吸收與解吸過(guò)程工藝參數(shù)的確定電子教案

1、 職業(yè)教育環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)專(zhuān)業(yè)教學(xué)資源庫(kù)化工單元操作課程電子教案項(xiàng)目4 吸收解吸及設(shè)備操作學(xué)習(xí)任務(wù)2-12-1吸收與解吸過(guò)程工藝參數(shù)的確定計(jì)劃學(xué)時(shí)2職業(yè)能力目標(biāo)專(zhuān)業(yè)能力社會(huì)能力方法能力確定吸收解吸過(guò)程工藝參數(shù)的確定團(tuán)隊(duì)工作能力溝通能力小組成員的協(xié)作能力擴(kuò)展相應(yīng)的信息收集能力制定工作計(jì)劃能獨(dú)立使用各種媒介完成學(xué)習(xí)任務(wù)工作結(jié)果的評(píng)價(jià)與反思學(xué)習(xí)情境描述接到車(chē)間主任指令：根據(jù)給定的傳吸收解吸任務(wù)，確定吸收解吸工藝參數(shù)，介紹流程中的主要工藝設(shè)備。組長(zhǎng)接受任務(wù)后組織學(xué)員通過(guò)資訊、計(jì)劃、決策、實(shí)施和檢查、評(píng)估等過(guò)程完成學(xué)習(xí)任務(wù)。教學(xué)環(huán)境分析石油化工崗位操作技能實(shí)訓(xùn)中心、教材、輔導(dǎo)資料、化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)、化

2、工單元操作學(xué)習(xí)光盤(pán)、學(xué)習(xí)軟件、可以上網(wǎng)查閱資料的電腦、工作臺(tái)、拆裝工具等教學(xué)方法采用角色扮演法交代任務(wù)；用引導(dǎo)文和小組討論法完成決策和計(jì)劃的制定，采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)法實(shí)施工作任務(wù)。教學(xué)組織分組，分工，協(xié)作共同完成，分成6個(gè)小組，每組6人要做好記錄，由各小組長(zhǎng)展示學(xué)習(xí)成果評(píng)議各小組展示的學(xué)習(xí)成果教師對(duì)每個(gè)小組及每個(gè)學(xué)生進(jìn)行監(jiān)視，做好記錄，作為成績(jī)?cè)u(píng)定的依據(jù)。實(shí)施步驟資訊教案內(nèi)容實(shí)施步驟計(jì)劃與決策1引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)資源熟悉吸收解吸單元操作。1）接受任務(wù)2）完成基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)2監(jiān)視學(xué)生進(jìn)行小組討論，并做出決策和計(jì)劃1）對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)行決策2）制定學(xué)習(xí)計(jì)劃（提交計(jì)劃，組長(zhǎng)匯報(bào)）3）對(duì)學(xué)員的計(jì)劃進(jìn)行可行性分

3、析實(shí)施步驟學(xué)習(xí)工作任務(wù)的實(shí)施教學(xué)組織教學(xué)內(nèi)容教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)及時(shí)間分配1. 告知訓(xùn)練項(xiàng)目：吸收與解吸過(guò)程工藝參數(shù)的確定；教師講授，PPT，5min2. 結(jié)合吸收解吸方案介紹工藝參數(shù)的計(jì)算方法；教師講授，PPT，10min3. 結(jié)合實(shí)訓(xùn)設(shè)備講解工藝流程；教師講授，PPT，10min4. 動(dòng)畫(huà)展示吸收解吸工作原理和結(jié)構(gòu)；教師講授，PPT，10min5. 進(jìn)行工藝參數(shù)的計(jì)算；教師講授，PPT，30min6. 進(jìn)行吸收解吸過(guò)程的認(rèn)識(shí)考核；教師講授，PPT，20min7. 歸納總結(jié)：吸收解吸工藝參數(shù)計(jì)算的關(guān)鍵；教師講授，PPT，10min8. 布置下次任務(wù)：吸收解吸設(shè)備的操作與控制。教師講授，PPT，5mi

