化工原理B吸收5.ppt

Absorption 吸收 第五章 原理 利用气体中各组分溶于某溶剂的溶解度的不同来分离气体混合物的操作称吸收 吸收剂 气体 y x 气相主体 液相主体 相界面 气相扩散 液相扩散 yi xi y x 第一节概述Introduction 液相主体 气相主体 相界面 液相扩散 气相扩散 xi yi x y 解吸 使吸收的气体从溶液中逃逸出来的操作称为解吸或脱吸 解吸为吸收的反过程 吸收剂 气体 y x 1 选择合适的溶剂 2 实现气液传质 吸收气体 3 溶剂的再生 吸收操作中 吸收剂的性能是关键 对吸收剂的要求是 溶解度大 对要吸收的气体选择性好 溶剂的蒸汽压较低 易于再生等 吸收设备主要有板式塔和填料塔 本章主要讨论填料塔 吸收操作三大问题 吸收工艺 填料塔 板式塔 连续接触 微分接触 气 液两相的浓度呈连续变化 级式接触气 液两相组成呈阶跃变化 规整填料塑料丝网波纹填料 散装填料塑料鲍尔环填料 吸收剂再生 吸收与解吸联合 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 吸收后得到的溶液 主要成分为溶剂S和溶质A 尾气 吸收后排出气体 含惰性气体B和少量的溶质A 物理吸收 溶质与溶剂不发生化学反应 如用水吸收二氧化碳 化学吸收 溶质与溶剂发生化学反应 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 单组分吸收 混合气体中只有单一组分被液相吸收多组分吸收 混合气体中有两个或两个以上组分被吸收溶解热 气体溶解于液体时所释放的热量非等温吸收 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 专业名词 1 制取产品溶质为产品成分 如硫酸吸收SO3制浓硫酸 水吸收甲醛制福尔马林液 2 分离混合气体溶质和惰性组分均为产品成分 如从焦炉气或城市煤气中分离苯 3 气体净化溶质为有害成分 除去混合气体中的杂质 如合成氨原料气脱H2S 脱CO2等 另一类是尾气处理和废气净化以保护环境 如燃煤锅炉烟气脱除SO2 用途 一 气体在液体中的溶解度 第二节气液相平衡Phaseequilibriaofgasesandliquids 溶解度 g NH3 1000g H2O 1000 500 0 20 40 60 80 100 120 pNH3 kPa 50oC 40oC 30oC 20oC 10oC 50oC 40oC 30oC 20oC 10oC 0oC 吸收实验 易溶气体难溶气体中溶气体 溶解温度溶解压力溶质种类溶剂性质 气体溶解难易程度 影响溶解度因素 二 亨利定律 稀溶液上方气相中溶质分压与液相中溶质的摩尔分数成正比 亨利系数上式称为亨利 Henry 定律 溶液越稀 上式越准确 理论上只有很稀的溶液才有上述规律 气体溶解过程一般可以认为服从上述定律 若液相浓度表示方法不同 亨利定律有不同形式 但实际上描述的是同一体系的平衡状况 1 亨利定律 若液相浓度用体积摩尔浓度表示 则式中H为溶解度系数 若气液两相浓度都用摩尔分率表示 则式中m为相平衡常数 吸收过程中溶剂没有显著的汽化 惰性气体不溶于液相 可以近似认为惰性气体和溶剂的量在整个吸收过程中不发生变化 用摩尔比的浓度表示比较方便 定义摩尔比为于是有关系相平衡关系可表示为对很稀的溶液 有 2 亨利定律各系数间的关系 设溶液的总浓度为c 则于是 y x o y f x Q y x y x y的平衡浓度为x x x 系统向平衡移动 液相浓度降低 溶质A由液相向气相移动 x的平衡浓度为y y y 系统向平衡移动 气相浓度增大 溶质A由液相向气相转移 气液浓度Q x y 若系统气液浓度的点Q x y 处于平衡线下方 则将发生从液相到气相的传质 即解吸过程 解吸过程 三 相平衡与吸收过程的关系 x x y y y x o y f x R y x y 系统处于平衡状态 不发生转移 x 气液浓度R x y 处于平衡线上 对吸收而言 若保持x不变 则y最低只能降到y 即ymin y 若保持y不变 则x最高只能升到x 即xmax x 