化工原理(王志魁版）---第五章吸收.ppt

第五章 吸收,ABSORPTION,第一节 概述,吸收定义 利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸收操作。 溶质A 惰性组分B 溶剂S 吸收溶液 吸收尾气 吸收操作示意图,吸收在工业上的用途,分离混合气体以回收所需的组分,除去有害组分以净化气体,制备某种气体的溶液,工业废气的治理,第一节 概述,吸收的分类 按有无化学反应 物理吸收 化学吸收 按溶质气体的数目 分单组分吸收 多组分吸收 按有无明显热效应， 等温吸收 非等温吸收,第一节 概述,吸收剂的选择 溶解度 选择性 挥发度 粘性 其它 无毒性 无腐蚀性 不易燃 不发泡 冰点低 价廉易得 具有化学稳定性,第二节 气液相平衡关系,一 平衡溶解度,相平衡 平衡分压（饱和分压） 平衡浓度（饱和浓度） 气体的溶解度：指气体在液相中的饱和浓度，用单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示 温度 该溶质在气相中的浓度（分压） 物系的特性,在相同温度和分压下，不同物质的溶 解度有很大差异,欲得到一定浓度的溶液，易溶气体所需 分压较低，而对难溶气体所需分压较高,对同一种溶质，溶解度随T而，随 分压而,T 、分压有利于吸收，而T 而分 压，有利于脱吸,二 亨利定律,亨利定律: 当总压不高(不超过5xl05Pa)时，在恒定的温度下，稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的浓度之间存在如下的关系 p-x关系,PA*：溶质在气相中的平衡分压，kPa,x ：溶质在液相中的摩尔分率,E：亨利系数，其单位与压强单位一致,与物系的特性、T、溶质的分压有关,亨利系数,当溶质分压不超过1x105Pa，恒定温度下E值可视为常数,T，E ,在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，而易溶气体的E值很小,对理想溶液，亨利定律与拉乌尔定律一致，E=P,二 亨利定律,PA-cA关系,cA：单位体积溶液中溶质的摩尔数，Kmol/m3,PA*：气相中溶质的平衡分压，kPa,H：溶解度系数，kmol(kNm),溶解度系数H与亨利系数E的关系,若溶液的浓度为ckmo1(A)m3，密度为kgm3，,则1 m3溶液中所含的溶质A为c kmol，溶剂S为（ -cMA）/MS kmol,T ，H ,在同一溶剂中，易溶气体 的H值很大，而难溶气体 的H值很小,二 亨利定律,xy关系,x：液相中溶质的摩尔分率,y*：与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率,m：相平衡常数，或分配系数，无因次,若系统总压为P：,m与物系的特性、T、P有关,m值越大，则表明该气体的溶解度愈小,T ，P ，m ，不利于吸收,二 亨利定律,X-Y关系,在YX坐标系中的图形总是曲线,当溶液浓度很低时，,二 亨利定律,总结亨利定律的形式,三 气液相平衡在吸收中的应用,判断溶质传质的方向 气液相平衡关系为 y*=mx 或x*=y/m y y*或xx*进行吸收 反之，解吸（或脱吸） 确定传质的推动力,以气相组成差表示的推动力为y= y -y*,以液相组成差表示的推动力为x = x* - x,以气相分压差表示的推动力为p = p -p*,以液相组成表示的推动力为cA = c*A - cA,三 气液相平衡在吸收中的应用,y2miny*2=m x2,x1maxx*1=y1/m,指明传质过程进行的极限,第三节吸收过程的传质速率,一 分子扩散与费克定律,扩散通量,JA：物质A在z方向上的分子扩散通量，kmo1/（m2s）,dcA/dz：物质A的浓度梯度，kmol m4,DAB：物质A在介质B中的分子扩散系数， m2/s,费克(Fick)定律,对于理想气体混合物：,菲克定律另一表达式：,二 等摩尔逆向扩散,pA1pA2,pB1pB2,稳态扩散,稳态过程中，连通管内各截面总压P保持不变,P=PA+PB=常数,JA=-JB,DAB=DBA,三 