模块6 气体吸收操作教案.docx

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模块6气体吸收操作教案

模块六气体吸收操作

项目1认识气体吸收装置

【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。

【教学目标】

1．通过观察吸收实训装置，掌握吸收塔的基本结构和工作原理。

2．熟悉吸收塔各部件的结构和作用。

3．掌握吸收操作基本知识。

【教学重点、难点】

重点：

填料吸收塔结构及工作原理

难点：

吸收机理

【教学方法】

采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。

根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。

【学时安排】8学时

【教学建议】

先通过例子导入本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。

然后，在学生预习的基础上学习气体吸收的相关知识。

【教学过程】

一、导入

酸雨是怎样形成的？

怎样净化含污染物的尾气？

可以用吸收解决之。

吸收是分离气体混合物的操作，如用水吸收氨气制取氨水，工业废气中SO2等有害气体的处理，均为吸收操作。

二、教师讲授及演示实训步骤

1．布置实训任务：

认识气体吸收装置。

2．引导学生先大致了解气体吸收装置，简述其用途，提高学生学习兴趣。

图6-1气体吸收装置

三、学生实训

指导学生按工艺卡片进行实训。

观察吸收塔主体——观察填料类型——观察进气系统——观察尾气测定系统——观察仪表及调节系统

四、检查评价

学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。

五、相关知识

在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。

一、吸收塔

学生自学、讨论内容

1．填料塔的结构是怎样的？

各部件起什么作用？

A型和B型填料塔有什么区别？

塔体、支座

液体进口、液体分布器、液体再分布器、液体收集器、液体出口

填料、填料压板、填料支承板

气体进口、气体出口

教师讲授内容

1．填料的种类、结构、装填方式及其特点

根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。

（1）散装填料（乱堆填料、颗粒填料）

散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。

如图6-3所示。

（a）鲍尔环（b）梯形环

（c）矩鞍填料（d）环鞍形填料（e）球形填料

图6-3几种典型的散装填料

（2）规整填料

根据几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。

如图6-4所示。

（a）格栅填料（b）金属丝网波纹填料（c）陶瓷波纹填料

图6-4常见规整填料

常见填料的结构特点及应用见表6-1。

（3）填料的特性

比表面积指单位体积填料的表面积，以a表示，单位为m2/m。

填料的比表面积越大，所提供的气、液传质面积越大，气、液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高。

