化工原理 第五章 气体吸收

1、1,第二节 气液相平衡,第五章 气体吸收,第一节 概述,第三节 吸收过程的传质速率,第四节 吸收塔的计算,第五节 填料塔,2,第一节 概述 一、吸收操作的应用 二、吸收过程与设备 三、吸收过程分类 四、吸收剂的选择,3,一、气体操作的应用,吸收的依据,混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。,4,二、吸收过程与设备,5,6,（1）溶解度大；,三、吸收过程的分类,四、吸收剂的选择,7,选择原则：经济、合理。,8,第二节 气液相平衡 一、 平衡溶解度 二、 亨利定律 三、 气液相平衡关系在吸收中的应用,9,一、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

2、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。,10,平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。,平衡状态的因素,FC2=32+2=3,当压力不太高、温度一定时,p*A =f1（ x ） y*=f2（x） p*A =f3（ cA ）,11,12,13,14,讨论：,（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 。,（3）相同的总压及摩尔分率， cO2 cCO2 cSO2 x或,A由气相向液相传质，吸收过程

3、,平衡状态,A由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,22,（二）指明过程进行的极限,过程极限：相平衡。,23,（1）逆流吸收，塔高无限，,（2）逆流吸收，塔高无限，,（三）确定过程的推动力,（1）吸收过程推动力的表达式,y - y*或x* -x或,24,（2）在xy图上,25,第三节 吸收过程的传质速率,一、 分子扩散与菲克定律,六、 两相间的双模理论,四、 分子扩散系数,七、 总传质速率方程,二、 等摩尔逆向扩散,三、 组分A通过静止组分B的扩散,五、 单相内对流传质,26,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

4、，液相内传递。,单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。,一、 分子扩散与菲克定律,27,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。,扩散速率：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/(m2s)。,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。,28,JA组分A扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2s）；,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

5、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,29,理想气体：,=,分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分A通过 静止组分B的扩散。,30,二、等摩尔逆向扩散,31,等摩尔逆向扩散：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,=,32,JA=JB,DAB=DBA=D,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：,33,NA=,液相：,讨论,1）,34,2）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。,三、 组分A通过静止组分B的扩散,3

6、5,（1）整体移动：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）整体移动的特点：,1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔 分率。,36,微分式,37,在气相扩散,积分式,积分式,38,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,39,漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影 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。,漂流因子的影响因素： 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。,3）单向扩散体现

7、在吸收过程中。,40,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,四、分子扩散系数,41,（1）气相中的D,范围：10-510-4m2/s,经验公式,（2）液相中的D,范围：10-1010-9m2/s,42,五、 单相内的对流传质,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。,43,注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性 常数，其

8、值与流体流动状态及所处的位置有 关 。,总扩散通量：,44,（一）单相内对流传质的有效膜模型,单相内对流传质过程,45,1）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。,46,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 。,（二）气相传质速率方程,有效膜厚zG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zG为E到相界面的垂直距离。,47

9、,以分压差表示推动力的气膜传质分系数， kmol/（m2skPa）。,=传质系数吸收的推动力,48,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膜传 质分系数，kmol/（m2s）；,各气相传质分系数之间的关系：,49,液相传质速率方程有以下几种形式：,（二）液相传质速率方程,50,kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜 对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）；,以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜 对流传质分系数，kmol/（m2s）；,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）,51,六、 两相间传质的双模理论,相际

10、对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型,（一）双膜理论,52,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,53,（一）气相传质速率方程,以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，kmol/（m2skPa）；,以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；,以气相摩尔比差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；,七

11、、总传质速率方程,54,（二）液相总传质速率方程,以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，kmol/m2skmol/m3）；,以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；,以液相摩尔比差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；,55,根据双膜理论,（三）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,（四）总传质系数之间的关系,57,（五）传质速率的控制,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。,1.传质阻力,58,2.传质速率的控制步骤,（1）气膜控制,气膜

12、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,第四节 吸收塔的计算,一、物料衡算与操作线方程,二、吸收剂的用量最小液气比,三、填料层高度的计算,四、吸收塔的操作计算,五、解吸塔的计算,62,传质设备：,63,操作型：核算；

