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(diǎn)37分，星期二 2、完成分離任務(wù)應(yīng)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(jīng)濟(jì)與安全性等 傳質(zhì)設(shè)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)37分，星期二 二、吸收操作分類 *物理吸收與化學(xué)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(shù)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(jīng)濟(jì)性 吸收操作費(fèi)用主要包括： 氣、液兩相流經(jīng)吸收設(shè)備的能量消耗； 溶劑的揮發(fā)損失和變質(zhì)損失； 溶劑再生(解吸)費(fèi)用，即解吸操作費(fèi)用。 *以上三項(xiàng)費(fèi)用中第項(xiàng)所占比例最大。 第5頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二 本章基本內(nèi)容： 本章基本內(nèi)容:介紹物理吸收過程機(jī)理、傳質(zhì)速率方程及吸收過程的設(shè)計(jì)計(jì)算和操作分析。 吸收過程中氣液相平衡關(guān)系

3、表示方法吸收過程的傳質(zhì)機(jī)理吸收過程傳質(zhì)模型及傳質(zhì)速率表達(dá)式吸收操作的物料衡算填料層高度的計(jì)算方法解吸過程計(jì)算傳質(zhì)設(shè)備，填料吸收塔第6頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二重點(diǎn)內(nèi)容： a.物理吸收過程 b.低濃度吸收過程設(shè)計(jì)計(jì)算本章難點(diǎn)：a.吸收過程的傳質(zhì)機(jī)理b.相平衡關(guān)系不同表達(dá)式間的換算 第7頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二物質(zhì)的量濃度（摩爾濃度）CA = nA / V物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)（摩爾分?jǐn)?shù)）xA = nA / n摩爾比 XA = nA / nB 換算關(guān)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(diǎn)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(dāng)T、P確定后，溶質(zhì)在液相中的濃度僅與氣相分壓Pe的有關(guān)。 * 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(guān)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(diǎn)37分，星期二 溶解度 ： 定義: 影響因素: 溶液、溶質(zhì)的性質(zhì)，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(guān)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(shí)驗(yàn)測定 第10頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二溶解度曲線： P*x關(guān)系曲線： 直接反映了相平衡的本質(zhì)，用于思考與分析問題 yx關(guān)系曲線： 可方便地與物料衡算式等其它關(guān)系式一起對整個吸收過程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述 P* y * 80 70 X X第11頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)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(zhì)分壓與該溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比。 *2 亨利系數(shù)E 可由實(shí)驗(yàn)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?nèi)苜|(zhì)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(zhì)在氣相中的平衡分壓，N/m2。 E 亨利系數(shù)，kN/m2。 xA 溶質(zhì)在液相中的摩爾分率。第12頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二 *4 亨利定律的其他表達(dá)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(shù)， 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(shù)，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(guān)系 H =E xA/ CA E MS /S m = E / P總壓 E 亨利系數(shù)，N/m2。第13頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二三、相平衡與吸收過程的關(guān)系 1、判別傳質(zhì)過程的方向 P P PA A PB* PA* PB B xA xA* x xB* xB x 2、確定傳質(zhì)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(zhì)的傳遞速率比單純的分子擴(kuò)散速率大。當(dāng)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(shù)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(diǎn)37分，星期二4、分子擴(kuò)散系數(shù) D， m2/s 物性參數(shù)之一，表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能力。 影響因素：物質(zhì)的種類 溫度 T，D 濃度 C，D（組分在氣體中擴(kuò)散，濃度的影響可忽略） 壓力 P，D（組分在液體中擴(kuò)散，壓力的影響可忽略） 確定方法：實(shí)驗(yàn)測定（查手冊）或根據(jù)實(shí)驗(yàn)方程式計(jì)算。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)方程式估算D，使用方便，但誤差較大。 通常，氣體的擴(kuò)散系數(shù) 0.1 1.0 cm2/s 液體

9、的擴(kuò)散系數(shù) 110-5 510-5 cm2/s 由于氣體的擴(kuò)散系數(shù)大于液體的擴(kuò)散系數(shù)，因此一般氣體中的擴(kuò)散速率比液體中的擴(kuò)散速率高（約100倍）。 第29頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二二 渦流擴(kuò)散與對流傳質(zhì) 1、 渦流擴(kuò)散 湍流流體中出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)脈動和大量旋渦，造成組分?jǐn)U散，稱為渦流擴(kuò)散。 表示方法，借助于費(fèi)克定律形式 dCA JA= - Dq dZ Dq為渦流擴(kuò)散系數(shù)，不僅和物性有關(guān)，而且與流動狀況有關(guān) 。2、 對流擴(kuò)散速率即有分子擴(kuò)散又有渦流擴(kuò)散 dCA JA= -（ Dq+D） dZ 層流區(qū)Dq =0 ；湍流區(qū)分子擴(kuò)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(diǎn)37分，星期二3、對流傳質(zhì)理論 為進(jìn)一步解決對實(shí)際傳質(zhì)過程速率的描述，提出以下模型基本思想 （1）單相內(nèi)的對流傳質(zhì)的有效膜模型（濕壁塔） 1）模型要點(diǎn): * 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(nèi)無物質(zhì)累積,為穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散. * 對流傳質(zhì)阻力全部集中于停滯膜內(nèi) 第31頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)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(diǎn)37分，星期二2）傳質(zhì)速率方程 按上述有效膜模型，在氣相中的傳質(zhì)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(zhì)系數(shù) ，kmol/（m2 s k Pa）。 ky 以摩爾分?jǐn)?shù)差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù) ，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?jǐn)?shù)。 同理可得： 第33頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二在液相中的傳質(zhì)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(zhì)系數(shù) ，m/s； kx 以摩爾分?jǐn)?shù)差表示推動力的液膜傳質(zhì)系數(shù) ，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?jǐn)?shù)。 3）k G 與k y、k x與k L關(guān)系： k y =P k G k x =C k L k G 、k y、k x、k L 相當(dāng)于對流傳熱的傳熱膜系數(shù)，影響因素較多，通常用經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式確定，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值第34頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二（2）溶質(zhì)滲

