 斷 變 化 ，使 得 吸 收 過(guò) 程 的 計(jì) 算 比 較 復(fù) 雜 。 為 了 簡(jiǎn) 便 起 見(jiàn) ， 工 程 計(jì)算 中 采 用 在 吸 收 過(guò) 程 中 數(shù) 量 不 變 的 氣 體

5、（ 如 空 氣 ） 和 純吸 收 劑 為 基 準(zhǔn) ， 用 物 質(zhì) 的 量 之 比 （ 也 稱(chēng) 為 比 摩 爾 分 數(shù) ）來(lái) 表 示 氣 相 和 液 相 中 吸 收 質(zhì) A的 含 量 ， 并 分 別 用 YA和 XA表示 。 平 衡 時(shí) ， 其 關(guān) 系 式 為 ： 當(dāng) 溶 液 濃 度 很 低 時(shí) ， XA很 小 ， 則 1+(1-m)XA 1,， 上式 可 簡(jiǎn) 化 為 ： Y A*=mXA 一 些 氣 體 的 平 衡 系 數(shù) 可 以 在 化 工 手 冊(cè) 中 查 到 。AAA XmmXY )1(1* 2.吸 收 速 率 方 程 式吸 收 傳 質(zhì) 速 率 由 吸 收 速 率 方 程 式 決 定 ：N

6、A=KyAYm式 中 ： Ky-以 氣 相 摩 爾 分 數(shù) 差 (Y*-Y)為 推 動(dòng) 力 的 氣 相 總 傳 質(zhì) 系 數(shù) （ kmol/m2h） ; A-填 料 的 有 效 接 觸 面 積 （ m2） ； Ym-以 氣 相 摩 爾 分 數(shù) 差 (Y*-Y)表 示 的 塔 頂 、 塔 底 氣 相 平 均 推 動(dòng) 力 。而 A=V填式 中 ： -填 料 的 有 效 比 表 面 積 （ m 2/m3） ； V填 -填 料 層 堆 積 體 積 （ m3） 。 故 有式 中 ： -以 氣 相 摩 爾 分 數(shù) 差 為 推 動(dòng) 力 的 氣 相 總?cè)?積 吸 收 傳 質(zhì) 系 數(shù) （ kmol/m3h） 。m

7、yA YVKN 填,yK （ 1） 吸 收 速 率 NA由 吸 收 塔 的 物 料 衡 算 可 得 式 中 ： G-氣 相 流 量 （ kmol/h） ； Y1、 Y2-氣 相 進(jìn) 、 出 塔 濃 度 。)( 21 YYGN A （ 2） 氣 相 平 均 推 動(dòng) 力 可 取 塔 底 與 塔 頂 推 動(dòng) 力 的 對(duì) 數(shù) 平 均 值 ，即 )ln( 21 21 YY YYYm 11*111 mXYYYY 22*222 mXYYYY （ 3） 氣 相 總 體 積 傳 質(zhì) 系 數(shù) 由 式 可 得 ： 又 根 據(jù) 雙 膜 理 論 ， 在 一 定 的 溫 度 下 ， 吸 收 總系 數(shù) 可 用 下 式 表

8、示 ： 式 中 ： -氣 相 傳 質(zhì) 分 系 數(shù) （ kmol/m3h） ； -液 相 傳 質(zhì) 分 系 數(shù) （ kmol/m3h） 。 由 于 ， 、 顯 然 ， 與 氣 相 流 量 G和 液 相 流 量 L都 有 關(guān) ，其 關(guān) 系 可 由 下 式 表 示 ： mayA YVKN 填, mAay YV NK 填, axayay kmkK , 11 aay AGk , bax BLk ,ayK , baay LCGK ,ayk ,axk , 3.全 塔 物 料 衡 算 和 操 作 線(xiàn) 方 程 在 穩(wěn) 定 操 作 條 件 下 ， 惰 性 氣 體 （ 如 空氣 ） 和 純 吸 收 劑 的 量 基 本

