化工原理15.1.ppt

1 返回 第五章吸收 2 5 1 概述 5 1 1 吸收操作的应用 吸收的依据 混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异 3 5 1 2吸收过程及设备 4 吸收质惰性组分 溶剂 吸收液 吸收尾气 5 5 1 3吸收分类 5 1 4 吸收剂的选择要求 1 溶解度大 6 选择原则 经济 合理 7 5 2 1 气液相平衡关系 1 平衡溶解度 平衡状态 一定压力和温度 一定量的吸收剂与混合气体充分接触 气相中的溶质向溶剂中转移 长期充分接触后 液相中溶质组分的浓度不再增加 此时 气液两相达到平衡 饱和浓度 平衡时溶质在液相中的浓度 8 平衡分压 平衡时气相中溶质的分压 60 50 40 30 液相中氨的摩尔数 9 10 结论 2 温度 y一定 总压增加 在同一溶剂中 溶质的溶解度x随之增加 有利于吸收 1 总压 y一定 温度下降 在同一溶剂中 溶质的溶解度x随之增加 有利于吸收 11 3 相同的总压及摩尔分率 cO2 cCO2 cSO2 cNH3 氧气等为难溶气体 氨气等为易溶气体 2 亨利定律 1 亨利定律内容总压不高时 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 12 讨论 1 E的影响因素 溶质 溶剂 T物系一定 2 E大的 溶解度小 难溶气体E小的 溶解度大 易溶气体 3 E的来源 实验测得 查手册 13 1 2 亨利定律其它形式 H的讨论 1 H大 溶解度大 易溶气体2 P对H影响小 14 m与E的关系 m的讨论 1 m大 溶解度小 难溶气体2 2 m 相平衡常数 无因次 15 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 以摩尔比表示组成的相平衡关系 X 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 当m趋近1或当X很小时 16 5 2 2 相平衡关系在吸收过程中的应用 1 判断过程进行的方向 y y 或x x或 A由气相向液相传质 吸收过程 平衡状态 A由液相向气相传质 解吸过程 吸收过程 17 相对于气相浓度y而言 液相浓度欠饱和 x x 故液相有吸收溶质A的能力 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 传质过程的方向 气 液相浓度 y x 在平衡线上方 P点 y x o y f x P y x y 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 x 释放溶质 吸收溶质 18 相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和 x x 故液相有释放溶质A的能力 相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和 y y 溶质A由液相向气相转移 传质过程的方向 气 液相浓度 y x 在平衡线下方 Q点 y x o y f x Q y x y 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 x 释放溶质 吸收溶质 19 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 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 传质过程的方向 气 液相浓度 y x 处于平衡线上 R点 y x o y f x R y x y 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 x 20 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y 即ymin y 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xmax x 21 传质过程的限度 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y 即ymax y 若保持气相浓度y不变 则液相浓度x最高也只能降到与气相浓度y相平衡的浓度x 即xmin x 22 5 3 吸收过程的传质速率 吸收过程 1 A由气相主体到相界面 气相内传递 2 A在相界面上溶解 溶解过程 3 A自相界面到液相主体 液相内传递 单相内传递方式 分子扩散 对流扩散 5 3 1 分子扩散与菲克定律 23 分子扩散 在静止或滞流流体内部 若某一组分存在浓度差 则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处 这种现象称为分子扩散 扩散通量 单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量 J表示 kmol m2 s 菲克定律 温度 总压一定 组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比 24 JA 组分A扩散速率 扩散通量 kmol m2 s 组分A在扩散方向z上的浓度梯度 kmol m3 m DAB 组分A在B组分中的扩散系数 m2 s 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 25 理想气体 