协会注册化工第五章-传质第一部分.ppt

5.1 概述 基本上分为两大类： 逐级接触式(如板式塔) 微分接触式(如填料塔) 传质设备性能要求： 两相界面积单位体积相接触面积要大 通过能力生产能力要大 压降板压降，每m填料压降，流体阻力要小 操作弹性大汽液通量上、下限 结构简单成本低,5 传质过程,2 扩散和单相传质 2.1分子扩散(两组分) Fick定律 压力、温度一定, 总浓度 不变,这样 而 对于双组分 DAB=DBA=D 扩散速率 JA=-JB 应用条件：双组分P,T一定 当存在主体流动时，将如何？ B组分究竟有无扩散？ NM 主体流动 NA、NB 传递速率 净物流为N=NM+JA+JB JA=-JB N=NM N=NA+NB,对于A组分，扩散速率方程 2.2 扩散速率方程应用 等分子反向扩散NA = - NB 浓度线性分布,单向扩散 NB=0 浓度非线性分布 积分后 , 漂流因子 1 , 低浓度吸收,扩散系数 气体 , 量级10-5m2/s 液体 , 量级10-9-10m2/s,2.3 对流传质 类似于传热中的牛顿冷却定律 NA=kg(p-pi)=kL(Ci -C) =ky(y-yi)=kx(xi-x) 注意推动力与传质(分)系数一一对应。 传质分系数的确定 kg=f(,u,d,D) 无量纲化 , , 可得 Sh=AReBScC 关联式 降膜式吸收器， Sh=0.023Re0.8Sc0.33 Re2100, Sc=0.63000,3.4 三传类似 动量 热量 质量 柯尔本类似律,3.5 传质理论 有效膜理论(双膜模型) kD 定态 ， 溶质渗透理论 kD0.5 非定态 表面更新理论 kD0.5非定态 实际降膜式 k实测D0.67,4 相际传质 步骤：气相界面 界面溶解 界面液相 4.1 相际传质速率方程 气相 NA=ky(y-yi) 界面相平衡 yi=mxi 液相 NA=kx(xi-x) 消去xi, yi,总传质系数 同样NA=KX(xe-x) , 有什么条件？,气体吸收和解吸 1. 概述 11 工业背景,1.2 吸收的目的 1分离气体混合物 2除去气体中的有害成分(气体净化) 1.3 吸收过程的依据(原理) 气体中各组分在溶剂中的溶解度的不同 必须解决的问题： 1选合适的溶剂选择性吸收； 2提供适当的传质设备气液； 3溶剂的再生往往要解吸、精馏 解吸方法：升温、吹气、减压 1.4工程措施 调节吸收剂的用量、浓度、操作温度、压力,1.5 吸收的分类 1物理吸收与化学吸收 2单组分吸收与多组分吸收 按被吸收组分数目不同分 3. 等温吸收与非等温吸收 4. 低浓度吸收与高浓度吸收,1.6 吸收溶剂的选择： 1对溶质的溶解度要大； 2选择性要高； 3再生方便； 4蒸汽压低，挥发少； 5安全 1.7 吸收操作的经济性(费用) 设备费、操作费 1.两相流动的能耗 2.溶剂的损失 3.溶剂的再生,1.8 吸收设备,2 气液相平衡 2.1 溶解度曲线 物化中所学相平衡 fV=fl , 分压与温度、浓度有关,低浓度时，近似为直线，服从亨利定律： pe=Ex x为摩尔分率 pe=C/H C为摩尔浓度 ye=mx y为气相摩尔分率 , 温度上升，E, H, m如何？ 总压上升，E, H, m如何？,2.2 过程进行的方向、极限和推动力 由ye=0.940.05=0.047x, 气液,由ye=0.94 y=0.05 液气，解吸 或 x=0.1 液气，解吸,推动力： 以气相浓度差表示 y-ye 以液相浓度差表示 xe-x 过程极限: 气量小，液量大 气量大，液量小,2.3 阻力控制 总阻力 当 时，气相阻力控制 Kyky， Kxmky ，yiye 例如，水吸收NH3,HCl 当 时，液相阻力控制 Kykx/m， Kxkx ，xixe 例如，水吸收H2,CO2,O2,由NA=ky(y-yi)=kx(xi-x) 得 由已知点(x,y)和 斜率作直线与平衡线相交， 得(xi,yi),例1：已知湿壁塔某一塔截面上气相 主体的溶质浓度y=0.05, 液相溶质浓度 x=0.01, 气相与液相传质系数分别为 ky=510-4kmol/m2s, kx=810-4kmol/m2s, 亨利常数m=2, 总压为101.3kPa。 