化工原理2-8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,*,利用,溶解度差异,，物质从一相向另一相转移的过程，,属物质传递过程（简称传质过程）,*,吸收操作在生产中的应用：,混合气体分离，以获得一定的组分,除去有害组分，以净化气体,制备某种气体的溶液,51,概述,一、吸收操作,1,、吸收操作,混合气体,（,溶质,气体,+,惰性气体）,惰性气体,+,吸收剂 吸收剂,+,溶质,第五章 气体吸收,2,、完成分离任务应解决的主要问题,吸收剂的选择,溶解度、选择性、再生性、稳定性、低粘度、经济与安全性等,传质设备的选择,板式塔,（级式接触）、,填料塔,（微分式接触）,吸收剂的再生,（常用升温、吹气、减压等方法）,吸收剂,填料,混合气体,3,、工业吸收过程（吸收与解吸）,工业吸收过程通常由吸收装置与解吸装置组成。如：,煤气中的芳烃,可采用,洗油吸收,方法回收芳烃获得粗苯,.,二、吸收操作分类,*,物理吸收,与化学吸收,*,等温吸收,与非等温吸收,*,单组分吸收,与多组分吸收,*定态吸收与非定态吸收（过程参数是否随时间而变）,本章讨论所作的基本假定,：,单组分、低浓度、连续定态逆流、等温物理吸收,三、吸收操作的经济性,吸收操作费用主要包括：,气、液两相流经吸收设备的能量消耗；,溶剂的挥发损失和变质损失；,溶剂再生,(,解吸,),费用，即解吸操作费用,。,*,以上三项费用中第,项所占比例最大。,本章基本内容：,本章基本内容,:,介绍物理吸收过程机理、传质速率方程及吸收过程的设计计算和操作分析。,吸收过程中气液相平衡关系表示方法吸收过程的传质机理吸收过程传质模型及传质速率表达式吸收操作的物料衡算填料层高度的计算方法,解吸过程计算传质设备，填料吸收塔,重点内容：,a.,物理吸收过程,b.,低浓度吸收过程设计计算,本章难点：,a.,吸收过程的传质机理,b.,相平衡关系不同表达式间的换算,物质的量浓度（摩尔浓度）,C,A,=,n,A,/V,物质的量分数,（,摩尔分数）,x,A,=,n,A,/n,摩尔比,X,A,=,n,A,/,n,B,换算关系：,C,A,=,x,A,(n/V),x,A,=C,A,(V/n),X,A,=,x,A,/(1-x,A,),52,气、液相平衡,一、气体在液体中的溶解度,气液相平衡,：,*,在一定温度下气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。,*,单组分物理吸收过程，当,T,、,P,确定后，溶质在液相中的浓度仅与气相分压,Pe,的有关。,*,相平衡时气液相浓度,平衡浓度,x,（,饱和浓度）,平衡分压,P,*,*,气液相平衡关系的可用不同方式表示：,*,1,溶解度曲线 *,2,亨利定律,溶解度：,定义,:,影响因素,:,溶液、溶质的性质，,T,，,P,T,溶解度,P,溶解度,*,1,溶解度表示吸收过程气液两相的平衡关系,*,2,降温、加压有利于吸收，升温、减压有利于解吸,*,3,不同气体在不同溶剂中的溶解度可由实验测定,溶解度曲线：,P*x,关系曲线：,直接反映了相平衡的本质，用于思考与分析问题,yx,关系曲线：,可方便地与物料衡算式等其它关系式一起对整个吸收过程进行数学描述,P*y*,80,70,X X,二、亨利定律,*,1,亨利定律表示：,稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比。,*,2,亨利系数,E,可由实验测定。,通常易溶气体,E,值小，难溶气体,E,值大；且,T,，,E,。,*,3,对于理想溶液：,E,等于该温度下纯溶质的饱和蒸汽压。