化工原理 第八章 气体吸收 讲义.pdf

本文由安凡樱贡献 p p t 文档可能在WAP端浏览体验不佳 建议您优先选择TXT 或下载源文件到本机 查看 第八章 气体吸收 Ga s Ab s o r p t i o n 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 1 概述 In t r o d u c t i o n 概述 利用混合气体中各组分 c o m p o n e n t 在某液体溶剂中的溶解度 在某液体溶剂中的 溶解度 利用混合气体中各组分 在某液体溶剂中的 s o l u b i l i t y 的差异而分离气体混 合物的单元操作称为吸收 吸 的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收 的差 异而分离气体混合物的单元操作称为吸收 收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液 s o l u t i o n 不溶或 收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液 难溶组分仍留在气 相 g a s p h a s e 从而实现混合气体的分离 难溶组分仍留在气相 从而实现混合气 体的分离 吸收剂 相界面 x i 界面 x y i 气相扩散 液相扩散 气体吸收是混合气 气体吸收是混合气 体中某些组分在气液 相界面上溶解 相 界面上溶解 在气 相和液相内由浓度差 相和液相内由浓度差 推动的传质过程 推 动的传质过程 气相主体 y 液相主体 气体 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 概述 概述 In t r o d u c t i o n 吸收质或溶质 s o l u t e 混合气体 吸收质或溶质 中的溶解组分 以A表示 惰性气体 i n e r t g a s 或载体 或载体 不溶 惰性气体 或载体 或难溶组分 以B表示 吸收剂 a b s o r b e n t 吸收操作中 吸收剂 所用的溶剂 以S表示 S 吸收液 s t r o n g l i q u o r 吸收操作 吸收液 后得到的溶液 主要成分为溶剂S 和溶质A 吸收尾 气 d i l u t e g a s 吸收后排 吸收尾气 出的气体 主要成分为惰性气体B 和少量的溶 质A 吸收过程在吸收塔 吸收塔中进行 逆流 吸收塔 操作吸收塔示意图如右所示 吸收剂 S 吸收剂 混合尾气 A B 吸 收 塔 吸收尾气 A B 吸收液 A S 吸收液 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 吸收操作的用途 一 吸收操作的用途 1 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品 用吸收剂吸收气体中 某些组分而获得产品 如硫酸吸收SO 制浓硫酸 水吸收甲醛制福尔马林液 如硫酸 吸收 3制浓硫酸 水吸收甲醛制福尔马林液 用 水吸收氯化氢制盐酸等 2 分离 混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分 以达到分离目的 例如石油馏分裂解 生产出来的乙烯 以达到分离目的 例如石油馏分裂解生产出来的乙烯 丙烯 还 与氢 甲烷等混在一起 丙烯 还与氢 甲烷等混在一起 可用分子量较大的液 态 烃把乙烯 丙烯吸收 使与甲烷 态烃把乙烯 丙烯吸收 使与甲烷 氢分离开来 3 气体净化 一类是原料气的净化 即除去混合气体中 一类是原料气的净化 的杂质 如合成氨原料气脱H 的杂质 如合成氨原料气脱 2S 脱CO2等 另一类是 尾 气处理和废气净化以保护环境 如燃煤锅炉烟气 气处理和废气净化以保护环境 如燃煤锅炉烟气 冶炼 废气等脱除SO 硝酸尾气脱除NO2等 废气等脱除 2 硝酸 尾气脱除 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 二 吸收操作分类 溶质 A 气相 惰性气体 B 溶质 A 液相 吸收剂 S 1 根据溶质与溶剂是否反应 物理吸收和化学吸收 根据溶质与溶剂是否反应 p a g e 1 2 根据热效应 非等温吸收和等温吸收 根据热效应 3 根据被吸收溶质的数目 单组分吸收和多组分吸收 根据被吸收溶质的数目 4 根据操作压力 常压吸收和加 压吸收 根据操作压力 5 根据溶质的浓度不同 低浓度吸收和高浓度吸收 根据溶 质的浓度不同 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 物理吸收 p h y s i c a l a b s o r p t i o n 吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化 物理吸 收 学反应 可视为单纯的气体溶解于液相的过程 如用水吸收二氧化碳 用水吸收 乙醇或丙醇蒸汽 用洗油吸收芳烃等 化学吸收 c h e m