传质过程的限度 对解吸而言 若保持x不变 则y最高只能升到y 即ymax y 若保持y不变 则x最高只能降到x 即xmin x 以 x x 表示吸收传质推动力 以 y y 表示吸收传质推动力 只有未达平衡的两相接触时才会发生相际间的传质 且两相浓度离平衡浓度越远 过程的传质推动力越大 传质过程进行越快 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 y x x 传质推动力 吸收过程 第三节吸收过程的速率Rateofabsorptionprocess 一 分子扩散与费克定律二 等摩尔逆向扩散三 组分A通过静止组分B扩散四 分子扩散系数五 单相内的对流传质六 两相间传质的双膜理论七 总传质速率方程八 传质速率方程的各种形式 气相主体扩散到气液界面 在界面上气体溶于液相 界面液相一侧扩散到液相主体分子扩散moleculardiffusion流体内部组分的浓度差引起的 湍流扩散 涡流扩散 turbulentdiffusion搅拌等引起质点宏观随机运动 组分从浓度高向浓度低处移动 吸收过程主要步骤 传质基本方式 一 分子扩散与费克定律 隔板打开后 A将向右扩散 B将向左扩散 扩散速率 单位时间单位面积扩散的物质量 费克定律 扩散速率扩散系数浓度梯度 A B 费克定律适用于双组分混合物 是实验规律 与牛顿粘性定律 傅立叶定律类似 若气体混合物为理想气体 则cA PA RT费克定律又可表示为 二 等摩尔逆向扩散 设pA1 PA2 pB1 pB2联通管内隔板打开时 A组分将向右扩散 B组分将向左扩散 讨论稳定状态 各位置组分分压不变 因为总压相等 两组分扩散量必然相同 否则总压会发生变化 对扩散速率JA JB由于P pA pB 常数 pA1pB1 pA2pB2 P P A B 再由费克定律所以DAB DBA D积分可得 三 组分A通过静止组分B扩散 整体移动 由于A溶于液相 B不溶于液相 A在界面溶于液相后 必然有混合物来补充A溶解后的空间 形成了整体移动 特点 这种扩散过程不仅有A向界面扩散的运动 还有混合物向界面扩散的整体移动 在界面附近 A的分压减少 B的分压增加 但总压不变 设B组分由于压力差引起的扩散速率为JB 由整体移动扩散的量为NBM 两者方向相反 数值相等 因为B组分没有表观传递 JB NBM JA A组分整体移动速率A组分从气相主体到气液界面的速率 积分上式得 5 17 P pBm称为漂流因子 其值总是大于1 其值越大 表明整体移动比例越大 当气相中A的浓度极低时 P pBm约等于1 用气相浓度C表示推动力时 5 18 pA1 pB1 pA2 pB2 五 单相内的对流传质 工业中湍流流体与某一界面间的传质最为常见 其中既有分子扩散又有湍流扩散 情况较复杂 1 单相内对流传质的有效膜模型湿壁塔 吸收剂由塔顶注入成液膜沿管内壁流下 气体由下方进入 两流体逆流接触传质 气体呈湍流 但气液界面处仍有一层层流内层 层流膜内为分子扩散 湍流主体内为湍流扩散 分子涡流 气体在湍流主体pA浓度压力变化很小 到层流膜中变化很大 如图所示 阻力主要集中在层流膜及附近区域 将层流膜内压降直线延长与气相主体平均压力线相交 G点处开始压降明显 认为扩散传质速率等于ZG ZG通过厚度ZG的膜的分子扩散速率 G G pAG pAi 2 气相传质速率方程 按分子扩散规律有效膜厚度ZG实际上不能计算也难于测定 所以将推动力前都归并为一常数 一起通过实验确定 因此 气膜传质系数 3 液相传质速率方程 依照式 5 18 用液相传质推动力表示传质速率 气相主体 液相主体 相界面 溶解 气相扩散 液相扩散 吸收过程可分为三个步骤 1 溶质由气相主体扩散至界面气相一侧 即气相内传质 2 溶质在界面上溶解 即通过界面的传质 3 溶质由界面液相一侧扩散至液相主体 即液相内传质 六 两相间传质的双膜理论 由W K Lewis和W G Whitman在上世纪二十年代提出 双膜理论的基本论点是 1 相互接触的两流体间存在着相界面 界面两侧各存在着一个很薄的流体层 等效厚度为ZG和ZL 溶质以分子扩散方式通过 2 界面无传质阻力 