（此时亨利定律与拉乌尔定律一致）,P,A,*,=E,x,A,条件：总压小于,510,5,N/m,2,，,恒定温度，稀溶液,式中：,P,A,*,溶质在气相中的平衡分压，,N/m,2,。,E,亨利系数，,kN/m,2,。,x,A,溶质在液相中的摩尔分率。,*,4,亨利定律的其他表达形式：,P,A,*,=H C,A,P,A,*,气相平衡分压,C,A,液相摩尔浓度,H,溶解度系数，,mN,/,kmol,；,y,A,*,=m,x,A,y,A,*,气相摩尔分率,x,A,液相摩尔分率,m,相平衡常数，无量纲量；,m X,A,Y,A,*,=,Y,A,*,气相摩尔比,1+,（,1-m,）,X,A,X,A,液相摩尔比,或,Y,A,*,=m X,A,*5 E,、,H,、,m,之间关系,H=E,x,A,/C,A,E M,S,/,S,m=E/P,总压,E,亨利系数，,N/m,2,。,三、相平衡与吸收过程的关系,1,、判别传质过程的方向,P P,P,A,A,P,B,*,P,A,*,P,B,B,x,A,x,A,*,x,x,B,*,x,B,x,2,、确定传质过程的推动力,平衡是过程的极限，,P,A,P,A,*,为吸收过程，,P,B,P,A2,P,B1,1,表明有总体流,动而使,A,物质的传递速率比单纯的分子扩散速率大。当混合气体中,组分,A,的浓度很低时其值近似等于,1,。,上式也可写成：,D C,N,A,=,（,C,A1,-C,A2,）,Z,C,Bm,式中：,C,Bm,组分,B,浓度的对数平均值，,kmol/m,3,。,C,混合物的总浓度，,kmol/m,3,，（,C,=C,A,+C,B,）,*,该式同样适用于液相。,4,、分子扩散系数,D,，,m,2,/s,物性参数之一，表示物质在介质中的扩散能力。,影响因素：,物质的种类,温度,T,，,D,浓度,C,，,D,（,组分在气体中扩散，浓度的影响可忽略）,压力,P,，,D,（,组分在液体中扩散，压力的影响可忽略）,确定方法：,实验测定（查手册）或根据实验方程式计算。,根据实验方程式估算,D,，,使用方便，但误差较大。,通常，,气体的扩散系数,0.1 1.0 cm,2,/s,液体的扩散系数,110,-5,510,-5,cm,2,/s,由于气体的扩散系数大于液体的扩散系数，因此一般气体中的扩散速率比液体中的扩散速率高（约,100,倍）。,二 涡流扩散与对流传质,1,、涡流扩散,湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，称为涡流扩散。,表示方法，借助于费克定律形式,dC,A,J,A,=-,D,q,dZ,D,q,为涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况有关。,2,、对流扩散速率,即有分子扩散又有涡流扩散,dC,A,J,A,=-,（,D,q,+D,）,dZ,层流区,D,q,=0,；,湍流区分子扩散可忽略；过渡区两者均不可忽略,3,、对流传质理论,为进一步解决对实际传质过程速率的描述，提出,以下模型基本思想,（,1,）单相内的对流传质的有效膜模型,（湿壁塔）,1,）模型要点,:*,相界面处存在一层虚拟的停滞膜,;*,膜外为流体流动的湍流区,*,停滞膜非常薄,膜内无物质累积,为稳态分子扩散,.*,对流传质阻力全部集中于停滞膜内,c,i,气相主体,c,相界面,123,1-,湍流,2-,层流,3-,静止,2,）传质速率方程,按上述有效膜模型，在,气相中,的传质过程速率可表示为,D P,N,A,=,（,P,A,-P,A i,）,RT Z,G,P,B m,写成,N,A,=k,G,（,P,A,-P,i,）,或,N,A,=k,y,（,y,A,-y,i,）,式中,k,G,以分压差表示推动力的气膜传质系数，,kmol,/,（,m,2,s k Pa,）。