i c a l a b s o r p t i o n 溶质与溶 剂有显著的化学反应发生 化学吸收 如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳 用 稀硫酸吸收氨等过程 化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸 收速率 但溶液解吸再生较难 单组分吸收 混合气体中只有单一组分被液相吸收 其余组分因溶解 单组分吸收 度甚小其吸收量可忽略不计 多组分吸收 有两个或 两个以上组分被吸收 多组分吸收 非等温吸收 体系温度发生明显变化的吸收过程 非等温吸收 等温吸收 体系温度变化不显著的吸收过程 等温吸收 低浓度吸收 溶质在气液两相中的摩尔分数不超过0 1 低浓度吸收 本章主要研究 常压 等温 单组分 本章主要研究 常压 等温 单组分 低浓度物理吸收 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 三 吸收的流程 脱苯煤气 贫油 冷却 冷凝器 冷却 冷凝器 粗苯 水 吸 收 塔 焦炉煤气 水 冷 却 器 换 热 器 解 吸 塔 直接蒸汽 富油 吸收液贮槽 脱吸液贮槽 从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 从合成氨原料气中回收CO2的流程 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 工业吸收过程 必须解决问题 必须解决问题 1 选择合适的吸 收剂 溶剂 收剂 溶剂 2 提供合适的气 液传质设备 液传质设备 3 吸收剂的再生 循 环使用 循环使用 吸收塔 解吸塔 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 四 溶剂选择 T p 有利于吸收 T p 有利于解吸 有利于吸收 吸收剂应具有的特点 吸收剂应具有的特点 溶解度 溶解度 大 敏感性 敏感性 好 选择性 选择性 好 蒸汽压 不易挥发 减少溶剂损失 避免在气体 中引入新的杂质 蒸汽压 低 不易挥发 减少溶剂损失 避免在气体中引入新的杂 质 利于传质及输送 粘 度 低 利于传质及输送 再生时耗热量小 比 热 小 再生时耗热量小 发泡性 以免过分限制气速而增大塔的体积 发泡性 低 以免过分限制气速而增大塔的体积 腐蚀性 减少设备费和维修费 腐蚀性 低 减少设备费和维修费 安全性 避免易燃易爆 安全性 好 避免易燃易爆 经 济性 经济性 易得到易再生 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 2 吸收过程的相平衡关系 气体吸收是一种典型的相际间的传质过 程 气液相平衡关系是研究气体吸收过 程的 基础 该关系通常用气体在液体中的溶解度 基础 该关系通常用气体在液体中 的溶解度 及亨利定律表示 亨利定律表示 表示 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g p a g e 2 8 2 1 气体在液体中的溶解度 如果把氨气和水共同封存在容器中 如果把氨气和水共同封存在容器中 令 体 系的压力和温度维持一定 体系的压力和温度维持一定 由于氨易溶于 氨的分子便 穿越两相界面进入水中 水 氨的分子便穿越两相界面进入水中 但 进到水中的氨 分子也会有一部分返回气相 进到水中的氨分子也会有一部分返回气相 只不过刚 开始的时候进多出少 只不过刚开始的时候进多出少 水中溶解的 氨量越多 浓度 越大 氨量越多 浓度越大 氨分子从溶液逸出的 速率也就越大 直到最后 速率 也就越大 直到最后 氨分子从气相进 入液相的速率便等于它从液相返回气相的速 氨实际上便不再溶解进水里 率 氨实际上便不再溶解进水里 溶液的浓 气体溶解 示意图 相际动平衡 度也就不再变化 这种状态称为相际动平衡 度也就不再变化 这种状态称为相际动平衡 简称相平衡或平衡 简称相平衡或平衡 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 气体的溶解度 在温度和压力一定的条件下 平衡时的气 在温度和压力一定的条件下 平衡 时的气 液相组成具有一一 气体的溶解度 对应关系 对应关系 平衡状态下气相 中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压 平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压 或饱和分压 与之 对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度 溶解度 对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度 这时 溶液已经饱和 即达 到了它在一定条件下的溶解度 溶液已经饱和 即达到了它在一定条件下的溶解度 也就是指 气体在液相中的饱和浓度 习惯上以单位质量 或体积 气体在液相中的 饱和浓度 