第五章-气体吸收.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 气液相平衡,第五章 气体吸收,第一节 概述,第三节 吸收过程的传质速率,第四节 吸收塔的计算,第五节 填料塔,1,第一节 概述,一、吸收操作的应用,二、吸收过程与设备,三、吸收过程分类,四、吸收剂的选择,2,一、气体操作的应用,（,1,）分离混合气体以获得一定的组分。,（,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。,（,4,）工业废气的治理。,吸收的依据,混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。,3,二、吸收过程与设备,4,吸收与解吸流程,含苯煤气,脱苯煤气,洗油,苯,水,过热蒸汽,加热器,冷却器,5,（,1,）,物理吸收,和化学吸收,（,2,）,单组分吸收,和多组分吸收,（,3,）,等温吸收,和非等温吸收,（,4,）高浓度吸收和,低浓度吸收,（,1,）溶解度大；,三、吸收过程的分类,四、吸收剂的选择,6,（,2,）选择性高；,（,3,）再生容易；,（,4,）挥发性小；,（,5,）粘度低；,（,6,）化学稳定性高；,（,7,）腐蚀性低；,（,8,）无毒、无害、价廉等。,选择原则：经济、合理。,7,第二节 气液相平衡,一、平衡溶解度二、亨利定律三、气液相平衡关系在吸收中的应用,8,一、平衡溶解度,平衡状态：,一定压力和温度，一定量的吸收,剂与混合气体充分接触，气相 中的溶质,向溶剂中转移，长期充分接 触后，液相,中溶质组分的浓度不再增加，此时，气,液两相达到平衡。,饱和浓度,：,平衡时溶质在液相中的浓度。,9,平衡分压：,平衡时气相中溶质的分压。,平衡状态的因素,F,C,2=3,2+2=3,当压力不太高、温度一定时,p*,A,=,f,1,（,x,）,y,*,=,f,2,（,x,）,p*,A,=,f,3,（,c,A,）,10,氨在水中的溶解度,11,20,下,SO,2,在水中的溶解度,12,几种气体在水中的溶解度曲线,13,讨论：,（,2,）温度、,y,一,定，,总压增加,，在同一溶剂中，溶质的溶解度,x,随之增加，,有利于吸收,。,（,1,）总压、,y,一,定，,温度下降,，在同一溶剂中，溶质的溶解度,x,随之增加，,有利于吸收,。,（,3,）相同的总压及摩尔分率，,c,O2,c,CO2,c,SO2,x,或,A,由气相向液相传质，吸收过程,平衡状态,A,由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,21,（二）,指明过程进行的极限,过程极限：相平衡。,y,P,y,x,A,B,C,x,y,*,y,*,y,22,（,1,）逆流吸收，塔高无限，,V,，,y,2,V,，,y,1,L,，,x,2,L,，,x,1,（,2,）逆流吸收，塔高无限，,（三）,确定过程的推动力,（,1,）吸收过程推动力的表达式,y,-,y,*,或,x,*,-,x,或,23,（,2,）在,x,y,图上,A,P,y,y,*,x,x,*,24,第三节,吸收过程的传质速率,一、,分子扩散与菲克定律,六、两相间的双模理论,四、分子扩散系数,七、,总传质速率方程,二、等摩尔逆向扩散,三、组分,A,通过静止组分,B,的扩散,五、单相内对流传质,25,吸收过程：,（,1,）,A,由气相主体到相界面，,气相内传递,；,（,2,）,A,在相界面上溶解，溶解过程；,（,3,）,A,自相界面到液相主体，,液相内传递,。,单相内传递方式：分子扩散；对流扩散。,一、,分子扩散与菲克定律,26,分子扩散,：在静止或滞流流体内部，若某一组分存,在浓度差，则因分子无规则的热运动使,该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，,这种现象称为分子扩散。,扩散速率,：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截,面积扩散的物质量，,J,表示，,kmol/(m,2,s),。,菲克定律,：温度、总压一定，组分,A,在扩散方向上任一,点处的扩散通量与该处,A,的浓度梯度成正比。,27,J,A,组分,A,扩散速率（扩散通量），,kmol/,（,m,2,s,）；,组分,A,在扩散方向,z,上的浓度梯度（,kmol/m,3,）,/m,；,D,AB,组分,A,在,B,组分中的扩散系数，,m,2,/s,。,负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿,着浓度降低的方向进行,28,理想气体：,=,分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分,A,通过,静止组分,B,的扩散。,29,J,A,J,B,T P,p,A2,p,B2,T P,p,A1,p,B1,1,2,二、等摩尔逆向扩散,30,等摩尔逆向扩散：,任一截面处两个组分的扩散速率,大小相等，方向相反。,总压一定,=,31,J,A,=,J,B,D,AB,=,D,BA,=,D,等分子反向扩散传质速率方程,传质速率定义：任一固定的空间位置上，单位时间,内通过单位面积的物质量，记作,N,kmol/(m,2,s),。