26 5 3 2 单相分子扩散 分子扩散两种形式 等摩尔逆向扩散 单向扩散 1 等摩尔逆向扩散及速率方程 1 等摩尔逆向扩散 27 等分子反向扩散 任一截面处两个组分的扩散速率大小相等 方向相反 总压一定 28 JA JB DAB DBA D 2 等分子反向扩散传质速率方程 传质速率定义 任一固定的空间位置上 单位时间内通过单位面积的物质量 记作N kmol m2 s 气相 29 NA 液相 3 讨论 1 30 2 组分的浓度与扩散距离z成直线关系 3 等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中 2 单向扩散及速率方程 31 1 总体流动 因溶质 扩散到界面溶解于溶剂中 造成界面与主体的微小压差 使得混合物向界面处的流动 2 总体流动的特点 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 32 3 单向扩散传质速率方程 33 微分式 34 在气相扩散 积分式 35 36 积分式 积分式 液相 4 讨论 1 组分A的浓度与扩散距离z为指数关系 37 漂流因数意义 其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度 其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数 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 38 3 单向扩散体现在吸收过程中 3 扩散系数 扩散系数的意义 单位浓度梯度下的扩散通量 反映某组分在一定介质中的扩散能力 是物质特性常数之一 D m2 s D的影响因素 A B T P 浓度 D的来源 查手册 半经验公式 测定 39 1 气相中的D 范围 10 5 10 4m2 s 经验公式 2 液相中的D 范围 10 10 10 9m2 s 40 5 3 3 单相对流传质 1 涡流扩散 涡流扩散 流体作湍流运动时 若流体内部存在浓度梯度 流体质点便会靠质点的无规则运动 相互碰撞和混合 组分从高浓度向低浓度方向传递 这种现象称为涡流扩散 41 注意 涡流扩散系数与分子扩散系数不同 不是物性常数 其值与流体流动状态及所处的位置有关 总扩散通量 42 2 有效膜模型 1 单相内对流传质过程 43 1 靠近相界面处层流内层 传质机理仅为分子扩散 溶质A的浓度梯度较大 pA随z的变化较陡 2 湍流主体 涡流扩散远远大于分子扩散 溶质浓度均一化 pA随z的变化近似为水平线 3 过渡区 分子扩散 涡流扩散 pA随z的变化逐渐平缓 44 2 有效膜模型 单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内 膜层内的传质形式仅为分子扩散 3 单相对流传质速率方程 1 气相对流传质速率方程 有效膜厚 G由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E 则厚度 G为E到相界面的垂直距离 45 以分压差表示推动力的气相传质分系数 kmol m2 s kPa 传质系数 吸收的推动力 46 气相对流传质速率方程有以下几种形式 以气相摩尔分率表示推动力的气相传质分系数 kmol m2 s 各气相传质分系数之间的关系 47 液相传质速率方程有以下几种形式 2 液相对流传质速率方程 48 kL 以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相对流传质分系数 kmol m2 s kmol m3 以液相组成摩尔分率表示推动力的液相对流传质分系数 kmol m2 s 各液相传质分系数之间的关系 注意 对流传质系数 f 操作条件 流动状态 物性 49 6 3 4 界面上的浓度 定态传质 f cAi cAi 1 一般情况 2 平衡关系满足亨利定律 cAi 50 3 图解 I pAi cAi 51 6 4 对流传质6 4 1 两相对流传质模型6 4 2 总传质速率方程6 4 3 传质阻力与传质速率的控制 52 5 4 1 两相对流传质模型 相际对流传质三大模型 双膜模型溶质渗透模型表面更新模型 1 双膜模型 53 2 双膜模型的基本论点 假设 1 气液两相存在一个稳定的相界面 界面两侧存在稳定的气膜和液膜 膜内为层流 A以分子扩散方式通过气膜和液膜 2 相界面处两相达平衡 无扩散阻力 3 有效膜以外主体中 充分湍动 溶质主要以涡流扩散的形式传质 双膜模型也称为双膜阻力模型 54 6 4 2 总传质速率方程 1 吸收过程的总传质速率方程 1 用气相组成表示吸收推动力 以气相分压差表示推动力的气相总传质系数 kmol m2 s kPa 以气相摩尔分率差表示推动力的气相总传质系数 kmol m2 s 55 2 用液相组成表示吸收推动力 以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数 kmol m2 s kmol m3 以液相摩尔分率差表示推动力的液相总传质系数 kmol m2 s 3 总传质系数与单相传质分系数之间的关系 系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线 56 4 总传质系数之间的关系 57 6 4 3 传质阻力与传质速率的控制 1 传质阻力 相间传质总阻力 液相 膜 阻力 气相 膜 阻力 注意 传质系数 传质阻力与推动力一一对应 58 2 传质速率的控制步骤 1 气膜控制 