习惯上以单位质量 或体积 的液 体中所含溶质的质量来表示 体中所 含溶质的质量来表示 也表明一定条件下吸收过程可能 达到的极限程度 达到的极 限程度 在一定温度下达到平衡时 在一定温度下达到平衡时 溶液的浓度随气体 压力的增加而增 如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度 加 如果要使 一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度 必须 在溶液上方维持较高的平衡压力 在溶液上方维持较高的平衡压力 气体的溶解度与温度有关 一般来说 气体的溶 解度与温度有关 一般来说 温度下降则气体的溶解 度增高 度增高 1 对同一溶质 在相同的气相分压下 溶解度随温度升高而减小 对同一溶质 在相同的气相分压下 溶解度随温度升高而减小 2 对同一溶质 在相同的温度下 溶解度随气相分压的升高而增大 对同一溶质 在相同的温度下 溶解度随气相分 压的升高而增大 对同一溶质 加压和降温有利于吸收操作 反之 减压和升温有利 于解吸操作 加压和降温有利于吸收操作 反之 减压和升温有利于解吸操作 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 溶解度曲线 在一定温度 压力下 溶解度曲线 在一定温度 压力下 平衡时 溶质在气相和液 在一定温度 相中的浓度的关系曲线 相中的浓度的关系曲线 1000 溶解度 g NH3 1000g H2O g NH 0 o C 10 o C 250 溶解度 g SO2 1000g H2O g SO 200 150 100 50 0 20 40 60 80 0 o C 10 o C 20 o C 30 o C 40 o C 50 o C 500 20 o C 30 o C 40 o C 50 o C 0 20 40 60 80 p NH3 k Pa 100 120 p SO2 k Pa 100 120 在相同条件下 大得多 在相同条件下 NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多 p a g e 3 用水作吸收剂时 为易溶气体 为中等溶解气体 用水作吸收剂时 称 NH3 为 易溶气体 SO2为中等溶解气体 溶解度更 小的气体则为难溶气体 如 的条件下 小 的气体则为难溶气体 如O2 在 30 和溶质的分压为 40k Pa 的条件下 1k g 水中 溶解的质量仅为 0 014g 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 2 2 亨利定律 He n r y s l a w 亨利定律 当总压不太高时 当总压不太高时 一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为 直线 即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比 直线 即溶质在液相 中的溶解度与其在气相中的分压成正比 p Ex 亨利定律 式中 溶质在气相中的平衡分压 式中 p 溶质在气相中的平衡分压 k Pa x 溶质在液相中的摩尔分数 溶质在液相中的摩尔分数 E 亨利系数 k Pa 亨利系数 亨利系数的值随物系的特性及温度而异 亨利系 数的值随物系的特性及温度而异 物系一定 值一般随温度的上升而增大 物系一 定 E 值一般随温度的上升而增大 E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程 度 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度 在同一溶剂中 值很大 值很小 在同一溶剂中 难溶气体 E 值很大 易溶气体 E 值很小 E 的单位与气 相分压的压强单位一致 的单位与气相分压的压强单位一致 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 亨利定律其它表示方法 当气 液相溶质浓度用其它组成表示法表示时 当气 液相溶质浓度用其它 组成表示法表示时 通过浓度 换算可得其它形式的亨利定律 换算可得其它形式 的亨利定律 常用的形式有 y m x 1 p c H y 与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数 的液相呈平衡的 气相中溶质的摩尔分数 c 溶质在液相中的摩尔浓度 k m o l m 3 溶质在液相 中的摩尔浓度 m 相平衡常数 m 值越大 表明该气体的溶解度越小 相平衡 常数 m 值越大 表明该气体的溶解度越小 值越大 H 溶解度系数 k m o l m 3 k Pa 随温度升高而减小 易溶气体的 溶解度系数 随温度升高而减小 易溶 气体的H 值很大 而难溶气体的H值很小 值很小 值很大 而难溶气体的 值很小 三个比例系数之间的关系 三个比例系数之间的关系 E m P c m H E c m Ms 为溶液的总浓度 式中 c m 为溶液的总浓度 