空隙率是指单位体积填料中的空隙体积，以ε表示，单位为m3/m3，或以%表示。

填料的空隙率越大，结构越开敞，通量越大，气体通过的能力越大且压降低。

填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/ε3，称为填料因子，单位为1/m。

填料因子值越小，表明流动阻力越小。

几种填料的综合评价见表6-2。

波纹填料最好，金属鞍环填料次之。

2．填料支承板的类型与结构

用途是支承塔内的填料，同时又能保证气、液两相顺利通过。

栅板如图6-5所示。

如将填料乱堆在其上，会堵塞空隙，减少开孔率，故常用于规整填料塔。

气体喷射式支承板，气体容易进出填料层，液体也可自由排出，利于液体的均匀分配，避免了液泛现象。

如图6-6所示。

图6-5栅板结构图6-6气体喷射式支承板结构

3．液体分布器的类型与结构

液体分布器的作用是将液体均匀地分布在填料表面上，提高填料表面的有效利用率。

液体分布器的位置通常高于填料表面150～300mm。

常用的液体分布器有莲蓬头式、多孔排管式、盘式、齿槽式等。

如图6-7所示。

（a）槽盘式（b）齿槽式

（c ）喷洒式分布器喷嘴（d）排管式

图6-7液体分布器

4．液体再分布器的类型与结构

改善壁流的情况，在填料层内部每隔一定高度设置一液体分布器。

常见的有多孔盘式分布器、锥形分布器。

如图6-8所示。

如考虑分段卸出填料，可在分布器之上另设支承板。

 （a）截锥式（b）多孔盘式

图6-8液体再分布器

5．除沫器的类型与结构

除沫器是用来除去填料层顶部逸出的气体中的液滴，安装在喷淋装置上方。

除沫器种类很多，常见的有折板除沫器、丝网除沫器和旋流板除沫器等，其中丝网除沫器应用广泛，如图6-9所示。

当塔内气速不大，工艺过程无要求时，可不设除沫装置。

图6-9丝网除沫器

二、吸收的基础知识

学生自学、讨论内容

2．吸收是怎么回事？

解吸又是怎么回事？

3．吸收剂、吸收质和惰性气分别是指什么？

教师讲授内容

2．吸收操作的应用

（1）制取溶液。

如用水吸收氨气制取氨水，用水吸收氯化氢制取盐酸等。

（2）分离气体混合物。

如用洗油（煤焦油的精制品）处理焦炉气，除去其中的少量苯及甲苯蒸气。

（3）除去气体中有害的杂质。

如用丙酮脱出石油裂解气中的乙炔。

（4）回收气体混合物中有用组分，以综合利用，保护环境。

如工业废气中SO2，NO，NO2，H2S等有害气体的处理。

学生自学、讨论内容

4．以煤气脱苯为例，说明吸收操作的流程（图6-10）。

图6-10吸收解吸流程

教师讲授内容

3．吸收过程的分类

吸收操作可以按不同方法分类，见表6-3。

表6-3吸收操作的分类

分类方法

分类

特点

按吸收过程有无化学反应分类

物理吸收

吸收过程中溶质与吸收剂之间不发生明显的化学反应

化学吸收

吸收过程中溶质与吸收剂之间有明显的化学反应

按被吸收的组分数目分类

单组分吸收

混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分皆不溶解于吸收剂

多组分吸收

混合气体中有两个或更多组分进入液相

按吸收过程有无温度变化分类

等温吸收

吸收过程的热效应较小，或被吸收组分在气相中浓度很低，而吸收剂用量相对较大时，温度升高不显著

非等温吸收

吸收过程中热效应较大，或有反应热产生，随着吸收过程的进行，溶液温度逐渐变化

按吸收过程的操作压力分类

常压吸收

吸收操作在常压下进行

加压吸收

吸收操作在一定压力下进行，以增大溶质在吸收剂中的溶解度

三、吸收原理

1．吸收过程的气液相平衡——亨利定律

吸收是气、液两相之间的传质过程，该过程进行的方向是趋于相平衡，过程的极限是气、液两相达到平衡，即气相在液相中溶解达到饱和。

相平衡线（溶解度曲线）如图6-11，图中每一条线，分别给出了在一定温度和压力下，氨的气、液相组成的相平衡关系。

图6-11不同温度下氨在水中的平衡溶解度

亨利定律：

在总压不高（p＜0.5MPa），温度一定的条件下，气、液两相达到平衡状态时，稀溶液上方溶质的平衡分压与溶解度之间成正比，即

（6-1）

式中

——溶质在气相中的平衡分压，kPa；

E——比例常数，称亨利系数，kPa；

——溶质在液相中的摩尔分数。

亨利系数E值随物系而变化，当物系一定时，温度升高，E值增大。

亨利系数由实验测定，一般易溶气体的E值小，难溶气体的E值大。

亨利定律的其他形式：

（1）用摩尔分率表示相组成

（6-1a）

式中

——相平衡时，溶质在气相中的摩尔分数；

m——相平衡常数，

（p为总压，kPa），由实验测得。

（2）用摩尔比（或比摩尔分数）表示相组成

（6-1b）

式中

——相平衡时气相中溶质的摩尔比，

；

——溶液中溶质的摩尔比，

。

通过相平衡关系可以判别过程进行的方向和限度：

当YA＞

或XA＜

、pA＞

时，为吸收过程；

当YA＝

或XA＝

、pA＝

时，为平衡状态；

当YA＜

或XA＞

、pA＜

时，为解吸过程。