组分A通过静止组分B的扩散,JA= -JB,以N为总体流动的通量,=0 （2）,通过2截面的A的通量：,通过2截面的B的通量：,通过2截面的A+B的总通量：,在稳定情况下，总体流动通量等于A的传质通量,由（2）得：,带入（1）式得：,三 组分A通过静止组分B的扩散,积分限：z=z1时pA=pA1， z=z2时pA=pA2,另pBm为初、终截面处PB的对数平均值：,另z=z2-z1,由于P=pA1+pB1= pA2+pB2,所以pB2 -pB1=pA1-pA2,带入（3）式得：,三 组分A通过静止组分B的扩散,漂流因数,讨论：,当混合气中A的分压越高，漂流因数就越大,当混合气中A的分压越低，漂流因数就越接近1，总体流动的 因素可以忽略，单向扩散和等摩尔扩散就无差别了,四 液相中的稳定分子扩散,液相中的稳定分子扩散属于组分A通过静止组分S的扩散,NA溶质A在液相中的传质速率，kmol/（m2s）,D溶质A在溶剂S中的扩散系数，m2/s,c溶液的总浓度，c=cA+cS， kmol/m3,z1、2截面间的距离，m,cA1 、cA21、2截面上溶质浓度，kmol/m3,cSm1、2截面上溶剂S浓度的对数平均值，kmol/m3,五 单相内的对流传质,对流传质：发生在运动着的流体与相界面间的传质过程 是湍流主体与相界面间的涡流扩散与分子扩散两种作用的总和 吸收操作过程 溶质由气相主体向气、液界面的传递 由气、液界面向液相主体传递,有效层流膜,五单相内的对流传质,（一）单相内对流传质的有效膜模型,zG ：分子扩散,(二）气相传质速率式,NA溶质A的对流传质速率，kmol/（m2s）,PAG气相主体中A的分压，kPa,zG气相有效层流膜层厚度，m,PBmB在气相主体与相界面处的分压的对数平均值，kPa,PAi相界面处A的分压，kPa,kG气膜吸收系数，kmol/（m2skPa）,五单相内的对流传质,由液相主体至相界面的对流传质速率关系式为：,zL液相有效层流膜层厚度，m,cA主体中溶质A浓度，kmol/m3,cSm溶剂S在液相主体与相界面处的浓度的对数平均值， kmol/m3,cAi相截面处溶质A浓度，kmol/m3,五单相内的对流传质,（三）液相传质速率方程式,写成推动力/阻力的形式：,kL液膜吸收系数，m/s,六 两相间传质的双膜理论,（一）双膜理论,基本假设：,图5-12 双膜理论示意图,（1）相互接触的气液两相存在一个稳定的相 界面，界面两侧分别存在着稳定的气膜 和液膜。溶质A以分子扩散方式通过气膜 和液膜，由气相主体传递到液相主体。,（2）相界面处，气液两相达到相平衡。,（3）在气膜和液膜以外的气液主体中，由于流体的充分湍动，溶质A 的浓度均匀。,（双阻力理论）,六 两相间传质的双膜理论,（二）气相与液相的传质速率方程式 1、气传质速率方程,2、液相传质速率方程,五 两相间传质的双膜理论,（三）界面组成,由此可见，pAi-cAi关系为一条通过定点A（ cA ,pA）斜率为-kl/kG的直线,七 总传质速率方程,（一）总传质速率方程 1、 以（YA -YA*）为推动力的总传质速率方程,其中KY气相总吸收系数， kmol/（m2s）,相间传质总阻力=气膜阻力+液膜阻力,七 总传质速率方程,2、 以（X* -X）为总推动力的总传质速率方程,其中KX液相总吸收系数， kmol/（m2s）,相间传质总阻力=气膜阻力+液膜阻力,七 总传质速率方程,七 总传质速率方程,3、以pA-pA*表示总推动力的吸收速率方程式 若吸收系统服从亨利定律,根据双膜理论，界面上气液两相成平衡,将上两式代入液相吸收速率方程式,得：,或,两式相加得,气相总传质速率方程式,其中KG气相总吸收系数， kmol/（m2skPa）,七 总传质速率方程,4、以液相浓度差cA * -cA表示总推动力的吸收速率方程式 若吸收系统服从亨利定律,液相总吸收速率方程式,其中KL液相总吸收系数， m/s,七 总传质速率方程,（二）气膜控制与液膜控制 （1）当溶质的溶解度很大时，m很小,气膜控制,（2）当溶质的溶解度很小时，m很大,液膜控制,（3）对于中等溶解度的溶质,八传质速率方程式的各种表示形式,传质系数之间的关系 （1）气相传质速率方程,当气相总压不高时，根据分压定律有：,PA=PyA 及PAi=PyAi,ky=PkG,（2）液相传质速率方程,八传质速率方程式的各种表示形式,（3）以YA * -YA表示总推动力的传质速率方程式,PA=PyA,当气相总压不高时，根据分压定律有：,式中YA*为与XA成平衡的气相组成,气相总吸收速率方程式,其中KY气相总吸收系数， kmol/（m2s）,当吸收质在气相中的组成很小时，Y和Y*都很小,八传质速率方程式的各种表示形式,（4）以XA * -XA表示总推动力的传质速率方程式,令液相组成为XA，与气相组成YA成平衡的液相组成为与XA *,液相总吸收速率方程式,其中KX液相总吸收系数， kmol/（m2s）,当吸收质在液相中的组成很小时，X*和X都很小,24吸收塔的计算,塔设备一般分为 逐级接触式 连续接触式 吸收塔的设计型计算包括 吸收剂用量 吸收液浓度 塔高和塔径等计算。 吸收塔计算的依据：,一 物料衡算和操作线方程,1物料衡算 稳态逆流的吸收塔；塔底截面以“1”下标，塔顶截面以“2”截面 G单位时间通过任一塔截面惰性气体B的量，kmol/s； L单位时间通过任一塔截面的纯吸收剂S的量，kmol/s； Y1,Y2分别为进出塔气体中溶质组分的摩尔比，A/B X1,X2分别为进出塔液体中溶质组分的摩尔比，A/S 对单位时间内进出塔的A作物料衡算得： GY1+LX2=GY2+LX1 已知：进塔混合气的组成Y1与流量G ，吸收剂的组成X2与流量L，溶质A的吸收率,Y2=Y1（1）,可求：X1,一 物料衡算和操作线方程,2、吸收塔的吸收操作线方程与操作线 对吸收塔内任取m-n截面与塔底间对A进行物料衡算： GY+LX1=GY1+LX,对m-n截面与塔顶间对A进行物料衡算：,逆流吸收操作线方程式,逆流吸收时，操作线在XY直角坐标图上为 一直线，通过塔顶T（X2，Y2）及塔底 B（X1， Y1）其斜率为L/G，称为吸收操作的 液气比,1：浓端，2：稀端,吸收时，Y Y*或X* X，故吸收操作线在平 衡线的上方，操作线离平衡线愈远吸收的推 动力愈大,操作线：,解吸操作时，YY*或X*X，故解吸操作线在 平衡线的下方,二 吸收剂用量与最小液-气比,吸收塔的设计计算：G（Y1Y2）=L（X1X2）,X1=X*1,1、最小液气比（L/G）min,最小吸收剂用量Lmin,L=（1.12.0） Lmin,2、适宜液气比,3、最小液气比（L/G）min的计算：,（1）图解法,（2）解析法：若平衡关系符合亨利定律,二 吸收剂用量与最小液-气比,另外,操作线与平衡线相切时 D （X1，Y1）,最小液气比：,三 塔径的计算,qV：操作条件下混合气体的体积流量，m3/s,D：塔径，m,u：空塔气速：m/s,三 填料层高度的计算,1填料层高度的基本计算式 传质速率 物料衡算 相平衡关系,对dZ微元填料作A衡算，单位时间内由气相转移到液相的A的量为：,微元填料内，因气、液组成变化很小，可认为吸收速率NA为定值，则：,dA微元填料层内的传质面积，m2,单位体积填料层所提供的有效接触面积，m2/m3,塔截面积，m2,微元填料层内溶质的吸收速率方程为：,三 填料层高度的计算,低组成气体吸收时的填料层高度计算基本公式,KY为气相总体积传质系数， 单位为kmol/（m3s）,KX为液相总体积传质系数， 单位为kmol/（m3s）,三 填料层高度的计算,2、传质单元高度与传质单元数,由过程条件所决定的某种单元高度,气相总传质单元高度,代表所需填料层高度Z相当于气相总传质单元高度 HOG的倍数,气相总传质单元数,（1）气相总传质单元高度定义,（2）气相总传质单元数定义,（3）填料层高度计算通式,Z=传质单元高度传质单元数,三 填料层高度的计算,液相总传质单元高度,液相总传质单元数,传质单元高度和传质单元数的另一种表示方法为：,HG 、HL分别为气、液相传质单元高度，m,NG 、NL分别为气、液相传质单元数，量纲为1,（4）传质单元的意义,假设某吸收过程所需的填料层高度恰等于一个气相总传质单元高度,三 填料层高度的计算,当气体流经一段填料前后的组成变化（Ya Yb）等于该段填料平均 