即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态 3 膜层以外两相主流区由于流体湍动剧烈 传质速率高 传质阻力忽略不计 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 pi ci H p ZG Z2 pi ci c 气膜 液膜 双膜理论 双膜理论将吸收过程简化为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程 七 总传质速率方程 前面虽然得出了气相或液相传质速率表达式 但实际应用很困难 因为界面压力和界面浓度很难确定 下面用双膜理论建立总传质速率方程 以pA pA 为气相总推动力 cA cA为液相总推动力 可将总传质速率方程写为 气相总传质系数液相总传质系数 1 总传质速率方程 对稳态传质过程 分别用气相侧或液相侧的压力或浓度差作推动力 有 若相平衡关系服从亨利定律 则所以 5 27 2 总传质系数与膜传质系数的关系 同样可得所以 5 28 KG HKL界面浓度 3 气膜控制与液膜控制 1 当溶质溶解度很大 1 HkL 1 kG 所以KG kG传质阻力集中在气相一侧的气膜内 称气膜控制 此时 液相界面浓度ci cA 气膜推动力pA pi pA PA pA PipA cAci 2 当溶质溶解度很小 1 HkL 1 kG 所以KL kL传质阻力集中在液相一侧的液膜内 称液膜控制 此时 气相界面分压pi pA 液膜推动力ci cA cA cA pA pi PA cA ci cA 八 传质速率方程的各种形式 低浓度时其它总阻力与膜阻力关系 第四节吸收塔的计算Calculationofabsorptiontower 一 物料衡算和操作线方程二 吸收剂的用量与最小液气比三 填料层高度的计算四 吸收塔操作计算五 解吸塔的计算 以逆流操作的填料塔为例 气相减少的溶质量等于液相增加的溶质量 1 代表塔内填料层底截面 2 代表填料层顶截面 G 惰性气体B的摩尔流率kmol s L 吸收剂S的摩尔流率kmol s Y 溶质气相比摩尔分数 X 溶质液相比摩尔分数 物料衡算与吸收操作线方程 物料衡算 目的 计算完成既定吸收任务所需的吸收剂用量L G Y2 G Y1 L X1 L X2 G Y L X 全塔物料衡算 物料衡算 GA为吸收塔的传质负荷 即溶质被吸收的速率kmol s G和Y1是吸收任务规定的 X2由工艺条件确定 Y2由给定的吸收率 求出 在填料塔内气液组成沿塔高连续变化 在塔内任一截面上气液两相组成相互制约 满足一定的关系 这个关系称为操作关系 操作线方程与操作线 同理 在塔任一截面与塔顶端面间作溶质物料衡算 有 两式均称为吸收操作线方程 代表逆流操作时塔内任一截面上相互接触的气液两相组成Y和X之间的关系 L G 称为液气比 取填料层任一截面与塔底端面之间的填料层为控制体 作溶质物料衡算 得 操作线方程与操作线 操作线方程在Y X图上为以液气比L G为斜率过塔进出口气液两相组成点 Y1 X1 和 Y2 X2 的直线 称为吸收操作线 Y X o Y f X A Y1 X1 X2 Y2 B Y X X Y P 线上任一点坐标 Y X 代表塔内该截面气液两相的组成 将操作线与平衡线绘于同一图上 操作线上任一点P与平衡线间的垂直距离 Y Y 即为塔内该截面上以气相为基准的传质推动力 点P与平衡线的水平距离 X X 则为该截面上以液相为基准的传质推动力 两线间垂直距离 Y Y 或水平距离 X X 的变化显示了推动力沿塔高的变化规律 Y Y X X 操作线方程与操作线 并流操作线方程 G Y1 G Y2 L X2 L X1 G Y L X 对气液并流操作吸收塔 塔内任一截面与塔顶 浓端 构成的控制体作物料衡算 得并流时操作线方程 其斜率为 L G Y X o Y f X A Y1 X1 X2 Y2 B Y X X Y P Y Y X X 吸收塔内流向的选择 两相逆流时沿塔高能保持较大的传质推动力 而两相并流时从塔顶到塔底传质推动力逐渐减小 气液两相进出塔浓度相同的情况下 逆流操作的平均推动力大于并流 