化工原理下冊氣體吸收

1、第8章氣體吸收吸收操作原理一、氣液相平衡1、相平衡關(guān)系在總壓P、溫度T 一定時(shí)，到達(dá)氣液相平衡，溶質(zhì)A在氣相及在液相中的濃度關(guān)系由實(shí)驗(yàn)測定。 在低濃度氣液相平衡體系中，這種相平衡關(guān)系即為亨利定律。亨利定律有三種表達(dá)形式：Pa Ex A ； pA - HC A ； yA ,e = mXA在吸收操作計(jì)算中，yA,e=mxA的形式應(yīng)用方便，相平衡常數(shù) m與亨利系數(shù)E之間的轉(zhuǎn)換計(jì)算為Em -P2、相平衡關(guān)系的應(yīng)用1判斷傳質(zhì)的方向：假設(shè)組成為yA的氣相與組成為xa的液相相接觸，如果 yA A yA e = mXA或XA e = y，A XA，傳質(zhì)的方向?yàn)槲?；m如果 yA f yA e =mXA或Xa

2、eXa，傳質(zhì)的方向?yàn)榻馕?。m2 表示傳質(zhì)過程的推動(dòng)力吸收：yA - yA, e 或 XA,e XA解吸：yA,e 一 yA 或 Xa - XA,e3 表示傳質(zhì)過程的極限到達(dá)相平衡狀態(tài)是傳質(zhì)過程的極限。二、吸收傳質(zhì)速率傳質(zhì)的機(jī)理分為三種：1 膜理論；2溶質(zhì)滲透理論；3 外表更新理論。 理解起來最為直觀的是膜理論。1、等分子反向擴(kuò)散速率dCAdzD C Al C A2D AB 7O2、單向擴(kuò)散和主體流動(dòng)(分子擴(kuò)散 +同方向上緩慢的總體流動(dòng))速率引起緩慢的總體流動(dòng)的原因：溶質(zhì)A不斷在氣液相界面上發(fā)生溶解，自氣相中消失，使得氣液相因?yàn)镃 M DC B2C M DC A1A2N aln C B15Cb2

3、'C B1N M - N net,AC B2CB1DC：m CA1C A2ln界面附近的氣相中產(chǎn)生空穴位，因此，引起緩慢的總體流動(dòng)來補(bǔ)充所產(chǎn)生的空穴位。如果是在氣相中的傳質(zhì)，組分的濃度可以用分壓表示，那么DP ln PB2RT PbiRT PBmPai-PA23、對流傳質(zhì) 集總參數(shù)法表示傳質(zhì)速率氣膜中的傳質(zhì)速率Na 二 ky(yA-yA,i)或 Na 二 kG(PA - PA,i)液膜中的傳質(zhì)速率N A = kx ( XA,iXA )或 N a = kl (C A,i - CA )式中，ky =PkG，kx = Pkl包括氣膜和液膜的總傳質(zhì)速率N A =Ky(yA - yA,e)或 N

4、 A = Kx(XA,e - Xa)111式中，KxFKy，Kx'x ky m11m="T Kykykx解吸操作，包括氣膜和液膜的總傳質(zhì)速率N A 二 Ky(yA,e 一 Ya)或 N A 二 Kx(Xa - XA,e)4、傳質(zhì)控制如果m1，那么 Ky ky，傳質(zhì)過程為氣膜阻力控制，kxky如果1 1-，那么 K x kx，傳質(zhì)過程為液膜阻力控制。mkykx三、物料衡算1、全塔物料衡算低含量吸收Gyi 'y2= LXj X2全塔物料衡算式反映氣液流率、氣相進(jìn)出口濃度、液相進(jìn)出口濃度等之間確實(shí)定關(guān)系。2、塔頂至塔內(nèi)任一橫截面范圍內(nèi)的物料衡算G(y - y2)= L(x