,N,A,=,气相：,32,N,A,=,液相：,讨论,1,）,33,2,）组分的浓度与扩散距离,z,成直线关系。,3,）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。,p,p,B1,p,A1,p,A2,p,B2,扩散距离,z,0,z,p,三、组分,A,通过静止组分,B,的扩散,34,1,2,J,A,J,B,N,M,c,A,/c,N,M,c,B,/c,N,M,N,A,（,1,）整体移动：因溶质扩散,到界面溶解于溶剂中，造,成界面与主体的微小压差，,使得混合物向界面处的流,动。,（,2,）整体移动的特点：,1,）因分子本身扩散引起的宏观流动。,2,）,A,、,B,在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔,分率。,35,微分式,36,在气相扩散,积分式,积分式,37,积分式,液相：,（,4,）讨论,1,）组分,A,的浓度与扩散距离,z,为指数关系,2,）,、,漂流因子，,无因次,38,漂流因子意义,：其大小反映了整体移动对传质速率的影,响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩,散增大的倍数。,漂流因子的影响因素：,浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。,低浓度时，漂流因数近似等于,1,，总体流动的影响小。,3,）单向扩散体现在吸收过程中。,39,扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映,某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常,数之一；,D,，,m,2,/s,。,D,的影响因素：,A,、,B,、,T,、,P,、浓度,D,的来源：查手册；半经验公式；测定,四、分子扩散系数,40,（,1,）气相中的,D,范围：,10,-5,10,-4,m,2,/s,经验公式,（,2,）液相中的,D,范围：,10,-10,10,-9,m,2,/s,41,五、单相内的对流传质,涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部,存在浓度梯度，流体质点便会靠,质点的无规则运动，相互碰撞和,混合，组分从高浓度向低浓度方,向传递，这种现象称为涡流扩散。,42,涡流扩散速率，,kmol/(m,2,s),；,涡流扩散系数，,m,2,/s,。,注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性,常数，其值与流体流动状态及所处的位置有,关。,总扩散通量：,43,T,T,W,t,W,t,热流体,冷流体,p,AG,p,Ai,c,Ai,c,AL,气相,液相,z,T,z,t,z,G,z,L,E,（一）单相内对流传质的有效膜模型,单相内对流传质过程,44,1,）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分,子扩散，溶质,A,的浓度梯度较大，,p,A,随,z,的,变化较陡。,2,）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，,溶质浓度均一化，,p,A,随,z,的变化近似为水,平线。,3,）过渡区：分子扩散,+,涡流扩散，,p,A,随,z,的,变化逐渐平缓。,45,有效膜模型,单相对流传质的传质,阻力,全部集中在一层,虚拟的膜,层内，膜层内的传质形式,仅为分子扩散,。,（二）气相传质速率方程,有效膜厚,z,G,由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点,E,，则厚度,z,G,为,E,到相界面的垂直距离。,46,以分压差表示推动力的气膜传质分系数，,kmol/,（,m,2,skPa,）。,=,传质系数,吸收的推动力,47,气相对流传质速率方程有以下几种形式：,以气相摩尔分率表示推动力的气膜传,质分系数，,kmol/,（,m,2,s,）；,各气相传质分系数之间的关系：,带入上式,与,比较,48,液相传质速率方程有以下几种形式：,（二）液相传质速率方程,49,k,L,以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜,对流传质分系数，,kmol/,（,m,2,skmol/m,3,）；,以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜,对流传质分系数，,kmol/,（,m,2,s,）；,各液相传质分系数之间的关系：,注意：,对流传质系数,=,f,(,操作条件、流动状态、物性）,50,六、,两相间传质的,双模理论,相际对流传质三大模型：双膜模型,溶质渗透模型,表面更新模型,（一）,双膜理论,p,AG,p,Ai,c,Ai,c,AL,气相,液相,z,G,z,L,E,51,双膜模型的基本论点（假设）,（,1,）气液两相存在一个,稳定的相界面,，界面两侧存,在稳定的,气膜和液膜,。