试求：推动力y-ye, xe-x 总传质系数Ky, Kx 传质速率NA 将操作总压改为162kPa，单位塔截面上的气体质量流速不变，总压对气体粘度影响可忽略，计算传质速率NA 。,解：推动力y-ye=y-mx=0.05-20.01=0.03 总传质系数 传质速率,总压增加后，由 可知 压强对液相D, 无影响，所以对kx无影响. 对ky如何？ m3/m2s , 与P无关, 操作压强增加对吸收是否有利？,5 低浓度气体吸收 当气体浓度10%时, 有三个基本特点: 流率G,L沿塔为常量. G,L单位kmol/m2s 吸收过程是等温的 热量衡算不必要， 相平衡关系不变 传质系数为常量， kx, ky沿塔不变 这三个特点也即数学描述的基本假定,5.1物料衡算式 M=G(Y1-Y2)=L(X1-X2) M-被吸收的量kmolA/s G -惰性气体流量kmolB/s L -溶剂流量kmolS/s Y1,Y2 -气体比摩尔浓度kmolA/kmolB X1,X2 -液体比摩尔浓度kmolA/kmolS 换算 回收率 即,2) 物料衡算微分方程式 数学描述:物料衡算 吸收过程速率式 塔截面积 A（ ） 单位容积内的有效吸收表面 a m2/m3 取微元塔段dh，则传质面积为 aAdh 传质量为NAaAdh 定态条件下 进=出 GY=G(Y+dY)+NAaAdh 得 - GdY=NAaAdh 同样，液相有 - LdX=NAaAdh NA=Ky(Y-Ye)=Kx(Xe-X),5.2 过程的基本方程式 - GdY= Kya (Y-Ye)Adh 传质单元高度, m 传质单元数 将变量分解成两部分-变量分离法 HOG主要取决于设备，一般为0.151.5m NOG含义 表示分离任务难易 HOG的物理意义,同样 5.3 操作线和平均推动力 对塔段作物料衡算 GY1+LX=GY+LX1 得操作线 表示同一塔截面上气液相浓度关系,找y与y-ye的关系, 以便求取 当相平衡线直线时，由操作关系 得 Y-Ye=Y-mX,=常数= 即Y与Y-Ye之间为线性关系 对数平均推动力,吸收基本方程 同样可得 当平衡线 Y=mX+b 时也适用 注意： Ye1=mX1+b ， Ye2=mX2+b,5.4 传质单元数的计算方法 对数平均推动力法 吸收因数法 适用于Y=mX 由于 =常数= , 物料衡算 设法消去X1, 得,记 为吸收因数，则,数值积分法 适用于平衡线是曲线，可用数值描述时。 面积=,5.5 吸收剂再循环 通常，再循环降低了推动力 再循环用于放热显著，外配冷却器， 有利于相平衡，可提高推动力 L量太小，不足以使液体均布。,返混设备内少量流体自身由下游返回上游 结果推动力下降,5.6 吸收塔的设计型计算 物料衡算 G(Y1-Y2)=L(X1-X2) 相平衡 Y=mX 过程基本方程 变量分析：G, L, Y1, Y2, X1, X2, H, m, Kya 共9个 给定条件：G, Y1, m 分离要求：Y2或回收率 计算目的：H 选择：流向(并流或逆流)，X2, L 选择的要求：技术上可行，经济上合理,流向：逆流Ym大, 泛点流率限制, Y2可行域较宽 X2：选高：吸收难, H高 选低：解吸(再生)难 技术上限制：相平衡 L：经济上：L大，H小，吸收容易，再生费用大 L小，H大，吸收困难，再生费用小,技术限制 LLmin 最小液气比 通常，取 为设计型计算专有，实际操作时， 若 ，则Y2达不到要求,例1. 