第九章 吸收1.ppt

第九章气体吸收 第一节概述第二节吸收过程的相平衡关系第三节吸收过程的机理及传质速率方程第四节吸收 或解吸 塔的计算第五节传质系数和传质理论第六节其他条件下的吸收 利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异 使某些易溶组分进入液相形成溶液 不溶或难溶组分仍留在气相 从而实现混合气体的分离 第一节概述 溶质 混合气体中的溶解组分 以A表示 惰性气体 不溶或难溶组分 以B表示 吸收剂 吸收操作中所用的溶剂 以S表示 吸收液 吸收操作得到的溶液 主要成分溶剂S和溶质A 吸收尾气 吸收后排出的气体 主要成分为惰性气体B和少量的溶质A 解吸或脱吸 与吸收相反的过程 即溶质从液相中分离而转移到气相的过程 1 吸收定义 2 吸收操作实例 石油液化气脱除硫化氢 第一节概述 物理吸收 吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应 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 溶质与溶剂有显著的化学反应发生 如用NaOH吸收CO2 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 非等温吸收 体系温度发生明显变化的吸收过程 等温吸收 体系温度变化不显著的吸收过程 3 吸收过程的分类 第一节概述 4 吸收过程在石油化工中的应用 1 回收有用组分吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的 如用洗油从焦炉气或城市煤气中分离苯 用烃类从石油裂解气中回收乙烯 丙烯等 2 制取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SO3制浓硫酸 水吸收甲醛制福尔马林液等 3 气体净化一类是原料气的净化 即除去混合气体中的杂质 如合成氨原料气脱H2S 脱CO2 液化气中脱除硫化氢等 第一节概述 5 气液两相的接触方式 连续接触 也称微分接触 级式接触 第一节概述 6 吸收剂的选择 溶解度大 选择性好 挥发度低 粘度低 无毒 无腐蚀 不易燃 不易发泡 价廉易得 稳定 第一节概述 第二节吸收过程的相平衡关系 一 吸收过程的气液相平衡关系二 亨利定律三 传质过程的方向 限度及推动力 一 吸收过程的气液相平衡关系 1 气体在液体中的溶解度 在一定的温度与压力下 当气体混合物与一定量的溶剂接触时 气相中的溶质便向液相中转移 直至液相中溶质达到饱和为止 这时 我们称之为达到了相平衡状态 达到了相平衡状态时气相中溶质的分压 称平衡分压 液相中溶质的浓度称为平衡浓度 或溶解度 大量实验表明 溶解度与平衡分压有关 第二节吸收过程的相平衡关系 2 溶解度曲线 第二节吸收过程的相平衡关系 气体的气相分压 组成 越高 溶解度越大 气体的温度越高 溶解度越小 启示 吸收操作应在低温 高压下进行 脱吸操作应在高温 低压下进行 第二节吸收过程的相平衡关系 结论 二 亨利定律 Henry slaw 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 式中 pe 溶质在气相中的平衡分压 kPa E 亨利系数 kPa x 溶质在液相中的摩尔分数 亨利定律 1 亨利定律 第二节吸收过程的相平衡关系 亨利系数的值随物系的特性及温度而异 物系一定 E值一般随温度的上升而增大 难溶气体E值很大 易溶气体E值很小 E的单位与压强单位一致 讨论 第二节吸收过程的相平衡关系 C 溶质在液相中的摩尔浓度 kmol m3 H 溶解度系数 kmol m3 kPa 2 用溶解度系数表示的亨利定律 溶液中溶质的摩尔浓度和摩尔分率及溶液的总摩尔浓度之间的关系为 Cm 溶液的总摩尔浓度 kmol m3 x 溶质在溶液中的摩尔分数 第二节吸收过程的相平衡关系 对于稀溶液 因溶质的浓度很小 因此cm Ms 其中 为溶液的密度 Ms为溶剂的摩尔质量 所以 易溶气体H值大 难溶气体H值小 第二节吸收过程的相平衡关系 3 用相平衡常数表示的亨利定律 第二节吸收过程的相平衡关系 温度降低 总压升高则m值变小 有利于吸收操作 相平衡常数m是温度及总压的函数 m值愈小 表明该气体的溶解度愈大 相平衡常数 在低浓度气体吸收计算中 通常采用摩尔比浓度Y 或X 表示组成 4 用摩尔比浓度表示的亨利定律 第二节吸收过程的相平衡关系 X 溶质在液相中的摩尔比浓度 Ye 与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度 即 当X很小时 摩尔比浓度表示的亨利定律 第二节吸收过程的相平衡关系 1atm下 浓度为0 02 摩尔分数 的稀氨水在20 时氨的平衡分压为1 666kPa 其相平衡关系服从亨利定律 氨水密度可近似取1000kg m3 求 E m H 例题1 第二节吸收过程的相平衡关系 