气膜控制 传质阻力主要集中在气相 此吸收过程为气相阻力控制 气膜控制 H较大易溶气体 气膜控制的特点 59 提高传质速率的措施 提高气体流速 加强气相湍流程度 2 液膜控制 液膜控制 传质阻力主要集中在液相 此吸收过程为液相阻力控制 液膜控制 液膜控制的特点 H较小难溶气体 60 提高传质速率的措施 提高液体流速 加强液相湍流程度 同理 气膜控制 液膜控制 m小易溶气体 m大难溶气体 61 5 4吸收塔的物料衡算与操作线方程 5 4 1 物料衡算 目的 计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量L或吸收剂出口浓度X1 混合气体通过吸收塔的过程中 可溶组分不断被吸收 故气体的总量沿塔高而变 液体也因其中不断溶入可溶组分 其量也沿塔高而变 但是 通过塔的惰性气体量和溶剂量是不变的 62 以逆流操作的填料塔为例 对稳定吸收过程 单位时间内气相在塔内被吸收的溶质A的量必须等于液相吸收的量 通过对全塔A物质量作物料衡算 可得 下标 1 代表塔内填料层下底截面 下标 2 代表填料层上顶截面 V 单位时间通过塔的惰性气体量 kmol B s L 单位时间通过吸收塔的溶剂量 kmol S s Y 任一截面的混合气体中溶质与惰性气体的摩尔比 kmol A kmol B X 任一截面的溶液中溶质与溶剂的摩尔比 kmol A kmol S V Y2 V Y1 L X1 L X2 V Y L X 63 物料衡算 若GA为吸收塔的传质负荷 即气体通过填料塔时 单位时间内溶质被吸收剂吸收的量kmol s 则 进塔气量V和组成Y1是吸收任务规定的 进塔吸收剂温度和组成X2一般由工艺条件所确定 出塔气体组成Y2则由任务给定的吸收率 求出 在填料塔内 对气体流量与液体流量一定的稳定的吸收操作 气 液组成沿塔高连续变化 在塔的任一截面接触的气 液两相组成是相互制约的 全塔物料衡算式就代表L V一定 塔内具有最高气 液浓度的截面 1 浓端 或具有最低气 液浓度的截面 2 稀端 的气 液浓度关系 64 5 4 1 操作线方程与操作线 同理 若在任一截面与塔顶端面间作溶质A的物料衡算 有 上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的气 液两相组成Y和X之间的关系 L V 称为吸收塔操作的液气比 若取填料层任一截面与塔的塔底端面之间的填料层为物料衡算的控制体 则所得溶质A的物料衡算式为 65 操作线方程与操作线 当L V一定 操作线方程在Y X图上为以液气比L V为斜率 过塔进 出口的气 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 线上任一点的坐标 Y X 代表了塔内该截面上气 液两相的组成 操作线上任一点P与平衡线间的垂直距离 Y Y 为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力 与平衡线的水平距离 X X 为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力 两线间垂直距离 Y Y 或水平距离 X X 的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律 Y Y X X 66 操作线方程与操作线 并流操作线方程 V Y1 V Y2 L X2 L X1 V Y L X 对气 液两相并流操作的吸收塔 取塔内填料层任一截面与塔顶 浓端 构成的控制体作物料衡算 可得并流时的操作线方程 其斜率为 L V Y X o Y f X A Y1 X1 X2 Y2 B Y X X Y P Y Y X X 67 5 4 2吸收剂用量的决定 吸收剂用量L或液气比L V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 吸收塔的设计计算中 气体处理量V 以及进 出塔组成Y1 Y2由设计任务给定 吸收剂入塔组成X2则是由工艺条件决定或设计人员选定 可知吸收剂出塔浓度X1与吸收剂用量L是相互制约的 由全塔物料衡算式 选取的L V 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 L V 吸收剂用量 吸收剂出塔浓度X1 循环和再生费用 若L V 吸收剂出塔浓度X1 塔内传质推动力 完成相同任务所需塔高 设备费用 68 吸收剂用量的确定 不同液气比L V下的操作线图直观反映了这一关系 Y X o Y f X A Y1 X1 X2 Y2 B L V Y Y A X1 L V X1 max L V min C 最小液气比 L V min 要达到规定的分离要求 或完成必需的传质负荷量GA V Y1 Y2 L V的减小是有限的 当L V下降到某一值时 操作线将与平衡线相交或者相切 此时对应的L V称为最小液气比 用 L V min表示 而对应的X1则用X1 max表示 69 最小液气比 L V min 随L V的减小 操作线与平衡线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 V min C Y X o Y f X Y1 X2 Y2 B X1 L V min C X1 max 两线在Y1处相交时 X1 max X1 两线在中间某个浓度处相切时 X1 max X1 最小液气比的计算式 70 吸收剂用量的确定 在最小液气比下操作时 在塔的某截面上 塔底或塔内 气 液两相达平衡 传质推动力为零 