5、- X2)塔內(nèi)任一橫截面上氣相組成y與液相組成x之間的關(guān)系式，即操作線方程式:L八 Gxy2- X2操作線方程式的應(yīng)用：1反映y與x的關(guān)系；2反映傳質(zhì)推動(dòng)力的大??；3在氣體流量一定時(shí)，反映液體流量的大小對于傳質(zhì)推動(dòng)力、出口濃度的影響;4反映極限出口濃度、最大吸收率。3、填料塔單位橫截面積微元填料高度dh范圍內(nèi)的物料衡算G d y = N A a d h 二 Kyay - yed hL dx = Na a dh = KXa(xe - x)dh吸收問題計(jì)算、吸收塔設(shè)計(jì)型計(jì)算L和填料層高度H 。：G,yy2或吸收率 ,X2 ，相平衡關(guān)系，求解：吸收劑用量1、的計(jì)算最小液氣比:yi - y2Xi,eX

6、x1ie是與呈平衡的濃度,此時(shí)填料層咼度為無限咼。操作液氣比:L=n J丄丨,n=1.22倍。L和G的單位同時(shí)為GG minkmolskmol2m s實(shí)際塔底流出液體的組成:X1=X2G(旳 - y2)L2、填料層高度的計(jì)算根據(jù)填料塔單位橫截面積微元填料高度dh范圍內(nèi)的物料衡算G d y = N A a dh = Kyay - yedhL d x 二 N A a d h 二 KXa(xex)dh自塔頂端到塔底端積分，得到填料層高度H的表達(dá)式為*y2LKxaXidxX2 Xe _ X傳質(zhì)單元高度：HogGKya，H OL =Kxa。計(jì)算時(shí)一定要注意各物理量的單位，G和L的kmol 。s單位為彎0

7、1 , Kya和Kxa的單位為3m smH = H OG N OG = H OL N OLH OGKya傳質(zhì)單元數(shù):N OGmGmK ya LKxaLg-H OLyiy?y yNoldxx2 xe _ X傳質(zhì)單元數(shù)的主要求解方法:(1)對數(shù)平均推動(dòng)力法氣相傳質(zhì)單元數(shù)：Nogyi -y27 m-y2(% -yi,e)-(y2 - y2,e)ln je丫2 一 y2,e該方法適用于在所涉及到的濃度范圍內(nèi)，相平衡關(guān)系為線性關(guān)系。假設(shè)相平衡關(guān)系可以用亨利定律ye =mx表示出來，對數(shù)平均推動(dòng)力法的另一表達(dá)形式為Nog1,力 mx1ln1y2_mx2-LG液相傳質(zhì)單元數(shù):NolXp -x2Xp - x2

8、也 Xm(Xi,e Xi)(X2,e X2)InXi,e 一 XiHog與Hol的關(guān)系:X2,e 一 X2(2) 吸收因數(shù)法 氣相傳質(zhì)單元數(shù):N OG-mx21rrln T 2 mx2 AA液相傳質(zhì)單元數(shù):Nol 二i -mx21In 1 一 1 y，或IL A y2 - mx2 ANoly1 - mx11 InA-1 y2 -mx2可以看出，Nog = A N ol3數(shù)值積分法略 利用板式塔進(jìn)行吸收操作，所需理論板數(shù)的計(jì)算式：InA I A 丿 y2 mx2A等板高度HETP的定義：別離作用等同于一塊理論板的實(shí)際填料層的高度。所以，根據(jù)理論板數(shù)和 等板高度計(jì)算實(shí)際填料層高度的計(jì)算式為H =N

9、 HETP當(dāng)吸收因數(shù) A=1 時(shí)，N=Nog , Hog=HETP。二、解吸塔設(shè)計(jì)型計(jì)算：L,X1,X2,y2，相平衡關(guān)系，求解：解吸氣用量G,解吸塔填料層高度 H。1解吸氣用量的計(jì)算最小氣液比G= % - X2丄 miny1,e 一 丫2式中y1,e是與X1相平衡的氣相濃度。假設(shè)相平衡關(guān)系可以用亨利定律來表示ye =mx，那么y1,e =mx1。實(shí)際氣液比 G=nG1，n=1.22倍。L和G的單位同時(shí)為 km01或甥01LL minsms出塔氣體實(shí)際濃度% = y2Lg -X2) G2解吸塔填料層高度的計(jì)算H 二 Hol Nol=H og N OG傳質(zhì)單元咼度：H GH OG HLH OL

