吸收与分离技术 分离设备制定 - 图文

模块二吸收技术

本模块的学习目标

知识目标

1．掌握吸收操作的基本知识、吸收速率、吸收推动力、吸收塔的工艺计算；掌握吸收塔的操作、常见事故及其处理方法。

2．理解吸收操作的的机理，理解其它吸收与解吸过程，理解吸收塔的控制与调节，理解强化吸收的途径。

3．了解吸收塔的塔高、塔径的计算，了解吸收装置的结构和特点，了解各种新型的填料及其应用。 能力目标

1．能根据生产任务对吸收塔进行操作，并能对其操作中的相关参数进行控制； 2、能根据生产任务确定吸收剂的用量、计算出填料层高度；同时能根据生产的特点制定出安全操作规程。

3．能够对吸收平衡和吸收速率影响因素进行分析，能正确判断吸收类型，选择正确的操作条件。

4．能根据生产的需要正确查阅和使用一些常用的工程计算图表、手册、资料等，进行必要的工艺计算。 素质目标

1．培养学生严谨的科学态度；严格遵守操作规程，胆大心细，实事求是的工作作风。

2．培养相互合作的意识，安全环保意识。 3．培养学理论联系实际的思维方式。

任务单（A总）

1

常州东方化工集团欲设计一填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气的处理量如下，其中含有氨5%（体积分数），要求塔顶排放出的气体中氨的含量不超过 0.05%（体积分数），采用清水进行吸收，已知氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/m3.Kpa吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。体积吸收总系数k9ga?0.0615G0..W0.39进行计算。操作条件：常压，常温（20℃）

填料：自选

年生产时间：300天，24小时运行 相关物性数据自查 分为10组：

第1组： 2200m33h； 第6组：2400mh； 第2组：2600m3h； 第7组：2800m3h；

第3组：3000m3h； 第8组：3200m3h；

第4组：3400m3第9组：3600m3h； h； 第5组：3800m3h； 第10组：4000m3h。 完成下列任务

（1）分离方法的确定；

（2）吸收设备的确定；吸收塔的工艺参数的确定； （3）填料的确定

（4）吸收过程的物料衡算、平衡线、操作线的确定； （5）最小吸收剂用量及适宜吸收剂用量的确定； （6）吸收塔的工艺参数的确定； （7）设备工艺尺寸计算：塔高等； （8）吸收塔的操作及故障处理。

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任务单（B总）

常州东方化工集团欲设计一填料吸收塔，用于脱除混于空气中的丙酮。混合气的处理量如下，其中含有丙酮5%（体积分数），要求塔顶排放出的气体中丙酮的含量不超过 0.05%（体积分数），采用清水进行吸收，已知丙酮在水中的溶解度系数为H=0.313Kmol/m3.Kpa吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。体积吸收总系数Kya?1.2Kmolm3.s.Kpa进行计算。

操作条件：常压，常温（20℃） 填料：自选

年生产时间：300天，24小时运行 相关物性数据自查 分为10组：

第1组： 2200m33h； 第6组：2400mh；

第2组：2600m3； 第7组：2800m3hh；

第3组：3000m3 第8组：3200m3h；h； 第4组：3400m33h； 第9组：3600mh； 第5组：3800m33h； 第10组：4000mh。 完成下列任务

（1）分离方法的确定；

（2）吸收设备的确定；吸收塔的工艺参数的确定； （3）填料的确定

（4）吸收过程的物料衡算、平衡线、操作线的确定； （5）最小吸收剂用量及适宜吸收剂用量的确定； （6）吸收塔的工艺参数的确定； （7）设备工艺尺寸计算：塔径等； （8）吸收塔的操作及故障处理。

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编制部门Dept:化工原理教研室 编制时间Date: 2011-2

任务单编号(No.) 班 级 A2-1-1 项目名称(Item) 组别 混合物分离方法的确定 姓名 训练对象(Class) 高职二年级 班组成员 训练时间(Time) 气体混合物的分离方法 项目 说明 过滤 沉降 袋滤器：由滤袋及其骨架、壳体、清灰装置、灰斗和排灰阀等组成。含尘气体穿过做成袋状而支撑在适当骨架上的滤布，微小的颗粒撞击于这些滤布上而被截留，气体由外向内穿过支撑于骨架上的滤袋，洁净气体汇集于上部出口管排出，颗粒被截留于滤袋外表面上。 适用场合：除去1μm以下的颗粒，效率达99.9%。 重力沉降：降沉室（有多层降层室和降沉气道） 多层降层室：含尘气体进入后，其流量可以有调节阀调节，气体经分配道进入隔板缝隙，在流动中颗粒沉降至隔板的表面，洁净气体自隔板出口经气体集聚道汇集后再有出口气道排出。经过一定操作时间后，从除尘口将灰尘除去。为保存证连续生产，可将降尘室并联安装，操作时交替使用。 降尘气道：含尘气体进入后，其流量可以有调节阀调节，充满整个降沉室，在这个停留时间内，固体尘土通过自身重力的作用，降入到集灰斗内，完成分离要求。气道中折流挡板的作用是增加了气道中的行程，从而延长了气体在设备中的停留时间；对气流形成干扰，使部分尘粒与挡板发生碰撞后失去动能，直接落入器底或集尘头内。 适用场合：75μm以上的颗粒。 离心沉降： 旋风分离器：含尘气体以20～30m/s的流速从进气管沿切向进入旋风分离器，受圆筒壁的约束旋转，做向下的螺旋运动（外旋流），到底部后，由于底部没有出口、且直径较小，使气流以较小的旋转直径向上作螺旋运动（内旋流），最终从顶部排出。含尘气体作螺旋运动的过程中，在离心力的作用下，尘粒被甩向壁面，碰壁以后，失去动能，沿壁滑落，直接进入灰斗； 底部间歇排灰。 湿法除尘器：有文丘里除尘器、泡沫除尘器、湍球塔、静电除尘器等。其原理都是将气体与水接触，固体颗粒与水接触形成雾滴，在多种力的作用下（离心力、重力等）或液体的冲洗作用或静电的作用，完成分离过程。 适用场合：5μm以上：旋风分离器；5μm以下：电除尘器、袋滤器、湿式除尘器 利用混合气体中各组分在同一种溶剂（吸收剂）中溶解度的不同而分离气体混合物的单元操作。 适用场合：气体混合物的分离、原料气的净化、有用组分的回收、溶液产品的的制取。 吸收 吸附 深冷分离 利用多孔性固体吸附剂处理流体混合物，使其中的一种或数种组分被吸附在固体表面上，以达到分离的目的。 气体：气体的干燥、脱臭、去除杂质、烃类气体的分离。 采用了-100℃以下的低温冷冻系统，所以称深冷。原理是利用各组分的相对挥发度不同，在低温下把各组分冷凝成液态，,然后在精馏塔内进行多组分精馏分离,因此这一方法实质是冷凝精馏过程。 借助一种特殊制造的、具有选择透过性能的薄膜，在某种推动力的作用下，利用流体中各组分对膜的渗透速率的差异而实现组分分离的单元操作。 对氨和空气的混合物及丙酮和空气的混合物：过滤和沉降都是分离气固混合物的单元操作，不适用；而对于深冷分离而言，生产成本过大，可适用于沸点相近的同系物质；吸附操作适用于物系中所含有有组分的量不是太多时，采用时较为经济。 建议采用吸收的方法来分离。 膜分离 建议选用分离方法及理由 得分

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编制部门Dept:化工原理教研室 编制时间Date: 2011-2

