第八章 气体吸收.ppt

化工原理 下册 继续努力 第八章气体吸收 8 1概述8 2气液相平衡8 3扩散和单相传质8 4相际传质8 5低含量气体吸收 本章重点 8 6高含量气体吸收8 7化学吸收 8 1概述 8 1 1化工生产中的传质过程传质分离过程 利用物系中不同组分的物理性质或化学性质的差异来造成一个两相物系 使其中某一组分或某些组分从一相转移到另一相 达到分离的目的 这一过程称为传质分离过程 以传质分离过程为特征的基本单元操作在化工生产中很多 如 8 1 1化工生产中的传质过程 1 气体吸收选择一定的溶剂 外界引入第二相 造成两相 以分离气体混合物 如用水作溶剂来吸收混合在空气中的氨 它是利用氨和空气在水中溶解度的差异 进行分离 2 液体蒸馏对于液体混合物 通过改变状态 如加热气化 使混合物造成两相 它是利用不同组分挥发性的差异 进行分离 3 固体干燥对含一定湿分 水或其它溶剂 的固体提供一定的热量 使溶剂汽化 利用湿分压差 使湿分从固体表面或内部转移到气相 从而使含湿固体物料得以干燥 8 1 1化工生产中的传质过程 4 液 液萃取向液体混合物中加入某种溶剂 利用液体中各组分在溶剂中溶解度的差异分离液体混合物 在其分离过程中 溶质由一液相转移到另一液相 5 结晶对混合物 蒸汽 溶液或熔融物 采用降温或浓缩的方法使其达到过饱和状态 析出溶质 得到固体产品 6 吸附利用多孔固体颗粒选择性地吸附混合物 液体或气体 中的一个组分或几个组分 从而使混合物得以分离 其逆过程为脱附过程 7 膜分离利用固体膜对混合物中各组分的选择性渗透从而分离各个组分 8 1 2气体吸收过程 吸收过程 利用混合气中各组分在溶剂中溶解度差异而使气体混合物中各组分分离的单元操作称为吸收过程 录相解说 吸收设备 录相解说 8 1 2气体吸收过程 溶质 混合气体中 能够显著溶解的组分称为溶质或吸收质 以A表示 惰性组分 不被溶解的组分称为惰性组分 惰气 或载体 以B表示 吸收剂 吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂 以S表示 吸收液 吸收操作中所得到的溶液称为吸收液或溶液 其主要成份为溶质A和溶剂S 吸收尾气 吸收后排出的气体称为吸收尾气 其主要成份是惰性气体B及残余的溶质A 8 1 2气体吸收过程 解吸 吸收的逆过程 使溶质从液相转移到气相的过程 吸收流程 8 1 3吸收操作必须解决的问题 选择合适的溶剂 使能选择性地溶解某个 或某些 被分离组分 提供适当的传质设备 多为填料塔 也有板式塔 以实现气液两相的接触 使被分离组分得以从气相转移到液相 吸收 或气相 解吸 溶剂的再生 即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用 一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和溶剂再生 如解吸 两个组成部分 8 1 4气体吸收过程的应用 1 制造成品 生产三酸 盐酸 硝酸 硫酸 肥料 碳酸氢铵 2 原料气净化 合成氨中水煤气 N2 H2 CO2 8 1 4气体吸收过程的应用 3 环境保护 废气处理 当今最热门的课题 染料厂 臭皮蛋味HBr钢铁厂 红烟SO2化肥厂 黄烟NO2 4 回收有用物质 焦化厂焦炉煤气中苯的回收注意 实际过程往往同时兼有净化与回收双重目的 8 1 5吸收操作的依据 结论 若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大 吸收的选择性越好 思考 吸收操作的依据是什么 气体混合物各组分在某种溶剂 吸收剂 中溶解度 或化学反应活性 的不同 8 1 5吸收操作的依据 例子 气相 混合气体 氨 其它气体 溶质 惰性气体 A B液相 溶液 水 氨 溶剂 吸收剂 溶质 S A 8 1 6吸收剂的选用 吸收剂性能往往是决定吸收效果的关键 在选择吸收剂时 应从以下几方面考虑 1 溶解度溶剂应对被分离组分 溶质 有较大的溶解度 或者说在一定的温度与浓度下 溶质的平衡分压要低 2 选择性溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小 即溶剂应具备较高的选择性 3 溶解度对操作条件的敏感性溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感 8 1 6吸收剂的选用 4 挥发度溶剂的蒸汽压要低 不易挥发 5 化学稳定性溶剂应有较好的化学稳定性 以免使用过程中发生变质 6 粘性溶剂应有较低的粘度 不易产生泡沫 以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离 7 腐蚀性吸收剂腐蚀性应尽可能小 以减少设备费和维修费 8 其它溶剂应尽可能满足价廉 易的 无毒 不易燃烧等经济和安全条件 实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求 应对可供选择的溶剂做全面的评价 以便作出经济 合理的选择 8 1 7吸收操作的经济性 吸收总费用 设备 塔 换热器等 折旧费 操作费 占比重大 操作费用主要包括 气 液两相流经吸收设备的能量消耗 溶剂的挥发损失和变质损失 溶剂的再生费用 即解吸操作费用 优化设计 8 1 8吸收过程的分类 1 物理吸收和化学吸收物理吸收 在吸收过程中溶质与溶剂不发生显著化学反应 如洗油吸收苯 水吸收CO2 SO2等 化学吸收 在吸收过程中 溶质与溶剂发生显著化学反应 如用K2CO3水溶液吸收CO2 作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件 a 可逆性 b 较高的反应速率 8 1 8吸收过程的分类 