用清水吸收氨和空气混合气中的氨，在填料塔中逆流操作，已知：G/A=0.0318kmol/m2s, Y1=0.02, Y2=0.001, 相平衡服从亨利定律， L=1.2Lmin, Kya=0.0522kmol/m3s, 求:所需塔高H,解：清水X2=0， X2=0时,H=HOGNOG=0.619.8=6.0m,解吸塔计算 原则与吸收塔计算相同 特点：操作线在平衡线下方 有Gmin的问题 实际GGmin 为免符号混乱，用 较好,易犯错误： 不管吸收和解吸，死套公式 Y1, Y2, X1, X2符号意义不一 推动力表达不同 Y1-mX1与mX1-Y1,例2：过热水蒸汽吹出洗油中的苯 已知：HOG=0.5m, 相平衡Y=3X, G=1.2Gmin 求：H,解： H=HOGNOG=0.56.38=3.19m,计算技巧：(y=mx) , 吸收时 解吸时,5.7 吸收塔的操作型计算 第一类：已知:H, G, L, y1, x2, m, KyaA 求：y2, x1(二元一次方程组) 第二类：已知:H, G, y1, y2, x2, m, KyaA 求：L, x1(需试差) 由 得 物料衡算： G(Y1-Y2)=L(X1-X2),例3 一逆流操作吸收塔，相平衡Y=2X，Y1=0.10， X2=0.003, 得回收率=0.80。 试求： (1)因解吸不良，X2=0.0075, =? (2)若 ，则X1和X1各为多少？,解：(1) 两工况比较，其他均不变 Y1=0.1, Y2=Y1(1-)=0.1(1-0.8)=0.02 得 Y2=0.0244,(2) 用图表示结果,5.8 吸收塔的操作和调节 极限问题：H时，Y2=?, X1=? 技术上两点限制 a. 相平衡 b.物料衡算 Ym0 Y2=mX1 由 得,逆流：当 或 时 Y1=mX1 得 当 或 时 Y2=mX2 得 当mG=L时将如何？,逆流操作，且H时，Y2与 的关系如何？ 时， 时， Y2=mX2,吸收剂进塔条件对吸收操作结果的影响 A. L,Y2 ,X1 . 塔高不变，HOG不变， 所以 不变 若Y2不变，则Ym 若X1不变，则Ym Y1-Y2不变，不成立 而Y1-Y2 ，不成立,B. t, m , Y2 , X1 . C. Y1,m , Y2 ,X1 . P,结果如何? G,结果如何,要降低Y2，用什么手段最有效？ L , X2 , t , P A.当 时，L较有效 B.当 时，X2,t, P较有效,例4 某填料吸收塔用清水逆流吸收空气混合气中的丙酮。原工况下，进塔气体y1=0.015(摩尔分率，下同)，操作液气比为最小液气比的1.5倍，丙酮回收率可达0.99，现气体入塔浓度降为y1=0.010，进塔气体量提高20%，吸收剂用量、入塔浓度、温度等操作条件均不变。已知操作条件下平衡关系满足亨利定律，总传质系数KyaG0.8。试求： (1)新工况下丙酮的回收率； (2)若仍将回收率维持在0.99，则新工况下所需 填料层高度为原工况的多少倍？,解：y1=0.015, X2=0, =0.99 原工况 新工况下，H不变, 得 =0.97,塔高计算 1） H=HOGNOG 2） H=NTHETP NT-理论板数 HETP-等板高度,7 化学吸收 工业实例 用酸性溶液吸收氨； 用碱性溶液吸收HCl或Cl2; 用浓硫酸吸收气相中的水份； 用碱性溶液吸收SO2； 用强碱液吸收低浓度H2S 例：聚氯乙烯生产 氯乙烯单体中的HCl必须除净,先用水吸收，再用NaOH溶液吸收,7.1 化学吸收特点(与物理吸收相比)： 提高了选择性; 提高了吸收速率(ky不变, Ky增加, 溶解度增大); 减少了吸收剂用量; 可较彻底除去微量物