10、-KyaKxa。計(jì)算時(shí)一定要注意各物理量的單位，G和L的單位為一2mS。1 , Kya和Kxa的單位為skmol3m s傳質(zhì)單元數(shù):NolmXi _ X2(x4- xi,e ) - (x2- x2,e),Xi - Xi,einX2 - X2,eOLN OGX1dxX2 X _ xe1肆"1 - A mx2 - y2yiy1 - y2ym% 一 y2(yi,e - yi ) - ( y2,e - y2)in yi，e 一 yi y2,e - y2dyNogy2y1. mxi - yiin 1 _1 mx2 _ y2 A傳質(zhì)強(qiáng)化吸收塔操作型問題一、操作型計(jì)算命題方式：1、第一類操作型問題

11、：填料層高度 H及相關(guān)尺寸，流動(dòng)方式，相平衡關(guān)系，G,y1,L,x2 ，Kya或Kxa，計(jì)算目的：y2,X12、第二類操作型問題：填料層高度 H及相關(guān)尺寸，流動(dòng)方式，相平衡關(guān)系，Kya或Kxa ，G, y1, y2，x2 ，計(jì)算目的：L,x1第一類操作型問題采用吸收因數(shù)法計(jì)算最為方便。第二類操作型問題的計(jì)算需要試差求解。二、吸收塔的調(diào)節(jié)為了滿足吸收率或吸收量提高的要求，在填料層高度一定的情況下，可以考慮改變吸收劑的流量1、適當(dāng)增加吸收劑的流量L ,根據(jù)N°Gln 1丄AL、入塔濃度X2、溫度t 0-1 旳一叫 1 分析, y. 0 A y2 - mx2 AAG y y2一2、 減小入

12、塔濃度 x2，塔內(nèi)任意截面上液相的濃度 X = X2 +L減小，傳質(zhì)推動(dòng)力增加，從而y2 .。3、 適當(dāng)降低吸收劑的溫度 t ,使得溶質(zhì)在溶劑中的平衡溶解度增加，傳質(zhì)推動(dòng)力增加，從而 y2 “。 三、吸收塔最大吸收率分析假設(shè)填料層高度無限高，塔內(nèi)傳質(zhì)可以到達(dá)平衡，即操作線與平衡線可以出現(xiàn)交點(diǎn)，分析可以達(dá)到的最大吸收率，即為分析可以到達(dá)的氣相出口最小濃度，因?yàn)閙ax 1 2,min 。分如下兩種yi情況來分析：Ym，塔內(nèi)傳質(zhì)在塔底到達(dá)平衡，操作線與平 GL Xi,max x2 ，y2,min = 丫1 一G丄Am，塔內(nèi)傳質(zhì)在塔頂?shù)竭_(dá)平衡，操作線與平G1、如果吸收操作的液氣比小于平衡線的斜率，衡線

13、在塔底出現(xiàn)交點(diǎn)，此時(shí) Xjmax = Xj,em2、如果吸收操作的液氣比大于平衡線的斜率，衡線在塔頂出現(xiàn)交點(diǎn)，此時(shí)y2,min = mx2。四、吸收劑再循環(huán)問題的分析有吸收劑再循環(huán)與無吸收劑循環(huán)時(shí)比擬，有以下兩點(diǎn)不同：1 吸收劑入塔時(shí)的實(shí)際濃度增加了；2因?yàn)閷?shí)際入塔吸收劑量的增加，塔內(nèi)操作線的斜率稍有增加。因此，如果平衡關(guān)系不變， 即平衡線不變，那么吸收傳質(zhì)推動(dòng)力一般要減小。遇到如下兩種情況應(yīng)采用溶劑再循環(huán)：1吸收過程有顯著的熱效應(yīng)，大量吸收劑再循環(huán)可降低吸收劑出塔溫度，平衡線發(fā)生明顯的向 下移動(dòng)，盡管操作線向下移動(dòng)，但是，塔內(nèi)傳質(zhì)的推動(dòng)力增大。2 吸收的目的在于獲得較濃的液相產(chǎn)物，按物料衡算所需的新鮮吸收劑量過少，以至于不能保 持塔內(nèi)填料良好的潤濕，吸收劑再循環(huán)，傳質(zhì)外表積增加，傳質(zhì)系數(shù)增大。吸收設(shè)備一、填料塔流體力學(xué)特性1lP lnL丿泛點(diǎn)載點(diǎn)ln u確定了塔內(nèi)的液泛速度uUf后再確定操作氣速， 或者根據(jù)所允許的