任务单编号(No.) 班 级 A2-1-2 项目名称(Item) 组别 填料的选用 姓名 训练对象(Class) 高职二年级 班组成员 训练时间(Time) 吸收操作常用设备的认识——填料塔 项目 填料塔的结构 说明 ①塔壳：填料塔的塔身为一个立式圆筒。②除沫器（捕沫器）：以除去上升气体中夹带的液体。③液体分布器：使液体能充分地润湿填料的表面。④填料压板：以防填料被上升气流吹动。⑤填料：为气液两相提供充分而有效的接触面积。⑥填料支承板：支承填料的作用。⑦液体再分布器：当填料塔较高时，设置液体再分布器为了使液体能均匀分布充分润湿填料。 填料的类型：①拉西环填料 拉西环填料为外径与高度相等的圆环，拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，气体通量小，目前工业上已较少应用。②鲍尔环：鲍尔环是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。③阶梯环填料： 阶梯环是对鲍尔环的改进，在环壁上开有长方形孔，环内有两层交错45度的十字形翅片。与鲍尔环相比，阶梯环高度通常只有直径的一半，并在一端增加了一个锥形翻边，增加了填料间的空隙，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。④弧鞍与矩鞍填料： 弧鞍和矩鞍填料属鞍形填料，弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。⑤金属环矩鞍填料： 金属环矩鞍填料，环矩鞍填料是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。 ⑥球形填料： 球形填料一般采用塑料注塑而成，球形填料的特点是球体为空心，可以允许气体、液体从其内部通过。由于球体结构的对称性，填料装填密度均匀，不易产生空穴和架桥，所以气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合，工程上应用较少。 ⑦波纹填料 波纹填料是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30°和45°两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90°排列。 23填料的特性： 1．比表面积 单位体积填料所具有的表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m/m。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。2．空隙率 单位体积填料所具有的空隙体积称为空隙率，以33ε表示，其单位为m/m。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。3．填料因子 填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/?，称为填料因子，以Φ表示，其单位为1/m。4．尺寸 指填料外形的实际大小（直径、高度、厚度），mm 5．堆积密度? 单位体积填料的质量， 对填料的基本要求：要有较大的比表面积；要有较高的空隙率；要求单位体积填料的重量轻、造价低、坚固耐用、不易堵塞、有足够的机械强度和良好的化学稳定性。 填料的材质、放置方式：填料的材质有：金属、塑料、陶瓷、木材等；填料有散装填料和规整填料之分；填料的装填方式有乱堆和整彻之分。 3 填料 填料支承装置 1．作用：支承塔内的填料层。2．要求：a应有足够的强度和刚度，能支承填料的质量、填料层的持液量及操作中的附加压力等；b应具有大于填料层空隙率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛；c结构合理，有利于气液两相的均匀分布，阻力小，便于拆装。3．支承装置的型式：栅板型、孔管型、驼峰型等。 作用：实现填料内气液两相密切接触、高效传质，填料塔的传质过程要求塔内任一截面上气液两相流体能均匀分布，特别是液体的初始分布尤其重要。2．理想液体分布装置应具备的条件：a与填料相匹配的液体均匀分布；b操作弹性较大，适应性好；c为气体提供尽可能大的自由截面，实现气体的均匀分布，且阻力小；d结构合理，便于制造、安装、调整和检修。3．种类：喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。 以氨和空气的混合物为例，氨具有一定的腐蚀性，填料要选择耐腐蚀填料，以塑料和橡胶填料为主，首选最采用而又价格便宜的拉西环填料，而填料的装填方式可采用乱堆形式；填料支撑板可选用栅板型；液体分布装置可选用喷头型；除沫器也可选用栅板型。 液体分布器 建议填料塔的形式 得分 5

常州工程职业技术学院教案 本次课标题 吸收技术 子项目一 分离方法的确定和分离设备的选择 授课上课 2011年3月30日；第6周；周3； 第 5-8节 化工0931 班时间 级 上课 合一中202，地点 A107 教 学 能根据工艺要求选用合适的分离方法与分离设备；能熟悉填料吸收塔的各部件的名称及作用及吸目 收的操作流程；能充分了解各填料的性能要求及选择合适的填料。 的 能力目标 教学 目标 知识目标 素质目标 任务与案例 参考资料 序号 1 2 3 1．能根据工艺要求选用合适培养学生应用工程技术1．掌握气体分离方法的选择； 2．掌的分离方法与分离设备； 观念来分析和解决化工2．能熟悉填料吸收塔的各部握填料吸收塔的主要结构及各部件的生产中的一般问题的能件的名称及作用及吸收的操作用； 力；培养学生的技术经3．掌握填料的类型、特性、要求、填作流程； 济、成本效益意识；培养3．能充分了解各填料的性能装方式及填料的材质等； 学生的安全、文明操作意要求及选择合适的填料。 4．掌握常用工程计算图表的使用方法 识。 任务A：常州东方化工集团欲设计一填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气的处理量如下，其中含有氨5%（体积分数），要求塔顶排放出的气体中氨的含量不超过 0.05%（体积分数），采用清水进行吸收，已知氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/m3.Kpa吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。任务B（略） 要求：分离方法的确定、填料塔的结构及各部件的作用、填料的类型、特性、要求、填装方式及填料的材质等。 《化学工程手册》第1、13篇，各种《化工原理》教材，网上资源（百度搜索网） 《化工单元操作实训指导书》 时间分配工具与课内/步骤名称 教学内容 教师活动 学生活动 (分) 材料 课外 分离方法的确定回顾与告及吸收过程的认告知 听、记录 5 多媒体 课内 知 误识 查阅资料、讨分离方法的确定答疑、检查、论、整理、记分组完成 及吸收过程的认20 多媒体 课内 指导等 录、填料吸收误识 塔等 分离方法的确定汇报与互聆听、记录、代表发言、思及吸收过程的认10 多媒体 课内 评 提问 考、回答问题 误识 点评与总结 分离方法的确定 及吸收过程的认误识 点评、提问 听、思考、回答问题 30 多媒体 课内 6 4

5 回顾与告知 填料塔结构及填料 告知 听、记录 5 多媒体 课内 6 7 8 填料塔结构及填分组完成 料 汇报与互评 点评与总结 布置任务 填料塔结构及填料 填料塔结构及填料 吸收剂的选择 及吸收操作 查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记指导等 录、填料吸收塔等 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 听、思考、回答问题 记录 40 多媒体 课内 20 多媒体 课内 点评、提问 45 多媒体 课内 课外/课外 9 告知 5 课后体会 7

点评内容：

一、分离方法的确定 气体混合物的分离方法

过滤 沉降 吸收 吸附 深冷分离 膜分离

二、气体吸收过程的应用

吸收 ：利用气体中各组分在液相中溶解的差异而分离气体混合的操作称为吸收。所用液体称为吸收剂（或溶剂）。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。所得到的溶液称为吸收液或溶液。排出的气体称为吸收尾气。

吸收操作的依据：混合气体中各组分在同一溶剂中溶解度的不同。 吸收过程目的有以下几种：

（1）分离混合气体以获得一定的组分或产物； （2）除去有害组分以净化或精制气体； （3）制备某种气体的溶液作为产品； （4）工业废气的治理。

三、吸收过程的分类

1．物理吸收和化学吸收 2．单组分吸收与多组分吸收 3．等温吸收与非等温吸收 4．低浓度吸收与高浓度吸收

四、吸收操作流程

如图所示，是从合成氨原料气中回收CO2的工业流程。乙醇胺对CO2有较大溶解度，选乙醇胺做溶剂。溶剂要回收循环使用，又有了CO2解吸塔。吸收塔、解吸塔、锅炉就构成了CO2 回收的工段或车间。进工段的是合成氨原料气，出工段的是CO2和低浓CO2的合成氨气。

五、吸收操作费用

1、吸收剂的流动阻力引起的能量消耗 2、溶剂挥发和变质损失 3、溶剂再生费用

吸收的操作费用主要是吸收剂的再生，常用吸收剂再生方法有升温、减压、吹气。升温与吹气同时使用最为常见。

六、吸收设备

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生产中为了提高传质的效果，尽可能增大两相的接触面积与湍动程度。根据这个原则，吸收设备大致可分成两大类，即板式塔和填料塔。以填料塔为例：填料塔结构简单，压降低，易用耐腐蚀材料制造，是一种重要的气液传质设备。

