化工分离过程(第15讲)(3.4.4化学吸收).ppt

化工分离过程ChemicalSeparationProcesses 第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算 2 第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算 3 1设计变量3 2多组分精馏过程 普通精馏 3 3萃取精馏和共沸精馏 特殊精馏 3 4吸收和蒸出 解吸 过程3 4 1吸收和蒸出过程流程3 4 2多组分吸收和蒸出过程分析3 4 3多组分吸收和蒸出的简捷计算法3 4 4化学吸收 3 第三章多组分多级分离过程分析与简捷计算 3 4 4化学吸收3 4 4 1化学吸收的类型3 4 4 2化学吸收中的传质速率3 4 4 3化学吸收计算 4 3 4 4化学吸收 工业上许多吸收过程都带有化学反应 称之为化学吸收 化学吸收的目的是为了利用化学反应增强吸收速率和吸收率 在化学吸收中 溶质由气相主体向气液截面的传质机理与物理吸收相同 液相中的化学反应对传质速率的影响体现在三方面 1 增强传质推动力 2 提高传质系数 3 增大有效传质面积 5 3 4 4化学吸收 在化学吸收中不仅存在液相中的扩散 而且还存在化学反应 两者交织在一起 使过程较为复杂 不同反应类型决定了液膜和液相主体对化学反应所起的作用 表现出各类化学吸收过程具有不同的浓度分布特征 6 吸收过程的机理 一 传质的基本方式 1 分子扩散分子扩散的推动力主要是浓度差 2 对流扩散对流扩散速率主要决定于流体的流动型态 3 4 4化学吸收 7 二 双膜理论 1 气液两相间有一稳定的相界面 在相界面的两侧分别存在稳定的气膜和液膜 膜内流体做层流流动 双膜以外的区域为气相主体和液相主体 双膜主体内流体处于湍动状态 2 气液两相的界面上 吸收质在两相间总是处于平衡状态 界面上无传质阻力 3 两膜主体内因湍动而浓度分布均匀 双膜内流体做层流流动 主要依靠分子扩散传递物质 浓度变化大 因此 传质阻力主要集中在气膜和液膜双膜内 3 4 4化学吸收 8 气体溶质从气相主体到液相主体 共经历了三个过程 即 气膜扩散 溶解 反应 液膜扩散 三 化学吸收溶质传递机理 气膜扩散液膜扩散化学反应共同决定吸收过程的总速率 3 4 4化学吸收 9 定义 组分A与吸收剂中的活性组分B一旦相遇立即完成反应 特点 反应速率远大于传质速率 3 4 4 1化学吸收的类型 图3 41a 1 瞬时反应 不可逆反应 反应在膜内某个面瞬时完成 如果活性组分B的浓度很高 传递速度又快 反应面将与液膜界面重合 可逆反应 在膜内达到平衡 10 定义 当组分A与活性组分B反应速度足够快时 反应速率大于传质速率 特点 反应速率大于传质速率 3 4 4 1化学吸收的类型 图3 41b 2 快速反应 被吸收组分A在液膜中边扩散边反应 被吸收组分的浓度随液膜厚度的变化不是直线关系 在液膜内存在一个反应物A和B的共存区 反应在该区域内完成 11 特点 反应速率与传质速率相当 3 4 4 1化学吸收的类型 图3 41c 3 中速反应 反应从液膜开始 边扩散边反应 反应区一直扩散到液相主体 12 特点 反应速率远远小于传质速率 3 4 4 1化学吸收的类型 图3 41d 4 慢速反应 组分A通过液膜扩散来不及反应就进入液相主体 反应在液相主体中进行 液膜的传质阻力是整个化学吸收过程的阻力的组成部分 13 化学吸收过程中 化学反应的存在不仅影响了汽液相平衡关系 而且也影响传质速率 由于化学反应是在液相中进行的 故它仅影响液相传质速率 一般情况下 化学反应的结果会使液相传质系数增加 但由于影响传质系数的因素很复杂 即有动力学方面的原因 也有在界面上影响物理传质的因素 因此 虽然进行了许多研究 但要从理论上出发预测液相传质系数还不成熟 解决这个问题的有效方法是引入了 增强因子 的概念来表示化学反应对传质速率的增强程度 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 1传质速率和增强因子 14 增强因子的定义 在相同的条件下 与纯物理吸收比较 由于化学反应而使传质系数增加的倍数 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 对应的传质速率方程为 增强因子的定义式 3 98 15 对于慢反应 在反应发生之前A已扩散进入液相主体 由于反应的结果 液相主体中A的浓度降低了 因此传质推动力 cAi cAL 比没有化学反应时提高了 在这种情况下 化学反应的存在是影响了传质推动力 对液相传质分系数没有影响 因此E 1 对于瞬时可逆反应 由于反应瞬时完成 