k m o l m 3 对于稀溶液 因溶 质的浓度很小 对于稀溶液 因溶质的浓度很小 因此 c m Ms 其中 为 溶液的密度 为溶剂的摩尔质量 为溶液的密度 Ms 为溶剂的摩尔质量 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 亨利定律 在低浓度气体吸收计算中 在低浓度气体吸收计算中 通常采用基准不变的摩 尔比 Y 或 X 表示组成 表示组成 气相中溶质A的摩尔数 y Y 气相中 惰气B的摩尔数 1 y 液相中溶质A的摩尔数 x X 液相中溶剂S的摩尔数 1 x 以摩尔比表示组成的相平衡关系 m X Y 1 1 m X p a g e 4 X 溶质在液相中的摩尔比浓度 溶质在液相中的摩尔比浓度 Y 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度 当 m 趋近 1 或当 X 很小时 Y m X 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 2 3 吸收过程相平衡关系应用 吸收过程相平衡关系应用 1 判断传质方向 判断传质方向 y m x 若 y y 吸收过程 y y 平衡过程 y x 解吸过程 x x 平衡过程 x 0 y x 不是传质推动力 因为不同相 不是传 质推动力 因为不同相 x x 0 p A p A 0 c A c A 0 解吸 解 吸 y y 0 x x 0 p A p A 0 c A c A 0 3 确定传 质过程极限 y y 0为吸收过程 x 当x x 时 达到最大 为吸收过程 为吸收过程 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 在总压101 3k Pa 温度 例 在总压 温度303K下 含SO2为0 105 下 摩尔分数 的气体与含SO 的水溶液相遇 摩尔分数 的气体与含 2为0 002的水溶液相遇 的水溶液相遇 已知平衡关系为y 46 5x 问 会发生吸收还是脱吸 会发生吸收还 是脱吸 已知平衡关系为 解 从气相分析 y 46 5x 46 5X0 02 0 093 y 0 015 y 46 5x 46 5X0 02 0 093x 0 02 结 论同上 结论同上 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 3 吸收传质机理与吸收速率 平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入 液相这个问题 至于进入液相 速率大小 进入液相速率大小 液相这个问题 至于 进入液相速率大小 却无法 解决 后者属于传质的机理问题 解决 后者属于传质的机理问题 本节的内 容是 结合吸收操作来说明传质的基本原理 结合吸收操作来说明传质的基本原理 并导出传 质的速率关系 质的速率关系 作为分析吸收操作与计算吸收设 备的 依据 备的依据 气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面 气体吸收是溶质 先从气相主体扩散到气液界面 先从气相主体扩散到气液界面 再从气液界面扩散到 液相主体的传质过程 再从气液界面扩散到液相主体的传质过程 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 3 1 气液相际传质理论 一 传质过程的方向 液相浓度 y x 在平 气 液相浓度 在平 衡线上方 P点 衡线上方 点 而言 相对于液相浓度 x 而言 气相浓度为过饱和 y y 溶质 A 由气相 向液相转移 向液相转移 而言 相对于气相浓度 y 而言 液相浓度欠饱和 x x 液相浓度欠饱和 故液相有吸收溶质 A 的 能力 能力 y y 释放溶质 吸收溶质 P y f x y o x x x 结论 若系统气 液相浓度 y x 在平衡线上方 则体系将 在平衡线上方 结 论 若系统气 液相浓度 在平衡线上方 发生从气相到液相的传质 即吸收过程 发生从气相到液相的传质 即吸收过程 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 传质过程的方向 p a g e 5 液相浓度 y x 在平 气 液相浓度 在平 衡线下方 Q点 衡线下方 点 相对于液相浓度 x 而言 气相浓度为欠饱和 y x 故液相有释放 的能力 溶质 A 的能力 y y 吸收溶质 y f x y 释放溶质 Q o x x x 结论 若系统气 液相浓度 y x 在平衡线下方 则体系将 在平衡线下方 结 论 若系统气 液相浓度 在平衡线下方 发生从液相到气相的传质 即解吸过程 发生从液相到气相的传质 即解吸过程 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 传质过程的方向 液相浓度 y x 处于 气 液相浓度 处于 平衡线上 R点 平衡线上 点 相对于液相浓度 x 而言 气相浓度为平衡浓度 y y 溶质 A 不发 生 转移 转移 相对于气相浓度而言液 