,k,y,以摩尔分数差表示推动力的气膜传质系数，,kmol,/,（,m,2,s,）。,P,A,、,P,i,气相主体和界面处,A,组分的分压，,kPa,；,y,A,、,y,i,气相主体和界面处,A,组分的摩尔分数。,同理可得：,在,液相中,的传质过程度速率可表示为,D C,N,A,=,（,C,A i,-C,A,）,Z,L,C,B m,写成,N,A,=k,L,（,C,i,-C,A,）,或,N,A,=k,x,（,x,i,-x,A,）,k,L,以摩尔浓度差表示推动力的液膜传质系数，,m/s,；,k,x,以摩尔分数差表示推动力的液膜传质系数，,kmol,/,（,m,2,s,）。；,C,A,、,C,i,液相主体和界面处,A,组分的浓度，,kmol/m,3,；,x,i,、,x,A,液相主体和界面处,A,组分的摩尔分数。,3,）,k,G,与,k,y,、,k,x,与,k,L,关系：,k,y,=P k,G,k,x,=C k,L,k,G,、,k,y,、,k,x,、,k,L,相当于对流传热的传热膜系数,，,影响因素较多，通常用经验关联式确定，或根据经验取值,（,2,）,溶质渗透模型,模型要点：,考虑溶质在膜内积累形成浓度梯度的过渡过程,相界面上，液、气组成达到平衡,即使传质推动力为零。,溶质向界面液膜纵深,y,向渗透，膜内渗透过程为非稳态分子,扩散过程。,液膜之外为稳态扩散,（,3,）表面更新模型,模型要点：,液体表面始终处于不断为液体微团更新过程之中。,溶质组分以非稳态分子扩散方式传递到液体微团中。,相界面上各液体微团暴露于气相的时间不同，符合随机的,“,寿,命,”,分布规律,（,界面上气液成平衡状态）,三、,两相间传质,（一）吸收过程的双膜模型,相,界面,p,i,c,i,p,c,气相主体,液相,主体,气,膜 液膜,双膜理论三个基本点,：,存在稳定相界面，相界面上气液相平衡；,界面两侧分别为有效膜，,膜内的传质以分子扩散方式进行,；,传质阻力全部集中在虚拟膜内，膜外的主体中高度湍流传,质阻力为零,。,双膜理论的局限性：,对于湿壁塔、低气速填料塔等具有固定传质界面的吸收设,备有意义；,对具有自由相界面的气液吸收系统，当气流速度较高时，,相接触面就,不再是稳定的状态，这种情况下,双膜理论与实,验结果不符合,（二）总传质速率方程,吸收速率,N,：,单位相际传质面积上单位时间内吸收的溶质量，,kmol/m,2,s,。,对于,定态吸收,操作过程，吸收塔任一部位上，相界面两侧的气、,液膜层中的传质速率应是相等的。因此，其中任何一侧有效膜中的,传质速率都能代表该部位上的吸收速率。,气膜吸收传质速率,N,A,=,k,G,（,P,A,-P,i,）,液膜吸收传质速率,N,A,=,k,L,（,C,i,-C,A,）,=,k,L,（,P,i,-P,A,*,）,/H,（,下标,i,为相界面处的气相分压，上标*为与液相平衡的平衡分压）,根据加比定律得：,（,P,A,-P,i,）,+,（,P,i,-P,A,*,）,N,A,=,1/k,G,+H/k,L,写成,N,A,=K,G,（,P,A,-P,A,*,）,1,其中,K,G,=,1/k,G,+H/k,L,上式为以分压差表示推动力的气相总传质速率方程。,式中：（,P,-P,*,）,以分压差表示的吸收过程总推动力；,K,G,以分压差表示推动力的气相总传质系数；,1/K,G,为吸收过程总阻力；,1/,k,G,为气膜阻力；,H/,k,L,为液膜阻力。,同理可得：,N,A,=K,L,（,C,A,*,-C,A,）,1,K,L,=,1/H k,G,+1/k,L,K,L,以浓度差表示推动力的液相总传质系数。