化工原理氣體吸收

1、化工原理氣體吸收第1頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 2、完成分離任務應解決的主要問題 吸收劑的選擇 溶解度、選擇性、再生性、穩(wěn)定性、低粘度、經濟與安全性等 傳質設備的選擇 板式塔（級式接觸）、填料塔（微分式接觸） 吸收劑的再生 （常用升溫、吹氣、減壓等方法） 吸收劑 填料混合氣體 第2頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二3、工業(yè)吸收過程（吸收與解吸） 工業(yè)吸收過程通常由吸收裝置與解吸裝置組成。如：第3頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二煤氣中的芳烴,可采用洗油吸收方法回收芳烴獲得粗苯. 第4頁，共92頁，2022年，5月20日，

2、0點37分，星期二 二、吸收操作分類 *物理吸收與化學吸收 *等溫吸收與非等溫吸收 *單組分吸收與多組分吸收 *定態(tài)吸收與非定態(tài)吸收（過程參數是否隨時間而變） 本章討論所作的基本假定： 單組分、低濃度、連續(xù)定態(tài)逆流、等溫物理吸收 三、吸收操作的經濟性 吸收操作費用主要包括： 氣、液兩相流經吸收設備的能量消耗； 溶劑的揮發(fā)損失和變質損失； 溶劑再生(解吸)費用，即解吸操作費用。 *以上三項費用中第項所占比例最大。 第5頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 本章基本內容： 本章基本內容:介紹物理吸收過程機理、傳質速率方程及吸收過程的設計計算和操作分析。 吸收過程中氣液相平衡關系

3、表示方法吸收過程的傳質機理吸收過程傳質模型及傳質速率表達式吸收操作的物料衡算填料層高度的計算方法解吸過程計算傳質設備，填料吸收塔第6頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二重點內容： a.物理吸收過程 b.低濃度吸收過程設計計算本章難點：a.吸收過程的傳質機理b.相平衡關系不同表達式間的換算 第7頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二物質的量濃度（摩爾濃度）CA = nA / V物質的量分數（摩爾分數）xA = nA / n摩爾比 XA = nA / nB 換算關系： CA = xA ( n / V) xA = CA ( V / n ) XA = xA / (

4、1-xA)第8頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 52 氣、液相平衡一、氣體在液體中的溶解度氣液相平衡： * 在一定溫度下氣液兩相長期或充分接觸后，兩相趨于平衡。 * 單組分物理吸收過程，當T、P確定后，溶質在液相中的濃度僅與氣相分壓Pe的有關。 * 相平衡時氣液相濃度 平衡濃度x（飽和濃度） 平衡分壓P* * 氣液相平衡關系的可用不同方式表示： *1 溶解度曲線 *2 亨利定律第9頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 溶解度 ： 定義: 影響因素: 溶液、溶質的性質，T，P T 溶解度 P 溶解度 *1 溶解度表示吸收過程氣液兩相的平衡關系 *2 降

5、溫、加壓有利于吸收，升溫、減壓有利于解吸 *3 不同氣體在不同溶劑中的溶解度可由實驗測定 第10頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二溶解度曲線： P*x關系曲線： 直接反映了相平衡的本質，用于思考與分析問題 yx關系曲線： 可方便地與物料衡算式等其它關系式一起對整個吸收過程進行數學描述 P* y * 80 70 X X第11頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 二、亨利定律*1亨利定律表示： 稀溶液上方的溶質分壓與該溶質在液相中的摩爾分率成正比。 *2 亨利系數E 可由實驗測定。 通常易溶氣體E值小，難溶氣體E值大；且T，E。 *3 對于理想溶液：E等于

6、該溫度下純溶質的飽和蒸汽壓。（此時亨利定律與拉烏爾定律一致） PA* = E xA 條件：總壓小于 5105 N/m2，恒定溫度，稀溶液 式中：PA * 溶質在氣相中的平衡分壓，N/m2。 E 亨利系數，kN/m2。 xA 溶質在液相中的摩爾分率。第12頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 *4 亨利定律的其他表達形式： PA* = H CA PA* 氣相平衡分壓 CA 液相摩爾濃度 H 溶解度系數， mN / kmol； yA* = m xA yA* 氣相摩爾分率 xA 液相摩爾分率 m 相平衡常數，無量綱量； m XA YA* = YA* 氣相摩爾比 1+（1-m ）X