相浓度为平衡浓度 x x 故液相不 释放 或吸收溶质 A y y y y f x R o x x x 结论 若系统气 液相浓度 y x 处于平衡线上 则体系从 处于平衡线上 结论 若系统气 液相浓度 处于平衡线上 宏观上讲将不会发生相际间的传质 宏观上讲将不会发生相际间的传质 即系统处于平 衡状态 衡状态 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 二 传质过程的限度 y y P y f x y o x x x 对吸收而言 对吸收而言 不变 若保持液相浓度 x 不变 气相浓度 y 最 低只能降到与之相 平衡的浓度 y 即 y m i n y 不变 若保持气相浓度 y 不 变 则液相浓度 x 最高也只能升高到 与气相浓度 y 相平衡的浓度 x 即 x m a x x 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 传质过程的限度 y y y f x y Q o x x x 对解吸而言 对解吸而言 不变 若保持液相浓度 x 不变 气相浓度 y 最 高只能升到与之相 平衡的浓度 y 即 y m a x y 不变 若保持气相浓度 y 不 p a g e 6 变 则液相浓度 x 最低也只能降到与 气相浓度 y 相平衡的浓度 x 即 x m i n x 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 三 传质过程的推动力 未达平衡的两相接触会发生相际间传质 吸收或解吸 未达平衡的两相接触会发生相际间传质 吸收或解吸 离平 吸收或解吸 衡浓度越远 过程传质推动力越大 传质过程进行越快 衡浓度越远 过程传质推动力越大 传 质过程进行越快 方法 方法 用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相 际 传质过程的推动力 传质过程的推动力 对吸收过程 对吸收过程 y y 以气相摩尔分数 差表示的传质推动力 差表示的传质推动力 x x 以 液 相 摩 尔 分 数差表示的传质推动力 数差表示的传质推动力 传质推动力的 表示方法 可以不同 但效果一样 y y y y y x x o x x x P y f x 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 四 吸收传质理论 吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程 吸收过程是溶质由气相向 液相转移的相际传质过程 可分 为三个步骤 为三个步骤 溶质由气相主体扩散 至两相界面气相侧 气相内传质 1 溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧 气相内 传质 溶质在界面上溶解 通过界面的传质 2 溶质在界面上溶解 通过界面的 传质 3 溶质由相界面液相侧扩散至液相主体 液相内传质 溶质由相界面液相 侧扩散至液相主体 液相内传质 相界面 气相主体 溶解 气相扩散 液相扩散 液相主体 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 双膜理论 在上世纪二十年代提出 由W K Le w i s 和 W G Wh i t m a n 在上世纪二十年代提出 是最早出现的传质理论 双膜理论的基本论点是 是最早出现的传质理论 双膜 理论的基本论点是 1 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面 界面两侧各存在着一 相互接触 的两流体间存在着稳定的相界面 个很薄 的流体膜层 个很薄 等效厚度分别为 1 和 2 的流体膜层 溶质以分子扩 散方式通过此两膜层 散方式通过此两 膜层 气 液 相界面 液相主体 气相主体 膜 膜 2 相界面没有传质阻力 即 相 界面没有传质阻力 p i c i H p 溶质在相界面处的浓度 处于相平衡状态 处于 相平衡状态 c i 3 在膜层以外的两相主流区 由于流体湍动剧烈 由于流体湍动 剧烈 传质 速率高 速率高 传质阻力可以忽 略不计 略不计 相际的传质阻力 集中在两个膜层内 集中在两个膜层内 p i 1 2 c 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分 子扩散的串联过程 子扩散的串联过程 对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜 的分子扩散过程 的分子 扩散过程 两相相内传质速率可用下面的形式表达为 两相相内传质速率可用下面 的形式表达为 N A k G p G p i N A k L c i c L DG P k G p RT 1 Bm DL c m k L c 2 Bm DG DL 溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数 溶质组分在气膜与液 膜中的分子扩散系数 P p Bm 