2 单组分吸收与多组分吸收单组分吸收 在吸收过程中 混合气体中只有一个组分被吸收 其余组分可认为不溶于吸收剂 多组分吸收 混合气体中有两个或多个组分进入液相 3 等温吸收与非等温吸收等温吸收 气体溶于液体中时常伴随热效应 若热效应很小 或被吸收的组分在气相中的浓度很低 而吸收剂用量很大 液相的温度变化不显著 则可认为是等温吸收 非等温吸收 若吸收过程中发生化学反应 其反应热很大 液相的温度明显变化 则该吸收过程为非等温吸收过程 8 1 8吸收过程的分类 4 低浓度吸收与高浓度吸收高浓度吸收 通常根据生产经验 规定当混合气中溶质组分A的摩尔分数大于0 1 且被吸收的数量多时 称为高浓度吸收 低浓度吸收 如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于0 1时 吸收称为低浓度吸收 低浓度吸收的特点 1 气液两相流经吸收塔的流率为常数 2 低浓度的吸收可视为等温吸收 本章重点研究低浓度 单组分 等温的物理吸收过程 8 1 9气 液两相接触方式 按气 液两相的接触方式的不同可将吸收设备分为级式接触和微分接触 级式接触 气体与液体为逐级逆流接触 典型设备板式塔 微分接触 液体自塔顶均匀淋下并沿填料表面下流 气体通过填料间的空隙上升与液体作连续的逆流接触 典型设备填料塔 8 1 10定态和非定态操作 在工业上 两种形式的塔设备大多情况均为连续操作 即设备内的参数都不随时间变化 称为定态连续过程 当然也可以是间歇操作的非定态过程 很少见 故后面除特殊说明外 均指连续定态操作 本章所作的基本假定 单组分吸收 其余组分可视为一个惰性组分 溶剂的蒸汽压很低 因此气相中不含溶剂蒸汽 本节小结 8 2气液相平衡 吸收 传质 与传热两个过程的相似处 传热与吸收过程均由三步构成 两个过程也有不同处 传热的推动力是两流体的温度差 过程的极限是两流体的温度相等 吸收的推动力不是两相的浓度差 过程的极限也不是两相的浓度相等 气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡 8 2 1相组成表示法 1 质量分率与摩尔分率质量分率 质量分率是指在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分率 对于混合物中的A组分有 8 2 1相组成表示法 摩尔分率 摩尔分率是指在混合物中某组分的摩尔数nA占混合物总摩尔数n的分率 对于混合物中的A组分有 气相 液相 8 2 1相组成表示法 质量分率与摩尔分率的关系为 8 2 1相组成表示法 2 质量比与摩尔比质量比 混合物中某组分A的质量与惰性组分B 不参加传质的组分 的质量之比 其定义式为 摩尔比 混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B 不参加传质的组分 的摩尔数之比 其定义式为 8 2 1相组成表示法 质量分率与质量比的关系为 摩尔分率与摩尔比的关系为 8 2 1相组成表示法 3 质量浓度与摩尔浓度质量浓度定义为单位体积混合物中某组分的质量 摩尔浓度是指单位体积混合物中某组分的摩尔数 8 2 1相组成表示法 质量浓度与质量分率的关系为 摩尔浓度与摩尔分率的关系为 cM 混合物在液相中的总摩尔浓度 混合物液相的密度 8 2 1相组成表示法 4 气体的总压与理想气体混合物中组分的分压 摩尔比与分压之间的关系为 摩尔浓度与分压之间的关系为 总压与某组分的分压之间的关系为 8 2 2关于相平衡的几个基本概念 平衡状态 在一定压力和温度下 使一定量的吸收剂与混合气体充分接触 气相中的溶质便向液相溶剂中转移 经长期充分接触之后 液相中溶质组分的浓度不再增加 此时 气液两相达到平衡 此状态为平衡状态 饱和浓度 气液平衡时 溶质在液相中的浓度为饱和浓度 溶解度 平衡分压 气液平衡时 气相中溶质的分压为平衡分压 相平衡关系 平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系 8 2 2关于相平衡的几个基本概念 溶解度曲线 气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线 易溶气体 溶解度大的气体如NH3等称为易溶气体 难溶气体 溶解度小的气体如O2 CO2等气体称为难溶气体 溶解度适中的气体 介乎其间的如SO2等气体称为溶解度适中的气体 8 2 3平衡溶解度 溶解度曲线对单组分物理吸收的物系 根据相律有 自由度数F C 2C 3 溶质A 惰性组分B 溶剂S 2 气 液两相 即在温度t 总压p 气 液相组成共4个变量中 有3个自变量 独立变量 另1个是它们的函数 故可将平衡时溶质在气相中的分压pe表达为温度t 总压p和溶解度x的函数 F 3 2 2 3 8 2 3平衡溶解度 有关气液相平衡关系的理论还不够完善 故上述平衡关系的具体函数形式还不能从理论上推出 一般是针对具体物系进行实验测定 实验表明 当总压不太高 一般p 0 5MPa 时 p对平衡的影响可以忽略 而温度t对平衡的影响颇大 温度一定时 有 8 2 3平衡溶解度 p 0 5MPa时总压对pe x的对应关系的影响可略去 t 同一pe下x 或同一x下pe pe x图直接反映了相平衡的本质 气相组成用分压表示直观 可直截了当地用以思考与分析 思考 图8 3pe x关系曲线为何不指定总压 8 2 3平衡溶解度 当总p 气相中溶质y一定时 吸收温度下降 溶解度大幅度提高 吸收剂常常经冷却后进入吸收塔 p变 y pe p变 y x溶解度曲线的位置不同 思考 图8 4y x关系曲线为何要指定总压 8 2 3平衡溶解度 在一定的温度下 气相中溶质组成y不变 当总压p增加时 在同一溶剂中溶质的溶解度x随之增加 