1．填料塔的结构

填料塔的塔体为一圆形筒体，筒内分层装有一定高度的填料。自塔上部进入的液体通过分布器均匀喷洒于塔截面上。在填料层内液体沿填料表面呈膜状流下。各层填料之间设有液体再分布器，将液体重新均匀分布，以避免发生“壁流现象”。气体自塔下部进入，通过填料缝隙中自由空间，从塔上部排除。离开填料层的气体可能挟带少量雾状液滴，因此有时需要在塔顶安装除沫器。气液两相在填料塔内进行逆流接触传质。填料塔生产情况的好坏与是否正确选用填料有很大关系。

2．塔内件

填料塔的内件有填料、填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。 （1）填料

填料按其形状可以分为环形、鞍形、波纹形。 环形填料主要有：拉西环、鲍尔环、阶梯环。 鞍形环主要有：矩鞍形、弧鞍形。 波纹形主要有：板形波纹、网状波纹。

填料可用陶瓷、金属、塑料等不同材料制成。填料的装填分为乱堆和整砌。 乱堆：装卸较方便，压降大，适用于直径50mm以下的填料。 整砌：压降小，适用于50mm以上的填料。

各种填料性能的好坏是依靠填料特性参数反映。 ①填料个数n 指单位体积填料中填料的个数。对于乱堆填料来说是一个统计数字，其值由实测方法求得。n值越大，提供的表面积也越大，对吸收有利。

23

②比表面积at ：指单位体积填料中填料表面积，m/mat =na。（a。指一个填料的表面积）

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③空隙率ε：指干塔状态时单位体积填料所具有的空隙体积，m/m

实际的空隙率小于上述的空隙率。ε的值越大，气液流动阻力小，流通能力大，塔的操作弹性范围较窄。

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④干填料因子及填料因子：干填料因子的表达式为at/ε，单位：1/m

气体通过干填料层的流动特性往往用干填料因子来关联。在由液体喷淋的填料上，部分空隙被液体所占据，空隙率有所减小，比表面积也会发生变化，因而提出了一个相应的湿填料因子，简称填料因子用Φ表示，用来关联对填料层内气液两相流动的影响。 （2）填料支承装置

①作用：支承塔内的填料层。

②要求：a应有足够的强度和刚度，能支承填料的质量、填料层的持液量及操作中的附加压力等；b应具有大于填料层空隙率的开孔率，以防止在此处首先发生液泛；c结构合理，有利于气液两相的均匀分布，阻力小，便于拆装。

③支承装置的型式：栅板型、孔管型、驼峰型等。 （3）填料压紧装置

①作用：保持操作中填料床层为一高度恒定的固定床，从而保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定。防止在高压降、瞬时负荷波动等情况下填料床层发生松动和跳动。

②分类：填料压板 适用于陶瓷、石墨制的散装填料，自由旋转于填料层上端；

床层限制板 适用于金属散装填料、塑料散装填料及所有规整填料，用螺钉或支耳于塔壁。 （4）液体分布装置

①作用：实现填料内气液两相密切接触、高效传质，填料塔的传质过程要求塔内任一截面上气液两相流体能均匀分布，特别是液体的初始分布死对头重要。

②理想液体分布装置应具备的条件：a与填料相匹配的液体均匀分布；b操作弹性较大，适应性好；c为气体提供尽可能大的自由截面，实现气体的均匀分布，且阻力小；d结构合理，便于制造、安装、调整和检修。

③种类：喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。

（5）液体收集与再分布装置：避免壁流现象，保证填料层内气液分布均匀，防止传质效率下降。

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编制部门Dept:化工原理教研室 编制时间Date: 2011-2

任务单编号(No.) 班 级 A2-2-1 项目名称(Item) 组别 吸收剂的选择 姓名 训练对象(Class) 高职二年级 班组成员 训练时间(Time) 吸收剂的选择 项目 吸收剂的选择原则 说明 （1）溶解度大 吸收剂应对溶质具有尽可能大的溶解度，以提高吸收率。对给定的分离任务，溶解度大意味着吸收剂的耗用量较少，操作费用较低。 （2）选择性好 吸收剂对溶质的溶解能力强，而对惰性气体的溶解能力相对很小，即吸收剂的选择性高。显然，选择性越高，分离越彻底，溶质和惰性气体的分离越完全。 （3）挥发性小 吸收剂的蒸汽压要低，基本不易挥发。一方面是为了减少吸收剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。 （4）再生易 当富液不作为产品时，吸收剂要易于再生，以降低操作费用。要求溶解度对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小；而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升，则被吸收的气体容易解吸，吸收剂再生方便。 （5）黏度低 吸收剂应具有较低的黏度，不易产生泡沫，以改善吸收塔内流动状况，提高吸收速率，实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离，还能降低输送能耗，减少传热、传质阻力。 （6）其它 吸收剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质。吸收剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧、无腐蚀，凝固点低等经济和安全条件。 该项目所选择的吸收剂 空气和氨的混合气体，选择的吸收剂为水 理由 需考虑：（1）吸收过程既可以物理吸收，也可以化学吸收； （2）一般吸收工业尾气多用化学吸收； （3）技术上的可能性与经济上的合理性； （4）很多都采用水为吸收剂。 1． 氨在水中有较大的溶解度； 2． 空气几乎不溶于水； 3． 氨在水中很容易解吸出来。 得分

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编制部门Dept:化工原理教研室 编制时间Date: 2011-2

任务单编号(No.) 班 级 A2-2-2 项目名称(Item) 组别 吸收操作 姓名 训练对象(Class) 高职二年级 班组成员 训练时间(Time) 吸收操作记录 项目 1 空气 CO Y1 Y2 φ 操作结果分析 进气浓度 2 平均 尾气浓度 第一次（L= ） 第二次（L= ） 1 2 2 平均 1 平均 第三次（L= ） 1 2 平均 得分

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气相色谱的操作

气相色谱仪的型号：SP-6810

1、 打开H2总阀，减压阀调至0.2Mpa；

2、 柱前压调至0.1MPa，初始压力为0.2Mpa； 3、 开色谱电源（机箱后）； 4、 设定温度：

按设定DT，检测器温设为070 按设定IJ（汽化室温），设为070 按设定OV（柱箱温），设为065 5、 加热：“按加热”钮，加热至恒温（红灯亮）；

6、 设桥流：按“桥流”钮，CU设140，再按“桥流”确认，按“衰减”按钮；

7、 AT可设为001；

8、 打开在线色谱工作站；选择通道，填写实验信息，采样控制取消自动打印，选“采样结束自动积分”，查看基线，0＜电压＜20V，看进气口压力0.015Mpa；

9、 进样，同时按钮—数据采集—出CO2峰一会儿，停止采集—预览。

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常州工程职业技术学院教案 本次课标题 子项目二 吸收剂的选择及吸收过程的操作 授课班化工0931 上课 2011年4月2日；第7周；周1； 第 1-4节 上课 合一中级 时间 地点 202，A107 教 学 目 会选用合适的吸收剂；能理解吸收机理；能进行填料吸收塔的基本操作。 的 能力目标 知识目标 素质目标 教1．能选用合适的吸收剂； 1．掌握吸收剂的选用原则及原培养学生应用工程技术观学 2．能理解吸收机理； 用； 念来分析和解决化工生产目3．吸收塔的操作。 2．掌握吸收过程的基本概念； 中的一般问题的能力；培养标 3．理解吸收机理； 学生的技术经济、成本效益4．理解吸收速率及吸收速率方意识；培养学生的安全、文程式。 明操作意识。 任任务：常州东方化工集团欲设计一填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气务的处理量如下，其中含有氨5%（体积分数），要求塔顶排放出的气体中氨的含量不超过 0.05%与（体积分数），采用清水进行吸收，已知氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/m3.Kpa吸案收剂的用量为最小用量的1.5倍。 例 要求：选用合适的吸剂；确定该吸收过程的速率；能分析该吸收过程的控制；能进行吸收塔的基本操作。 参 考《化学工程手册》第1、13篇，各种《化工原理》教材，网上资源（百度搜索网） 资《化工单元操作实训指导书》 料 序时间分号 步骤名称 教学内容 教师活动 学生活动 工具与课内/配(分) 材料 课外 1 回顾与告选用合适的吸收知 剂 告知 听、记录 5 多媒体 课内 查阅资料、讨2 分组完成 选用合适的吸收答疑、检查、论、整理、记剂 指导等 录、填料吸收10 多媒体 课内 塔等 3 汇报与互选用合适的吸收聆听、记录、代表发言、思评 剂 提问 考、回答问题 10 多媒体 课内 4 点评与总选用合适的吸收结 剂 点评、提问 听、思考、回答问题 10 多媒体 课内 5 回顾与告知 吸收塔的操作 告知 听、记录 5 多媒体 课内 13