9、 上 沒(méi) 有 變 化 。 在任 一 微 分 段 中 ， 從 氣 相 擴(kuò) 散 出 的 吸 收 質(zhì) 必為 同 微 分 段 的 液 體 所 吸 收 ， 則 物 料 衡 算 式如 下 ： 式 中 ： G-惰 性 氣 體 流 量 （ kmol/h） ； L-吸 收 劑 流 量 （ kmol/h） 。 AAA LdXdYGdN )( 對(duì) 全 塔 進(jìn) 行 物 料 衡 算 ， 則 得 ： 即 可 列 出 操 作 線(xiàn) 方 程 為 ： 它 是 一 條 通 過(guò) ( ) ， ( )兩 點(diǎn) 的直 線(xiàn) 。 這 條 直 線(xiàn) 就 是 吸 收 的 操 作 線(xiàn) 。)()( 2,1,2,1, AAAA XXLYYG )( 2,2,

10、 AAAA XGLYXGLY 1,1, , AA YX 2,2, , AA YX 4.填 料 吸 收 塔 的 操 作 和 調(diào) 節(jié) 吸 收 操 作 的 結(jié) 果 最 終 表 現(xiàn) 在 出 口 氣 體 的組 成 上 ， 或 溶 質(zhì) 的 吸 收 率 上 。 吸 收 率的 定 義 為 ： 由 于 吸 收 塔 的 氣 體 進(jìn) 口 條 件 （ 氣 體 中 惰性 氣 體 的 流 量 G和 吸 收 質(zhì) 的 組 成 ） 是 由 前一 工 序 決 定 的 ， 因 此 控 制 和 調(diào) 節(jié) 吸 收 操 作最 終 結(jié) 果 的 方 法 ， 只 能 是 調(diào) 節(jié) 吸 收 劑 的 進(jìn)口 條 件 ， 即 流 量 L、 溫 度 t、

11、濃 度 三 個(gè) 要 素 。%1001, 2,1, A AA Y YY2,Ay 1,AY 2,AX 由 吸 收 過(guò) 程 分 析 可 知 ： 改 變 吸 收 劑 用 量 是 對(duì) 吸 收 過(guò) 程 進(jìn) 行 調(diào) 節(jié) 的 最常 用 方 法 ， 當(dāng) 氣 體 流 量 G不 變 時(shí) ， 增 加 吸 收 劑 流 量L， 操 作 線(xiàn) 的 斜 率 增 加 ， 出 口 氣 體 的 組 成 下 降 ， 吸收 率 增 大 ， 溶 質(zhì) 吸 收 量 增 加 ， 吸 收 速 率 增 加 。 當(dāng)液 相 阻 力 較 小 時(shí) ， 增 加 液 體 的 流 量 ， 總 傳 質(zhì) 系 數(shù)變 化 較 小 或 基 本 不 變 。 溶 質(zhì) 吸 收

12、量 的 增 加 主 要 是由 于 傳 質(zhì) 平 均 推 動(dòng) 力 的 增 大 而 引 起 的 ， 即 此 時(shí) 吸收 過(guò) 程 的 調(diào) 節(jié) 主 要 靠 傳 質(zhì) 推 動(dòng) 力 的 變 化 。 當(dāng) 液 相阻 力 較 大 時(shí) ， 增 加 液 體 的 流 量 ， 總 傳 質(zhì) 系 數(shù) 大 幅度 增 加 ， 而 平 均 推 動(dòng) 力 可 能 減 少 ， 但 總 的 結(jié) 果 是使 傳 質(zhì) 速 率 增 大 ， 溶 質(zhì) 吸 收 量 增 大 。 L/Gm的 大 小 對(duì) 操 作 的 影 響 應(yīng) 該 注 意 ： 當(dāng) 氣 液 兩 相 在 塔 底 接 近 平衡 （ L/Gm） ， 提 高 吸 收 劑 用 量 ，即 增 大 L/G并