气相扩散漂流因子 气相扩散漂流因子 c m c Bm 液相扩散漂流因子 液相扩散漂流因子 界面两侧气液相等效膜层厚度 待定参数 1 2 界面两侧气液相等效膜层厚度 待定参数 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 3 2 气体吸收传质速率方程 p a g e 7 p 或c 或 p G 组 成 气相主体 气膜 相 界 面 液膜 气相 气相 N A k G p G p i 液相主体 气相传质 推动力 液相传质 推动力 p i c i 传质方向 液相 N A k L c i c L 液相 c L 距离 气液相界面两侧的浓度分布 气液相界面两侧的浓度分布 双膜 模型 模型 稳态下 稳态下 z N A k G p G p i k L c i c L p G p i k L c L c i k G 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 3 2 气体吸收传质速率方程 p G p i k L c L c i k G p p i p i f c i c i p G p i P Q E k L k G 相平衡线 p i f c i I N A k G p G p i N A k L c i c L 0 c L c i 气液相界面组成的图解 c 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 1 以p G p L 为推动力表示的总传质速率方程 N A k G p G p i k L c i c L p G p i c i c L NA 1 k G 1 k L c L Hp L c i Hp i 以分压差表示的气 液两相总推动力 p G p i p i p L p G p L NA 1 k G 1 Hk L 1 k G 1 Hk L N A K G p G p L 以分压差表示推动力 的气相总传质系数 的气相总传质系数 k m o l m 2 s Pa 1 1 1 K G k G Hk L 气膜中的 传质阻力 液膜中的 传质阻力 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 2 以c G c L 为推动力表示的总传质速率方程 p a g e 8 N A k G p G p i k L c i c L p G p i c i c L NA 1 k G 1 k L p G c G H p i c i H 以浓度差表示的气 液两相总推动力 c G c i c i c L c G c L NA H k G 1 k L H k G 1 k L N A K L c G c L 以浓度差表示推动力 的液相总传质系数 的液相总传质系数 k m o l m 2 s Pa 1 H 1 K L k G k L 气膜中的 传质阻力 液膜中的 传质阻力 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 1 1 1 K G k G Hk L 1 H1 K L k G k L K G HK L 掌握 上式适用条件 稀溶液 双膜理论的 个要点 个要点 掌握 上式适用 条件 稀溶液 双膜理论的3个要点 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 3 以摩尔分率表示气 液组成的传质速率方程 以摩尔分率表示气 气相 气相 y y i N A k y y y i 1 k y k y k G p y y i 气相主体中及相界面上的溶质摩尔分率 气相主体中及相界面 上的溶质摩尔分率 以摩尔分率差为推动力的气相分传质系数 k y 以摩尔分 率差为推动力的气相分传质系数 k m o l m 2 s 液相 液相 x i x N A k x x i x 1 k x k x k Lc x x i 液相主体及相界面上的溶质摩尔分率 液相主体及相界面上的溶质摩 尔分率 液相主体及相界面上的溶质摩尔分率 k x 以摩尔分率差为推动力的液相 分传质系数 k m o l m 2 s 以摩尔分率差为推动力的液相分传质系数 以摩尔分率 差为推动力的液相分传质系数 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g y i m x i x i x m x i m x y i y y y i NA 1 k x m k x m k x 1 k y y y K y y y NA m 1 k x k y 同理 N A K x x x y 与液相组成 呈平衡的气相组成 摩尔分率 液相组成x 呈平衡的气相组 成 摩尔分率 呈平衡的气相组成 x 与气相组成 呈平衡的液相组成 摩尔分 率 与气相组成 呈平衡的液相组成 摩尔分率 相组成y 呈平衡的液相组成 Ky Kx 以气相 液相摩尔分率差为推动力的总传质系数 以气相 以气相 液相 摩尔分率差为推动力的总传质系数 k m o l m 2 s 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 