第五章吸收与蒸馏

第五章吸收与蒸馏内容摘要：

被吸收的百分率 ， 称为吸收率或回收率 现取塔内任一截面 ｍ－ｎ 与塔底 （ 图中的虚线范围 ） 作溶质的物料衡算 ， 即： )( 11 XVLYXVLY )( 22 XVLYXVLY V(Y1 Y) = L(X1 X) 式中： Y、 Y1 —— 分别为 mn截面和塔底气相中溶质的比摩尔分率 ， Kmol(溶质 )/Kmol(惰性气体 )； X、 X1—— 分别为 mn截面和塔底液相中溶质的比摩尔分率 ， Kmol(溶质 )/Kmol(溶剂 )。 同理 ， 可得 上两式称为吸收操作线方程式。 0 X2 X X1 Y1 Y Y2 T A B Ye=f（ X） 在任一截面上的气相浓度 Y与液相浓度 X之间成直线关系，直线的斜率为 L/V，过点 B（ X1， Y1）和 T（ X2， Y2）两点。 端点 B代表塔底端面，称为 “ 浓端 ” ，端点 T代表塔顶端面，称为 “ 稀端 ”。 说明： 1) 在进行实际吸收操作时，在塔内任一截面上，溶质在气相中的实际分压总高于与其接触的液相平衡分压，故吸收操作线总位于平衡线上方；若在下方，则为脱吸。 2) 吸收操作线方程是从溶质的物料平衡关系出发而推得的关系式，它取决于气液两相和流量Ｌ、Ｖ，以吸收塔内某截面上的气液浓度有关，而与相平衡关系、塔的类型、相际接触情况及操作条件无关。 此式应用的唯一必要条件是稳定状态下连续逆流操作。 0 X2 X1 Y1 Y2 T B Ye=f（ X） B΄ 操作线的斜率 V/L称为 “ 液气比 ” ，是溶剂与惰性气体摩尔流量的比值。 它反映单位气体处理量的溶剂耗用量大小。 如左图所示，在 V、 YY2及 X2已知的情况下，吸收操作线的一个端点 T已固定，另一个端点 B则在 Y=Y1上移动，点 B的横坐标由操作线的斜率 V/L决定。 吸收剂的用量与最小液气比 当塔底流出的吸收液与刚进塔的混合气体呈平衡状态时，吸收的推动力为零。 此种状况下，吸收操作线的斜率称为 最小液气比 ，以 (L/V)min。 相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量，用Lmin表示。 增大吸收剂用量可以使吸收推动力增大，达到一定限度后，效果变得不明显，而溶剂的消耗、输送及回收等项操作费用急剧增加。 吸收剂用量的选择 ：应从设备费与操作费两方面综合考虑，选择适宜的液气比，使两种费用之和最小。 L/V=(~)(L/V)min 或 L= (~) Lmin 2121m in)( XXYYVLe 2121m in XXYYVLe (1) 平衡线为凹形 根据水平线 Y=Y1与平衡线的交点 B΄ 的横坐标 Xe1求出。 0 X2 X1 Y1 Y2 T B Ye=f（ X） B΄ 图解法求最小液气比 (2) 平衡线为凸形 2121m in)( XXYYVL2121m in XXYYVL步骤：过点 T作平衡线的切线，找出水平线 Y=Y1与切线的交点 B΄，读出B΄的横坐标 X1΄，再按下式计算。 0 X2 X1 Y1 Y2 T B Ye=f（ X） B΄ 若气液浓度都很低，平衡关系符合亨利定律，可用 Ye=mX表示，可直接用下式计算出最小液气比，即 2121m in)(XmYYYVL2121m inXmYYYVL例 在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的 SO2。 气体处理量为 （标准） •s1，进塔气体中含 SO2 8%（体积百分数），要求 SO2的吸收率为 85%，在该吸收操作条件下的相平衡关系 Ye=，用水量为最小用量的。 试求： （ 1）用水量为多少。 （ 2）若吸收率提高至 90%，用水量又为多少。 113313)()()(  sm olm olmsmV1 111  yyY解 ：惰性气体量为 例题 （ 1）当吸收率为 85%时 )( 32121m i n XXYYVLe实际液气比 最小液气比 Y2=Y1（ 1φA） = ()= Xe1=Y1/= 103 X2=0（ 清水 ） L== =1677mols1= s 1 L/V=(L/V)min = = 实际用水量 （ 2）若吸收率提高至 90%，出塔气体浓度为 Y΄2，则最小液气比 0)1()(1112121m i n  mmYYYXXYYVLAAe实际液气比 L ΄ == =1777mols1= s 1 从计算结果可知，在其他条件相同时，吸收率提高，最小液气比增大，所需的吸收剂用量也增大。 (L/V)΄=(L/V) ΄ min = = 实际用水量 建立和不断更新两相接触表面，使之具有尽可能大的接触面积和尽可能好的流体力学条件，以利于提高吸收速率，减少设备的尺寸，同时，气体通过设备的阻力要小，以节省动力消耗。 吸收塔简介 （ 1） 吸收设备的作用 液体分布器 气体出口 液体入口 塔壳 填料 液体再分布器 支承栅板 气体入口 液体出口 （ 2） 填料塔的结构与操作 填料的作用：液相分散造型的支撑体，为气、液两相提供充分的接触面，并为强化其湍动程度创造条件，以利于传质。 