这将有利于吸收 故吸收操作通常在加压条件下进行 图8 520 下SO2在水中的溶解度 结论 加压和降温有利于吸收操作过程 而减压和升温则有利于解吸操作过程 8 2 3平衡溶解度 亨利定律内容 总压不高 譬如不超过5 105Pa 时 在一定温度下 稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比 其比例系数为亨利系数 数学表达式 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率 不同的表达形式 8 2 3平衡溶解度 pe Ex讨论 1 E值随物系和温度而变化t 则E 而溶解度 对不同气体 E愈大 则愈难溶 2 该公式也可表示为 xe pA E3 对理想溶液 符合拉乌尔定律 pA pA0 x此时E pA0 8 2 3平衡溶解度 pe Hcpe 溶质在气相中的平衡分压 kPac 单位体积溶液中溶质的摩尔数 摩尔浓度 kmol m3H 溶解度系数 kPa m3 kmol讨论 1 H值随物系和温度而变化t 则H 则溶解度减小对不同气体 H小者 则易溶 2 该公式也可表示为 ce pA H 8 2 3平衡溶解度 3 H和E的关系 E HcMcM 混合液的总浓度 kmol m3cM m Mm m 混合液的平均密度 kg m3Mm 溶液摩尔质量 kg kmol 8 2 3平衡溶解度 ye mxye 与液相成平衡的气相中溶质摩尔分率x 液相中溶质的摩尔分率m 相平衡常数 无因次讨论 1 m随物系 温度 压强而变化t m 则溶解度 对不同气体 m大者 难溶2 该式也可表示为 xe y m 8 2 3平衡溶解度 3 m和E的关系 由分压定律 pe pye而pe Ex代入pye Ex ye xE p m E p故p 则m 有利于吸收 8 2 3平衡溶解度 练习 某系统温度为10 总压101 3kPa 试求此条件下在与空气充分接触后的水中 每立方米水中溶解了多少克氧气 例8 1 注意点 平衡数据a换算成x y x曲线与总压有关 8 2 4相平衡与吸收过程的关系 判别过程的方向问题 设在101 3kPa 20 下稀氨水的相平衡方程为ye 0 94x 使含氨摩尔分数0 1的混合气与x 0 05的氨水接触 会发生什么 思考 若使y 0 048的混合气与x 0 05的氨水接触 情况又将如何 8 2 4相平衡与吸收过程的关系 小结 8 2 4相平衡与吸收过程的关系 8 2 4相平衡与吸收过程的关系 指明过程的极限 塔高 吸收剂用量 即使塔无限高 吸收剂用量很少 也不会无限增大 反之 当塔高 吸收剂用量 即使塔高无限高 吸收剂用量很大 也不会无限减小 图8 7吸收过程的极限 计算过程的推动力 推动力 注意推动力 y x 例题 在总压101 3kPa 温度30 的条件下 SO2摩尔分率为0 3的混合气体与SO2摩尔分率为0 01的水溶液相接触 试问 1 从液相分析SO2的传质方向 2 从气相分析 其它条件不变 温度降到0 时SO2的传质方向 3 其它条件不变 从气相分析 总压提高到202 6kPa时SO2的传质方向 并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力 8 3扩散和单相传质 溶质由气相主体传递到两相界面 即气相内的物质传递 溶质在相界面上的溶解 由气相转入液相 即界面上发生的溶解过程 溶质自界面被传递至液相主体 即液相内的物质传递 在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题 过程的极限和过程的速率 吸收过程涉及两相间的物质传递 它包括三个步骤 8 3扩散和单相传质 物质传递的机理包括两种 分子扩散类似于传热中的热传导 是分子微观运动的宏观统计结果 混合物中存在温度梯度 压强梯度及浓度梯度都会产生分子扩散 本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率 8 3扩散和单相传质 对流传质在流动的流体中不仅有分子扩散 而且流体的宏观流动也将导致物质的传递 这种现象称为对流传质 是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散 发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质 工业吸收过程多数是定态过程 以下仅讨论定态条件下双组分物系的分子扩散和对流传质 双组分A 被吸收 B 惰性组分 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 在恒温恒压下 一维分子扩散速率可用费克定律表达如下 只要混合物中存在浓度梯度 就会产生分子扩散 费克定律 负号 表示扩散方向与浓度梯度方向相反 扩散沿着浓度降低的方向进行 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 对双组分混合物 在总浓度 对气相也可说总压 各处相等 即 常数的前提下 也有 双组分混合物 前提为CM常数 对气压为总压P不变 总浓度 静止或层流气层 膜 气相主体 液相主体 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 分子扩散与主体流动 气液相界面只允许溶质A溶解通过 惰性气体B不能溶解通过 也不允许溶剂S逆向汽化通过 由于界面处A组分不断地溶解被吸收 A组分存在浓度梯度 其方向指向A组分浓度高的方向为正 而A组分的分子扩散方向与其相反 朝界面扩散 惰性气体B组分由于不能被液体吸收 故B组分在相界处的浓度高于气相主体 B组分存在浓度梯度 其方向指向B组分浓度高的方向为正 而B组分的分子扩散方向与其相反 