查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记6 分组完成 吸收塔的操作 指导等 录、填料吸收 125 实训室 课内 塔等 7 汇报 吸收塔的操作 聆听、记录、代表发言、思10 多媒体 课内 提问 考、回答问题 14 布置任务 吸收过程的相平衡吸收塔的操作 告知 记录 5 课外/课外 课 后 体 会

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点评内容 一、吸收气液平衡 （一）吸收中相组成表示法 吸收是一传质过程，其进行的方向与极限必与相平衡有关，即与平衡关系——气液相平衡时溶质

在两相中的浓度关系有关。

在吸收操作中气体的总量和液体的总量都将随操作的进行而改变，但是惰性气体和吸收剂的总量始终保持不变。因此在吸收计算中， 相组成用摩尔比表示就比较方便。

混合物中两组分的物质的量之比，称为摩尔比，用X或Y表示。A对B的摩尔比：

XA?nAn或YA?A nSnB摩尔比与摩尔分数xA或yA的换算关系为：

XA?xAyA或YA? 1?xA1?yA（二）气体在液体中的溶解度

1、平衡溶解度（溶解度）：在一定温度和压力下，气液两相接触时将发生溶质气体向液相转移，使其在液相中的浓度增加，当长期充分接触后，液相中溶质浓度不再增加达到饱和，这时两相达到相平衡。此时，溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度。

溶解度常用在一定温度和气体平衡分压下，单位质量溶剂中吸收质的质量表示，由实验测定，从有 关手册中查到。由上图可知，不同种类气体在相同的温度和分压条件下同一溶剂中的溶解度是不同的。 此外，气体的溶解度与温度和压力有关。通常气体的溶解度随温度的升高而减小，随压力的升高而增大。

由此可见，降低温度，提高压力对吸收有利。 平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压。 气体溶解度的大小，可以根据平衡分压来判断。 即，不同气体用同一吸收剂吸收，所得溶液浓度相同时，易溶气体在溶液上方的平衡分压小，难溶气体在溶液上方的平衡分压大；欲得到一定浓度的溶液，易溶气体所需的分压低，而难溶气体所需的分压高。

二、吸收剂的选择

吸收操作的好坏在很大程度上取决于吸收剂的性质。选择吸收剂时，主要考虑以下几点： ——溶解度大 吸收剂应对溶质具有尽可能大的溶解度，以提高吸收率。

——选择性好 吸收剂对溶质的溶解能力强，而对惰性气体的溶解能力相对很小， ——挥发性小 吸收剂的蒸汽压要低，基本不易挥发。

——再生易 当富液不作为产品时，吸收剂要易于再生，以降低操作费用。

——黏度低 较低的黏度，不易产生泡沫，以改善吸收塔内流动状况，提高吸收速率，实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离，还能降低输送能耗，减少传热、传质阻力。

——其它 有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质。尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧、无腐蚀，凝固点低等经济和安全条件。

实际生产中满足所有要求的吸收剂是不存在的。应从满足工艺要求出发，对可供选择的吸收剂做全面的评价，做出科学、经济、合理的选择。

工业上的气体吸收，很多采用水作为吸收剂，难溶于水的气体才采用其它吸收剂。为了提高气体吸收的效果，也常采用与溶质气体发生化学反应的物质作为吸收剂，一般吸收工业尾气多用化学吸收。

15

编制部门Dept:化工原理教研室 编制时间Date: 2011-2

任务单编号(No.) 班 级 A2-3-1 项目名称(Item) 组别 吸收的基本知识 姓名 训练对象(Class) 高职二年级 班组成员 训练时间(Time) 吸收过程的基本概念和基本知识 项目 基 本 概 念 基 础 知 识 惰性气体： 相组成： 溶解度： 亨利定律： 推动力： 传质机理： 吸收： 吸收质： 吸收剂： 吸收尾气： 吸收液： 定义 传质机理与传质速率 吸收速率： 得分 16

任务单（13-1）

班级________组别_____姓名__________组员名单_______________________

吸收过程的基本概念和基本知识 项目 基 本 概 念 定义 吸收：利用各组份溶解度的不同而分离气体混合物的操作。吸收质：混合气体中能够溶解的组份。用“A”来表示。 吸收剂：吸收过程中所用的溶剂. 用“S”来表示。 吸收尾气：剩余的气体。 吸收液：吸收操作所得到的溶液。 惰性气体：不能被吸收(溶解)的组份。用“B”来表示。 基 础 知 识 相组成：用质量比或 (縻尔比)来表示。在吸收过程中,随着吸收过程的不断进行,吸收中气相和液相的总的质量和总的摩尔数不断地发生着变化, 惰形气体和吸收剂不变，为此,为了计算上的方便,分别以惰形气体和吸收剂为基准的质量比和摩尔比来表示吸收过程的相组成。 溶解度：在一定的温度和压力下，一定量的吸收剂与混合气体相接触，将达到一种相平衡状态。此时，液相中吸收值的浓度称为“气体在液相中的平衡浓度”。气相中吸收值的分压称为“平衡分压或饱和分压”。也表明了，在此条件下吸收过程可能达到的极限过程。 亨利定律：当总压不太高时，在一定的温度下，稀溶液上方的气体溶质组份的平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间的关系。 c?；y?mx；Y?mXP??E.x ；pA?AH 推动力：ΔY=Y-Y；ΔX=X-X；ΔP=P?P；ΔC=C??C；ΔY=Y?Y?；ΔX=X??X ﹡﹡? 传质机理与传质速率 传质机理： （1）：相互接触的气液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层流膜层，吸收质以分子扩散的方式通过此膜层。 （2）：在相界面处气液两相达到相平衡。 （3）：在膜层以外的气液两相中心区域，由于流体充分湍动，吸收质的浓度是均匀的。即两相中心区的浓度梯度为0，全部浓度变化集中在两个有效层流膜层内。 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 气膜吸收速率方程式：NA?kG(p?pi)；NA?kY(Y?Yi) 液膜吸收速率方程式：NA?kL(ci?c)；NA?kX(Xi?X) 总吸收速率方程式：NA?KY(Y?Y)；NA?KX(X*??X)； 扩散 过程 得分 分子扩散：在静止和滞流流体内的扩散。 涡流扩散：靠湍流流体的携带作用布引起的扩散。 17

常州工程职业技术学院教案 本次课标题 吸收过程的相平衡及吸收操作 授课 班级 上课 时间 13周5月17日 第 5-8节，星期一 上课 地点 合一中202，A107 教 学 能理解吸收机理；能进行填料吸收塔的基本操作。 目 的 能力目标 教学 目1．能理解吸收相平衡及吸收标 机理； 2．能进行吸收塔的操作。 知识目标 素质目标 培养学生应用工程技术1．掌握吸收剂的选用原则及原用； 观念来分析和解决化工2．掌握吸收过程的基本概念； 生产中的一般问题的能3．理解吸收机理； 力；培养学生的技术经4．理解吸收速率及吸收速率方程济、成本效益意识；培养式。 学生的安全、文明操作意 识。 任务与案例 任务：常州东方化工集团欲设计一填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气的处理量如下，其中含有氨5%（体积分数），要求塔顶排放出的气体中氨的含量不超过 0.05%（体积分数），采用清水进行吸收，已知氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/m3.Kpa吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。 要求：确定该吸收过程的速率；能分析该吸收过程的控制；能进行吸收塔的基本操作。 参 考《化学工程手册》第1、13篇，各种《化工原理》教材，网上资源（百度搜索网） 资《化工单元操作实训指导书》 料 序时间分配工具与课内/步骤名称 教学内容 教师活动 学生活动 号 (分) 材料 课外 1 回顾与告知 吸收相平衡及吸收机理 吸收相平衡及吸收机理 吸收相平衡及吸收机理 吸收相平衡及吸收机理 告知 听、记录 5 多媒体 课内 2 分组完成 查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记指导等 录、填料吸收塔等 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 点评、提问 听、思考、回答问题 20 多媒体 课内 3 汇报与互评 点评与总结 10 多媒体 课内 4 20 多媒体 课内 18