1 1 m K y k y k x 1 1 1 K x m k y k x K x m K y 总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 4 以摩尔比表示气 液组成的传质速率方程 以摩尔比表示气 p a g e 9 在吸收计算中 当溶质含量较低时 在吸收计算中 当溶质含量较低时 通常 采用摩尔 比表示组成较为方便 比表示组成较为方便 N A K Y Y Y KY K G P NA KX X X K X K LC 1 1 m KY k Y k X 1 1 1 K X m k Y k X K X m KY 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 5 总传质速率方程的分析 N A K G p G p L p p G E P Q L I p G N A K L c G c L p i p L 掌握 线段 线段PL 意义 掌握 1 线段 PG意义 2 P P 点位置意义 0 c L c i c G c 图9 6 传质推动力图示 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 1 易溶气体 气膜控制 易溶气体 气膜控制 p p G P H 1 H k L 1 k G 1 H k L KG k G L p i p L I E 0 c L c i c N A k G p G p k y y y a 气膜控制 气膜控制 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 2 难溶气体 液膜控制 难溶气体 液膜控制 H H k G H k G 1 k L KL k L p E p G p i p L P N A k L c c L k x x x G 0 c L c i c G c b 液膜控制 p a g e 10 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 3 中等溶解度气体 双膜控制 中等溶解度气体 双膜控制 4 解吸 的传质速率方程 N A K G p p G K y y y L N A K L c L c K x x x G 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 6 传质速率方程小结 传质速率方程的表达形式很多 传质速率方程的表达形式很多 要注意传质 阻 力与传质推动力的对应关系 阻力与传质推动力的对应关系 1 传质系数与传质 推动力表示方式之间 必须对应 必须对应 2 各传质系数的单位和对应的基 准 各传质系数的单位和对应的基准 3 传质阻力的表达形式必须与传质推动 力的对应 力的对应 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 4 低浓度气体吸收塔的计算 化工单元设备的计算 按给定条件 任务和要求的不同 化工单元设备的计 算 按给定条件 任务和要求的不同 一般可分为设计型计算和操作型 校核 型 计算两大类 一般可分为设计型计算和操作型 校核型 计算两大类 设计型 计算 设计型计算 按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任 务要求的单元设 备 务要求的单元设备 操作型计算 根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能 操作型计算 完成的任务 完成的任务 两种计算所遵循的基本原理及所用关系 式都相同 两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同 只是具 体的计算方 法和步骤有些不同而已 体的计算方法和步骤有些不同而已 本章着重讨论吸收塔 的设计型计算 而操作型计算则通过习题加以训练 的设计型计算 而操作型计算 则通过习题加以训练 吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件 吸收塔的 设计型计算是按给定的生产任务及条件 已知待 分离气体的处理量与组成 以及要 达到的分离要求 分离气体的处理量与组成 以及要达到的分离要求 设 计 出能完成此分离任务所需的吸收塔 计出能完成此分离任务所需的吸收塔 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 吸收 或解吸 塔的计算 吸收 或解吸 Ga y a La x a 塔顶 稀端 已知 处理气量及初 终浓度 已知 处理气量及初 终浓度 相平衡 关系 求 1 溶剂的用量及吸收液浓度 G y L x 浓端 2 填料塔的填料层高度 3 吸收塔塔径 塔底 Gb y b Lb x b 吸收塔的物料衡算 吉林化工学院化工原理教研室 8 4 1 吸收塔的物料衡算与操作线方程 Ga y a La x a 塔顶 稀端 Ga Gb 组分 组分 A B 出塔 入塔气体流率 出塔 