7、A XA 液相摩爾比 或 YA* = m XA *5 E、H、m之間關系 H =E xA/ CA E MS /S m = E / P總壓 E 亨利系數，N/m2。第13頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二三、相平衡與吸收過程的關系 1、判別傳質過程的方向 P P PA A PB* PA* PB B xA xA* x xB* xB x 2、確定傳質過程的推動力 平衡是過程的極限， PA PA*為吸收過程， PB PA2 PB11表明有總體流動而使A物質的傳遞速率比單純的分子擴散速率大。當混合氣體中組分A的濃度很低時其值近似等于1。上式也可寫成： D C NA = （CA1 -

8、 CA2 ） Z CBm 式中：CBm組分B濃度的對數平均值，kmol/m3。 C 混合物的總濃度，kmol/m3，（C =CA + CB ） *該式同樣適用于液相。 第28頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二4、分子擴散系數 D， m2/s 物性參數之一，表示物質在介質中的擴散能力。 影響因素：物質的種類 溫度 T，D 濃度 C，D（組分在氣體中擴散，濃度的影響可忽略） 壓力 P，D（組分在液體中擴散，壓力的影響可忽略） 確定方法：實驗測定（查手冊）或根據實驗方程式計算。 根據實驗方程式估算D，使用方便，但誤差較大。 通常，氣體的擴散系數 0.1 1.0 cm2/s 液體

9、的擴散系數 110-5 510-5 cm2/s 由于氣體的擴散系數大于液體的擴散系數，因此一般氣體中的擴散速率比液體中的擴散速率高（約100倍）。 第29頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二二 渦流擴散與對流傳質 1、 渦流擴散 湍流流體中出現(xiàn)質點脈動和大量旋渦，造成組分擴散，稱為渦流擴散。 表示方法，借助于費克定律形式 dCA JA= - Dq dZ Dq為渦流擴散系數，不僅和物性有關，而且與流動狀況有關 。2、 對流擴散速率即有分子擴散又有渦流擴散 dCA JA= -（ Dq+D） dZ 層流區(qū)Dq =0 ；湍流區(qū)分子擴散可忽略 ；過渡區(qū)兩者均不可忽略 第30頁，共92

10、頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二3、對流傳質理論 為進一步解決對實際傳質過程速率的描述，提出以下模型基本思想 （1）單相內的對流傳質的有效膜模型（濕壁塔） 1）模型要點: * 相界面處存在一層虛擬的停滯膜; * 膜外為流體流動的湍流區(qū), * 停滯膜非常薄,膜內無物質累積,為穩(wěn)態(tài)分子擴散. * 對流傳質阻力全部集中于停滯膜內 第31頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二ci氣相主體c相界面123 1-湍流 2-層流 3-靜止第32頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二2）傳質速率方程 按上述有效膜模型，在氣相中的傳質過程速率可表示為 D P NA

11、 = （PA- PA i ） RT ZG PB m 寫成 NA = k G（PA - P i ） 或 NA = k y（y A - y i ） 式中 k G 以分壓差表示推動力的氣膜傳質系數 ，kmol/（m2 s k Pa）。 ky 以摩爾分數差表示推動力的氣膜傳質系數 ，kmol/（m2 s）。 PA 、Pi 氣相主體和界面處A組分的分壓，kPa ； yA 、 y i 氣相主體和界面處A組分的摩爾分數。 同理可得： 第33頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二在液相中的傳質過程度速率可表示為 D C NA = （CA i -CA ） ZL CB m 寫成 NA = k L

12、（C i - C A ） 或 NA = k x（x i - x A ） kL 以摩爾濃度差表示推動力的液膜傳質系數 ，m/s； kx 以摩爾分數差表示推動力的液膜傳質系數 ，kmol/（m2 s）。； C A 、C i 液相主體和界面處A組分的濃度，kmol/m3 ； x i 、 x A 液相主體和界面處A組分的摩爾分數。 3）k G 與k y、k x與k L關系： k y =P k G k x =C k L k G 、k y、k x、k L 相當于對流傳熱的傳熱膜系數，影響因素較多，通常用經驗關聯(lián)式確定，或根據經驗取值第34頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二（2）溶質滲