5 回顾与告知 吸收速率的计算 告知 听、记录 5 多媒体 课内 6 分组完成 吸收速率的计算 查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记指导等 录、填料吸收塔等 点评、提问 听、思考、回答问题 20 多媒体 课内 7 点评与总结 吸收速率的计算 20 多媒体 课内 10 分组完成 吸收塔的操作 14 布置任务 吸收塔的工艺计算 答疑、检查、指导等 告知 记录 75 实训室 课内 课外/课外 记录 5 课后体会

点评内容 一、吸收过程的相平衡

19

（一）亨利定律 1．亨利定律

当总压不高（一般小于500KPa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：

PA*=E·X 式中: PA* ---------溶质A在气相中的平衡分压, KPa X----------溶质在液相中的摩尔分率 , E----------享利系数， KPa

亨利定律表示溶液的浓度低于一定数值时溶质的平衡分压与它在溶液中的摩尔分率成正比。亨利系数Ｅ值较大表示溶解度较小。一般Ｅ值随温度的升高而增大。

亨利定律其它几种表达形式:

（1） PA*=CA/H 式中: CA-----------液相中溶质的摩尔浓度, kmol/m3 ; H----------溶解度系数, kmol/m3·KPa ;

在亨利定律适用的范围内,H是温度的函数,而与PA*或CA无关。Ｈ值一般随温度升高减小。 （2） y*==m·x 式中: y*---------溶质在气相的摩尔分率; m-----------相平衡常数,无因次。 ｍ值越大，表示溶解度越小。 （3）亨利定律各系数之间的关系

对于低浓度气体吸收，H和E之间的近似关系为 H??sEMs m?E P2、吸收平衡线 若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔比Y、X表示，则得

x?XY ；y? 1?X1?Y将上式代入前式得

整理得

Y??mX

1?(1?m)X?

式中 Y—气液相平衡时溶质在气相中的摩尔比； X—溶质在液相中的摩尔比； m—相平衡常数，无因次。

此式在Y—X直角坐标系中的图形是通过原点的一条曲线，如图所示,此线称为气液相平衡线或吸收平衡线。

（三）相平衡在吸收过程的应用

相平衡是在一定条件下吸收过程所能达到的极限状态，根据此条件下气液两相在平衡状态时吸收质的实际浓度和平衡浓度的大小可以： 1、判别过程方向 2、计算过程的推动力 3、指明过程的极限。

二、传质机理与吸收速率 （一）、传质机理

20

1．相内（气相或液相）的传质方式 包括分子扩散和湍流扩散。

分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，因微观的分子热运动使组分从浓度高处传递到较低处，这种现象称为分子扩散。

湍流扩散：当流体流动或搅拌时，由于流体质点的宏观运动（湍流），使组分从浓度高处向低处移动，这种现象称为湍流扩散。在湍流状态下，流体内部产生旋涡，故又称为涡流扩散。 2．气液相间的物质传递

用液体吸收气体中某一组分，是该组分从气相转移到液相的传质过程。它包括

组分从气相主体传递到气、液两相的界面。

在相界面上溶解而进入液相。 从液相一侧界面向液相主体传递。

（二）两相间的传质理论

双膜理论：

（1）相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一层很 薄的层流膜，溶质A以分子扩散的方式通两层膜，由气相进入液相主体。 （2）在相界面处，气液两相达平衡。

（3）在气液两相的主体中，由于流动充分湍动，物质浓度均匀。

（三）、吸收速率及吸收速率方程式

1．吸收速率方程式

2

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。用NA表示，kmol/m·s。表明吸收速率与吸收推动力之间的关系式即为吸收速率方程式。

根据双膜理论的论点，吸收速率方程式可用吸收质以分子扩散方式通过气、液膜的扩散速率方程来表示。

吸收质从气相主体通过气膜传递到相界面时的吸收速率方程式：NA?kY(Y?Yi)

NA?kG(p?pi)

NA?kL(ci?c)

或吸收质从相界面处通过液膜传递到液相主体时的吸收速率方程式： 或 总吸收速率方程式：NA?kX(Xi?X)

由于上述吸收速率方程式均涉及界面浓度，而界面浓度很难获取。故常用下列总吸收速率方程式表示。

NA?KY(Y?Y*)

2．传质阻力控制

由亨利定律和吸收速率方程式可以推导总吸收系数与吸收分系数之间的关系如下：

11m ??KYkYkX111?? KXmkYkX

1111和分别为吸收过程的气相和液相总阻力，而和分别为气膜阻力和液膜阻力。从以上两

kYkXKYKX式可知，吸收过程的总阻力为气膜阻力和液膜阻力之和。

对溶解度大的易溶气体，相平衡常数m很小。

11? 即 KY≈kY KYkY

上式表明：易溶气体的液相阻力很小，吸收过程的总阻力集中在气膜内，气膜阻力控制着整个过程的吸收速率，称“气膜控制”或气相阻力控制。对此类吸收过程，要提高吸收速率，必须设法降低气相阻力才有效。

对溶解度小的难溶气体，m值很大，

21

11 ?KXkX即 KX≈kX

上式表明：难溶气体的气相阻力很小，吸收过程的总阻力集中在液膜内，液膜阻力控制着整个过程的吸收速率，称“液膜控制”或液相阻力控制。对此类吸收过程，要提高吸收速率，必须设法降低液相阻力才有效。

对溶解度适中的中等溶解度气体，气膜阻力和液膜阻力均不可忽略不计，此过程吸收总阻力集中在双膜内，这种双膜阻力控制吸收过程速率的情况称“双膜控制”。对此类吸收过程，要提高吸收速率，必须设法降低液相、气相阻力才有效。 3．吸收系数换算关系

由于文献中刊载的传质系数为kG,KG,kL,KL,而计算时多采用ky,KY及

kX,KX 其换算关系如下：

ky?PkG Ky?PKG

任务单（14-1）

班级________组别_____姓名__________组员名单_______________________

22

吸收过程的工艺计算 项目 产量换算 组成 计算 塔顶组成 塔底组成： 物料衡算 吸收的溶质组分量 吸收率： 流动方向的选择 逆流逆流： 并流： 选用 逆流吸收塔的操作线方程为： 得分 任务单（14-1） 班级________组别_____姓名__________组员名单_______________________

23

吸收过程的工艺计算 项目 产量换算 组成 物料衡算 流动方向的选择 计算 生产量：以氨和空气的混合物为例，以3000m3h进行计算 ；p0V0p1V1?T0T1V0?p1V1T0101.3?3000?273?0.95??118.75Kmol?0.033Kmol hsp0T1101.3?293?3600?22.43塔顶组成：以氨和空气的混合物为例，以3000mh进行计算 y1?0.05；Y1?y10.05??0.0526；L?X1?X2??V?Y1?Y2? X1?0.049 1?y11?0.05塔底组成： 用清水吸收，则X2?0； y2?0.0005；Y2?吸收的溶质组分量 y20.0005??0.0005 1?y21?0.0005??6.513Kmolh?117.23Kgh G?V?Y1?Y2??L?X1?X2??125??0.0526?0.0005吸收率： ??Y1?Y20.0526?0.0005??99% Y10.0526Y?LLX?(Y1?X1)VV逆流逆流： LL Y?X?(Y2?X2)VV得分 ①定态，L、V、Y1、X2恒定，操作线在X～Y坐标上为一直线，斜率为L/V 。 L/V为吸收操作的液气； ②操作线通过塔顶（稀端） B（X2，Y2）及塔底（浓端）A（X1，Y1）； ③操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关； ④吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平衡线下方； ⑤平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线离平衡线愈 远吸收的推动力愈大。 并流： LLY??L.X?Y2?L.X2 Y??V.X?Y1?V.X1VV 选用（1）逆流推动力均匀大，且 （2） Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相遇有利于提高X1； （3）X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相遇有利于降低Y2。 生产上常常采用逆流操作。 即：逆流吸收塔的操作线方程为：Y?1.12X?0.0005 ????任务单（14-2） 班级________组别_____姓名__________组员名单_______________________