2．吸收过程的推动力

气相或液相的实际组成与相应条件下的平衡组成的差值即为吸收过程的传质推动力。

推动力可用气相推动力或液相推动力表示，即

（6-2）

（6-3）

吸收过程推动力越大，吸收越容易，越有利于吸收。

3．吸收机理——双膜理论

吸收是气相中的吸收质经过吸收操作转入到液相中去的一个传质过程。

图6-12气体吸收双膜理论模型

双膜理论的基本要点如下：

（1）气、液两相界面两侧存在两个很薄的流体膜——气膜和液膜。

（2）界面上不存在传质阻力，在气、液两相主体中也没有传质阻力，阻力集中在两膜层中。

吸收过程简化成为经过气、液两膜的分子扩散过程，吸收过程的推动力主要来源于气相的分压差和液相的浓度差。

4．吸收速率

单位时间内通过单位传质面积的吸收质的量称为吸收速率。

吸收速率与传质推动力成正比，与传质阻力成反比

对易溶气体，阻力主要集中在气膜内，气膜阻力控制着整个过程的吸收速率，称“气膜控制”。

对难溶气体，阻力主要集中在液膜内，液膜阻力控制着整个过程的吸收速率，称“液膜控制”。

要提高吸收速率，可以从以下几方面来考虑：

（1）减小双膜厚度

增大流体的流速，使流体强烈地搅动，可以减小膜的厚度。

对气膜控制的吸收过程，要增大气速，增加气体总压；对液膜控制的吸收过程，要增大液体的流速，使液体强烈地搅动。

（2）增大吸收推动力

采用溶解度大的吸收剂，降低吸收温度，增大操作压力。

（3）增大气、液相接触面积

增大气、液体的分散度，并选用高效填料。

【作业】

复习题，计算题

1．吸收操作与蒸馏操作有什么异同点？

2．吸收过程的双膜理论有什么局限性？

怎样根据双膜理论来控制吸收操作条件？

项目2填料塔流体力学特性的测定

【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。

【教学目标】

1．通过填料塔流体力学性能的测定，学会填料塔流体力学性能的测定方法。

2．掌握吸收过程的有关工艺计算。

【教学重点、难点】

重点：

填料塔流体力学性能的测定

难点：

吸收过程工艺计算

【教学方法】

采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。

根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。

【学时安排】8学时

【教学建议】

先明确本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。

然后，在学生预习的基础上学习气体吸收的相关知识。

【教学过程】

一、导入

怎样评价填料塔性能的优劣？

是不是只能在工作中评价？

通过测定填料塔流体力学性能，可以评价填料塔性能的好坏，进一步指导生产。

二、教师讲授及演示实训步骤

1．布置实训任务：

测定填料塔流体力学性能。

2．引导学生大致了解气体吸收实训装置，演示其操作方法。

三、学生实训

指导学生按工艺卡片进行实训。

检查准备——开动供水系统——开动空气系统——观察拦液现象——观察液泛现象——正式测定——绘制曲线

四、检查评价

学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。

五、相关知识

在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。

一、填料塔的流体力学性能

1．填料层的持液量

一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以m3液体/m3填料表示。

持液量小则气体流通阻力小，到载点后，持液量随气速的增加而增加。

适当的持液量对填料塔操作的稳定性和传质是有益的。

但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面，使压降增大，处理能力下降。

2．填料层的压降

在逆流操作填料塔中，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。

在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；

在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。

图6-14填料层的

-u关系示意图

图中：

直线L0——无液体喷淋（qn，L＝0），称为干填料压力降线。

曲线qn，L1，qn，L2，qn，L3——不同液体喷淋量下填料层的Δp与u的关系（喷淋量qn，L1＜qn，L2＜qn，L3）。

从图中可看出，在一定的喷淋量下，压力降随空塔气速的变化曲线大致可分为三段：

（1）恒持液量区

当气速低于A点时，Δp与u近似为一直线，且基本与干填料压力降线平行。

（2）载液区

当气速增大至超过A点时，气体对液膜流动产生阻滞作用，使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增大而增大，此现象称为拦液。