13、透模型 模型要點： 考慮溶質在膜內積累形成濃度梯度的過渡過程 相界面上，液、氣組成達到平衡,即使傳質推動力為零。 溶質向界面液膜縱深y向滲透 ，膜內滲透過程為非穩(wěn)態(tài)分子 擴散過程。 液膜之外為穩(wěn)態(tài)擴散 （3）表面更新模型 模型要點： 液體表面始終處于不斷為液體微團更新過程之中。 溶質組分以非穩(wěn)態(tài)分子擴散方式傳遞到液體微團中。 相界面上各液體微團暴露于氣相的時間不同，符合隨機的“壽 命”分布規(guī)律 （界面上氣液成平衡狀態(tài)） 第35頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二三、兩相間傳質（一）吸收過程的雙膜模型相界面picipc氣相主體液相主體氣膜 液膜第36頁，共92頁，2022年，

14、5月20日，0點37分，星期二雙膜理論三個基本點： 存在穩(wěn)定相界面，相界面上氣液相平衡； 界面兩側分別為有效膜，膜內的傳質以分子擴散方式進行； 傳質阻力全部集中在虛擬膜內，膜外的主體中高度湍流傳 質阻力為零。 雙膜理論的局限性： 對于濕壁塔、低氣速填料塔等具有固定傳質界面的吸收設 備有意義； 對具有自由相界面的氣液吸收系統(tǒng)，當氣流速度較高時， 相接觸面就不再是穩(wěn)定的狀態(tài)，這種情況下雙膜理論與實 驗結果不符合 第37頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二（二）總傳質速率方程 吸收速率N： 單位相際傳質面積上單位時間內吸收的溶質量，kmol/m2 s。 對于定態(tài)吸收操作過程，吸收

15、塔任一部位上，相界面兩側的氣、液膜層中的傳質速率應是相等的。因此，其中任何一側有效膜中的傳質速率都能代表該部位上的吸收速率。 氣膜吸收傳質速率 NA = kG（PA - P i ） 液膜吸收傳質速率 NA = kL（C i - CA ）= kL（P i - PA* ）/ H （下標i為相界面處的氣相分壓，上標*為與液相平衡的平衡分壓） 第38頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二根據加比定律得： （PA - P i）+（P i - PA * ） NA = 1/ k G + H / k L 寫成 NA = KG（PA - P A* ） 1 其中 KG = 1/ k G + H

16、/ k L 上式為以分壓差表示推動力的氣相總傳質速率方程。 式中：（P - P * ）以分壓差表示的吸收過程總推動力； KG 以分壓差表示推動力的氣相總傳質系數； 1/KG 為吸收過程總阻力； 1/ kG 為氣膜阻力； H / kL 為液膜阻力。 第39頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二同理可得： NA = KL（CA* - CA ） 1 KL = 1/ H k G +1/ k L KL以濃度差表示推動力的液相總傳質系數。 上式為以濃度差表示推動力的液相總傳質速率方程。 總傳質速率方程的各種不同形式： NA = KG（PA - PA * ） = KL（C A* - C A

17、 ） = k G（PA - P i ） = k L（C i - C A） NA = K y（y A y A * ） = K x（x A * - x A） = k y（y A - y i ） = k x（x i x A） NA = KY（YA - Y A* ） = KX（XA* - XA） = k Y（Y A- Y i ） = k X（X i - XA） （ 注意傳質系數的單位，都等于： kmol/m2s傳質推動力） 第40頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 (三） 傳質系數之間的關系 KGH=KL k y = P k G k x = C k L K y = P KG K

18、x = C K L 低濃度時 KY K y P KG KX K x C KL 第41頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二（四）界面濃度與傳質阻力的控制步驟 1、總傳質阻力與液膜阻力和氣膜阻力關系 總傳質阻力 = 液膜阻力 + 氣膜阻力 即 1 1 H 1 1 1 = + 或 = + KG k G k L KL H k G k L 1 1 KG = KL = 1/ k G + H / k L 1/H k G +1/ k L 1 1 或 KY = KX = 1/ k Y +m/ k X 1/m k Y +1/ k X 第42頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期