24

吸收剂用量的确定 项目 计算及说明 吸收剂 用量对 吸收操 作影响 分析 最小吸 收剂用 量计算 操作吸 收剂用 量的确 定 得分 任务单（14-2）

班级________组别_____姓名__________组员名单______________________

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吸收剂用量的确定 项目 计算及说明 （1） 选取的 L/V ?，操作线斜率 Y L/V ? ，操作线与平衡线的距离 ? ，塔内(L/V)’ min 吸收剂YA A’ (L/V)1 C 用量对传质推动力 ? ，完成一定分离任务所吸收操需塔高 ?； L/V ?，吸收剂用量? ，作影响分析 吸收剂出塔浓度 X1 ? ，吸收剂循环输送动力和吸收剂再生费用? ；增加Y- Y* Y2 B Y*=f(X) 了吸收过程中的操作费用。 （2） 若L/V ? ，吸收剂出塔浓度 X1 X o X2 X1 X1’ X1,max ? ，塔内传质推动力? ，完成相同任务所需塔高? ，设备费用? 。 相平衡常数：m?E P H??sEM 0.725?1000sE?18 得 E=76.6 m?EP?76.6101.3?0.75 最小吸??L???Y1?Y2收剂用?V?minX1*?X2 量计算 LY?Y20.0526?0.0005min?V1Y Lmin?118.75??88.22Kmol10.0526h m?X20.75?0 操作费和设备费（吸收剂用量和塔高）之和为最小。在实际操作中，为保证合理的吸 操作吸收塔的生产能力,一般取： 收剂用量的确L 定 V? ?1.1~2.0??LV?minL??1.1~2.0?Lmin注意：以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足够的传质面积，因此所取吸收剂用量 L 值还应不小于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上、单位时间内的液体流量不得小于某一最低允许值。 选用1.5倍。 则：L?1.5?88.22?132.32Kmolh?2381.83Kgh?0.66Kgs 得分 常州工程职业技术学院教案

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本次课标题 吸收塔的工艺参数的确定—1 授课班精细0811 级 上课 时间 13周5月21日 第 1-4节，星期五 上课 地点 合一中202，A107 教 学 能进行吸收塔的计算；能确定吸收塔的工艺参数。 目 的 能力目标 教学 1．能进行吸收塔的计算； 目2．能确定吸收塔的工艺参标 数。 知识目标 素质目标 培养学生应用工程技术1．掌握吸收塔的物料衡算； 观念来分析和解决化工2．掌握吸收率的计算； 生产中的一般问题的能3．掌握吸收剂用量的确定及计算； 力；培养学生的技术经 济、成本效益意识。 任务：常州东方化工集团欲设计一填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气的处理量如下，其中含有氨5%（体积分数），要求塔顶排放出的气体中氨的含量不超过 0.05%（体积分数），采用清水进行吸收，已知氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/m3.Kpa吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。 要求：能进行吸收塔的计算；能确定吸收塔的工艺参数。 参 考《化学工程手册》第1、13篇，各种《化工原理》教材，网上资源（百度搜索网） 资《化工单元操作实训指导书》 料 序时间分配工具与课内/步骤名称 教学内容 教师活动 学生活动 号 (分) 材料 课外 吸收过程的物料回顾与告1 衡算及吸收率的告知 听、记录 5 多媒体 课内 知 计算 查阅资料、讨吸收过程的物料答疑、检查、论、整理、记2 分组完成 衡算及吸收率的20 多媒体 课内 指导等 录、填料吸收计算 塔等 吸收过程的物料汇报与互聆听、记录、代表发言、思3 衡算及吸收率的10 多媒体 课内 评 提问 考、回答问题 计算 任务与案例 4 点评与总结 吸收过程的物料衡算及吸收率的计算 点评、提问 听、思考、回答问题 20 多媒体 课内 27

5 回顾与告知 操作方式及操作线方程 告知 听、记录 5 多媒体 课内 操作方式及操作6 分组完成 线方程 7 汇报与互评 点评与总结 回顾与告知 操作方式及操作线方程 查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记指导等 录、填料吸收塔等 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 听、思考、回答问题 20 多媒体 课内 10 多媒体 课内 操作方式及操作线方程 吸收剂用量的确定 8 点评、提问 20 多媒体 课内 9 告知 听、记录 5 多媒体 课内 吸收剂用量的确10 分组完成 定 汇报与互11 评 点评与总12 结 13 布置任务 吸收剂用量的确定 查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记指导等 录、填料吸收塔等 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 点评、提问 听、思考、回答问题 记录 20 多媒体 课内 10 多媒体 课内 吸收剂用量的确定 30 多媒体 课内 课外/课外 吸收塔的工艺计算 告知 5 课后体会

点评内容

一、吸收塔计算

吸收操作多在填料塔内进行。在设计吸收装置时，由生产任务、工艺条件规定或已知：

28

（1）单位时间所应处理的气体总量； （2）气体组成；

（3）被吸收组分的吸收率或排出气体的浓度； （4）所使用的吸收剂； （5）操作温度与操作压力。 而液体的流量、填料层的高度、填料的类型及操作的条件等都会影响到吸收操作的正常进行与分离要求的是否达到。其中，吸收剂的用量、吸收液的浓度、塔高和塔径的确定即为吸收塔的设计计算。 1、全塔物料衡算

稳定操作状态下，气、液两相逆流接触的。气体自下而上流动；吸收剂则自下而上流动。

在吸收过程中，V和L的量不变，气相中吸收质的浓度逐渐减少，而液相中吸收质的浓度逐渐增大。根据无物料损失，对单位时间内进、出塔的吸收质的量进行物料衡算，可得全塔物料衡算式

VY1?LX2=VY2?LX1 或 V?Y1?Y2??L?X1?X2? V?Y1?Y2??L?X1?X2?

Y?Y2L ?1VX1?X2L/V称为液气比，是吸收操作的重要参数, 它反映单位气体处理量的吸收剂耗用量大小。

吸收率为气相中被吸收的吸收质的物质的量与气相中原有的吸收质的物质的量之比，用?表示，即

??或

2、吸收操作关系

在定态逆流操作的吸收塔内，气体自下而上，其组成由Y1逐渐降低至Y2；液相自上而下，其组成由X2逐渐增浓至Xl。

m-n与塔底的物料衡算式

VY1?LX=VY?LX1

GAV(Y1?Y2)Y??1?2 VY1VY1Y1 Y2?(1??)Y1

Y?LLX?Y1?X1 VV

m-n与塔顶的物料衡算式

VY2?LX=VY?LX2 Y?LLX?Y2?X2 VV上式均表示吸收操作过程中，任一截面处的气相组成Y和液

相组成X之间的关系，称吸收塔的操作线方程。在定态连续吸收时，式中X1、Y1、X2、Y2及L/V都是定值，所以上式是直线方程式，

直线的斜率为L/V，且此直线应通过塔底B（X1，Y1）及塔顶T（X2，Y2）两端点，如图所示，直线BT即为逆流吸收塔的操作线。

二、吸收剂消耗量

1、吸收剂的选择

2、吸收剂用量的确定

在吸收塔计算中，需要处理的气体流量及气相的初、终浓度均由生产任务所规定。吸收剂的入塔浓度则由工艺条件决定或由设计者选定。但吸收剂的用量尚有待于选择。

由图可知，在V、Y1、Y2及X2已知的情况下，吸收操作线的一个端点T已经固定，另一个端点B则可在Y＝Y1的水平线上移动。点B的横坐标将取决于操作线的斜率L／V。

若减少吸收剂用量L，操作线的斜率变小，点B沿水平线Y＝Y1向右移动，吸收液的组成X1加大，

*

吸收推动力减小，设备费用增大。若吸收剂用量减小到恰使点B与平衡线相交时，X1＝X1，过程的推动

*

力为零，需要无限大的相际传质面积。这是一种极限状况。此种状况下吸收操作线（BT）的斜率称为最

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小液气比，以（L／V）min表示，相应的吸收剂用量即为最小吸收剂用量，以Lmin表示。