4、n實(shí)施步驟檢查與評(píng)估檢查學(xué)生工作是否完整完成？歸檔是否完整？專(zhuān)業(yè)能力、社會(huì)能力和方法能力是否提高？工作態(tài)度、工作質(zhì)量情況安全、環(huán)保及6S情況填寫(xiě)任務(wù)工單的評(píng)價(jià)表格吸收塔物料衡算在氣體吸收過(guò)程中，工業(yè)上一般都采用逆流連續(xù)操作。其流程如圖2-18所示。圖中 圖2-18 逆流吸收塔操作示意圖 圖2-19 吸收操作線(xiàn)與平衡線(xiàn)V單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收塔的惰性氣體量，kmol惰性氣體h；L單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收塔的吸收劑量，kmol吸收劑/h；Y, Y1 , Y2分別為任一截面、塔底（氣體人口）、塔頂（氣體出口）的氣相組成，kmol溶質(zhì)kmol惰性氣體；X, X1, X2分別為任一截面、塔底（液體出口）和塔頂（液

5、體人口）的液相組成，kmol溶質(zhì)kmol吸收劑。在穩(wěn)態(tài)操作下，對(duì)全塔作物料衡算，由質(zhì)量守恒得： （2-24）或依據(jù)混合氣體中溶質(zhì)的減少量等于液相中溶質(zhì)的增加量，可得： （2-25）稱(chēng)為吸收塔的吸收負(fù)荷，表示了單位時(shí)間內(nèi)吸收塔吸收溶質(zhì)的能力。吸收過(guò)程中，經(jīng)過(guò)吸收塔后，被吸收的溶質(zhì)量與進(jìn)塔氣體中溶質(zhì)的量之比，稱(chēng)為吸收率，用表示。 （2-26）如果規(guī)定了吸收率，則氣體出塔時(shí)的組成為： （2-27）【例題2-2】在一填料吸收塔，用純水來(lái)吸收空氣中的CO2，已知混合氣中CO2的含量為6%（體積），所處理的混合氣中的空氣量為1400m3/h，操作在293K和101.3kPa下進(jìn)行，要求CO2的吸收率達(dá)到9

6、8%。若吸收劑用量為154kmol/h，試問(wèn)吸收塔溶液出口濃度為多少？解： 進(jìn)塔氣體組成 出塔氣體組成 進(jìn)塔吸收劑組成 (純水)進(jìn)塔空氣流量 溶液出口濃度由全塔物料衡算，求出即 故溶液出口濃度為0.0236kmolCO2/kmol水。填料類(lèi)型及性能1、填料類(lèi)型自填料塔用于工業(yè)生產(chǎn)以來(lái)，填料的結(jié)構(gòu)形式有重大的改進(jìn)，特別是近年來(lái)發(fā)展更快，目前各種類(lèi)型、各種規(guī)格的填料有幾百種之多。填料結(jié)構(gòu)改進(jìn)的方向可歸納為：增加流體的通過(guò)能力，以適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需要；改善流體的分布與接觸，以提高分離效率；解決放大問(wèn)題。填料種類(lèi)雖然很多，但按結(jié)構(gòu)形式可分為顆粒型填料和規(guī)整填料，按裝填方式可分為亂堆填料和整砌填料。

7、（1）顆粒型填料顆粒型填料的結(jié)構(gòu)、形狀和堆積方式都影響流體在填料層中的流動(dòng)狀態(tài)、分布情況以及氣、液接觸的密切程度，從而決定填料塔的生產(chǎn)能力、流動(dòng)阻力以及傳質(zhì)效率。下面介紹工業(yè)中常用的顆粒填料。拉西環(huán)拉西環(huán)是最早使用的填料，常用的拉西環(huán)為外徑與高度相等的圓環(huán)，如圖2-7（a）所示。在強(qiáng)度允許下，壁厚應(yīng)盡量薄一些，以提高空隙率及降低堆積密度（單位體積堆積填料層的質(zhì)量稱(chēng)為堆積密度）。拉西環(huán)在塔內(nèi)的裝填方式有亂堆和整砌兩種。亂堆填料裝卸方便，但氣體流動(dòng)阻力較大，一般直徑在50mm以下的填料都采用亂堆方式，直徑在50mm以上的填料可采用整砌（即整齊排列）的方式。拉西環(huán)除用陶瓷材料制造外，還可用金屬、塑料