在液相中反应达到了化学平衡 在该情况下 传质速率与化学动力学无关 而与反应物和产物的传递过程有关 增强因子E很大 其数量级为102 104 在上述两者之间存在一个很宽的范围 一般包括快速反应和中速反应 在这种情况下 分传质系数是反应速率的函数 同时也受到传质过程的影响 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 16 1八田数 HattaNumber 反映扩散与反应二者作用的大小 其数值越大 则溶质从界面扩散到液相主体过程中在液膜内的反应量越大 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 增强因子的数值常表示为下列两个无因次参数的函数 为了表示反应与扩散两者作用的相对大小 定义化学吸收参数 M 八田数为 对于不同级数的反应 化学吸收参数的表达式不同 若反应为溶质A与溶剂中活性组分B的一级不可逆反应 17 若反应为溶质A与溶剂中活性组分B的二级不可逆反应 化学计量比 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 八田数 或化学吸收参数 的数值越大 则溶质从截面扩散到液相主体过程中在膜内的反应量越大 此值为零 表示在膜内无反应 即为物理吸收 2浓度 扩散参数 为了表示液膜内B向界面扩散的速度与A向液相主体扩散速度的相对大小 定义了如下的浓度 扩散参数 18 为了研究化学吸收中的液相传质 必须要建立反应 扩散微分方程 然后根据具体的反应过程进行积分求解 最终求得增强因子和伴有化学反应的液相传质分系数 根据图3 42 化学吸收中单位面积的微元的传质分析建立反应扩散方程 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 2反应 扩散方程 图3 42化学吸收微元液膜 19 在Z dZ处扩散离开微元液膜组分A速率为 图3 42化学吸收微元液膜 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 在Z处扩散进入微元液膜的组分A的速率为 20 在dZ之间组分A的积累速率为 图3 42化学吸收微元液膜 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 在dZ之间组分A的反应速率为 根据物料平衡可以得出扩散 反应微分方程 21 扩散 反应微分方程关联了被吸收组分浓度随体系的空间 时间和化学反应之间的变化规律 在具体求解时需要根据不同的传质机理和反应机理进行分析 同一化学吸收过程可用不同的传质模型求解 对不同的化学吸收系统可以区分为瞬时 快速和慢速反应等不同类型 在反应机理上可以是一级 二级和n级反应 也可以是可逆反应和不可逆反应 以及单一反应和复杂反应等 因此 求解化学吸收要比物理吸收复杂许多 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 22 在很多情况下 以膜模型 渗透模型和表面更新模型所解得的结果 其相互之间的差异要小于在计算中所用的物理量的不可靠性 因此 对模型的选用通常都以使用方便为依据 一般来说 膜模型的计算较简单 因它只需处理常微分方程而不需处理偏微分方程 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 23 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 3一级不可逆反应 对于一级不可逆反应 反应速率方程为 该反应的扩散 反应微分方程为 在稳态下 上式变为 3 100 3 101 24 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 根据双膜模型得出初始的边界条件为 扩散 反应方程在上述边界条件下积分获得 其中 化学吸收参数 M 对一级反应为 3 102 25 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 26 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 对于快速反应 M 1 则 则溶质到达液相主体之前已完全反应 在这种情况下 cAL 0 则有 3 105 吸收率与流体力学条件没有关系 任何加剧液相流动的措施均不能提高吸收速率 只有改善反应条件和界面浓度以及增加传质面积才能提高吸收率 双曲余弦 双曲正切 27 如果没有反应发生 则有 对于慢反应 此时 吸收过程的液相分传质系数与物理吸收相同 