化工原理第五章氣體吸收

1、化工原理課件第五章氣體吸收1第1頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二第一節(jié) 概述一、吸收操作的應用 二、吸收過程與設備 三、吸收過程分類四、吸收劑的選擇2第2頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二一、氣體操作的應用（1）分離混合氣體以獲得一定的組分。（2）除去有害組分以凈化或精制氣體。（3）制備某種氣體的溶液。（4）工業(yè)廢氣的治理。吸收的依據(jù) 混合物各組分在某種溶劑中溶解度的差異。3第3頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二二、吸收過程與設備4第4頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二吸收與解吸流程含苯煤

2、氣脫苯煤氣洗油苯水過熱蒸汽加熱器冷卻器5第5頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（1）物理吸收和化學吸收（2）單組分吸收和多組分吸收（3）等溫吸收和非等溫吸收（4）高濃度吸收和低濃度吸收（1）溶解度大；三、吸收過程的分類四、吸收劑的選擇6第6頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（2）選擇性高；（3）再生容易；（4）揮發(fā)性?。唬?）粘度低；（6）化學穩(wěn)定性高；（7）腐蝕性低；（8）無毒、無害、價廉等。選擇原則：經(jīng)濟、合理。7第7頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二第二節(jié) 氣液相平衡一、 平衡溶解度二、 亨利定律三、 氣液相平

3、衡關系在吸收中的應用8第8頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二一、平衡溶解度平衡狀態(tài)：一定壓力和溫度，一定量的吸收 劑與混合氣體充分接觸，氣相 中的溶質(zhì) 向溶劑中轉(zhuǎn)移，長期充分接 觸后，液相 中溶質(zhì)組分的濃度不再增加，此時，氣 液兩相達到平衡。飽和濃度：平衡時溶質(zhì)在液相中的濃度。9第9頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二平衡分壓：平衡時氣相中溶質(zhì)的分壓。平衡狀態(tài)的因素FC2=32+2=3當壓力不太高、溫度一定時 p*A =f1（ x ） y*=f2（x） p*A =f3（ cA ）10第10頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星

4、期二氨在水中的溶解度11第11頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二20下SO2在水中的溶解度12第12頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二幾種氣體在水中的溶解度曲線13第13頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二討論：（2）溫度、y一定，總壓增加，在同一溶劑中，溶質(zhì)的溶解度x隨之增加，有利于吸收 。（1）總壓、y一定，溫度下降，在同一溶劑中，溶質(zhì)的溶解度x隨之增加，有利于吸收 。（3）相同的總壓及摩爾分率， cO2 cCO2 cSO2 x或 A由氣相向液相傳質(zhì)，吸收過程平衡狀態(tài)A由液相向氣相傳質(zhì)，解吸過程吸收過程：21第21

5、頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（二）指明過程進行的極限過程極限：相平衡。yPyxABCxy*y*y22第22頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（1）逆流吸收，塔高無限，V，y2V，y1L，x2L，x1（2）逆流吸收，塔高無限，（三）確定過程的推動力（1）吸收過程推動力的表達式 y - y*或x* -x或23第23頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（2）在xy圖上 APyy*xx*24第24頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二第三節(jié) 吸收過程的傳質(zhì)速率一、 分子擴散與菲克定律六、 兩相間的雙

6、模理論四、 分子擴散系數(shù)七、 總傳質(zhì)速率方程二、 等摩爾逆向擴散三、 組分A通過靜止組分B的擴散五、 單相內(nèi)對流傳質(zhì)25第25頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二吸收過程： （1）A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞；（2）A在相界面上溶解，溶解過程；（3）A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。單相內(nèi)傳遞方式：分子擴散；對流擴散 。一、 分子擴散與菲克定律26第26頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二分子擴散：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存 在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運動使 該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處， 這種現(xiàn)象稱為分子擴散。擴散速率：單位

7、時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截 面積擴散的物質(zhì)量，J表示， kmol/(m2s)。 菲克定律：溫度、總壓一定，組分A在擴散方向上任一 點處的擴散通量與該處A的濃度梯度成正比。27第27頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二JA組分A擴散速率（擴散通量）， kmol/（m2s）； 組分A在擴散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m； DAB組分A在B組分中的擴散系數(shù)，m2/s。 負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿 著濃度降低的方向進行 28第28頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二理想氣體：=分子擴散兩種形式：等摩爾逆向擴散，組分A通過