对于填料的要求： 比表面积大，即单位体积的填料所具有的表面积大。 比重小，减轻塔和基座负荷。 机械强度好 ， 不易破碎。 耐腐蚀性好。 价格低廉 ， 容易制得。 常用填料：拉西环（又分金属、陶瓷等）、鲍尔环、杯形和 鞍形填料、波纹板、栅板等。 （ 3） 填料 填料特性参数 (1) 比表面积 比表面积大，则能提供的相接触面积大。 同一种填料其尺寸愈小，比表面积愈大。 (2) 空隙率 空隙率大，则气体通过时阻力小，因而流量可以增大。 (3) 填料因子 表示填料阻力及液泛条件的重要参数。 重 点 ： 理论塔板、恒摩尔流、操作线方程、进料方程、回流比 难 点 ： 操作线方程、进料方程、精馏设备 蒸馏 白酒蒸馏器 三塔蒸馏流程图 精馏流程图 一组冷凝器 两塔蒸馏流程图 蒸馏 ：将液体部分气化，利用各组分挥发度的不同从而使混合物达到分离的单元操作。 蒸馏是分离液相混合物的典型单元操作。 易挥发组分 ： 沸点低的组分，又称为轻组分。 难挥发组分 ： 沸点高的组分，又称为重组分。 蒸馏操作的分类 按操作方式分：简单蒸馏、平衡蒸馏、精馏、特殊精馏 按操作压力分：常压蒸馏、加压蒸馏、减压（真空）蒸馏 按原料中所含组分数目分：双组分蒸馏及多组分蒸馏 按操作流程分：连续蒸馏和间歇蒸馏 本节主要讨论常压双组分连续精馏。 蒸馏是气液两相间的传质过程； 组分在两相中的浓度（组成）偏离平衡的程度来衡量传质推动力的大小，传质过程以两相达到相平衡为极限； 气液相平衡是分析蒸馏原理和进行蒸馏设备计算的理论基础。 双组分溶液的气液平衡 相律是研究相平衡的基本规律，它表示平衡物系中自由度数、相数及独立组分数间的关系。 F = Cφ+2 式中 F—— 自由度数 C—— 独立组分数 φ—— 相数 2表示外界只有温度和压强可以影响物系的平衡关系。 （ 1 ）相关概念及气液平衡图 1） 相律 )1(000ABBBBAAAxpxppxpp汽液相平衡 (vaporliquid phase equilibrium)：溶液与其上方蒸汽达到平衡时汽液两相各组分组成的关系。 溶液的分类：理想溶液和非理想溶液。 理想溶液的气液平衡关系遵循拉乌尔定律，即 式中 p—— 溶液上方组分的平衡分压 p0—— 同温度下纯组分的饱和蒸气压 x—— 溶液中组分的摩尔分率 2） 拉乌尔定律 根据道尔顿分压定律，溶液上方的蒸汽总压为 )1(00 ABAABA xpxpppP  当总压 P不高时，平衡的气相可视为理想气体，服从道尔顿分压定律，即 AA Pyp 式（ a）和（ b）为 两组分理想物系的气液平衡关系式。 000BABA pppPx （ a） AAA xPpy 0 （ b） 上曲线：平衡时汽相组成与温度的关系，称为汽相线（ 露点曲线 ）； 下曲线：平衡时液相组成与温度的关系，称为液相线（ 泡点曲线 ）。 两曲线将图分成三个区域：液相区、过热蒸汽区、汽液共存区。 TX(Y) x1(y1) t4 B H J A t x t y T t3 t2 t1 （ 2） 气液平衡图 (Graph of G—L Equilibrium) 1） 温度 –组成图（ t – x – y图） T X (Y) T— X— Y图 的作法 液相组成 x 气相组成 y 1 1 0 X — Y 图 平衡线位于对角线的上方； 平衡线离对角线越远，表示该溶液越易分离。 注意： 总压对 tyx 关系比对 yx 关系的影响大； 当总压变化不大时 ,总压对 yx 关系的影响可以忽略不计 蒸馏中使用 yx 图较 tyx 图更为方便。 2） 汽液相平衡图 （ X — Y 图 ） 纯液体的挥发度是指该液体在一定温度下的饱和蒸气压。 相对挥发度 （ Relative Volatility） 是指溶液中两组分挥发度之比 ， 常以易挥发组分的挥发度为分子。 溶液中各组分的挥发度定义为该组分在蒸气中的分压和与之相平衡的液相中的摩尔分率之比，即 α=vA/vB=（ PA/XA） /（ PB/XB） vA=PA/xA vB=PB/xB （ 3） 相对挥发度及气液平衡方程 BBAABAxpxpvv BBAABBAAxyxyxPyxPy AAAAxxyy 11 xxy)1(1  当总压不高时 ， 蒸气服从道尔顿分压定律 对于二元溶液 xB=1xA yB=1yA 整理后，略去下标 相平衡方程 相对挥发度的意义 其值的大小可用于判断某混合溶液能否用蒸馏方法加以分离以及分离的难易程度。 当 α1时，表示组分 A较 B容易挥发， α愈大，挥发度差异愈大，分离愈容易。 当 α=1时，气相组成与液相组成相同，不能用普通精馏方法加以分离。 与理想溶液发生正偏差的溶液：如乙醇 – 水、正丙醇 – 水等物系。 对于乙醇 – 水体系，其恒沸组成为 x=y=，恒沸点t=℃ ( 常压下 )。 称为具有最低恒沸点的溶液。 与理想溶液发生负偏差的溶液：如硝酸 – 水、氯仿 – 丙酮等物系。 对于硝酸 – 水体系，其恒沸组成为 x=y=，恒沸点t=℃ ( 常压下 )。 称为具有最高恒沸点的溶液。 同一种溶液。