三 传质过程的方向 限度及推动力 1 传质过程的方向 气 液相浓度 y x 在平衡线上方 N点 结论 若系统气 液相浓度 y x 在平衡线上方 则体系将发生从气相到液相的传质 即吸收过程 y x o ye f x N y x ye xe 释放溶质 吸收溶质 第二节吸收过程的相平衡关系 气 液相浓度 y x 在平衡线下方 M点 y x o ye f x M y x ye 结论 若系统气 液相浓度 y x 在平衡线下方 则体系将发生从液相到气相的传质 即解吸过程 xe 释放溶质 溶质解吸 第二节吸收过程的相平衡关系 气 液相浓度 y x 处于平衡线上 K点 y x o ye f x K y x ye 结论 若系统气 液相浓度 y x 处于平衡线上 则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质 即系统处于平衡状态 xe 第二节吸收过程的相平衡关系 2 传质过程的限度 对吸收而言 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ye 即ymin ye 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xe 即xmax xe 第二节吸收过程的相平衡关系 对解吸而言 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ye 即ymax ye 若保持气相浓度y不变 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xe 即xmin xe 第二节吸收过程的相平衡关系 传质推动力的表示方法可以不同 但效果一样 xe x 以液相摩尔分数差表示的传质推动力 对吸收过程 y ye 以气相摩尔分数差表示的传质推动力 3 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 离平衡浓度越远 过程传质推动力越大 传质过程进行越快 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 y x o ye f x M y x ye xe y ye xe x 第二节吸收过程的相平衡关系 用煤油从苯 空气混合气体中吸收苯 入塔气体中含苯2 体积 吸收后浓度降为0 01 体积 入塔煤油中含苯0 02 摩尔分数 操作温度为50 压力为200kN m2 操作条件下相平衡关系为pe 80 xkN m2 求 1 塔顶处气相推动力 2 若改善吸收设备的吸收效果 提高吸收率 则出口液体浓度极限是多少 例题2 含溶质A且摩尔分率为x 0 2的溶液与压力为2atm y 0 15的气体等温接触 平衡关系为 pe 1 2x atm 则此时将发生过程 用气相组成和液相组成表示的总传质推动力分别为 y x 摩尔分率 如系统温度略有增高 则 y将 如系统总压略有增高 则 x将 例题3 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 一 吸收过程的机理二 传质速率方程式 吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传递过程 可分为三个步骤 1 溶质由气相主体扩散至两相界面 气相内传质 2 溶质在界面上溶解 通过界面的传质 3 溶质由相界面扩散至液相主体 液相内传质 一 吸收过程的机理 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 1 双膜理论 由W K Lewis和W G Whitman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 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 2 界面上气液两相呈平衡 3 在膜层以外的两相主体区无传质阻力 相际的传质阻力集中在两个膜层内 气相主体 液相主体 相界面 p 1 2 pi Ci C 气膜 液膜 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 两相相内传质速率可用下面的形式表达为 DG DL 溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数 P pBm 气相扩散漂流因子 cm cBm 液相扩散漂流因子 1 2 界面两侧气液相等效膜层厚度 待定参数 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 对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 由此理论所得的传质系数计算式形式简单 但等效膜层厚度 1和 2以及界面上浓度pi和Ci都难以确定 