完成规定传质任务所需的塔高为无穷大 对一定高度的塔而言 在最小液气比下操作则不能达到分离要求 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 按总费用最低的原则来选取 根据生产实践经验 一般取 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 71 塔径的计算 VS D2u 4D 4VS u 1 2VS 操作条件下混合气体的体积流量 m3 s u 空塔气速 m s 计算时以塔底气量为依据 因塔底气量大于塔顶 72 填料层高度的计算 一 填料层高度的基本计算式 计算填料层高度 应根据混合气体中溶质的高低而采用不同的方法 在工业生产中有很多吸收操作是从混合气体中把少量可溶组分洗涤下来 属于低浓度气体的吸收 本节重点讨论低浓度吸收中填料层高度的计算 填料层高度的计算仍然离不开物料衡算 另外还与传质速率方程和相平衡关系有关 因为填料层高度z取决于填料层体积与塔截面积 填料层体积 塔截面积 而填料层体积又取决于完成规定任务所需的总传质面积和每立方米填料所提供的气液有效接触面积 填料体积 总传质面积 有效接触面积 每米3填料 而总传质面积 塔吸收负荷 kmol s 传质速率 kmol m2 s 塔的吸收负荷依据物料衡算关系 传质速率依据吸收速率方程 而吸收速率中的推动力总是实际浓度与某种平衡浓度之差额 因此须知相平衡关系 下面具体来分析填料层高度之计算方法 73 此传质量也就是在dZ段内溶质A由气相转入液相的量 因此 若dZ微元段内传质速率为NA 填料提供的传质面积为dF a dZ 则通过传质面积dF溶质A的传递量为 对填料层中高度为dZ的微分段作物料衡算可得溶质A在单位时间内由气相转入液相的量dGA 填料层高度的基本计算式 填料塔内气 液组成Y X和传质推动力 Y 或 X 均随塔高变化 故塔内各截面上的吸收速率也不相同 V Y2 V Y1 L X1 L X2 Y X Z Y dY dZ X dX 74 将以比摩尔分数表示的总的传质速率方程代入 则有 对上两式沿塔高积分得 在上述推导中 用相内传质速率方程替代总的传质速率方程可得形式完全相同的填料层高度Z的计算式 若采用NA kY Y Yi 和NA kX Xi X 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 填料层高度的基本计算式 75 低浓度气体吸收填料层高度的计算 特点 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相应也小 吸收过程可视为等温过程 传质系数kY kX KY KX沿塔高变化小 可取塔顶和塔底条件下的平均值 填料层高度Z的计算式 对高浓度气体 若在塔内吸收的量并不大 如高浓度难溶气体吸收 吸收过程具有低浓度气体吸收的特点 也可按低浓度吸收处理 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 体积传质系数的物理意义 传质推动力为一个单位时 单位时间 单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量 76 二 传质单元数与传质单元高度 对气相总传质系数和推动力 HOG 气相总传质单元高度 m NOG 气相总传质单元数 无因次 HOL 液相总传质单元高度 m NOL 液相总传质单元数 无因次 若令 对液相总传质系数和推动力 若令 77 传质单元数与传质单元高度 定义传质单元高度和传质单元数来表达填料层高度Z 从计算角度而言 并无简便之利 但却有利于对Z的计算式进行分析和理解 下面以NOG和HOG为例给予说明 NOG中的dY表示气体通过一微分填料段的气相浓度变化 Y Y 为该微分段的相际传质推动力 如果用 Y Y m表示在某一高度填料层内的传质平均推动力 且气体通过该段填料层的浓度变化 Ya Yb 恰好等于 Y Y m 即有 由Z HOGNOG可知 这段填料层的高度就等于一个气相总传质单元高度HOG 因此 可将NOG看作所需填料层高度Z相当于多少个传质单元高度HOG 78 传质单元数与传质单元高度 传质单元数NOG或NOL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 NOG与气相或液相进 出塔的浓度 液气比以及物系的平衡关系有关 而与设备形式和设备中气 液两相的流动状况等因素无关 在设备选型前可先计算出过程所需的NOG或NOL NOG或NOL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 若NOG或NOL值过大 就应重新考虑所选溶剂或液气比L V是否合理 79 传质单元数与传质单元高度 总传质单元高度HOG或HOL则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度 代表了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 但随气 液流率改变Kya或Kxa的值变化较大 一般流率增加 KYa 或KXa 增大 HOG或HOL因分子分母同向变化的缘故 其变化幅度就较小 一般吸收设备的传质单元高度在0 15 1 5m范围内 80 传质单元数与传质单元高度 类似地 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 81 三 传质单元数的计算 对于低浓度的气体吸收 用总传质单元数计算填料层高度Z时 可