13、操作条件与吸收结果的关系。,计算依据：物料衡算 相平衡 吸收速率方程,吸收塔的计算内容：,设计型：流向、流程、吸收剂用量、 吸收剂浓度、塔高、塔径,64,一、物料衡算与操作线方程,物料衡算,定态，假设S不挥发，B不溶于S,全塔范围内，对A作物料衡算 ：,GY1+LX2=GY2+LX1,G（Y1Y2）=L（X1X2）,65,X1=X2G（Y1Y2）/L,操作线方程式及操作线,（1）逆流吸收,GY+LX2=GY2+LX,Y2=Y1（1）,A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。,66,同理：,逆流吸收操作线具有如下特点：,67,3）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

14、条件T、p无关。,2）操作线通过塔顶（稀端） A （X2，Y2）及塔底 （浓端） B （X1， Y1）;,1）定态，L、G、Y1、X2恒定，操作线在XY 坐标上为一直线，斜率为L/G 。 L/G为吸收 操作的液气比；,68,5）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；,4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平 衡线OE下方。,69,（2）并流吸收,GY+LX=GY2+ LX2,70,逆流与并流的比较：,1）逆流推动力均匀，且,2） Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相迂有利于提高X1； X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相迂有利于降低Y2。,逆流与并流操作线练习,7

15、1,C,D,A,B,72,二、吸收剂的用量最小液气比,P,73,（一）最小液气比,最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。,最小液气比的计算,1.平衡曲线一般情况,74,X*1与Y1相平衡的液相组成。,平衡关系符合亨利定律时：,2.平衡曲线为凸形曲线情况,75,76,（二）操作液气比,77,三、填料层高度的计算,传质单元数法,（一）填料层高度的基本计算式,单位时间，dZ内吸收A的量：,塔截面积，; GAA的流率，kmol/(s)； G惰性气体流率，kmol/(s)； L吸收剂流率， kmol/(s)。,78,a

16、单位体积填料的有效传质面积，/m3。,填料层高度,79,同理：,80,填料层高度可用下面的通式计算： Z=传质单元高度传质单元数,体积传质系数的物理意义： 在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。,（二）传质单元数与传质单元高度,81,（1）传质单元数,气相传质单元高度 、传质单元数,液相传质单元高度 、传质单元数,气相总传质单元高度、总传质单元数,82,传质单元数的意义： 反映了取得一定吸收效果的难易程度。,气体流经一段填料，溶质组成变化（Y1 Y2）等于该段填料平均吸收推动力（YY*）m时，该段填料为一个传质单元。,83,（2）传质单元高度,传质单元高度的意义: 完成一个传

17、质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低。,传质单元高度影响因素： 填料性能、流动状况,体积总传质系数与传质单元高度的关系:,84,传质单元高度变化范围：0.101.0m。,各种传质单元高度之间的关系,平衡线斜率为m,85,同理 ：,比较上式：,（三）传质单元数的计算,1.对数平均推动力法,气液平衡线为直线,操作线也为直线,86,同理：,87,平衡线与操作线平行 时，,当 、 时，对数平均推动力可用算术 平均推动力 。,注意： 平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收 皆可。,88,2.吸收因数法,平衡线为通过原点的直线 ，服从亨利定律,逆流为例：,89,S解吸因数 （脱

18、吸因数）,90,注意：图的适用范围为 0.05及 S1。,3.图解积分法,平衡线曲线时,图解积分法步骤如下：,91,操作线上任取一点（X, Y），其推动力为(Y - Y*)。,系列Y 作图得曲线。,积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。,92,命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的 分析和计算; 吸收塔的核算。,定性分析,例 在一填料塔中用清水吸收氨空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则Y2、X1如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为 ）,四、 吸收塔操作计算,93,定性分析步骤： 1）根据条件确定HOG、S； 2）利用 ，确定 的变化; 3）采用吸收因数法确定Y2的变化; 4）利用全塔物料衡算分析X1变化。,水吸收混合气中的氨为气膜控制过程,因气体流量V不变,94,NOG不变,95,（2）定量计算,问题：吸收温度降低， Y2、X1、吸收操作线如何变化？ X2降低， Y2、X1 、吸收操作线如何变化？ 吸收压力提高， Y2、X1 、吸收操作线如何变化？,96,例 在一填料塔内用纯溶剂吸收气体混合物中的某溶质组分，进塔气体溶质浓度为0.01（摩尔比，下同），混合气质量流量为1400kg/h，平均摩尔质量为29，操作液气比为1.5，在操作条件下气液平衡关系为Y*=1.5X，当两相逆流操作时，工艺要求气体吸收率为95，现有一