朝气相主体扩散 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 当液相能以同一速率向界面供应B组分时 界面处保持恒定 则 这种情况属于等分子反向扩散 下一章精馏属于这种情况 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 吸收过程液相不存在B组分 不可能向界面提供B组分 故吸收过程所发生的是组分A的单向扩散 而不是等分子反向扩散 等分子反向扩散 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 主体流动 由于界面处组分A被液体吸收及组分B反向扩散离开界面 都将导致截面处气体总压降低 使气相主体与界面之间产生微小压差 这一压差必然促使混合气体向界面流动 此流动称为主体流动 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 主体流动的特点 1 因分子本身扩散引起的宏观流动 2 A B在总体流动中方向相同 流动速度正比于摩尔分率 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 主体流动与扩散流 或 的区别 1 分压差造成分子扩散流 总压差造成总体流动 2 扩散流是分子微观运动的宏观结果 它所传递的是纯组分A或纯组分B 主体流动系宏观运动 它同时携带组分A与B流向界面 在定态条件下 主体流动所带组分B的量必恰好等于组分B反向扩散的量 以使保持恒定 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 主体流动的结果 因气相主体与界面间的微小压差便足以造成必要的主体流动 因此气相各处的总压 或 仍可认为基本上是相等的 即的前提依然成立 思考 总压相等和总压差引起流动是否是矛盾的呢 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 通过静止或层流气膜中与界面平行的任一静止平面PQ的物流由三个 两个扩散流和 及一个主体流动 设通过静止考察平面PQ的净物流为N 对平面PQ作总物料衡算可得 3 分子扩散的速率方程 上式说明 尽管主体流动与净物流的含义不同 但主体流动的速率NM与净物流速率N必相等 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 为了求出组分A因分子扩散和主体流动而造成的传质速率 可在平面PQ处对组分A作物料衡算得 式中 因组分A存在浓度梯度引起的分子扩散速率 主体流动中A所占的传递速率 一般情况下 对双组分物系 净物流速率N即包括组分A也包括组分B 即 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 由于主体流动乃因分子扩散而引起的一种伴生流动 因而包括主体流动在内的组分A的传递速率NA仍可理解为分子扩散所造成的总的宏观结果 分子扩散速率方程 4 分子扩散速率的积分式 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 等分子反向扩散 精馏 等分子反向扩散时没有净物流 因而也无主体流动 令 扩散距离 积分上式得 上式对气相或液相均适用 它表明等分子反向扩散时组分A的浓度分布为一直线 对气相有 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 单向扩散 吸收 吸收过程主体流动所带组分B的量必等于组分B反向分子扩散的量 故惰性组分B的净传递速率 可改写为 令 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 表示单向扩散时组分A的浓度分布为一对数函数 则 故 对气相有 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 漂流因子 数 无量纲 物理意义 反映了主体流动对传质速率的影响 其大小反映了主体流动对传质速率的影响程度 其值为主体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数 8 3 1双组分混合物中的分子扩散 漂流因数的影响因素 浓度高 漂流因数大 总体流动的影响大 低浓度时 漂流因数近似等于1 总体流动的影响小 8 3 2扩散系数 1 扩散系数D1 物理意义 表征物质分子由于运动产生的扩散能力大小的物性参数 3 影响因素 a 和介质有关 b 和温度有关 c 和压力有关4 D的来源 a 经验数据 b 半经验公式计算 c 实验测定 表示浓度梯度为1时 溶质的扩散通量 2 单位 8 3 2扩散系数 2 组分在气体中的扩散系数表8 1列出总压在101 3kPa下某些气体在空气中的扩散系数数值 由表可见气体扩散系数的值约为 经分子运动论的理论推导与试验修正 可以得到估算气体扩散系数的半经验式 如下 对一定物系气体D与绝对温度T的1 81次方成正比 与压强P成反比 例8 2气相扩散系数的测定 在图 所示的垂直细管中盛以待测组分的液体 该组分通过静止气层z扩散至管口被另一股气流 带走 紧贴液面上方组分 的分压为液体 在一定温度下的饱和蒸气压 管口处 的分压可视为零 组分 的汽化使扩散距离z不断增加 记录 与z的关系即可计算 在 中的扩散系数 求 在101 3kPa 48 下测定CCl4在空气中的扩散系数 解 通过静止气体层的扩散为单向扩散 且为一非定态过程 但因扩散距离z的变化缓慢 故可作为拟定态处理 扩散速率可用式 8 22 表示 8 3 2扩散系数 求D必须知道 设汽化时间为 则的汽化速率也可用液面高度变化的速率表示 即 8 3 