从提高吸收传质速率出发 逆流优于并流 逆流操作时上升的气体将对下液体产生曳力 阻碍液体向下流动 限制了液体和气体流率 这是逆流不利的一面 吸收剂的选择与用量的确定 吸收剂的选择 选择良好的吸收剂至关重要 工业吸收剂一般按下列原则选择 1 对溶质有较大的溶解度 溶解度大溶剂用量少 有利于溶剂再生 溶解度大平衡曲线靠近X轴 推动力大 传质速率快 吸收设备尺寸小 2 良好的选择性 即对待吸收组分的溶解度大 其余组分溶解度度小 3 稳定不易挥发 以减少溶剂损失 4 粘度低 有利于气液接触与分散 提高吸收速率 5 无毒 腐蚀性小 不易燃 价廉等 吸收剂用量的确定 Y X o Y f X A Y1 X1 X2 Y2 B L G Y Y A X1 L G X1 max L G min C 随着液气比L G减小 操作线斜率减小 操作线上端点向平衡线靠近 当液气比L G减小至某一数值时 操作线上端点正好落在平衡线上 在该点的传质推动力为零 意味着完成既定的分离任务需要无穷大的传质面积和无限长的传质时间 这是不可能的 该极限位置对应的液气比称为最小液气比 L G min 最小液气比 L G min 随L G的减小 操作线与平衡线可能相交也可能相切 是相交还是相切取决于平衡线的形状 Y X o Y f X Y1 X2 Y2 B X1 max X1 L G min C Y X o Y f X Y1 X2 Y2 B X1 L G min C X1 max 平衡线向上凹时 两线在Y1处相交 X1 max X1 平衡线向下凹时 两线在某个浓度处相切时 X1 max X1 最小液气比的计算式 或 吸收剂用量的确定 注意 以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡为出发点的 从两相流体力学角度出发 还必须使填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足够的传质面积 因此所取吸收剂用量L值还应不小于所选填料的最低润湿率 即单位塔截面上 单位时间内的液体流量不得小于某一最低允许值 吸收剂用量L 传质推动力 完成一定分离任务所需塔高 设备投资 但吸收剂用量L 循环和再生费用 日常操作费用 实际液气比应在大于最小液气比的基础上 兼顾设备费用和操作费用两方面因素 按总费用最低原则来选取 根据生产经验 一般取 图5 21填料层高度计算图 在图5 21所示的填料层内 厚度为dZ微元的传质面积dA a dZ 其中a为单位体积填料所具有的相际传质面积 m2 m3 为填料塔的塔截面积 m2 定态吸收时 由物料衡算可知 气相中溶质减少的量等于液相中溶质增加的量 即单位时间由气相转移到液相溶质A的量可用下式表达 根据吸收速率定义 dZ段内吸收溶质的量为 式中GA 单位时间吸收溶质的量 NA 为微元填料层内溶质的传质速率 填料层高度的计算 填料层高度的基本计算式 以相际传质速率方程代入 则有 对上两式沿塔高积分得 若采用相内传质速率方程NA kY Y Yi 或NA kX Xi X 代入 可得 用其它组成表示法的传质速率方程 可推得以相应相组成表示的填料层高度Z的计算式 低浓度气体吸收填料层高度的计算 低浓度气体吸收过程分析 1 低浓度气体吸收 y1 10 因吸收量小 由此引起的塔内温度和流动状况的改变小 体积传质系数 实际应用中 常将传质系数与比表面积a的乘积 Kya及KXa 作为一个完整的物理量看待 称为体积传质系数或体积吸收系数 单位为kmol s m3 特点 填料层高度Z的计算式 2 吸收过程可视为等温过程 具有确定的平衡关系 3 传质系数kY kX沿塔高变化小 可取塔顶和塔底条件下的平均值 提到积分号外面 传质单元数与传质单元高度 HOG 气相总传质单元高度NOG 气相总传质单元数 HOL 液相总传质单元高度NOL 液相总传质单元数 传质单元数与传质单元高度 当相平衡关系可用Y MX或Y MX B表示时 利用不同基准的总传质系数之间的换算关系 以及总传质系数与相内传质系数之间的关系 可导出如下关系式 气相传质单元高度 气相传质单元数 液相传质单元高度 液相传质单元数 