13、不 能 使 明 顯 降 低 ， 這時(shí) 只 有 降 低 吸 收 劑 入 塔 濃 度 才 是 有效 的 。 2,AY 2,AY 2,AX 吸 收 劑 進(jìn) 口 濃 度 對(duì) 吸 收 的 影 響 調(diào) 節(jié) 吸 收 劑 進(jìn) 口 濃 度 是 控 制和 調(diào) 節(jié) 吸 收 效 果 的 又 一 重 要 手 段 。吸 收 劑 進(jìn) 口 濃 度 降 低 ， 液 相 進(jìn) 口處 的 推 動(dòng) 力 增 大 ， 全 塔 平 均 推 動(dòng) 力也 會(huì) 隨 之 增 大 ， 這 有 利 于 吸 收 過(guò) 程吸 收 率 的 提 高 。 2,AX2,AX 吸 收 劑 入 口 溫 度 對(duì) 吸 收 的 影 響 吸 收 劑 入 口 溫 度 對(duì) 吸 收 過(guò)

14、 程 影 響也 很 大 ， 這 也 是 控 制 和 調(diào) 節(jié) 吸 收 操 作的 一 個(gè) 重 要 因 素 。 降 低 吸 收 劑 的 溫 度 ，使 氣 體 的 溶 解 度 增 大 ， 相 平 衡 常 數(shù) 減小 ， 平 衡 線(xiàn) 下 移 ， 平 均 推 動(dòng) 力 增 大 ，使 吸 收 效 果 變 好 。 最 后 應(yīng) 注 意 ： 以 上 討 論 是 基 于 填 料 塔 的 填 充高 度 一 定 ， 即 針 對(duì) 某 一 特 定 的 工 程問(wèn) 題 進(jìn) 行 操 作 型 的 問(wèn) 題 討 論 。 若 是設(shè) 計(jì) 型 的 工 程 問(wèn) 題 ， 則 上 述 結(jié) 果 不一 定 相 符 ， 需 視 具 體 問(wèn) 題 而 定 。

15、實(shí) 驗(yàn) 裝 置 及 流 程 本 實(shí) 驗(yàn) 以 水 為 吸 收 劑 ， 通 過(guò) 填 料 塔 吸 收 分 離 空 氣 丙 酮 混 合 氣 中 的 丙 酮 。 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 包 括 空 氣 輸 送 、 丙 酮 汽 化 、吸 收 劑 供 給 和 供 氣 -液 兩 相 逆 流 接 觸 的 填 料 塔 等 部 分 ， 其流 程 示 意 圖 如 下 所 示 。實(shí) 驗(yàn) 裝 置 流 程 示 意 圖 流 程 簡(jiǎn) 介 ： 由 空 氣 壓 縮 機(jī) 1提 供 的 空 氣 ， 經(jīng) 壓 力 定 值 器 2定 值 為 2 104Pa， 并 經(jīng) 轉(zhuǎn) 子 流 量 計(jì) 4計(jì) 量 后 ， 進(jìn)入 內(nèi) 盛 丙 酮 的 丙 酮 汽 化 器

16、 5， 產(chǎn) 生 丙 酮 和 空 氣 的混 合 氣 ， 混 合 氣 從 輸 氣 管 道 由 塔 底 進(jìn) 入 填 料 吸 收塔 7， 在 塔 內(nèi) 同 自 塔 頂 噴 下 的 水 逆 流 接 觸 ， 被 吸收 掉 其 中 大 部 分 丙 酮 后 ， 從 塔 頂 部 氣 體 出 口 9排出 。 由 恒 壓 高 位 槽 13底 部 流 出 的 吸 收 劑 （ 水 ） ，經(jīng) 轉(zhuǎn) 子 流 量 計(jì) 15計(jì) 量 ， 流 經(jīng) 電 加 熱 器 16， 由 塔頂 噴 入 吸 收 塔 ， 吸 收 了 空 氣 中 的 丙 酮 后 ， 由 塔 底經(jīng) 液 封 裝 置 11排 入 吸 收 液 貯 罐 。 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 主 要