组分 出塔 入塔气体 流率 k m o l A B m 2 s 组分 A S 入塔 出塔液体流率 入塔 La Lb 组分 组分 入塔 出塔液体流率 k m o l A S m 2 s G y L x p a g e 11 浓端 G L 通过塔任一截面的气 液流率 通过塔任一截面的气 通过塔任一截 面的气 液流率 k m o l m 2 s y a y b 出塔 入塔气体组成的摩尔分率 出塔 出塔 入塔气体组成的摩尔分率 k m o l A k m o l A B 塔底 Gb y b Lb x b x a x b 入塔 出塔液体组成的摩尔分率 入塔 入塔 出塔液体组成的摩尔 分率 k m o l A k m o l A S x y 通过塔任一截面的气 液组成 通过塔任 一截面的气 通过塔任一截面的气 液组成 吉林化工学院化工原理教研室 吸收塔的物料衡算 一 吸收塔的物料衡算与操作线方程 塔顶 稀端 GB G 1 y LS L 1 x y x Y X 1 y 1 x 全塔物料衡算 全塔物料衡算 Ga y a La x a G y L x 浓端 GB Yb Ya LS X b X a GB Gb 1 y b Ga 1 y a Gb y b Lb x b 塔底 LS Lb 1 x b La 1 x a GB Yb Ya Yb Ya GBYb Yb 吸收塔的物料衡算 Ya 1 Yb 吉林化工学院化工原理教研室 塔顶与任一截面间的物料衡算 塔顶与任一截面间的物料衡算 Ga y a La x a 塔顶 稀端 GB Y Ya LS X X a LS LS X Ya Xa 或 Y GB GB G y L x 浓端 塔底与任一截面间的物料衡算 塔底与任一截面间的物料衡算 GB Yb Y LS X b X 塔底 Gb y b Lb x b 吸收塔的物料衡算 LS LS X Yb Xb 或 Y GB GB 吉林化工学院化工原理教研室 吸收塔的物料衡算与操作线方程 操作线方程 操作线方程 Y E B P LS LS Y X Ya Xa GB GB p a g e 12 Y LS L X Yb S X b GB GB Yb Y R Y Q A Xa X Xb X X Ya 0 摩尔比坐标系中的操作 线和平衡线 吉林化工学院化工原理教研室 吸收塔的物料衡算与操作线方程 用摩尔比表示的传质速率方程 用摩尔比表示的传质速率方程 Ky Y Y NA K y y y K y Y Y 1 Y 1 Y 1 Y 1 Y N A K Y Y Y 以气相摩尔比差为推动力的总传质系数 以气相摩尔比差为推动力的总传质系 数 k m o l m 2 s NA K X X X 以液相摩尔比差为推动力的总传质系数 以液相摩尔比差为推动力的总传质系 数 k m o l m 2 s 当为低浓度吸收时 当为低浓度吸收时 GB G LS L Y y X x G y y a L x x a 或 L L y x y a x a G G y b y a y b 吉林化工学院化工原理教研室 吸收塔的物料衡算与操作线方程 并流操作的吸收塔 GB Yb Ya LS X a X b Ga y a La x a GB Yb Y LS X X b GB Y Ya LS X a X LS LS Y X Ya Xa GB GB L L Y S X Yb S X b GB GB 吉林化工学院化工原理教研室 Gb y b Lb x b Y Ya Yb B A E X 0 Xa Xb 8 4 2 吸收剂用量的决定 吸收剂用量 Ls 或液气比 Ls GB 在吸收塔的设计计算和塔的 操作调节中是一个 很重要的参数 操作调节中是一个很重要的参数 吸收塔的设计计算中 气体处理 量G 以及进 吸收塔的设计计算中 气体处理量 以及进 出塔组成 Yb Ya 由设计任务给定 吸收剂入塔组成 Xa 则是由工艺条 由设计任务给定 件决定或 设计人员选定 件决定或设计人员选定 GB Yb Ya X a Xb 由全塔物料衡算式 Ls 可知吸收剂出塔浓度 X1 与 吸收剂用量 L 是相互制约的 选取的 Ls GB 操作线斜率 操作线与平衡线 的距离 塔内传质推动力 完成一定分离任务所需塔高 Ls GB 吸 收剂用量 吸收剂出塔浓度 Xb 循环和再 吸收剂用量 生费用 生费用 塔内传质推动力 若Ls GB 吸收剂出塔浓度 Xb 塔内传质推动力 完 成相同任务所需塔高 设备费用 成相同任务所需塔高 设备费用 化工与材料工程学院De p a r t m e n t o f Ch e m i c a l a n d Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g 8 4 2 吸收剂用量的确定 最小液汽比 最小液汽比 Li m i t i n g g a s l i q u i d r a t i o p a g e 13 LS Yb Ya m i n GB Xb Xa 塔底流出液组成与进塔混合气组 成达到平衡 成达到平衡 这是理论上吸收液 所能达到的最高组成 所能达到的最高组成 Y E Yb B B1 P C Y Y R 适宜的液气比 适宜的液气比 Ya