吸收推动力（YY*）m时，则该段填料为一个传质单元,反映吸收过程的难度,（5）传质单元数的意义,三 填料层高度的计算,（6）传质单元高度的意义,传质单元高度的数值反映了吸收设备传质效能的高低,与物系性质、操作条件、及传质设备结构参数有关,三 填料层高度的计算,3、传质单元数的计算 （1）吸收因数式 以气相总传质单元数为例 若气液平衡关系服从亨利定律,代入上式得：,积分并化简得：,三 填料层高度的计算,讨论：,值的大小反映了溶质A吸收率 的高低,（1）,（2）参数S反映了吸收过程推动力的大小,（3）吸收操作时，S1,S取0.70.8是经济合适的,三 填料层高度的计算,液相总传质单元数,三 填料层高度的计算,(2)对数平均推动力法 当气液平衡关系服从亨利定律时,Y=Y-Y*与Y成直线关系,三 填料层高度的计算,同理，可得液相总传质单元数NOL,三填料层高度的计算,2）图解积分法,第五节 填 料 塔,一 填料塔的结构及填料性能,（一）填料塔的结构 填料塔为连续接触式的气液传质设备 支承板 填料 液体分布器 当塔很高时，液体再分布器 与板式塔相比，填料塔的特点 结构简单 生产能力大 分离效率高 持液量小 操作弹性大 压降低 可处理腐蚀性的物料,一 填料塔的结构及填料性能,（二）填料性能 1、比表面积a ：单位体积填料层的填料表面积，单位m2/m3 2、空隙率：单位体积填料层的空隙体积，以表示，其单位m3/m3 3、堆积密度：单位体积填料层的质量，kg/m3。 4、干填料因子：将a与组合成a 3的形式称为干填料因子，单位，1/m，表示填料的流体力学性能 5、湿填料因子 ：将与组合成 3的形式称为湿填料因子，代表实际操作时填料的流体力学性能，小，表明流体阻力小，液泛速度可提高,一 填料塔的结构及填料性能,（三）填料类型,实体填料,网体填料,乱堆填料,整砌填料,金属填料,陶瓷填料,塑料填料,一 填料塔的结构及填料性能,（三）填料类型 1）散装填料 （1）拉西环（Raschig ring）：最早使用的一种填料，为高径比相等的陶瓷和金属等制成的空心圆环。,优点：易于制造，价格低廉,缺点：高径比大，堆积时填料间易形成线 接触，故液体常存在严重的沟流和 壁流现象。且拉西环填料的内表面 润湿率较低，因而传质速率也不高。,一 填料塔的结构及填料性能,（三）填料类型 （2）鲍尔环（Pall ring）填料,在拉西环的侧壁上开一排或两排长方形小孔，小孔的母材并不 脱离侧壁而是形成向内弯的叶片，上下两层长方形小孔位置交错。,同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔 环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环的内壁面得以充分利用,一 填料塔的结构及填料性能,（三）填料类型 （3）阶梯环填料（Stair ring）,阶梯环填料的结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔 ，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一 半，环的一端成喇叭口形状的翻边。,阶梯环比鲍尔环的高度减少一半，使得绕填料外壁流过的气体 平均路径缩短，减少了填料层的阻力。,填料一端的喇叭口形状，不仅增加了填料的力学强度，而且使 填料呈多点接触,气体通量大、流动阻力小、传质效率高,一 填料塔的结构及填料性能,（三）填料类型 （4）弧鞍形(Berl saddle)矩鞍形(Intalox saddle)填料,弧鞍形为敞开型填料，两面对称结构，相邻填料容易重叠，,矩鞍形为敞开型填料，两面结构不对称，堆积时不重叠，,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，气体流 动阻力小，制造方便,一 填料塔的结构及填料性能,三、填料类型 （5）金属鞍环,结合了环形填料通量大与鞍形填料的液体再分布性能好的优点 生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹 性大,（6