17、 尺 寸 ：n （ 1） 填 料 塔 ： 塔 內(nèi) 徑 35mm， 填 料 層 高 度240mm， 填 料 拉 西 環(huán) 10mm 10mm 1mmn （ 2） 空 氣 轉(zhuǎn) 子 流 量 計(jì) ： 型 號(hào) LZB-6流 量100L/h1000L/hn （ 3） 水 轉(zhuǎn) 子 流 量 計(jì) ： 型 號(hào) LZB-4流 量1.6L/h16L/hn （ 4） 溫 度 指 示 儀 ： WMZ-03 050 n （ 5） 氣 動(dòng) 定 值 器 ： QCD-100 實(shí) 驗(yàn) 步 驟 （ 1）n 1、 打 開(kāi) 氣 相 色 譜 。n 2、 檢 查 丙 酮 汽 化 器 中 是 否 需 要 補(bǔ) 充 丙 酮 ， 丙 酮汽 化 器 中

18、 丙 酮 的 液 位 須 超 過(guò) 50%。n 3、 打 開(kāi) 進(jìn) 入 高 位 槽 的 自 來(lái) 水 龍 頭 ， 保 持 從 高 位槽 溢 流 管 始 終 有 適 量 水 溢 出 。 n 4、 關(guān) 閉 氣 、 液 流 量 計(jì) ， 關(guān) 閉 塔 底 液 體 出 口 閥 ，關(guān) 閉 空 壓 機(jī) 出 口 閥 門(mén) 。 n 5、 啟 動(dòng) 空 壓 機(jī) （ 控 制 壓 力 在 0.5Mpa左 右 ） ， 出口 壓 力 減 至 0.05Mpa， 通 過(guò) 儀 表 盤(pán) 上 壓 力 定 值 器控 制 實(shí) 驗(yàn) 操 作 壓 力 穩(wěn) 定 在 0.02Mpa。 實(shí) 驗(yàn) 步 驟 （ 2）n 6、 調(diào) 節(jié) 空 氣 流 量 計(jì) 調(diào) 節(jié) 流

19、 量 為 400L/h， 液 體 流量 為 3L/h， 注 意 穩(wěn) 定 塔 內(nèi) 壓 力 ， 空 壓 機(jī) 壓 力 及保 持 塔 底 液 位 高 度 60 。n 7、 用 氣 相 色 譜 分 析 混 合 氣 中 丙 酮 的 進(jìn) 口 濃 度 。當(dāng) 平 行 實(shí) 驗(yàn) 誤 差 小 于 5%時(shí) ， 即 認(rèn) 為 實(shí) 驗(yàn) 條 件 已基 本 穩(wěn) 定 。n 8、 在 穩(wěn) 定 操 作 條 件 下 測(cè) 定 氣 體 的 進(jìn) 口 、 出 口 濃度 。 并 隨 時(shí) 記 錄 氣 體 、 塔 頂 和 塔 底 的 溫 度 。 實(shí) 驗(yàn) 步 驟 （ 3）n 9、 改 變 吸 收 劑 流 量 （ 分 別 為 3、 5、 5L/h） 和

20、對(duì) 應(yīng)的 空 氣 流 量 （ 分 別 為 400、 400、 600L/h） ， 在 穩(wěn)定 操 作 條 件 下 分 別 測(cè) 定 氣 體 的 進(jìn) 出 口 濃 度 。n 10、 打 開(kāi) 吸 收 劑 水 溫 調(diào) 節(jié) 開(kāi) 關(guān) ， 調(diào) 節(jié) 加 熱 電 壓 ，使 吸 收 劑 的 進(jìn) 口 溫 度 為 35左 右 ， 操 作 穩(wěn) 定 后 再分 別 測(cè) 定 氣 體 的 進(jìn) 出 口 濃 度 。 n 11、 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 束 （ 注 意 ： 先 停 止 加 熱 ， 再 關(guān) 壓 縮 機(jī)和 空 氣 流 量 計(jì) 閥 門(mén) ， 然 后 關(guān) 閉 吸 收 劑 水 的 流 量 計(jì)閥 門(mén) ， 最 后 關(guān) 高 位 槽 進(jìn) 水 閥 門(mén) ）