8、 靜止組分B的擴散。29第29頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二JAJBT PpA2pB2T PpA1pB112二、等摩爾逆向擴散30第30頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二等摩爾逆向擴散：任一截面處兩個組分的擴散速率 大小相等，方向相反。 總壓一定 =31第31頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二 JA=JB DAB=DBA=D 等分子反向擴散傳質(zhì)速率方程傳質(zhì)速率定義：任一固定的空間位置上， 單位時間 內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量，記作N, kmol/(m2 s) 。 NA= 氣相：32第32頁，共119頁，2022年，5

9、月20日，17點11分，星期二NA= 液相：討論1）33第33頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二2）組分的濃度與擴散距離z成直線關系。 3）等分子反方向擴散發(fā)生在蒸餾過程中。 ppB1pA1pA2pB2擴散距離z0zp三、 組分A通過靜止組分B的擴散34第34頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二12JAJBNMcA/cNMcB/cNMNA（1）整體移動：因溶質(zhì)擴散 到界面溶解于溶劑中，造 成界面與主體的微小壓差， 使得混合物向界面處的流 動。（2）整體移動的特點：1）因分子本身擴散引起的宏觀流動。2）A、B在整體移動中方向相同，流動速度正比于摩

10、爾 分率。 35第35頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二微分式36第36頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二在氣相擴散 積分式積分式37第37頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二積分式液相：（4）討論1）組分A的濃度與擴散距離z為指數(shù)關系 2）、漂流因子，無因次 38第38頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二漂流因子意義：其大小反映了整體移動對傳質(zhì)速率的影 響程度，其值為總體流動使傳質(zhì)速率較單純分子擴 散增大的倍數(shù)。 漂流因子的影響因素： 濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。 低濃度時，漂流因數(shù)

11、近似等于1，總體流動的影響小。 3）單向擴散體現(xiàn)在吸收過程中。39第39頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二擴散系數(shù)的意義：單位濃度梯度下的擴散通量，反映 某組分在一定介質(zhì)中的擴散能力，是物質(zhì)特性常 數(shù)之一；D，m2/s。 D的影響因素：A、B、T、P、濃度D的來源：查手冊；半經(jīng)驗公式；測定四、分子擴散系數(shù)40第40頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（1）氣相中的D范圍：10-510-4m2/s 經(jīng)驗公式（2）液相中的D范圍：10-1010-9m2/s 41第41頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二五、 單相內(nèi)的對流傳質(zhì)

12、渦流擴散：流體作湍流運動時，若流體內(nèi)部 存在濃度梯度，流體質(zhì)點便會靠 質(zhì)點的無規(guī)則運動，相互碰撞和 混合，組分從高濃度向低濃度方 向傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴散。 42第42頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二渦流擴散速率，kmol/(m2s)； 渦流擴散系數(shù)，m2/s。注意：渦流擴散系數(shù)與分子擴散系數(shù)不同，不是物性 常數(shù)，其值與流體流動狀態(tài)及所處的位置有 關 ?？倲U散通量：43第43頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二TTWtWt熱流體冷流體pAGpAicAicAL氣相液相zTztzGzLE（一）單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程44第

13、44頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二1）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機理僅為分 子擴散，溶質(zhì)A的濃度梯度較大，pA隨z的 變化較陡。 2）湍流主體：渦流擴散遠遠大于分子擴散， 溶質(zhì)濃度均一化，pA隨z的變化近似為水 平線。 3）過渡區(qū)：分子擴散+渦流擴散，pA隨z的 變化逐漸平緩。45第45頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二有效膜模型 單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴散 。（二）氣相傳質(zhì)速率方程 有效膜厚zG由層流內(nèi)層濃度梯度線延長線與流體主體濃度線相交于一點E，則厚度zG為E到相界面的垂直距離。4

14、6第46頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)分系數(shù)， kmol/（m2skPa）。 =傳質(zhì)系數(shù)吸收的推動力 47第47頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二氣相對流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：以氣相摩爾分率表示推動力的氣膜傳 質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2s）； 各氣相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關系： 帶入上式與比較48第48頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：（二）液相傳質(zhì)速率方程49第49頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二kL以液相組成摩爾濃度表示推

15、動力的液膜 對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2skmol/m3）； 以液相組成摩爾分率表示推動力的液膜 對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2s）； 各液相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關系： 注意： 對流傳質(zhì)系數(shù)=f (操作條件、流動狀態(tài)、物性）50第50頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二六、 兩相間傳質(zhì)的雙模理論相際對流傳質(zhì)三大模型：雙膜模型 溶質(zhì)滲透模型 表面更新模型（一）雙膜理論pAGpAicAicAL氣相液相zGzLE51第51頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二雙膜模型的基本論點（假設） （1）氣液兩相存在一個穩(wěn)定的相界面，界面兩側存 在穩(wěn)定的氣膜和液膜