双膜理论存在着很大的局限性 例如对高度湍动的两流体间的传质体系 相界面是不稳定的 因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立 另外按双膜理论 传质系数与扩散系数成正比 这与实验所得的关联式的结果相差较大 该理论提出的双阻力概念 即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中 而界面阻力可忽略不计的概念 在传质过程的计算中得到了广泛承认 仍是传质过程及设备设计的依据 本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 二 传质速率方程式 在吸收过程中 相际传质由三个步骤串联而成 按照流体与界面间的对流传质速率方程式 可将传质速率分别写成 液相 气相 或 气相 液相 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 对气相 当总压不很高时 根据分压定律可知 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 同理可推 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 对于稳定的吸收过程 气 液两相中的传质速率相等 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 1 界面组成的确定 计算法 对稳定的吸收过程 气 液两相内传质速率应相等 若两相浓度均以摩尔分数表示 有 相平衡关系 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 y x o y x xi yi A 作图法 E 由 在y x图上作出平衡线 在y x图上找到点A x y 过点A作斜率为 kx ky的直线 交相平衡线于点B xi yi B 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 2 总传质速率方程 根据双膜理论 界面上气 液两相互成平衡 则 令与液相主体浓度x成平衡的气相浓度为ye 则 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 传质速率方程式可以写为 令 以y ye为总推动力的总传质速率方程 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 同理 传质速率方程式可以写为 令 以xe x为总推动力的总传质速率方程 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 讨论 Ky是以 y ye 为推动力的总传质系数 单位为kmol m2 s 1 Ky为气 液两相总传质阻力 总传质阻力1 Ky等于气相传质阻力1 ky与液相传质阻力m kx之和 因为总阻力1 Ky以气相为基准 所以液相阻力1 kx需乘以换算系数m 气 液传质总推动力为两相的相内传质推动力之和 以y ye为总推动力的总传质速率方程 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 以液相浓度差为基准的总传质速率方程 Kx是以 xe x 为推动力的总传质系数 单位为kmol m2 s 1 Kx代表了以液相为基准的吸收传质过程的总传质阻力 总传质阻力1 Kx等于液相传质阻力1 kx与气相传质阻力1 mky之和 因为总阻力1 Kx以液相为基准 所以气相阻力1 ky需除以换算系数m 气 液传质总推动力为两相的相内传质推动力之和 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 对易溶气体 平衡常数m值小 这时 传质阻力主要集中在气相 此类传质过程称为气相阻力控制过程 或称气膜控制过程 采用总传质速率方程进行计算可避开难以确定的相界面组成xi和yi 这与通过间壁对流传热问题中用总传热速率方程可避开固体壁面两侧温度是相似的 总传质阻力取决于气 液两相的传质阻力 但对一些吸收过程 气 液两相传质阻力在总传质阻力中所占的比例相差甚远 可对问题进行简化处理 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 对难溶气体 平衡常数m值大 这时 传质阻力主要集中在液相 此类过程称为液相阻力控制过程 或液膜控制过程 分析气 液两相中传质阻力所占的比例 对于强化传质过程 提高传质速率有重要的指导意义 例如 以气相阻力为主的吸收操作 增加气体流速 可减薄气膜层的厚度 从而降低气相传质阻力 有效地提高吸收速率 而增加液体流速吸速率则不会有明显改变 第三节吸收过程的机理及传质速率方程 吸收传质速率方程的几种形式 例8 4 传质速率及界面浓度的求取 Pg26 在总压为101 3kPa 温度为303K用水吸收混