开始发生拦液现象时的空塔气速称为载点气速，A点称为载点。

曲线上A点至B点的区域称为载液区。

（3）液泛区

若气速继续增大，到达图中B点时，由于液体不能顺利向下流动，使填料层的持液量不断增大，填料层内几乎充满液体。

气速增加很小便会引起压降的剧增，此现象称为液泛。

开始发生液泛现象时的气速称为泛点气速，以uF表示。

曲线上的B点称为泛点，泛点以上的区域称为液泛区。

通常认为泛点气速是填料塔正常操作气速的上限。

3．液泛

在泛点气速下，液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。

影响液泛的因素很多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。

气体密度越小，液体的密度越大、黏度越小，则泛点气速越大。

操作的液气比越大，则在一定气速下液体喷淋量越大，填料层的持液量增加而空隙率减小，故泛点气速越小。

想一想

填料塔操作过程中，怎样判断是载点气速和泛点气速？

填料塔液泛应如何处理？

二、吸收计算

1．全塔物料衡算

图6-15逆流吸收塔示意图

qn，V——惰性气的摩尔流量，kmol/h；

qn，L——吸收剂的摩尔流量，kmol/h；

Y1，Y2——分别为进塔、出塔气相中吸收质的摩尔比；

X1，X2——分别为出塔和进塔液相中吸收质的摩尔比。

单位时间内进塔物料中溶质A的量等于出塔物料中溶质A的量

（6-4）

或气相中溶质A减少的量等于液相中溶质A增加的量

（6-4a）

若吸收率η（溶质回收率）确定，气体离开塔的组成Y2为定值：

（6-5）

（6-6）

这样，通过全塔物料衡算式（6-4a），便可求得塔底排出吸收液的组成X1。

【例6-1】用水作吸收剂，回收空气和丙酮蒸气混合气中的丙酮。

已知混合气中丙酮蒸气的体积分数为6%，所处理的混合气中的空气量为1400m3/h，操作在293K和101.3kPa下进行，要求丙酮的回收率达98%。

若吸收剂用量为3m3/h，试问吸收塔溶液出口含量为多少？

解：

按题意，先将组成换算成摩尔比

塔底：

塔顶：

入塔空气流量：

kmol/h

吸收剂用量：

kmol/h

根据全塔物料衡算式

溶液出口含量为

kmol丙酮/kmol水

2．操作线方程

在m-m截面与塔底间做物料衡算，得

整理得

（6-7）

在m-m截面与塔顶间做物料衡算，得

整理得

（6-8）

式（6-7）、（6-8）表示吸收操作过程中，任一截面处的气液相组成的关系，称为吸收塔操作线方程。

图6-16逆流吸收塔操作线

图6-16中，曲线OE为平衡线，BT为操作线。

操作线斜率

/

称为“液气比”