8、及石墨等材料制成，以適應(yīng)不同介質(zhì)的要求。圖2-7 常用的顆粒填料外形（a）拉西環(huán)；（b）鮑爾環(huán)；（c）階梯環(huán)；（d）弧鞍；（e）矩鞍；（f）金屬鞍環(huán)；（g）多面球體；（h）TRI球體拉西環(huán)的形狀簡(jiǎn)單，制造容易，成本低，且對(duì)其研究較為充分。但氣液分布不均，溝流及壁流現(xiàn)象較嚴(yán)重，因而效率隨塔徑及層高的增加而顯著下降，對(duì)氣速的變化也較敏感，操作彈性范圍較窄，傳質(zhì)阻力大，吸收效率低。因此，拉西環(huán)的應(yīng)用日趨減少。鮑爾環(huán)填料鮑爾環(huán)填料是針對(duì)拉西環(huán)的一些主要缺點(diǎn)加以改進(jìn)而研制出來(lái)的填料。在普通拉西環(huán)的側(cè)壁上沖出上、下兩層交錯(cuò)排列的矩形小窗，沖出的葉片除一端連在環(huán)壁上，其余部分均彎入環(huán)內(nèi)，在環(huán)中心相搭，如圖2

9、-7（b）所示。鮑爾環(huán)一般用金屬或塑料制造?？紤]到改善氣、液的接觸狀況，側(cè)壁上開(kāi)孔率應(yīng)不小于30；為保持填料有一定的強(qiáng)度，開(kāi)孔率最大不得超過(guò)60。我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定開(kāi)孔率為35。盡管鮑爾環(huán)填料的空隙率和比表面（單位體積干填料層具有的表面積）與拉西環(huán)的差不多，但由于環(huán)壁開(kāi)孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣體流動(dòng)阻力降低，液體分布也較均勻。同種材料、同種規(guī)格的鮑爾環(huán)比拉西環(huán)的氣體通量大、流動(dòng)阻力小，在相同的壓降下，鮑爾環(huán)的氣體通量可較拉西環(huán)增大50以上；在相同的氣速下，鮑爾環(huán)填料的壓強(qiáng)降僅為拉西環(huán)的一半。又由于鮑爾環(huán)上的兩排窗孔交錯(cuò)排列，氣體流動(dòng)通暢，避免了液體嚴(yán)重的溝流及壁流現(xiàn)象。鮑爾環(huán)

10、比拉西環(huán)的傳質(zhì)效率高，操作彈性大，但價(jià)格較高。鮑爾環(huán)以其優(yōu)良的性能為工業(yè)上廣泛采用。階梯環(huán)填料階梯環(huán)是在鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的填料，如圖2-7（c）所示。階梯環(huán)與鮑爾環(huán)的相似之處，除環(huán)壁上也開(kāi)有窗孔外，階梯環(huán)的高度僅為直徑的一半，環(huán)的一端制成喇叭口，其高度為總高的15。由于階梯環(huán)的填料較鮑爾環(huán)填料的高度減少一半，使得繞填料外壁流過(guò)的氣體平均路徑縮短，減少了氣體通過(guò)填料層的阻力。階梯環(huán)一端的喇叭口形狀，不僅增加了填料的力學(xué)強(qiáng)度，而且使填料個(gè)體之間多呈點(diǎn)接觸，增大了填料間的空隙，接觸點(diǎn)成為液體沿填料表面流動(dòng)的匯聚、分散點(diǎn)，可使液膜不斷更新，有利于填料傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)填料因其具有氣體通量大、流

11、動(dòng)阻力小、傳質(zhì)效率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前所用環(huán)形填料中性能最好的一種。鞍型填料鞍型填料有弧鞍與矩鞍兩種，如圖2-7（d）、（e）所示。鞍型填料是敞開(kāi)型填料，其特點(diǎn)是：表面全部敞開(kāi)，不分內(nèi)外；液體在表面兩側(cè)均勻流動(dòng)；流體通道為圓弧形，使流動(dòng)阻力減小。弧鞍型填料為對(duì)稱(chēng)的開(kāi)式弧狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)液體噴灑到填料表面后，弧形面使液體向兩旁分散，即使液體初始分布不均，經(jīng)弧面分散后，仍可得到一定程度的改善。此外，弧面上無(wú)積液，且表面的有效利用率高，因此，弧鞍填料比拉西環(huán)的傳質(zhì)效率高。但由于弧鞍形狀是對(duì)稱(chēng)的，裝填時(shí)容易形成重疊，重疊的表面非但不能利用，還降低了有效空隙率，故弧鞍填料的應(yīng)用已日漸減少。在弧鞍填料的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出