2扩散系数 所以 8 3 2扩散系数 9 12 10 6m2 s注意 本题的难点在何处 本解法与书本解法的区别在何处 8 3 2扩散系数 2 组分在液体中的扩散系数表8 3列出了某些物质在液体中的扩散系数 由于液体中的分子要比气体中的分子密集的多 可以预计其扩散系数要比气体中的扩散系数小的多 由表8 3知 液体中的扩散系数的数量级约为10 5cm2 s 为气相中的万分之一 气相约10 1 1cm2 s 由于液体中的扩散在理论上还不成熟 用半经验式估算流体扩散系数不如气体可靠 此外 液体中组分的浓度对扩散系数由很大的影响 对很稀的非电解溶液可按下式估算 D与T成正比 与粘度成反比 由此式可以看出 8 3 3对流传质 1 对流对传质的贡献对流传质 流动流体与相界面之间的物质传递 流体的流动加快了相内的物质传递 8 3 3对流传质 层流流动 8 3 3对流传质 此时溶质A组分再垂直于流动方向上的传质机理仍为分子扩散 但流动改变了横截面MN上的浓度分布 以气相与相界面的传质为例 组分A的浓度分布由静止气体的直线1变为曲线2 根据分子扩散速率方程式 由于相界面出浓度梯度变大 强化了传质 8 3 3对流传质 湍流流动大多数传质设备中流体的流动都属于湍流 湍流主体中流体产生大量的漩涡 引起流体质点间的剧烈混合 促进了横向 传质方向 的物质传递 流体主体的浓度分布被均化 浓度分布如曲线3所示 界面处的浓度梯度进一步变大 在主体浓度与界面浓度差相等的情况下 传质速率得到进一步的提高 8 3 3对流传质 2 传质速率对流传质现象极为复杂 以湍流流动为例 在湍流主体中存在大量漩涡 传质主要靠涡流扩散 靠近界面附近有一层很薄的层流底层 传质主要靠分子扩散 在湍流主体和层流底层之间的过渡区漩涡扩散和分子扩散都存在 对流扩散速率可仿照分子扩散的速率写成 DE不像D那样是物性参数 它与流体的湍动程度有关也与流体质点的位置有关 难于用试验的方法测定 故上面的表达式形式好看但不好用 因而不能代入表达式中积分求出对流传质速率 怎么办 8 3 3对流传质 目前一般是仿照对流给热 将对流传质速率方程写成类似于牛顿冷却定律或的形式 即认为正比于流体主体浓度与界面浓度之差 但与对流传热不同的是气液两相的浓度都可用不同的单位表示 所以可写成多种形式 以分压差表示推动力的气相传质系数 气相与界面间的 式中 8 3 3对流传质 摩尔分数差表示推动力的气相传质系数 或 界面与液相间的NA 以浓度差表示推动力的液相传质系数 8 3 3对流传质 以摩尔分数差表示推动力的液相传质系数 或 比较以上各式可得出 8 3 3对流传质 上述处理方法实际上是将一组流体主体浓度和界面浓度之差作为对流传质的推动力 而将影响对流传质的众多因素包括到气相 或液相 传质系数中 思考 如何得到各种具体条件下的传质系数 8 3 3对流传质 3 传质系数的无因次关联式 找出影响传质系数的因素 式中d为定性尺寸 D为扩散系数 对各变量的因次进行分析 得出无因次数群的函数表达式 由试验测定函数的定量关系 对降膜式吸收器 8 3 3对流传质 然而 实际使用的传质设备形式各样 各种填料塔和板式塔 塔内流动情况十分复杂 两相的接触界面也往往难以确定 这使对流传质分系数 气相或液相 的一般准数关联式远不及传热那样完善和可靠 同学们以后设计塔设备时要查阅有关的文献资料找出自己的设计条件相近的传质系数关联式 有条件应通过试验测定 8 3 4三传 质量 动量 热量传递 类比 三传之间彼此有些类似的规律可进行类比研究 自学 8 3 5对流传质理论 上述关于对流传质问题的处理方法是基于因次分析的试验法 并未对对流传质过程做理论上的探讨 为了揭示对流传质系数的物理本质 从理论上说明各因素对它的影响 不少研究者采用数学模型法加以研究 提出了多种传质模型 我们先简要回顾上学期学过的数学模型法的主要研究步骤 8 3 5对流传质理论 将复杂的真实过程本身简化成易于用数学方程式描述的物理模型 对所得到的物理模型进行数学描述即建立数学模型 通过试验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数 不同的研究者对过程的理解不同从而导出不同的模型 下面简要介绍三个重要的传质模型 8 3 5对流传质理论 1 有效膜理论 惠特曼Whitman 1923年 物理模型惠特曼对复杂的对流传质过程作如下简述 a 气液相界面两侧各存在一层静止的或作层流流动的气膜和液膜 其厚度分别为和 气相或液相主体内由于流体高度湍动混合均匀故不存在浓度差 所有浓度差集中于有效气膜和液膜内 故气相和液相的传质阻力也全部集中于该两层有效膜内 b 静止或层流有效膜中的传质是定态的分子扩散 8 3 5对流传质理论 8 3 5对流传质理论 数学模型 根据上述有效膜物理模型 通过膜的扩散为分子扩散 且吸收为单向扩散 故分别可用式 8 22 和式 8 20 描述气膜和液膜的传质情况 气膜 式中 8 3 5对流传质理论 液膜 式中 8 3 5对流传质理论 试验测定模型参数 中分别包含了待定的参数与 既有效膜的厚度 称之为数学模型参数 需由试验测定 如果该模型能有效地反映过程的实质 那么 应主要取决于流体的流动状况 流体湍动越剧烈 膜厚度越薄 反之亦然 而与溶质组分A的扩散系数D无关 然而以上两式预示均正比于D 而试验结果表明 两者不符合 若为了与试验结果相吻合 有效膜厚度不仅与流动状况有关 而且与扩散系数D有关 这样 不是实际存在的有效膜厚度 而是一种虚拟的或当量的膜厚 从而失去了该膜型应具有的理论含义 8 3 5对流传质理论 有效膜提出的意义 有效膜厚 是个虚拟的厚度 但它与层流内层厚度存在一对应关系 流体湍流程度愈剧烈 层流内层厚度愈薄 相应的有效膜厚 也愈薄 对流传质阻力愈小 8 3 5对流传质理论 溶质渗透理论 希格比Higbie 