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，过程推动力增大，设备费用减少。但超过一定限度后，效果便不明显，而溶剂的消耗、输送及回收等项操作费用急剧增大。

最小液气比可用图解法求出。找到水平线Y＝Y1与平衡线的交点*

B，或过点T作平衡线的切线，找到水平线Y＝Y1与此切线的交点B′，从

**

而读出X或X1的数值，然后用下式计算最小液气比，即：

Y?Y?L????12?V?minX1*?X2

Y?YLmin?V12X1*?X2

或

若平衡关系符合亨利定律，可用 X＝Y／m表示，则可直接用下式算出最小液气比，即：

*

（） min?LV LminY1?Y2

Y1?X2mY?Y2?V1

Y1?X2m由以上分析可见，吸收剂用量的大小，从设备费与操作费两方面影响到生产过程的经济效果，应权衡利弊，选择适宜的液气比，使两种费用之和最小。根据生产实践经验，一般情况下取吸收剂用量为最小用量的1.1～2.0倍是比较适宜的，即：

L＝（1.1～2.0）Lmin

必须指出，为了保证填料表面能被液体充分润湿，还应考虑到喷淋密度（单位塔截面积上单位时间内流下的液体量）不得小于某一最低允许值。

任务单（15-1）

班级________组别_____姓名__________组员名单______________________

30

项目 填料塔塔径的计算 项目 计算 气体混合物的平均分子量 适宜的空塔气速的确定 M?yAMA?yBMB?0.05?17?0.95?29?28.4Kg气体的质量流速 Kmol118.75?28.4?3550Kg 1?0.05h0.953G3550m??0.68体积流量V? s?1.46?3600G?V?28.4?液体质量流速 L?132.32Kmol?2381.83Kg hh查取化工单元过程及设备课程设计P263，公式6-11 ?u2?WLa?G0.2?flog?.3..?L??A?1.75??W???G?g??L?????14??G????L??? ?2318 a—填料的比表面积，查取化工单元过程及设备课程设计P257，得：a=190m/m. A—填料的常数，A=0.022； ?—填料的空隙率，??0.78； PM101.3?28.4?1000??1.46Kg3 mRT8.314?293?L—液体的密度，近似取?L?1000Kg3； m?L—液体的粘度，可近似取?L?1?10?3Pa.s； 114?u2?1901.462381.831.46????8f0.2log????0.001??0.022?1.75???? 3?3550??1000????9.810.781000? ?G—气体的密度，?G?logu2f?0.022?0.735 uf?3.52m。 s适宜的空塔气速取：u?0.6uf?2.112m。 ??s 塔径的计算 D?4V4?0.68??0.64m ?u3.14?2.11圆整为填料塔的直径为0.7m. 得分 31

任务单（15-1）

班级________组别_____姓名__________组员名单______________________ 项目 填料塔塔径的计算 项目 计算 适宜的空塔气速的确定 塔径的计算 得分 32

任务单（15-2）

班级________组别_____姓名__________组员名单______________________

项目 项目 传质单元 高度 传质单元 数 填料层高度计算方法 公式及说明 平均推动 力法 解析法（数学分析法） 图解积分 法 得分 具体生产能力下的填料层高度的计算做在反面。

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任务单（15-2）

班级________组别_____姓名__________组员名单______________________

项目 项目 填料层高度计算方法 公式及说明 如果气体流经一段填料层前后的浓度变化 Y1-Y2恰好等于此段填HOG?VKYa?料层内以气相浓度差表示的总的推动力的平均时（Y-Y#）m，那么，这 传质单元 段填料层的度就是一个“气相总传质单元高度”。 高度 HoG传质单元高度的大小由过程条件所决定的。它反映了传质阻力的大小，填料性能的优劣及润湿情况的好坏。阻力越大，传质单元高度就越大。 Y1传质单元 数 NOG??Y2dYY?Y? 。 传质单元数的大小反应了吸收过程的难度。气体浓度变化越大，过程的平均推动力就越小，过程的难度就越大，所需的传质单元数就越大。 平均推动力法 相平衡曲线为直线时可适用。并流和逆流时都适用。 ?Y1?mX2mV?1NOG?ln?(1?mV)? LL?解析法（数Y?mX1?mV22?? L学分析法） 若平衡关糸符合亨利定律：Y=mx V?Y1?Y2?Z?KY.a.S.?YmL?X1?X2 ?Z? KX.a.S.?Xm s?mVLS称为“脱吸因数”，无因次 YY1 B E 1Y?Y? 图解积分法 YY?Y2T O X2NOG?? Y1 Y2dYY?Y?X1XY Y

A.在X--Y作标系中绘出平 衡线, 与操作线 B.选点,列表 C.作Y—1/（Y-Y*）图 D.求面积 适用于任何情况即相平衡曲线为曲线。 得分 具体和生产能力下的填料层高度的计算做在反面。

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项目 以平均推动力法为例： 填料层高度计算方法 V?Y1?Y2?Z?KY.a.S.?YmL?X1?X2?Z?KX.a.S.?Xm相平衡关系为 Y?0.75X ?Y1?Y1?Y1??Y1?mX1?0.0526?0.75?0.049?0.01585 ?Y2?Y2?Y2??Y2?mX1?0.0005?0.75?0?0.0005 V?Y1?Y2??6.513KmolΔYm?h ΔY1?ΔY20.01585?0.0005 ??0.0044ΔY10.01585ln0.0005ΔY2查汤金石的化工原理课程设计P212，得经验式 kga?0.0615G0.9W0.39 kga—气液体积吸收分系数KgG—气相空塔质量流速；m3.h.atm Kgm2.h G?35503550?4Kg ??9229m2.h123.14?0.72?D4W—液相空塔质量流速；m2.h L?2381?2381?4?6190Kg2 m.h123.14?0.72?D4kga?0.0615G0.9W0.39?0.0615?92290.9?61900.39?0.0615?3703?30?6857Kmol3 m.h.atmKya?kga?P?1.91Kmol3 m.h11S??D2??3.14?0.72?0.39m2 44Kg V?Y1?Y2? Z?KY.a.S.?Ym 6.513??0.55m1.91?0.39?0.0044?3600得分

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常州工程职业技术学院教案 本次课标题 吸收塔的工艺参数的确定—2 授课班精细0811 级 上课 时间 14周5月24日 第 5-8节，星期一 上课 地点 合一中202，A107 教 学 能进行吸收塔的计算；能确定吸收塔的工艺参数。 目 的 能力目标 知识目标 素质目标 教学 1．能进行吸收塔的计算； 目2．能确定吸收塔的工艺参1．掌握吸收塔的工艺计算； 2．掌握吸收塔塔径的计算。 标 数。 培养学生应用工程技术观念来分析和解决化工生产中的一般问题的能力；培养学生的技术经济、成本效益意识。 任务：常州东方化工集团欲设计一填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气的处理量如下，其中含有氨5%（体积分数），要求塔顶排放出的气体中氨的含量不超过 0.05%（体积分数），采用清水进行吸收，已知氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/m3.Kpa吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。 要求：能进行吸收塔的计算；能确定吸收塔的工艺参数。 参 考《化学工程手册》第1、13篇，各种《化工原理》教材，网上资源（百度搜索网） 资《化工单元操作实训指导书》 料 序时间分配工具与课内/步骤名称 教学内容 教师活动 学生活动 号 (分) 材料 课外 任务与案例 1 回顾与告知 吸收过程的填料层高度的计算 吸收过程的填料层高度的计算 吸收过程的填料层高度的计算 告知 听、记录 5 多媒体 课内 2 分组完成 查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记指导等 录、填料吸收塔等 聆听、记录、代表发言、思提问 考、回答问题 35 多媒体 课内 3 汇报与互评 10 多媒体 课内 36