膜内为,层流,，,A,以,分子扩,散,方式通过气膜和液膜。,（,2,）,相界面,处两相达平衡，,无扩散阻力,。,（,3,）有效,膜以外,主体中，充分湍动，溶质主要以,涡流扩散,的形式传质。,双膜模型也称为,双膜阻力,模型,52,（一）,气相传质速率方程,以气相分压差表示推动力的气相总传质,系数，,kmol/,（,m,2,skPa,）；,以气相摩尔分率差表示推动力的气相,总传质系数，,kmol/,（,m,2,s,）；,以气相摩尔比差表示推动力的气相,总传质系数，,kmol/,（,m,2,s,）；,七、总传质速率方程,53,（二）,液相总传质速率方程,以液相浓度差表示推动力的液相总传,质系数，,kmol/m,2,skmol/m,3,）；,以液相摩尔分率差表示推动力的液相,总传质系数，,kmol/,（,m,2,s,）；,以液相摩尔比差表示推动力的液相,总传质系数，,kmol/,（,m,2,s,）；,54,根据双膜理论,（三）,总传质系数与单相传质分系数之间的关系,系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线,55,（四）,总传质系数之间的关系,56,（五）,传质速率的控制,相间传质总阻力,=,液相,(,膜,),阻力,+,气相,(,膜,),阻力,注意,:,传质系数、传质阻力,与推动力一一对应。,1.,传质阻力,57,2.,传质速率的控制步骤,（,1,）气膜控制,气膜控制,：,传质阻力主要集中在气相，此吸收过程,为气相阻力控制（气膜控制）。,H,较大易溶气体,气膜控制的特点：,.,p,A,I,p,Ai,c,A,c,Ai,58,提高传质速率的措施：提高气体流速；,加强气相湍流程度。,（,2,）液膜控制,液膜控制,：,传质阻力主要集中在液相，此吸收过程,为液相阻力控制（液膜控制）,液膜控制的特点：,H,较小难溶气体,.,59,提高传质速率的措施：提高液体流速；,加强液相湍流程度。,同理：,气膜控制：,液膜控制：,m,小易溶气体,m,大难溶气体,60,第四节 吸收塔的计算,一、物料衡算与操作线方程,二、吸收剂的用量最小液气比,三、填料层高度的计算,四、,吸收塔的操作计算,五、解吸塔的计算,61,传质设备：,62,操作型：核算；,操作条件与吸收结果的关系。,计算依据：物料衡算,相平衡,吸收速率方程,吸收塔的计算内容：,设计型：流向、流程、吸收剂用量、,吸收剂浓度、塔高、塔径,63,一、物料衡算与操作线方程,物料衡算,定态，假设,S,不挥发，,B,不溶于,S,全塔范围内，对,A,作物料衡算：,GY,1,+,LX,2,=,GY,2,+,LX,1,G,（,Y,1,Y,2,）,=,L,（,X,1,X,2,）,G,Y,2,G,Y,1,L,X,2,L,X,1,64,X,1,=,X,2,G,（,Y,1,Y,2,）,/,L,操作线方程式及操作线,（,1,）逆流吸收,G,，,Y,2,G,，,Y,1,L,，,X,2,L,，,X,1,G,，,Y,L,，,X,GY,+,LX,2,=,GY,2,+,LX,Y,2,=,Y,1,（,1,）,A,被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。,65,同理：,逆流吸收操作线具有如下特点：,X,Y,1,Y,2,X,1,X,2,A,B,Y,66,3,）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。,2,）操作线通过塔顶（稀端）,A,（,X,2,，,Y,2,）,及,塔底,（浓端）,B,（,X,1,，,Y,1,）,;,1,）定态，,L,、,G,、,Y,1,、,X,2,恒定，操作线在,X,Y,坐标上为一直线，斜率为,L,/,G,。,L,/,G,为吸收,操作的,液气比,；,67,5,）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；,4,）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平,衡线,OE,下方。,X,A,B,Y,K,.,Y,X,X,*,Y,*,68,（,2,）并流吸收,G,Y,2,G,Y,1,L,X,2,L,X,1,V,Y,L,X,GY,+,LX,=,GY,2,+,LX,2,Y,2,Y,1,X,2,X,1,A,B,X,Y,69,逆流与并流的比较：,1,）逆流推动力均匀，且,2,）,Y,1,大，逆流时,Y,1,与,X,1,在塔底相迂有利于提高,X,1,；,X,2,小，逆流时,Y,2,与,X,2,在塔顶相迂有利于降低,Y,2,。,逆流与并流操作线练习,70,Y,3,X,2,X,1,Y,1,Y,2,X,2,Y,2,X,3,C,D,A,B,Y,1,Y,2,Y,3,X,1,X,2,X,3,C,D,A,B,71,二、吸收剂的用量最小液气比,B,1,Y,1,Y,2,A,B,O,E,X,Y,X,2,X,1,X*,1,P,72,（一）,最小液气比,最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。,最小液气比的计算,1.,平衡曲线一般情况,73,X,*,1,与,Y,1,相平衡的液相组成。