1935年 希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合 使液体的浓度均匀化 在时间内 液相中发生的不再是定态的扩散过程 而是非定态的扩散过程 根据上述假设经数学描述得到 与试验结果较吻合 但溶质渗透时间难以测定 溶质渗透理论的主要贡献是放弃了定态扩散的观点 采用了非定态过程的解析方法 并指出了液体定期混合对传质的作用 8 3 5对流传质理论 表面更新理论 丹克沃茨Danckwerts 1951年 丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新 即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中 这种界面的不断更新使传质过程大大强化 其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处 现通过表面更新 深处的液体就有机会直接与气体接触以接受溶质 定义S为表面更新频率 经过数学描述并求解得到 与试验结果较吻合 但S难求 综上所述 溶质渗透理论和表面更新理论比有效膜理论更接近实际情况 但或S难以测定 将它们用于传质过程的设计仍有一段距离 故目前用于传质设备设计主要还是有效膜理论 8 4相际传质 溶质从一个相转移到另一个相称为相际传质或两相间的传质 解决吸收过程相际传质速率问题目前常用双膜模型 1 双膜模型 8 4 相际传质速率 8 4 相际传质速率 双膜模型的要点如下 在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面 界面两侧分别存在着一个很薄的有效层流气膜和液膜 被吸收的溶质组分只能以分子扩散的方式通过这两层膜 气相和液相的浓度变化 即推动力 及阻力均分别分布在这两层膜中 故 气相与界面 气相传质推动力 气相传质阻力 界面与液相 液相传质推动力 液相传质阻力 8 4 相际传质速率 8 4 相际传质速率 相界面上不存在传质阻力 所需传质推动力等零 即在界面上气 液两相浓度成平衡 对稀溶液 通过原点的直线 或在计算范围内平衡线近似为直线 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 溶质主要以涡流扩散的形式传质 2 相际传质速率方程 既然我们讨论的是定态传质问题 气相与界面间的传质速率应等于界面与液相的传质速率 即 为消去界面浓度 上式最右端分子分母均乘以m 并将串联过程的推动力和阻力加和即得 对稀溶液 则 吸收总推动力 吸收总阻力 令 总阻力 气膜阻力 液膜阻力 符合双膜模型 以气相摩尔分数差为总推动力的总传质系数 思考 若平衡关系为 上式成立否 为什么 吸收总推动力 吸收总阻力 比较的表达式可知 为得到以 xe x 为总推动力的总传质 相对传质 速率方程 该如何处理 8 4 相际传质速率 解吸时总推动力与吸收相反 但总传质系数与吸收相同 你能导出解吸时的总传质 相际传质 速率方程吗 8 4 相际传质速率 由于传质速率方程中的传质系数可用总传质系数或某一相的分传质系数两种方法表示 相应的推动力也有总推动力或某一相的推动力两种 而气液相的浓度又可以用不同的方法表示 相平衡方程亦有不同的表达形式 故传质速率方程也有多种形式 表8 4列出了几种常用的速率方程 使用时应特别注意不同的推动力应对应于不同的传质系数 8 4 2传质阻力的控制步骤与界面含量 从前面根据双膜模型导出的结果可知总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和 即 1 气膜阻力控制 传热传热速率需设法提高小的以减小传热阻力类似 易溶气体溶解度大 平衡线斜率m小 其吸收过程往往是气膜阻力控制 如用水吸收氨 氯化氢 用浓硫酸吸收水蒸汽等均为气膜控制 时 即 此时的传质阻力主要集中于 气膜 称这种情况为 气膜阻力控制 显然 对于气膜阻力控制的吸收过程 欲提高传质速率 在选择设备形式及确定操作条件时需设法提 高以 减小气膜阻力 如气体流率 这与对流传热时为提高 8 4 2传质阻力的控制步骤与界面含量 2 液膜阻力控制 当 时 即 此时的传质阻力主要集中于液膜 称这种情况为 液膜阻力控制 显然 对于液膜阻力控制的吸收过程 欲 提高传质速率 在选择设备形式及确定操作条件时需设法提高 以减小气 膜阻力 如液体流率 难溶气体溶解度小 平衡线斜率m 大 其吸收过程多为液膜控制 如用水吸收等均为液膜控制 用水吸收及丙酮蒸汽 气膜阻力和液膜阻力各占一定比例 此时应同时设法减小气膜阻力和液膜阻力 传质速率才会有明显提高 我们称这种情况为 双膜控制 例题 已知 传质总压P 314kPa y 1 07kmol m2 h x 22kmol m2 h 气液平衡关系 pe 1 07 104x kPa 求 1 Ky和Kx2 液相中的扩散阻力为气相中的若干倍 例题 在总压为101 3kPa 温度为303K下用水吸收混合气体中的氨 操作条件下的气液平衡关系为y 1 20 x 已知气相传质系数ky 5 31 10 4kmol m2 s 液相传质系数kx 5 33 10 3kmol m2 s 并在塔的某一截面上测得氨的气相摩尔分数y 0 05 液相摩尔分数为x 0 012 1 以 表示的传质总推动力及相应的传质速率 总传质系数 2 气液界面上两相的摩尔分数 3 分析该过程的控制因素 8 5低含量气体吸收 本节以连续接触操作的填料塔为例 介绍吸收塔的设计型和操作型计算 设计型和操作型计算的依据 8 5 1吸收过程的数学描述 以逆流填料吸收塔为例 如右图所示 式中 G 为塔截面积 为传质面积 单位填料体积内具有的有效吸收表面积 填料层高度 8 5 1吸收过程的数学描述 1 