（6-9）

操作线离平衡线越远，推动力越大。

操作线上任意一点A代表塔内相应截面上的气、液相组成Y，X之间的关系。

3．吸收剂的用量

（1）吸收剂用量对操作线的影响

当混合气体量

、出口组成Y2及液体进口组成X2一定的情况下，操作线的起点T是固定的，终点B随吸收剂用量的变化而变化。

图6-17操作线的变化图

若吸收剂量减少，点B便沿水平线Y＝Y1向右移动，出塔吸收液组成增大，吸收推动力变小，完成同样吸收任务所需的塔高增大，设备费用增大。

当吸收剂用量减少到B点与平衡线OE相交时，X＝X1*，吸收推动力为零，生产上无法实现。

此种状况下对应的液气比称为最小液气比，（

/

）min；相应的吸收剂用量即为最小吸收剂用量，

。

反之，若增大吸收剂用量，则点B将沿水平线向左移动，使操作线远离平衡线，吸收过程推动力增大，有利于吸收操作。

但超过一定限度后，使吸收剂消耗量、输送及回收等操作费用急剧增加。

吸收剂用量的大小，从设备费用和操作费用综合考虑，选择适宜的液气比，使两种费用之和最小，另外还要确保传质所需的填料层表面全部润湿。

根据生产经验，一般取吸收剂用量为最小用量的1.1～2.0倍，即

（1.1～2.0）

（6-10）

（2）最小液气比

（6-12）

若平衡关系符合亨利定律（Y*＝mX），则

（6-13）

若平衡关系符合亨利定律，且用新鲜吸收剂吸收（

），则

（6-14）

【例6-2】在填料塔中，用清水吸收空气和氨混合物中的氨，要求回收率为95.5%。

每小时送入的混合气体量为1400kg，混合气体的总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.333kPa。

实际吸收剂用量为最小耗用量的2倍，操作温度下的平衡关系为

。

求每小时送入塔顶的清水量

及吸收液含量X1。

解已知

，

，

，

，

先将分压换算为摩尔比

根据吸收率的定义

气相中氨的摩尔分数

混合气体中氨的含量很少，混合气体的摩尔质量可近似按空气的摩尔质量29kg/kmol计算。

混合气体中惰性气体的量为

kmol/h

由于气液相平衡关系为

，则最小吸收剂用量

kmol/h

实际吸收剂用量

kmol/h

m3/h

吸收液中氨含量

3．填料层高度

完成指定的吸收任务必须有足够的填料高度。

影响填料层高度的因素有两流体的流向，吸收剂进塔含量及其最高允许含量，吸收剂用量，塔内返混情况，以及吸收剂是否再循环等。

【作业】

复习题

计算题：

6-2，6-3

项目3填料吸收塔的操作

【教材版本】李祥新、朱建民主编《化工单元操作》，高等教育出版社2009年3月出版。

【教学目标】

1．通过吸收岗位的操作实训，学会填料吸收塔的启动、正常运行和停车操作。

2．学会判断与处理吸收塔操作过程中的常见故障。

3．熟悉填料吸收塔的维护保养方法。

【教学重点、难点】

重点：

填料塔操作

难点：

吸收塔操作过程中的常见故障判断及处理

【教学方法】

采用项目教学法，以行动导向来进行学习，调动学生的学习积极性，注重培养学生规范操作、观察分析、团结合作的能力。

根据本项目特点，采用“导入——演示——实训——评价——讲授——讨论”的教学过程，先让学生在完成具体项目的过程中熟悉相应单元操作，然后通过相关知识的学习达到教学目标。

【学时安排】8学时

【教学建议】

先明确本项目的工作任务，根据要求布置实训任务，演示实训操作方法，指导学生按步骤完成实训项目。

然后，在学生预习的基础上学习气体吸收的相关知识。

【教学过程】

一、导入

工业上吸收操作最常用的是填料塔。

本项目学习填料塔的操作，学会判断与处理吸收塔操作过程中的常见故障，并对填料吸收塔进行维护保养。

二、教师讲授及演示实训步骤

1．布置实训任务：

填料吸收塔的启动、正常运行和停车操作。

2．引导熟悉气体吸收实训装置，演示其操作方法。

三、学生实训

指导学生按工艺卡片进行实训。

检查准备——开车——正常操作——测定吸收尾气——不正常操作与调整——临时停车——长期停车

四、检查评价

学生自查实训情况，各组比较操作情况及数据的准确性，选出最佳操作人员。

五、相关知识

在学生预习及实训操作的基础上，由教师讲授与学生讨论相结合，完成以下内容的学习。

一、吸收塔操作

讨论自学

1．吸收操作中，在选择吸收剂时主要从哪些方面进行考虑？

2．吸收塔操作的主要控制因素有哪些？

分别应该怎样控制？

（1）操作温度

（2）操作压力

（3）吸收剂用量

（4）吸收剂中吸收质浓度

（5）气流速度