,平衡关系符合亨利定律时：,2.,平衡曲线为凸形曲线情况,74,75,（二）操作液气比,76,三、填料层高度的计算,传质单元数法,（一）填料层高度的基本计算式,Z,Y,Y+dY,X,X+,d,X,Z,d,Z,Y,2,X,2,X,1,Y,1,单位时间，,d,Z,内吸收,A,的量：,塔截面积，,;,G,A,A,的流率，,kmol/(s),；,G,惰性气体流率，,kmol/(s),；,L,吸收剂流率，,kmol/(s),。,77,a,单位体积填料的有效传质面积，,/m,3,。,填料层高度,78,同理：,79,气相总体积传质系数，,kmol/,（,m,3,s,）,液相总体积传质系数，,kmol/,（,m,3,s,）,填料层高度可用下面的通式计算：,Z,=,传质单元高度,传质单元数,体积传质系数的物理意义：,在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。,（二）传质单元数与传质单元高度,80,以,为例,（,1,）传质单元数,、,液相总传质单元高度,、总传质单元数,气相传质单元高度,、传质单元数,液相传质单元高度,、传质单元数,气相总传质单元高度,、总传质单元数,定义,：,气相总传质单元数,81,传质单元数的意义,：,反映了取得一定吸收效果的难易程度。,气体流经一段填料，溶质组成变化（,Y,1,Y,2,）等于该段填料平均吸收推动力（,Y,Y,*,）,m,时，该段填料为一个传质单元。,82,（,2,）传质单元高度,定义,：,气相总传质单元高度，,m,。,传质单元高度的意义,:,完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低。,传质单元高度影响因素,：,填料性能、流动状况,体积总传质系数与传质单元高度的关系,:,83,传质单元高度变化范围：,0.10,1.0m,。,各种传质单元高度之间的关系,平衡线斜率为,m,84,同理：,比较上式：,（三）传质单元数的计算,1.,对数平均推动力法,气液平衡线为直线,操作线也为直线,85,同理：,86,平衡线与操作线平行,时，,当 、时，对数平均推动力可用算术,平均推动力。,注意：,平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收,皆可。,87,2.,吸收因数法,平衡线为通过原点的直线,，,服从亨利定律,逆流为例：,88,S,解吸因数,（脱吸因数）,89,注意：图的适用范围为,0.05,及,S,1,。,3.,图解积分法,平衡线曲线时,图解积分法步骤如下：,90,操作线上任取一点（,X,Y,），其推动力为,(Y,-,Y,*,),。,系列,Y,作图得曲线。,积分计算,Y,2,至,Y,1,范围内的阴影面积。,91,命题：,塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的,分析和计算,;,吸收塔的核算。,定性分析,例 在一填料塔中用清水吸收氨空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则,Y,2,、,X,1,如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为 ）,四、,吸收塔操作计算,92,定性分析步骤：,1,）,根据条件确定,H,OG,、,S,；,2,）利用 ，确定 的变化,;,3,）,采用吸收因数法确定,Y,2,的变化,;,4,）利用全塔物料衡算分析,X,1,变化。,水吸收混合气中的氨为气膜控制过程,因气体流量,V,不变,近似不变，,H,OG,不变,、,93,N,OG,不变,94,（,2,）定量计算,问题,：吸收温度降低，,Y,2,、,X,1,、,吸收操作线如何变化？,X,2,降低，,Y,2,、,X,1,、,吸收操作线如何变化？,吸收压力提高，,Y,2,、,X,1,、,吸收操作线如何变化？,Y,1,Y,2,Y,2,X,1,X,1,X,2,95,例 在一填料塔内用纯溶剂吸收气体混合物中的某溶质组分，进塔气体溶质浓度为,0.01,（摩尔比，下同），混合气质量流量为,1400kg/h,，平均摩尔质量为,29,，操作液气比为,1.5,，在操作条件下气液平衡关系为,Y,*=1.5,X,，当两相逆流操作时，工艺要求气体吸收率为,95,，,现有一填料层高度为,7m,、塔径为,0.8m,的填料塔，气相总体积传质系数为,0.088kmol/,（,m,3,s,），问：,（,1,）操作液气比是最小液气比的多少倍？,（,2,）出塔液体的浓度；,（,3,）该塔是否合适？,96,解：（,1,）,（,2,）,97,（,3,）,98,190.30=5.7m,Z,需要,=5.7m2.0,。,114,u,湿填料因子，,1/m,；,液体密度校正系数，,；,115,三、塔径的计算,D,吸收塔塔径，,m;,V,S,实际体积流量，,m,3,/s;,u,空塔气速，,m,3,/s,。,116,四、填料塔的附件,（一）支承板,（二）液体分布器,117,管式 管式 槽式,莲蓬头式 盘式 盘式,118,（三）液体再分布器,截锥式 斜板式,（四）除沫器,折板除沫器 丝网除沫器,119,