13、透模型 模型要點(diǎn)： 考慮溶質(zhì)在膜內(nèi)積累形成濃度梯度的過渡過程 相界面上，液、氣組成達(dá)到平衡,即使傳質(zhì)推動力為零。 溶質(zhì)向界面液膜縱深y向滲透 ，膜內(nèi)滲透過程為非穩(wěn)態(tài)分子 擴(kuò)散過程。 液膜之外為穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 （3）表面更新模型 模型要點(diǎn)： 液體表面始終處于不斷為液體微團(tuán)更新過程之中。 溶質(zhì)組分以非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散方式傳遞到液體微團(tuán)中。 相界面上各液體微團(tuán)暴露于氣相的時間不同，符合隨機(jī)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(diǎn)37分，星期二三、兩相間傳質(zhì)（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(diǎn)37分，星期二雙膜理論三個基本點(diǎn)： 存在穩(wěn)定相界面，相界面上氣液相平衡； 界面兩側(cè)分別為有效膜，膜內(nèi)的傳質(zhì)以分子擴(kuò)散方式進(jìn)行； 傳質(zhì)阻力全部集中在虛擬膜內(nèi)，膜外的主體中高度湍流傳 質(zhì)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(zhì)界面的吸收設(shè) 備有意義； 對具有自由相界面的氣液吸收系統(tǒng)，當(dāng)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(shí) 驗(yàn)結(jié)果不符合 第37頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二（二）總傳質(zhì)速率方程 吸收速率N： 單位相際傳質(zhì)面積上單位時間內(nèi)吸收的溶質(zhì)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(cè)的氣、液膜層中的傳質(zhì)速率應(yīng)是相等的。因此，其中任何一側(cè)有效膜中的傳質(zhì)速率都能代表該部位上的吸收速率。 氣膜吸收傳質(zhì)速率 NA = kG（PA - P i ） 液膜吸收傳質(zhì)速率 NA = kL（C i - CA ）= kL（P i - PA* ）/ H （下標(biāo)i為相界面處的氣相分壓，上標(biāo)*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(diǎn)37分，星期二根據(jù)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(zhì)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(zhì)系數(shù)； 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(diǎn)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(zhì)系數(shù)。 上式為以濃度差表示推動力的液相總傳質(zhì)速率方程。 總傳質(zhì)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(zhì)系數(shù)的單位，都等于： kmol/m2s傳質(zhì)推動力） 第40頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二 (三） 傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)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(diǎn)37分，星期二（四）界面濃度與傳質(zhì)阻力的控制步驟 1、總傳質(zhì)阻力與液膜阻力和氣膜阻力關(guān)系 總傳質(zhì)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(diǎn)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(zhì)系數(shù)的關(guān)系 ） 當(dāng)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(zhì)阻力主要集中于氣膜中，要強(qiáng)化吸收過程，關(guān)鍵要提高kG或ky值。 第43頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二當(dāng)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(zhì)阻力主要集中于液膜中，要強(qiáng)化吸收過程，關(guān)鍵要提高k

20、L或kx值。當(dāng)體溶解度中等時 總傳質(zhì)阻力中氣膜阻力與液膜阻力均不能忽略。 此時要強(qiáng)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(diǎn)37分，星期二 3、界面濃度的確定 已知k L、k G時，過操作點(diǎn)（P A、CA）作斜率為（- k L / k G）的直線，與平衡線交點(diǎn)的坐標(biāo)（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(diǎn)（y A、x A）作斜率為（- k x / k y）的直線，與平衡線 交點(diǎn)的坐標(biāo)（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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)37分，星期二54 吸收塔（填料塔）計(jì)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(zhì)推動力/傳質(zhì)阻力 2、吸收塔內(nèi)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(jì)算-填料高度的計(jì)算第48頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二吸收過程的數(shù)學(xué)描述 計(jì)算前提： 低濃度、等溫、逆流、連續(xù)定態(tài) 即L、G、K可認(rèn)為常數(shù)。 低濃度的吸收，通常是指混合氣中溶質(zhì)組成y1空塔 液泛區(qū)：B點(diǎn)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(nèi)液體返混和氣體 的液沫夾帶嚴(yán)重，傳質(zhì)效果極差 A點(diǎn)稱為載點(diǎn)，B點(diǎn)稱為液泛點(diǎn)。 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(diǎn)37分，星期二2、壓強(qiáng)降與液泛點(diǎn)氣速的計(jì)算 通用關(guān)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(diǎn)氣速的因素 填料的特性： 填料的類型、材質(zhì)、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(diǎn)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(dāng)Vs一定時，DT與空塔氣流速度u有關(guān)。計(jì)算塔徑的關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速?？账饬魉俣萿與塔內(nèi)流體的流體力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。一般以塔底的氣量為依據(jù)。第87頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)37分，星期二 通常： u DT 設(shè)備費(fèi) P（操作費(fèi)） 液體下行受阻 P 產(chǎn)生液泛 u DT 設(shè)備費(fèi) 填料表面濕潤性能 當(dāng)L L濕潤min 時影響傳質(zhì) 通常 u=（0.50.85）uf 式中 uf為液泛速度，m/s。 （可由通用關(guān)聯(lián)圖526求得）第88頁，共92頁，2022年，5月20日，0點(diǎn)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(yīng)在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，常壓塔（150500 Pa/m） 真空塔（ L濕潤min 單位：m3/（m2s） L濕潤min由式（571