低含量气体吸收的特点 G L可视为常量 吸收过程是等温的 不必进行热量衡算 传质系数为常量低含量气体吸收的上述特点将使计算过程大为简化 2 全塔物料衡算 8 5 1吸收过程的数学描述 3 物料衡算和传递速率的微分表达式 对气相 对液相 以微元塔段为控制体作物料衡算 忽略控制体两断面轴向的分子扩散 气体中组分A减少的量 被传递到液相中的量 8 5 1吸收过程的数学描述 4 传质速率积分式 低浓度气体吸收过程的基本方程式 8 5 1吸收过程的数学描述 5 传质单元数与传质单元高度 令 分别为气相 液相总传质单元高度 m 分别为气相 液相总传质单元数 无因次 8 5 1吸收过程的数学描述 根据上述定义 吸收塔填料层高度可以表达为 填料层高度 传质单元高度 传质单元数 传质单元数 的大小反映吸收过程进行的难易程度 它只与物质的相平衡以及进 出口含量条件有关 与设备的型式 设备中的操作条件无关 传质单元高度可理解为完成一个传质单元所需的填料层高度 是吸收设备效能高低的反映 它与设备的型式 设备中的操作条件有关 思考 传质单元高度和传质单元数的物理意义代表什么呢 8 5 1吸收过程的数学描述 由于NA有不同的表达形式 H塔高由不同的表达形式 见表8 5 8 5 2操作线 1 操作线 吸收塔内气 液组成沿塔高的变化受物料衡算式的约束 为求得逆流吸收塔任一截面上相互接触的气液组成y与x的关系 可在塔顶与任一截面间作溶质A的物料衡算 得 或 同理 在塔底与任一截面间作物料衡算 可得 8 5 2操作线 线上任意一点M的坐标代表塔内某一截面上气 液两相的组成 结论 吸收塔内推动力的变化规律是由操作线与平衡线共同决定的 8 5 2操作线 1 定态 L G y1 y2恒定 操作线x y坐标上为一直线 斜率为L G L G为吸收操作的液气比 2 操作线通过塔顶 稀端 A x2 y2 及塔底 浓端 B x1 y1 3 操作线仅与液气比 浓端及稀端组成有关 与系统的平衡关系 塔型及操作条件T p无关 4 吸收操作线在平衡线的上方 解吸操作线在平衡线下方 5 平衡线与操作线共同决定吸收推动力 操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大 逆流吸收操作线的特点小结 8 5 2操作线 思考 并流吸收塔操作线方程及操作线形式怎样 思考 解吸塔操作线位置在什么地方 8 5 3传质单元数的计算方法 1 操作线与推动力的变化规律 平衡线为直线 为了积分求出 必须找到推动力和分别随气液组成y和x的变化规律 在吸收塔内推动力的变化规律式由操作线与平衡线共同决定的 以低含量逆流吸收塔为例 操作线AB为直线 若平衡线亦为直线 则和随y和x呈线性变化 其变化率为常数 可用塔底和塔顶的端值表示 即 8 5 3传质单元数的计算方法 2 平衡线为直线 时的对数平均推动力法 令 则 注 该方法必须知道出塔液相浓度x1 令 则 思考 以上对数平均推动力法均以逆流为例导出 对并流吸收塔是否适用 8 5 3传质单元数的计算方法 除对数平均推动力法之外 为计算传质单元数 可将相平衡关系与操作线方程代入传质单元数的定义式中直接积分求解 3 吸收因数法 也用于平衡线是直线型 8 5 3传质单元数的计算方法 该式包括 三个数群 可将其绘制成图8 22 p32 由图可看出 1 A的意义 反映了吸收过程推动力的大小 为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值 称为解吸因数 A为吸收因素 8 5 3传质单元数的计算方法 a 当S一定时 即吸收要求 b 若一定 这说明S值大时对吸收不利 故称S为解吸因素 反之故A越大 对吸收越有利 故称A为吸收因素 c 定量计算不用该图 查阅不准确 但定性分析该图很有用 8 5 3传质单元数的计算方法 塔底与任一截面间的物料衡算导出的操作线方程 有时要求判断x1的变化趋势 须导出与x1有关的NOL 或NOG 以NOL为例 记住 此公式在吸收操作型问题定性分析中有用 8 5 3传质单元数的计算方法 思考 若平衡关系为ye mx b的形式 吸收因数法NOG NOL的表达式形式如何 8 5 3传质单元数的计算方法 平衡关系为曲线时 m为变量 一般取一平均的m 将Ky视为常数 则为某一平均值移出积分号外 有 4 平衡关系为曲线时传质单元数的求法 图解法或数值积分法 然后用图解法或数值积分法求出 此法误差大 8 5 3传质单元数的计算方法 图解法 1 由塔顶T到塔底B由操作线向平衡线作垂线 TT BB 皆为推动力y ye 2 找出各推动力线中点连接成NM曲线 3 由T作水平线交NM于F 延长TF到FF 使TF FF 由FF 作垂线交操作线于H成一个 梯级 4 再由H作水平线 同前 5 一直做到超出塔底B点为止 6 则 个数即为NOG 8 5 3传质单元数的计算方法 数值积分法 8 5 3传质单元数的计算方法 小结 1 以上四种方法 最常用的是吸收因数法和对数平均推动力法 2 吸收因数法可不需要求出塔液浓度x1 较为方便 但它不适合S 1 A 1 即两线平行时 此时可用平均推动力法 即可用塔任一端的推动力代替全塔平均推动力 8 5 3传质单元数的计算方法 易溶气体 气膜控制 可视为常数移出积分号外 用图解或数值积分法求 难溶气体 液膜控制 可视为常数移至积分号外 用图解积分或数值积分求 5 几种特殊情况的近似求法 8 5 3传质单元数的计算方法 中等溶解度气体 双膜控制 例如水吸收SO2 平衡线为曲线 m为变量 此时用下式求H 联立解出值 然后图解积分或数值积分求 8 5 4吸收塔的设计型计算 1 吸收计算基本类型与基本关系式 2 流向的选择 3 吸收剂进口浓度的选择及其最高允许浓度 4 吸收剂用量的选择和最小液气比 要求重点掌握 5 塔内返混的影响 6 吸收剂再循环 