4 点评与总结 回顾与告知 吸收过程的填料层高度的计算 吸收塔的塔径的计算 吸收塔的塔径的计算 吸收塔的塔径的计算 吸收塔的塔径的计算 点评、提问 听、思考、回答问题 听、记录 45 多媒体 课内 5 告知 5 多媒体 课内 6 分组完成 汇报与互评 点评与总结 7 查阅资料、讨答疑、检查、论、整理、记 35 指导等 录、填料吸收塔等 聆听、记录、代表发言、思10 提问 考、回答问题 点评、提问 听、思考、回答问题 记录 30 多媒体 课内 多媒体 课内 8 多媒体 课内 课外/课外 13 布置任务 吸收塔的操作 告知 5 因15、16周生产实习，故将15周的课调至14周上。 课 后 体 会

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点评内容

一、塔径的计算

吸收塔的塔径可根据圆形管道内的流量与流速关系式计算，即

44Vs或 D?

?uVs??D2u

式中 D——塔径，m；

Vs——操作条件下混合气体的体积流量，m3/s；

u——空塔气速,按空塔截面计算的混合气体的线速度，m/s。

空塔气速的确定是塔径计算的关键。操作气速的上限是发生液泛时的泛点速度uf。所谓液泛是指，在操作过程中，塔内液体下降受阻，并逐渐积累，达到泛滥，即发生液泛。泛点气速可由实验测定或由埃克特通用关联图查取或用经验公式计算。

二、填料层高度的计算

1、填料层高度的基本计算式

为了达到指定的分离要求，需在填料塔内装一定高度的填料层以提供足够的气、液接触面积。填料层高度可用下式计算：

Z?VAA? ?a?

式中 Z——填料层高度，m；

VA——填料层的体积，m3； A——总吸收面积，m2； ?——塔截面积，m2；

a——单位体积填料层所提供的有效比表面积，m2/m3。

总吸收面积A与吸收速率方程式有关。逆流操作的填料塔内，气、液相组成沿塔高不断变化，塔内各截面上的吸收速率各不相同。

在微元填料层中，单位时间内从气相转人液相的溶质A的物质量为：

填料层高度计算图

dGA?VdY?LdX

式中 GA——吸收负荷；即单位时间内吸收的溶质A的量。kmol/s

在微元填料层中，因气、液组成变化很小，故可认为吸收速率NA为定值，

dGA?NAdA?NA(aΩdZ) 2

式中 dA——微元填料层内的传质面积，m；

将吸收速率方程代入得：

VdY?KY(Y?Y?)(a?dz)?dG LdX?KY(X??X)(a?dz)?dG 整理上二式，分别得到：

对于定态操作吸收塔，L、V、a及Ω皆不随时间而变，且不随塔截面位置而变。对于低浓度吸收，KY、KX通常也可视作常数。则填料塔高度的基本关系式，即

K??dY?YdzY?Y*V

K??dX?XdzX?X*L

Z?Y1VdY *?YKYa?2Y?YX1VdXZ? *?X2KXa?X?X 38

上二式中，a值不仅与填料尺寸、形状、填充方式有关，还与流体的物性和流动状况有关，很难直接测定。工程计算中常将a与吸收系数的乘积视为一体，当作一个完整的物理量，称为体积吸收系数，

3

式中的KYa及KXa分别称为气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数，其单位均为kmol／（m·s）。体积吸收系数的物理意义是：当推动力为一个单位时，单位时间内单位体积填料层内吸收的溶质量。体积吸收总系数KYa反映了传质阻力的大小、填料性能的优劣及润湿情况的好坏。体积吸收系数可通过实验测取，也可查阅有关资料，根据经验公式或关联式求取。

2、传质单元高度与传质单元数

V数群是过程条件所决定的数组，具有高度的单位，称为“气相总传质单元高度”，以HOG表

KYa?示，即：

HOG?V

KYa?HOG与设备结构、气、液流动状况和物系物性有关。

Y1dY积分项?反映取得一定吸收效果的难易情况，与塔的结构、气、液流动状况无关。积分号

Y2Y?Y*内的分子与分母具有相同的单位，积分值必然是一个无因次的纯数，称为“气相总传质单元数”，以NOG表示，即：

NOG??于是有：

dYY2Y?Y*

Y1Z?HOGNOG

Z?HOLNOL

LHOL?KXa?

其中：

NOL??X1X2

式中 HOL—液相总传质单元高度，m；

NOL—液相总传质单元数，无因次。

dXX*?X

3、传质单元数的求法

求传质单元数有多种方法，可根据平衡关系的不同情况选择使用。 （1）对数平均推动力法

在吸收操作所涉及的组成范围内，若平衡线和操作线均为直线时，根据吸收塔进口和出口处的推动力来计算全塔的平均推动力，即：

ΔY1?ΔY2(Y1?Y1?)?(Y2?Y2?)ΔYm? ?ΔY1Y1?Y1? lnlnΔY2Y2?Y2?ΔX?ΔX(X??X)?(X??X)12? ?1122ΔX?mΔX X??X1ln11lnΔX2X??X22 当

?Y1?X1?2或?2时，可用算术平均推动力代替对数平均推动力。 ?Y2?X2?Y、?X——分别表示气、液相平均推动力。

根据吸收速率方程式与吸收负荷间的关系，可以推得

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气相传质单元数 NOG?

液相传质单元数 NOL?Y1?Y2dY??Y2Y?YeΔYm

Y1?X1X2X1?X2dX? ?ΔXX?Xm（2）吸收因数法

若吸收的气液相平衡关系服从亨利定律，且平衡线为一通过原点的直线，即可用Y?mX表示时，传质单元数可直接积分求解。以气相总传质单元数为例：

?NOG??Y1dYdY??Y2Y?mX Y2Y?Y?V由操作线方程，可得X?X2?(Y?Y2) ，代入上式，

LY1经积分整理可得：

NOG?mV式中：—为平衡线斜率与操作线斜率的比值，称为脱吸

L因数，用S表示，无因次。

若已知V、L、Y1、Y2、X2及平衡线斜率m，便可求出的数值。

应予指出，只有在

?1mVY1?mX2mV?ln?(1?)?? mV?LY2?mX2L?1?Y1?mX2L NOG ～

Y2?mX2关系图

Y?mX2mV及1的值，也可从图中读出NOGLY2?mX2Y1?mX2>20及S? 0.75的范围内使用上图，读数才较准确，否则误差较大。

Y2?mX2（3）图解积分法

图解积分法适用于各种平衡关系的求算传质单元数的最普通的方法。以气相总传质单元数 NOG为例，只要有平衡线和操作线图，便可确定

dY?Y2Y?Y*的数值，其步骤如下：

Y1a．根据平衡关系和操作关系在Y－X坐标系上作出平衡线OE与操作线BT，如图2—16a所示；

b． 在Yl与Y2范围内任选若干个

图解积分求NoG

Y值，从图上读出相应的Y－Y*值（如图中的线段AA*所示），并计算

c．在

1值；

Y?Y?11与Y的坐标系中标绘Y和相应的值，如图2－16b所示； ??Y?YY?Y1d．算出 Y＝Y1、Y＝Y2及＝0三条直与函数曲线间所包围的面积（图中的阴影面积）便是所

Y?Y?求的气相总传质单元数NOG。

同样方法步骤可求出液相总传质单元数NOL。

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