传质单元数与传质单元高度 传质单元数反映吸收过程的难易程度 其大小取决于分离任务和整个填料层平均推动力大小两个方面 而与设备形式和设备中气 液两相的流动状况等因素无关 这样 在设备选型前就可先计算出过程所需的传质单元数 传质单元数值大 分离任务艰巨 为避免塔过高应选用传质性能优良的填料 传质单元高度表示吸收塔传质性能的高低 主要与填料的性能和塔中气 液两相的流动状况有关 HOG或HOL值小 表示设备的性能高 完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小 用传质单元高度HOG HOL或传质系数KYa KXa表征设备的传质性能其实质是相同的 但KYa或KXa随气液流率变化较大 流率增加 KYa或KXa增大 而传质单元高度随气液流率变化幅度较小 一般吸收设备的传质单元高度在0 15 1 5m范围内 传质单元数的计算 平衡线为直线时传质单元数的计算 对数平均推动力法 设平衡线段方程为 逆流吸收操作线方程为 上两式相减得 取微分 传质单元数的计算 气相基准对数平均传质推动力 上式更直观地说明了NOG的含意 即以全塔的对数平均推动力 Ym作为度量单位 量衡完成分离任务 Y1 Y2 所需的传质单元高度的数目 若分离程度 Y1 Y2 大或平均推动力 Ym小 NOG值就大 所需的填料层就高 m 吸收因子法 将操作线方程写为 代入相平衡方程 令A L mG 即吸收因子 代入NOG定义式并积分 传质单元数的计算 将NOG表示为两个无因次数群 为了计算方便此式已绘制成了以1 A为参数的曲线图 吸收因子L mG 是操作线斜率与平衡线斜率的比值 A值越大 两线相距越远 传质推动力越大 越有利于吸收过程 NOG越小 当物系及气 液相进口浓度一定时 吸收率愈高 Y2愈小 愈大 则对应于一定的A NOG就愈大 所需填料层高度愈高 传质单元数的计算 当用 X X 作传质推动力时 对平衡线为直线的情况 用完全类似的方法可导出与NOG计算式并列的NOL计算式 传质单元数的计算 平衡线为曲线时传质单元数的计算 当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时 可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数 图解积分法 图解积分法的关键在于找到若干点与积分变量Y相对应的被积函数f Y 1 Y Y 的值 其步骤为 在操作线和平衡线上得若干组与Y相应的Y Y 和1 Y Y 值 在Y1到Y2的范围内作Y 1 Y Y 曲线 计算曲线的阴影面积 此面积的值即为传质单元数NOG 第五节填料塔 填料塔结构简单 压降低 易用耐腐蚀材料制造 是重要的气液传质设备 新型填料对改进气液接触 提高传质效率有十分重要的作用 一 填料塔的结构及填料特性填料塔的结构如下图 塔内装填料多时 一般分层 此时除塔顶有液体分布器外 分层处还要设液体再分布装置 以保证气液充分接触 气体逆流而上 出塔后可能夹带少量雾滴 所以塔顶还要设除沫器 气体出口液体分布器填料压板乱堆填料填料支撑板液体再分布器填料支撑板液体出口 拉西环鞍形填料 网环金属波纹网填料是60年代以后发展起来的新型填料 气液分散好 接触充分 填料可用陶瓷 金属 塑料等作材料 在操作压力大填料层高度大的体系 必须用金属填料 所以在操作压力大 填料多 腐蚀性又较强的情况下 运行费用较贵 填料的比表面at和空隙率 是填料的重要特性参数 两个参数的复合量at 3称干填料因子 液体喷淋在填料上 空隙率和比表面都会有变化 所以往往用湿填料因子 来关联填料层内两相流动的情况 各种填料的特性数据见表5 4 二 填料塔内气液两相流动特性液体在填料表面成膜状流动 液膜的阻力使部分液体停留在填料表面及空隙中 单位体积填料层中滞留的流体体积称持液量 Liquidholdup 气速越大 液膜阻力大 持液量大 压降大 1 气体通过填料层的压力降 喷淋密度L 单位面积 单位时间液体的喷淋量 L 0 L4L3L2L1 L4 L3 L2 L1 P 空塔气速u 干填料情况 A1 B1 液泛点u增加 压降增加快载点持液量基本