16、。膜內(nèi)為層流，A以分子擴 散方式通過氣膜和液膜。（2）相界面處兩相達平衡，無擴散阻力。 （3）有效膜以外主體中，充分湍動，溶質(zhì)主要以 渦流擴散的形式傳質(zhì)。 雙膜模型也稱為雙膜阻力模型 52第52頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（一）氣相傳質(zhì)速率方程 以氣相分壓差表示推動力的氣相總傳質(zhì) 系數(shù)，kmol/（m2skPa）； 以氣相摩爾分率差表示推動力的氣相 總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；以氣相摩爾比差表示推動力的氣相 總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；七、總傳質(zhì)速率方程53第53頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（二）液相總傳質(zhì)速率方程 以

17、液相濃度差表示推動力的液相總傳 質(zhì)系數(shù)，kmol/m2skmol/m3）； 以液相摩爾分率差表示推動力的液相 總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）； 以液相摩爾比差表示推動力的液相 總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）； 54第54頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二根據(jù)雙膜理論 （三）總傳質(zhì)系數(shù)與單相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關系系統(tǒng)服從亨利定律或平衡關系在計算范圍為直線 55第55頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（四）總傳質(zhì)系數(shù)之間的關系 56第56頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（五）傳質(zhì)速率的控制相間傳質(zhì)總阻力 = 液相(膜

18、)阻力 +氣相(膜)阻力注意:傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)阻力 與推動力一一對應。1.傳質(zhì)阻力57第57頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二2.傳質(zhì)速率的控制步驟（1）氣膜控制氣膜控制：傳質(zhì)阻力主要集中在氣相，此吸收過程 為氣相阻力控制（氣膜控制）。 H 較大易溶氣體 氣膜控制的特點：.pAIpAicAcAi58第58頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二提高傳質(zhì)速率的措施：提高氣體流速； 加強氣相湍流程度。 （2）液膜控制液膜控制：傳質(zhì)阻力主要集中在液相，此吸收過程 為液相阻力控制（液膜控制） 液膜控制的特點：H較小難溶氣體 .59第59頁，共119頁，202

19、2年，5月20日，17點11分，星期二提高傳質(zhì)速率的措施：提高液體流速； 加強液相湍流程度。 同理：氣膜控制：液膜控制：m小易溶氣體m大難溶氣體60第60頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二第四節(jié) 吸收塔的計算一、物料衡算與操作線方程二、吸收劑的用量最小液氣比三、填料層高度的計算四、吸收塔的操作計算五、解吸塔的計算61第61頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二傳質(zhì)設備：62第62頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二 操作型：核算； 操作條件與吸收結果的關系。計算依據(jù)：物料衡算 相平衡 吸收速率方程吸收塔的計算內(nèi)容： 設計型

20、：流向、流程、吸收劑用量、 吸收劑濃度、塔高、塔徑63第63頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二一、物料衡算與操作線方程物料衡算定態(tài)，假設S不揮發(fā)，B不溶于S全塔范圍內(nèi)，對A作物料衡算 ：GY1+LX2=GY2+LX1 G（Y1Y2）=L（X1X2） G,Y2G,Y1L,X2L,X164第64頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二X1=X2G（Y1Y2）/L操作線方程式及操作線（1）逆流吸收G，Y2G，Y1L，X2L，X1G，YL，XGY+LX2=GY2+LXY2=Y1（1） A被吸收的百分率，稱為回收率或吸收率。 65第65頁，共119頁，202

21、2年，5月20日，17點11分，星期二同理：逆流吸收操作線具有如下特點： XY1Y2X1X2ABY66第66頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二3）操作線僅與液氣比、濃端及稀端組成有關，與系 統(tǒng)的平衡關系、塔型及操作條件T、p無關。 2）操作線通過塔頂（稀端） A （X2，Y2）及塔底 （濃端） B （X1， Y1）;1）定態(tài)，L、G、Y1、X2恒定，操作線在XY 坐標上為一直線，斜率為L/G 。 L/G為吸收 操作的液氣比； 67第67頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二5）平衡線與操作線共同決定吸收推動力。操作線 離平衡線愈遠吸收的推動力愈大

22、；4）吸收操作線在平衡線的上方，解吸操作線在平 衡線OE下方。 XABYK.YXX*Y*68第68頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（2）并流吸收G,Y2G,Y1L,X2L,X1V,Y L,XGY+LX=GY2+ LX2Y2Y1X2X1ABXY69第69頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二逆流與并流的比較：1）逆流推動力均勻，且2） Y1大，逆流時Y1與X1在塔底相迂有利于提高X1； X2小，逆流時Y2與X2在塔頂相迂有利于降低Y2。逆流與并流操作線練習70第70頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二Y3 X2X1Y1 Y