12、的矩鞍填料，它保留了弧形結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了扇形面形狀，因此不但具有良好的液體再分布性能，而且填料之間基本上是點(diǎn)接觸，不相重疊，因此填料表面得以充分利用。鞍型填料的綜合性能優(yōu)于拉西環(huán)而次于鮑爾環(huán)。由于弧鞍與矩鞍填料都是敞開(kāi)式結(jié)構(gòu)，故強(qiáng)度較差。弧鞍一般用陶瓷制造，適用于處理腐蝕性物料。金屬鞍環(huán)填料金屬鞍環(huán)填料是綜合了鮑爾環(huán)填料通量大及鞍型填料的液體再分布性能好的優(yōu)點(diǎn)而開(kāi)發(fā)出的填料，如圖2-7（f）所示。金屬鞍環(huán)填料是由薄金屬板沖成的整體鞍環(huán)。其優(yōu)點(diǎn)是：保留了鞍型填料的弧形結(jié)構(gòu)及鮑爾環(huán)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且有內(nèi)彎葉片的小窗；全部表面能被有效地利用；流體湍動(dòng)程度好，且有良好的液體再分布性能；通過(guò)能力大，壓強(qiáng)降小，

13、滯液量?。欢逊e密度??；填料層結(jié)構(gòu)均勻。金屬鞍環(huán)填料特別適用于真空蒸餾。球形填料球形填料是用塑料鑄成空心球體形狀的填料。為了增加填料的表面積并減少填料的形體阻力，采用了空心球體，有的是由若干個(gè)平面組成，有的是由許多枝條狀的棒連接而成，也有的采用表面開(kāi)孔的辦法，如圖2-7（g）和（h）所示。球形填料的優(yōu)點(diǎn)在于床層上易充滿(mǎn)填料，不會(huì)產(chǎn)生架橋和空穴等現(xiàn)象，因此床層易堆積均勻，有利于氣、液均勻分布。但由于塑料耐溫性能差，故一般只用于氣體吸收、凈化、除塵等。近年來(lái)不斷有新型填料開(kāi)發(fā)出來(lái)，這些填料的結(jié)構(gòu)獨(dú)特，均有各自的特點(diǎn)，這里不一一介紹。（2）規(guī)整填料規(guī)整填料是由古老的木柵填料逐漸發(fā)展的。常見(jiàn)的規(guī)整填料為

14、波紋填料，它是一種整砌結(jié)構(gòu)的新型高效填料，由許多片波紋薄板組成的圓餅狀填料，其直徑略小于殼體內(nèi)徑。如圖2-8所示，波紋與水平方向成45°傾角，相鄰兩板反相靠疊，使波紋傾斜方向互相垂直。圓餅的高度約為40mm60mm，各餅垂直疊放于塔內(nèi)，相鄰的上下兩餅之間波紋板片排列方向互成90°角。圖2-8 波紋填料（a）元件；（b）組合單元填料；（c）填料層剖面及俯視圖由于結(jié)構(gòu)緊湊，有很大的比表面積，且因相鄰兩餅間板片相互垂直，使上升氣體不斷改變方向，下降的液體也不斷重新分布，故傳質(zhì)效率高。填料的規(guī)整排列，使流動(dòng)阻力減小，從而可以提高空塔氣速。波紋填料的缺點(diǎn)是：不適宜處理粘度大、易聚合或