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 3 106 28 4二级不可逆反应 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 对二级不可逆反应 动力学方程为 扩散反应方程为 3 109 3 108 3 107 29 1 瞬时反应 吸收速率由A和B各自扩散到反应面上的速率决定 反应速率的大小对吸收速率无关紧要 如果 则有 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 3 110 3 111 3 112 吸收速率与cAi无关 即与溶质的界面分压无关 而由B向界面的扩散速率控制 30 2 快速反应 在这种情况下反应扩散方程没有解析解 Krevelen和Hoftijzer导出了近似解为 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 其中 3 113 3 114 3 115 3 116 31 式 3 114 是隐函数 求解复杂 在应用中常表示为图3 43 由图可见 对于给定的E 随Ha的增加 E逐渐趋向极限值E 如果 或 即反应速率常数很大 或液相反应物浓度远大于气体溶解度 或液相分传质系数很小 则有 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 32 如果 或 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 由图3 43可见 表示增强因子的点将落在非常靠近对角线上 在这些情况下 反应是拟一级的 其增强因子可由下式给出 在cAL 0时 上式可转化为 3 104 33 如果 同时有 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 则有 3 119 即 由图3 43 可以近似认为 快速拟一级反应 34 1 一级可逆反应 5可逆反应 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 对于组分A和P为等扩散系数的情况 吸收速率可以表示为 其中 3 120 35 这与cAL 0时的一级不可逆反应的吸收速率方程式一样的 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 式 3 120 可简化为 如果 3 121 36 2 瞬时可逆反应 5可逆反应 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 3 122 Danckwerts推导得 37 3 4 4 2化学吸收中的传质速率 对于组分A和P为等扩散系数的情况 吸收速率可以表示为 或 3 123 反应速率无限大并假设所有组分的扩散系数相等 则有 3 124 3 125 38 伴有化学反应的传质方程还没有广泛用于吸收和解吸的设计上 对化学吸收和解吸的设计计算 更常用的方法是以相同的化学系统和在相似的设备上取得的实验数据为基础 化学吸收的计算方法原则上与物理吸收相同 只是由于有化学反应发生 必须要考虑由此引起的吸收速率的变化 既要考虑增强因子 基本原则是联解物料平衡方程 相平衡关系式 传质方程和动力学方程 3 4 4 3化学吸收计算 39 化学吸收计算的任务是计算在一定的回收率时最小吸收剂用量 确定实际吸收剂用量 计算吸收塔的传质单元数或容积 此外 由于化学吸收过程涉及的热效应比物理吸收大 所以 还要通过热量衡算确定适合的换热方式 以保证过程在适宜的条件下完成 本章节仅讨论填料吸收塔设计的基本公式 3 4 4 3化学吸收计算 40 3 4 4 3化学吸收计算 填料塔吸收塔设计的基本公式 对组分A 单位体积填料的气膜和液膜吸收方程分别为 联立以上三式可以消去界面浓度后得到 3 126 3 127 3 129 3 128 41 3 4 4 3化学吸收计算 3 130 式 3 129 是用气相总传质系数表示的化学吸收速率方程 其中气相总传质系数为 对物理吸收 气相总传质系数为 3 131 42 3 4 4 3化学吸收计算 如果令 则有 以下根据利用这些基本公式完成吸收塔设计计算 3 132 43 3 4 4 3化学吸收计算 计算化学吸收填料塔高度的通用方程 设填料塔的截面积为S 在高度为dZ的填料层体积内 组分A的吸收速率为 吸收速率也可以表示为 3 133 3 134 dZ 44 3 4 4 3化学吸收计算 联立求解 3 133 和 3 134 两式积分后得到计算化学吸收填料塔高度的通用方程 3 135 45 本章思考题 1 基本概念