19、二2、液膜阻力控制與氣膜阻力控制 （溶解度與傳質系數的關系 ） 當氣體溶解度很大時，H很小 1 KG = 1/ k G + H / k L 此時KGkG ，CiCA ， 稱為氣相阻力控制過程。 （即 m很小， KYkY ，XiXA ） 此時傳質阻力主要集中于氣膜中，要強化吸收過程，關鍵要提高kG或ky值。 第43頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二當氣體溶解度很小時， H很大 1 KL = 1/H k G +1/ k L 此時KLkL ，PiPA ， 稱為液相阻力控制過程。 （ 即m很大， KXkX ，YiYA ） 此時傳質阻力主要集中于液膜中，要強化吸收過程，關鍵要提高k

20、L或kx值。當體溶解度中等時 總傳質阻力中氣膜阻力與液膜阻力均不能忽略。 此時要強化吸收過程，必須同時提高 kG 與 kL 值（或ky與kx值）。第44頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 3、界面濃度的確定 已知k L、k G時，過操作點（P A、CA）作斜率為（- k L / k G）的直線，與平衡線交點的坐標（P i、C i）即為所求氣液相界面的濃度。 或已知kx、ky時，過操作點（y A、x A）作斜率為（- k x / k y）的直線，與平衡線 交點的坐標（y i、xi）即為所求氣液相界面的濃度。 第45頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 p

21、 （- k L / k G） P i C i c A平衡曲線第46頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 氣膜控制 液膜控制yyi x xi x xi yyi平衡曲線第47頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二54 吸收塔（填料塔）計算 概述 1、解決吸收過程問題都可聯(lián)立以下三式求解 全塔物料衡算式 G（y1 y2）= L（x1- x2） 相平衡方程式 y* = m x 吸收過程基本方程式 NA= 傳質推動力/傳質阻力 2、吸收塔內氣液相對流動方向 并流： 逆流：推動力大 吸收率高（有利于降低出塔氣體的濃度） 吸收劑用量少（有利于提高出塔吸收液的濃度） 但處

22、理量受限制-液體用量的計算-填料高度的計算第48頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二吸收過程的數學描述 計算前提： 低濃度、等溫、逆流、連續(xù)定態(tài) 即L、G、K可認為常數。 低濃度的吸收，通常是指混合氣中溶質組成y1空塔 液泛區(qū)：B點以上部分，P迅速上升，液體受阻塞而 積聚在填料上，最后液體變?yōu)檫B續(xù)相，氣體 以氣泡形式穿過液層，塔內液體返混和氣體 的液沫夾帶嚴重，傳質效果極差 A點稱為載點，B點稱為液泛點。 填料塔不能在液泛下操作。第85頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二2、壓強降與液泛點氣速的計算 通用關聯(lián)圖（P142）： 液泛氣速的求取 P的求?。≒

23、范圍，常壓塔 150500 Pa/m， 真空塔 80 Pa/m。）3、影響液泛點氣速的因素 填料的特性： 填料的類型、材質、比表面積、空隙率等 流體的物性：氣、液、液 液氣比： L濕潤min (m3/h.m2)第86頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二三、塔徑DT的確定 4Vs DT = u 式中 DT 塔徑； Vs 操作條件下混合氣體的體積流量； u 空塔氣速。 當Vs一定時，DT與空塔氣流速度u有關。計算塔徑的關鍵在于確定適宜的空塔氣速?？账饬魉俣萿與塔內流體的流體力學性質有關。一般以塔底的氣量為依據。第87頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二 通常： u DT 設備費 P（操作費） 液體下行受阻 P 產生液泛 u DT 設備費 填料表面濕潤性能 當L L濕潤min 時影響傳質 通常 u=（0.50.85）uf 式中 uf為液泛速度，m/s。 （可由通用關聯(lián)圖526求得）第88頁，共92頁，2022年，5月20日，0點37分，星期二*由以上分析可知，確定塔徑DT時要求做到： 不能發(fā)生液泛現(xiàn)象 P應在適當的范圍內，常壓塔（150500 Pa/m） 真空塔（ L濕潤min 單位：m3/（m2s） L濕潤min由式（571