15、有沉淀物的物料；此外，填料的裝卸、清理也較困難，造價(jià)高。波紋填料有實(shí)體與網(wǎng)體兩種。實(shí)體的稱(chēng)為波紋板，可由陶瓷、塑料、金屬材料制造，根據(jù)工藝要求及介質(zhì)的性質(zhì)來(lái)選擇適當(dāng)?shù)牟牧?。波紋絲網(wǎng)填料的波紋片是由金屬絲網(wǎng)制成的，屬于網(wǎng)體填料。因絲網(wǎng)細(xì)密，故其空隙率高，比表面積可高達(dá)700m2m3，傳質(zhì)效率大大提高，每米填料層相當(dāng)于10層理論板；每層理論塔板壓降僅為5070Pa；操作彈性大；放大效應(yīng)（即塔徑越大效率越低）小。此類(lèi)填料特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，對(duì)難分離物系、熱敏性物系及高純度產(chǎn)品的精餾提供了有效手段。盡管波紋絲網(wǎng)的造價(jià)昂貴，但優(yōu)良的性能使波紋絲網(wǎng)填料在工業(yè)上的應(yīng)用日益廣泛。近年來(lái)又開(kāi)發(fā)出金

16、屬孔板波紋填料和金屬壓延孔板波紋填料。金屬孔板波紋填料是在不銹鋼波紋板片上鉆有許多5mm左右的小孔的填料。它與同材質(zhì)絲網(wǎng)填料相比，雖然效率和通量低于波紋網(wǎng)填料，但造價(jià)低、強(qiáng)度高、耐腐蝕性能強(qiáng)，特別適用于大直徑精餾塔。金屬壓延孔板波紋填料與金屬孔板波紋填料的主要區(qū)別在于：前者板片表面不是鉆孔而是刺孔，孔徑為0.5mm左右；板片極薄，約為0.1mm，波紋高度較小，故比表面和空隙率大，分離效率較孔板波紋填料高。主要用于分離要求高，物料不易堵塞的場(chǎng)合。在指定的任務(wù)下，采用的填料尺寸越大，則單位體積填料的費(fèi)用越低，單位高度填料層的壓降也越小，但傳質(zhì)效率降低，致使填料層高度增加。因此，選擇填料尺寸除保證一

17、定分離效率外，還應(yīng)考慮設(shè)備費(fèi)和動(dòng)力費(fèi)間的權(quán)衡。為使液體在填料層中分布均勻，填料亂堆時(shí)，每個(gè)填料的尺寸不應(yīng)大于塔徑的18，否則液體分布不均。2、填料特性在填料塔內(nèi)，氣體由填料間的空隙流過(guò)，液體在填料表面形成液膜沿填料間的空隙而下流，氣、液兩相間的傳質(zhì)過(guò)程在潤(rùn)濕的填料表面上進(jìn)行。因此，填料塔的生產(chǎn)能力和傳質(zhì)效率均與填料特性密切相關(guān)。表示填料性能的參數(shù)有以下幾項(xiàng)。（1）比表面積單位體積干填料層具有的表面積稱(chēng)為比表面積，以表示，單位為m2干填料表面積m3干填料層，簡(jiǎn)寫(xiě)成m2m3。填料比表面積值越大對(duì)傳質(zhì)越有利，值與填料類(lèi)型有關(guān)。填料的表面只有被流動(dòng)的液相所潤(rùn)濕，才能構(gòu)成有效的傳質(zhì)面積。因此，若希望有較高的傳質(zhì)速率，除須有大的比表面積外，還要求填料有良好的潤(rùn)濕性能及有利于液體均勻分布的形狀。但是，被潤(rùn)濕的填料表面不一定都是有效的傳質(zhì)面積，因?yàn)樵谔盍蠈觾?nèi)，填料間接觸點(diǎn)處的液體基本上靜止不動(dòng)，該處的潤(rùn)濕表面對(duì)傳質(zhì)不起作用，只有填料表面被流動(dòng)的液體潤(rùn)濕時(shí)，才能構(gòu)成有效的傳質(zhì)面積。表2-1列出了部分填料的值。（2）空隙率單位體積干填料層中的空隙體積稱(chēng)為空隙率，以表示，單位為m3空隙體積m3干填料層，簡(jiǎn)寫(xiě)成m3m3。填料的空隙率越大，流體在填料層中的通過(guò)能力越大，流動(dòng)阻力越小?？障堵手蹬c填料類(lèi)型及堆積