,上式为以浓度差表示推动力的,液相总传质速率方程。,总传质速率方程的各种不同形式：,N,A,=K,G,（,P,A,-P,A,*,）,=K,L,（,C,A,*,-C,A,）,=k,G,（,P,A,-P,i,）,=k,L,（,C,i,-C,A,）,N,A,=K,y,（,y,A,y,A,*,）,=K,x,（,x,A,*,-x,A,）,=k,y,（,y,A,-y,i,）,=k,x,（,x,i,x,A,）,N,A,=K,Y,（,Y,A,-Y,A,*,）,=K,X,（,X,A,*,-X,A,）,=k,Y,（,Y,A,-Y,i,）,=k,X,（,X,i,-X,A,）,（,注意传质系数的单位，都等于：,kmol/m,2,s,传质推动力）,(,三）传质系数之间的关系,K,G,H=K,L,k,y,=P k,G,k,x,=C k,L,K,y,=P K,G,K,x,=C K,L,低浓度时,K,Y,K,y,P K,G,K,X,K,x,C K,L,（四）界面浓度与传质阻力的控制步骤,1,、总传质阻力与液膜阻力和气膜阻力关系,总传质阻力,=,液膜阻力,+,气膜阻力,即,1 1 H 1 1 1,=+,或,=+,K,G,k,G,k,L,K,L,H k,G,k,L,1 1,K,G,=K,L,=,1/k,G,+H/k,L,1/H k,G,+1/k,L,1 1,或,K,Y,=K,X,=,1/k,Y,+m/k,X,1/m k,Y,+1/k,X,2,、液膜阻力控制与气膜阻力控制,（溶解度与传质系数的关系）,当,气体溶解度很大时，,H,很小,1,K,G,=,1/k,G,+H/k,L,此时,K,G,k,G,，,C,i,C,A,，,称为,气相阻力控制过程,。,（即,m,很小，,K,Y,k,Y,，,X,i,X,A,）,此时传质阻力主要集中于气膜中，要强化吸收过程，,关键要提高,k,G,或,k,y,值。,当,气体溶解度很小时，,H,很大,1,K,L,=,1/H k,G,+1/k,L,此时,K,L,k,L,，,P,i,P,A,，,称为,液相阻力控制过程,。,（即,m,很大，,K,X,k,X,，,Y,i,Y,A,）,此时传质阻力主要集中于液膜中，要强化吸收过程，关键要提高,k,L,或,k,x,值。,当体溶解度中等时,总传质阻力中气膜阻力与液膜阻力均不能忽略。,此时要强化吸收过程，必须同时提高,k,G,与,k,L,值,（或,k,y,与,k,x,值）。,3,、界面浓度的确定,已知,k,L,、,k,G,时，过操作点（,P,A,、,C,A,）,作斜率为,（,-k,L,/k,G,）,的直线，与平衡线交点的坐标（,P,i,、,C,i,）,即为所求气液相界面的浓度。,或已知,k,x,、,k,y,时,，过操作点（,y,A,、,x,A,）,作斜率为,（,-k,x,/k,y,）,的直线，与平衡线 交点的坐标（,y,i,、,x,i,）,即为所求气液相界面的浓度。,p,（-k,L,/k,G,）,P,i,C,i,c,A,平衡曲线,气膜控制 液膜控制,y,yi,x xi x xi,y,yi,平衡曲线,54,吸收塔（填料塔）计算,概述,1,、解决吸收过程问题都可联立以下三式求解,全塔物料衡算式,G,（,y,1,y,2,）,=L,（,x,1,-x,2,）,相平衡方程式,y*,=m x,吸收过程基本方程式,N,A,=,传质推动力,/,传质阻力,2,、吸收塔内气液相对流动方向,并流：,逆流：,推动力大,吸收率高（有利于降低出塔气体的浓度）,吸收剂用量少（有利于提高出塔吸收液的浓度）,但处理量受限制,-,液体用量的计算,-,填料高度的计算,吸收过程的数学描述,计算前提：,低浓度、等温、逆流、连续定态,即,L,、,G,、,K,可认为常数。