8 5 4吸收塔的设计型计算 1 吸收计算基本类型与基本关系式 基本类型 设计型计算 求H 操作型计算 H已知 基本关系式全塔物料衡算式 相平衡方程式 曲线 直线 或 8 5 4吸收塔的设计型计算 吸收过程基本方程式 或 变量数 或 共9个 关系式 3个 还需给出5个独立变量才能求出另1个应变量 通常 为已知 量 或 视不同的题型可以是已知量 亦可为待 求量 8 5 4吸收塔的设计型计算 有时题目不是给出值 而是用吸收率 也称回收率 表示分离程度 定义如下 则 分离要求 传质单元高度的值约为0 15 1 5 具体数值须由实验测定 或由试验得到或的关联式求或 这将在传质设备一章 详述 中 在本章 或 及 或 均为已知值或根据已知条 件易求出 故计算H的问题主要在于传质单元数的计算 8 5 4吸收塔的设计型计算 2 流向的选择逆流 气体由塔底通入 从塔顶排出 而液体则靠自重由上而流下 并流 气液同向 逆流操作与并流操作的比较 逆流操作与并流的气液两相进 出口组成相等的条件下逆流操作的优点 1 逆流操作可获得较大的吸收推动力 从而提高吸收过程的传质速率 8 5 4吸收塔的设计型计算 2 逆流操作吸收液从塔底流出之前与入塔气接触 则可得到浓度较高的吸收液 3 逆流吸收操作吸收后的气体从塔顶排出之前与刚入塔的吸收剂接触 可使出塔气体中溶质的含量降低 提高溶质的吸收率 所以工业上多采用逆流吸收操作 注意 在逆流操作过程中 液体在向下流动时受到上升气体的曳力 这种曳力过大会妨碍液体顺利流下 因而限制了吸收塔的液体流量和气体流量 m很小时 溶解度很大 逆流 并流均可采用 8 5 4吸收塔的设计型计算 3 吸收剂进口浓度的选择及其最高允许浓度分析过程 当气 液两相流量及溶质吸收率一定时 若吸收剂进口浓度过高 吸收过程的推动力减小 则吸收塔的塔高将增加 使设备投资增加 若吸收剂进口浓度太低 吸收剂再生费用增加 所以吸收剂进口浓度的选择是一个总费用的优化问题 通常往往结合解吸过程确定 8 5 4吸收塔的设计型计算 除了上述经济方面的考虑 还有一个技术上的限制 所选吸收剂进口含量x2必须低于x2e才有可能达到规定的分离要求 8 5 4吸收塔的设计型计算 4 吸收剂用量的选择和最小液气比 做全塔物料衡算 有 液气比越大 x1愈小 8 5 4吸收塔的设计型计算 操作线的斜率反映处理单位气体量所耗用的溶剂量 存在一个使总费用 操作费用 设备折旧费 最小 必须进行优化设计 确定最佳液气比 结论 一方面 液气比的选择是个经济上的优化问题 另一方面 吸收剂的最小用量也存在着技术上的限制 8 5 4吸收塔的设计型计算 1 吸收剂用量对吸收过程的影响当G y1 y2 x2固定 1 L L G x1 B B 推动力 传质面积 但动力消耗 解吸费 2 L L G x1 B靠近平衡线推动力 传质面积 动力消耗 解吸费 3 当L B B 落在平衡线上 x1 x1max最浓极限推动力 0 传质面积 8 5 4吸收塔的设计型计算 2 最小液气比但是 当减小到图中的D点时 操作线与平衡线相交与D点 塔底的气 液两相组成达到平衡 此时塔底推动力为零 所需塔高将为无穷大 显然这是液气比的下限 通常称之为吸收设计的最小液气比 可按物料衡算求得 8 5 4吸收塔的设计型计算 若相平衡关系符合亨利定律 则 又若题目给用纯溶剂 如清水 吸收 则 故 若题给平衡关系为 则 此时若为纯溶剂吸收 若平衡关系为曲线 分两种情况处理 最小液气比计算方法 8 5 4吸收塔的设计型计算 最小液气比计算方法 8 5 4吸收塔的设计型计算 3 吸收剂用量的确定最佳液气比须通过优化设计求出 在课程设计环节完成 为避免优化 须建立数学模型用最优化方法编程求解 计算 可按下式确定适宜液气比 然后求出吸收剂用量L L 1 1 2 0 Lmin 注意 L G min是对一定的分离要求而言的 当L G L G min时 将达不到分离要求 8 5 4吸收塔的设计型计算 5 塔内返混的影响返混 吸收塔内气 液两相可因种种原因造成少量流体自下游返回至上游 这一现象称为返混 传质设备的任何形式的返混都将破坏逆流操作条件 使传质推动力下降 对传质造成不利影响 返混的量及范围越大 推动力的降低也越严重 设计时一般将返混的影响放在传质单元高度中加以考虑 8 5 4吸收塔的设计型计算 6 吸收剂再循环吸收剂再循环 将出塔液体的一部分返回塔顶与新鲜吸收剂相混 然后一并进入塔顶 此种流程称为吸收剂再循环一般情况下 吸收剂再循环对吸收过程不利 在下列两种情况下采用吸收剂再循环将是有利的 1 吸收过程有显著的热效应 大量吸收剂再循环可降低吸收剂出塔温度 平衡线向下移动 全塔平均推动力反而有所提高 2 吸收目的在于获得x1较高的液相产物 按物料衡算所需的新鲜吸收剂量过少 以至不能保持塔内填料良好的润湿 此时采用吸收剂再循环 推动力的降低将可由容积传质系数Kya的增加所补偿 例题 吸收剂用量的计算 某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体 除SO2外其余组分可看作惰性气体 冷却后送入填料吸收塔中 用清水洗涤以除去其中的SO2 吸收塔的操作温度为20 压力为101 3kPa 混合气的流量为1000m3 h 其中含SO2体积百分数为9 要求SO2的回收率为90 若吸收剂用量为理论最小用量的1 2倍 塔截面积为1m2 试计算 1 吸收剂用量及塔底吸收液的组成x 2 当用含SO20 0003 摩尔分率 的水溶液作吸收剂时 保持二氧化硫回收率不变 吸收剂用量比原情况增加还是减少 塔底吸收液组成变为多少 已知101 3kPa 20 条件下SO2在水中的平衡数据如附表所示 例题 附表SO2气液平衡组成表 例题 塔高的计算 在一逆流操作的吸收塔中用水吸收氨 空气混合气中的氨 混合气流量为