21、 ， 切 斷 電 源 ， 水箱 和 丙 酮 汽 化 器 清 空 。 實(shí) 驗(yàn) 記 錄 及 數(shù) 據(jù) 處 理 (1)實(shí) 驗(yàn) 日 期 ：原 始 數(shù) 據(jù) 記 錄序號(hào) L*（ L/h） G* （ L/h） T進(jìn) t進(jìn) t出 塔 頂 塔 底A空 A丙 A空 A丙1 3 4002 5 4003 5 600 實(shí) 驗(yàn) 記 錄 及 數(shù) 據(jù) 處 理 (2)實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 處 理 結(jié) 果序號(hào) L（ Kmol/h） G（ Kmol/h） Y1 Y2 X2 (%) (kmol/m3h) 123 mAY , aYK , 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 要 求n 1.計(jì) 算 組 分 吸 收 率 ；n 2.計(jì) 算 氣 相 平 均 推 動(dòng) 力 ；

22、n 3.計(jì) 算 氣 相 總 容 積 傳 質(zhì) 系 數(shù) ；n 4.作 和 關(guān) 系 圖 。mAY , aYK ,LK aY , L %1001, 2,1, A AA Y YY )ln( 21 21 YY YYYm 11*111 mXYYYY 22*222 mXYYYY mAay YV NK 填, baay LCGK ,或 aYK , L LK aY , 關(guān) 系 圖 L L 關(guān) 系 圖 實(shí) 驗(yàn) 注 意 事 項(xiàng) 實(shí) 驗(yàn) 思 考 題 （ 1）n 1.從 傳 質(zhì) 推 動(dòng) 力 和 傳 質(zhì) 阻 力 兩 方 面 分 析 吸 收 劑 流 量 對(duì) 吸收 過(guò) 程 的 影 響 ？ n 2.填 料 吸 收 塔 塔 底 為

23、什 么 要 有 液 封 ？ 液 封 裝 置 是 如 何設(shè) 計(jì) 的 ？n 3.增 加 氣 體 量 對(duì) 吸 收 有 何 影 響 ？n 4.從 實(shí) 驗(yàn) 數(shù) 據(jù) 分 析 水 吸 收 丙 酮 是 氣 膜 控 制 過(guò) 程 還 是 液 膜控 制 過(guò) 程 ， 還 是 兩 者 同 時(shí) 存 在 ？ n 5.請(qǐng) 你 設(shè) 計(jì) 保 持 吸 收 劑 流 量 恒 定 的 高 位 槽 ， 并 說(shuō) 明 其 原理 ？n 6.為 什 么 要 測(cè) p-u的 關(guān) 系 曲 線(xiàn) ？ 實(shí) 驗(yàn) 思 考 題 （ 2）n 7.哪 些 操 作 條 件 會(huì) 影 響 本 實(shí) 驗(yàn) 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 ？ 如 何 判定 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 與 否 ？n 8

24、.液 相 從 塔 底 排 出 為 什 么 要 經(jīng) 過(guò) 形 液 封 裝 置 ？n 9.針 對(duì) 本 實(shí) 驗(yàn) ， 若 保 持 其 他 條 件 不 變 ， 分 別 改 變 氣 相流 量 和 液 相 流 量 ， 傳 質(zhì) 系 數(shù) Kya將 如 何 變 化 ？n 10.本 實(shí) 驗(yàn) 中 其 他 條 件 不 變 而 空 氣 流 量 適 當(dāng) 增 加 時(shí) ， 出塔 氣 、 液 組 成 會(huì) 如 何 變 化 ？ n 11.本 實(shí) 驗(yàn) 中 其 他 條 件 不 變 而 水 流 量 適 當(dāng) 增 加 時(shí) ， 出 塔氣 、 液 組 成 會(huì) 如 何 變 化 ？n 12.本 實(shí) 驗(yàn) 條 件 下 ， 若 增 加 空 氣 的 流 量 ， 則 水 流 量 是 否按 比 例 增 加 （ 即 L/G不 變 ） 就 可 保 證 吸 收 率 不 變 ？