,低浓度的吸收，通常是指混合气中溶质组成,y1,空塔,液泛区：,B,点以上部分，,P,迅速上升，液体受阻塞而,积聚在填料上，最后液体变为连续相，,气体,以气泡形式穿过液层，塔内液体返混和气体,的液沫夹带严重，传质效果极差,A,点称为,载点,，,B,点称为,液泛点,。,填料塔不能在液泛下操作。,2,、压强降与液泛点气速的计算,通用关联图,（,P142,）,：,液泛气速的求取,P,的求取（,P,范围，常压塔,150500 Pa/m,，,真空塔,80 Pa/m,。）,3,、,影响液泛点气速的因素,填料的特性：,填料的类型、材质、比表面积、空隙率等,流体的物性：,气,、,液,、,液,液气比：,L,湿润,min,(m,3,/h.m,2,),三、塔径,D,T,的确定,4Vs,D,T,=,u,式中,D,T,塔径；,Vs,操作条件下混合气体的体积流量；,u,空塔气速。,当,Vs,一定时，,D,T,与空塔气流速度,u,有关。计算塔径的关键在于确定适宜的空塔气速。空塔气流速度,u,与塔内流体的流体力学性质有关。一般以塔底的气量为依据。,通常：,u D,T,设备费,P,（,操作费）,液体下行受阻,P,产生液泛,u D,T,设备费,填料表面湿润性能,当,L L,湿润,min,时影响传质,通常,u=,（,0.50.85,）,u,f,式中,u,f,为液泛速度，,m/s,。,（,可由通用关联图,526,求得）,*,由以上分析可知，确定塔径,D,T,时要求做到：,不能发生液泛现象,P,应在适当的范围内,，常压塔（,150500 Pa/m,）,真空塔（,L,湿润,min,单位：,m,3,/,（,m,2,s,）,L,湿润,min,由式（,571,）计算,核算,D,T,/d,值,，使,D,T,/d 10,D,T,/d,值小时会出现壁流现象，即液体下流时出现趋向壁面的现象。,填料塔与板式塔的比较,对于许多逆流气液接触过程，填料塔和板式塔都是可以适用的，设计者必须根据具体情况进行选用。填料塔和板式塔有许多不同点，了解这些不同点对于合理选用塔设备是有帮助的。,填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷变化更为敏感。当液体负荷较小时，填料表面不 能很好地润湿，传质就效果急剧下降；当液体负荷过大时，则容易产生液泛。设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围。,填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料，而某些类型的板式塔（如大孔径筛板、泡罩塔等）则可以有效地处理这种物质。另外，板式塔的清洗亦比填料塔方便。,当气液接触过程中需要冷却以移除反应热或溶解热时，填料塔因涉及液体均不问题而使结构复杂化。板式塔可方便地在塔板上安装冷却盘管。同理，当有侧线出料时，填料塔也不如板式塔方便。,以前乱堆填料塔直径很少大于,0.5m,，后来又认为不宜超过,1.5m,，根据近,10,年来填料塔的发展状况，这一限制似乎不再成立。板式塔直径一般不小于,0.6m,。,关于板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，因此板式塔的设计比较准确，安全系数可取得更小。,当塔径不很大时，填料塔因结构简单而造价便宜,对于易起泡物系，填料塔更适合，因填料对泡沫有限制和破碎的作用。,对于腐蚀性物系，填料塔更适合，因可采用瓷质填料。,对热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔内的滞液量比板式塔少，物料在塔内的停留时间短。,塔的压降比板式塔小，因而对真空操作更为适宜。,