23、2X2Y2X3CDABY1Y2Y3X1X2X3CDAB71第71頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二二、吸收劑的用量最小液氣比B1Y1Y2ABOEXYX2X1X*1P72第72頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（一）最小液氣比最小液氣比定義：針對一定的分離任務，操作條件和吸收物系一定，塔內(nèi)某截面吸收推動力為零，達到分離程度所需塔高無窮大時的液氣比。 最小液氣比的計算1.平衡曲線一般情況 73第73頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二X*1與Y1相平衡的液相組成。 平衡關系符合亨利定律時： 2.平衡曲線為凸形曲線情況 74

24、第74頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二75第75頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（二）操作液氣比76第76頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二三、填料層高度的計算傳質(zhì)單元數(shù)法 （一）填料層高度的基本計算式ZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1單位時間，dZ內(nèi)吸收A的量：塔截面積，;GAA的流率，kmol/(s)；G惰性氣體流率，kmol/(s)；L吸收劑流率， kmol/(s)。77第77頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二a單位體積填料的有效傳質(zhì)面積，/m3。填料層高度 78第78頁

25、，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二同理：79第79頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3s） 液相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3s） 填料層高度可用下面的通式計算： Z=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)體積傳質(zhì)系數(shù)的物理意義： 在單位推動力下，單位時間，單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。 （二）傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度 80第80頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二以為例（1）傳質(zhì)單元數(shù)、液相總傳質(zhì)單元高度、總傳質(zhì)單元數(shù)氣相傳質(zhì)單元高度 、傳質(zhì)單元數(shù)液相傳質(zhì)單元高度 、傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度、總

26、傳質(zhì)單元數(shù)定義：氣相總傳質(zhì)單元數(shù) 81第81頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二傳質(zhì)單元數(shù)的意義： 反映了取得一定吸收效果的難易程度。 氣體流經(jīng)一段填料，溶質(zhì)組成變化（Y1 Y2）等于該段填料平均吸收推動力（YY*）m時，該段填料為一個傳質(zhì)單元。 82第82頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二（2）傳質(zhì)單元高度 定義：氣相總傳質(zhì)單元高度，m。 傳質(zhì)單元高度的意義: 完成一個傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度，反映了吸收設備效能的高低。 傳質(zhì)單元高度影響因素： 填料性能、流動狀況 體積總傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)單元高度的關系: 83第83頁，共119頁，202

27、2年，5月20日，17點11分，星期二傳質(zhì)單元高度變化范圍：0.101.0m。 各種傳質(zhì)單元高度之間的關系 平衡線斜率為m 84第84頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二同理 ：比較上式：（三）傳質(zhì)單元數(shù)的計算1.對數(shù)平均推動力法氣液平衡線為直線 操作線也為直線 85第85頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二同理：86第86頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二平衡線與操作線平行 時，當 、 時，對數(shù)平均推動力可用算術 平均推動力 。注意：平均推動力法適用于平衡線為直線，逆流、并流吸收 皆可。87第87頁，共119頁，202

28、2年，5月20日，17點11分，星期二2.吸收因數(shù)法平衡線為通過原點的直線 ，服從亨利定律 逆流為例：88第88頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二S解吸因數(shù)（脫吸因數(shù)） 89第89頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二注意：圖的適用范圍為 0.05及 S1。 3.圖解積分法平衡線曲線時 圖解積分法步驟如下：90第90頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二 操作線上任取一點（X, Y），其推動力為(Y - Y*)。 系列Y 作圖得曲線。 積分計算Y2至Y1范圍內(nèi)的陰影面積。 91第91頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二命題：塔高一定時，吸收操作條件與吸收效果間的分析和計算; 吸收塔的核算。 定性分析例 在一填料塔中用清水吸收氨空氣中的低濃氨氣，若清水量適量加大，其余操作條件不變，則Y2、X1如何變化？（已知體積傳質(zhì)系數(shù)隨氣量變化關系為 ）四、 吸收塔操作計算92第92頁，共119頁，2022年，5月20日，17點11分，星期二定性分析步驟： 1）根據(jù)條件確定HOG、S； 2）利用 ，確定 的變化; 3）采用吸收因數(shù)法確定Y2的變化; 4）利用全塔物料衡算分析X1變化。 水吸收混合氣中的氨為氣膜控制過程