第七章吸收修改1.ppt

1 第二章吸收 第一节概述第二节气 液平衡第三节吸收机理与吸收速率第四节吸收塔的计算 2 本章重点 1 亨利定律及各种表达式和相互间的关系 2 菲克定律及其应用 3 双膜理论及总吸收速率方程 4 吸收过程的物料衡算及操作线方程 5 最小液气比概念及吸收剂用量的计算 6 填料层高度及其传质单元数的计算 7 吸收塔的设计计算 3 第一节概述 一 什么是吸收二 吸收目的三 吸收分类四 吸收设备 流程五 吸收剂的选择 4 第一节概述 一 什么是吸收 利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物的操作称为吸收 5 二 吸收目的 第一节概述 6 第一节概述 三 吸收分类 7 第一节概述 1 吸收设备 塔设备 四 吸收设备 流程 8 2 吸收流程 第一节概述 9 第一节概述 3 吸收剂在吸收塔内再循环流程 4 吸收 解吸流程 10 五 吸收剂的选择 1 溶解度对溶质组分有较大的溶解度2 选择性对溶质组分有良好的选择性 即对其它组分基本不吸收或吸收甚微 3 挥发性应不易挥发4 粘性粘度要低5 其它无毒 无腐蚀性 不易燃烧 不发泡 价廉易得 并具有化学稳定性等要求 11 第二节吸收过程的气 液平衡 一 气体的溶解度二 吸收极限 相平衡三 亨利定律四 气液两相传质的方向 12 一 溶解度 第二节吸收过程的气 液相平衡 13 14 二 吸收极限 相平衡 当吸收剂中浓度达饱和时 任何时刻进入液相中的溶质分子数等于从溶液中送出的到气相中的溶质分子数 即气相中和液相中溶质分子不再发生变化 称两相动态平衡 相平衡 达到相平衡时 吸收操作已达极限程度 如不改变条件 再操作多少时间 溶质不会再被吸收剂吸收 吸收操作便可停止 第二节吸收过程的气 液相平衡 15 第二节吸收过程的气 液相平衡 三 亨利定律 对于稀溶液 有 16 亨利定律的其他形式 E越大 表明溶解度越小 E随温度变化而变化 T E m越大 表明溶解度越小 m随温度 总压变化而变化 T m P m 第二节吸收过程的气 液相平衡 17 四 气液两相传质的方向与传质极限 求下列五种情况下的传质方向 在常压下及25 下 气相co2的组成0 05 摩尔分率 现将此混合气体分别与以下几种溶液接触 浓度为10 3kmol m3的co2水溶液 浓度为1 09 10 3kmol m3的co2水溶液 浓度为3 10 3kmol m3的co2水溶液 气相压力还保持常压 co2的组成仍为0 05 而温度降为0 将此种气体与浓度为3 10 3kmol m3的co2水溶液相接触 气相压力为5 105pa 温度为25 co2组成仍为0 05 将气相与浓度为3 10 3kmol m3的co2水溶液相接触 18 解 对于题中规定的气液两相条件 判别过程进行的方向和极限 首先计算与气相浓度呈平衡是的液相浓度 查常压下25 下 co2在水中的亨利系数E 164mpa 平衡常数m E P 1640 当气相浓度y 0 05时 与其平衡的液相浓度x y m 3 10 3而实际的液体浓度c 10 3kmol m3水密度为 1000kg m3则x c ms 10 3 1000 18 1 8 10 5 19 由于液相中co2的浓度下于与气相呈平衡的液相浓度x 故两相接触时 将有部分co2从气相转入液相 此过程为吸收 同理对 四种情况计算 计算后将5种情况结果列于表中 20 小结 亦可通过比较气相组成y与液相呈平衡时的气相浓度y 的值的大小来进行判别 y y 则为吸收过程 y y 则为解吸过程 1 气液两相传质的方向与极限 若溶质在液相主体中的实际浓度为x 与接触的气相呈平衡的液相浓度为x 则当xx 解吸 x x 平衡状态 此时传质推动力为0 传质过程停止 即达到极限状态 21 2 影响吸收过程的因素 1 温度t E 减少了吸收的传质推动力 对吸收不利 2 压力 P总 5 10 5pa 对E影响不大 当气相中溶质浓度相同 增加气相中溶质的分压 增大 了传质推动力 对吸收有利 22 第三节吸收机理与吸收速率 3 1单相中物质传递3 2吸收机理3 3吸收速率 23 3 1单相中物质传递 一 分子扩散与菲克定律二 气相中的稳定分子扩散三 液相中稳定分子扩散四 对流传质 24 一 分子扩散与菲克定律 扩散通量 单位面积 单位时间内扩散传递的物质量 单位为kmol m2s 用J表示 25 费克定律的其它表达形式 说明 1 JA z是相对扩散通量 绝对扩散通量用NA z表示 2 DA B是物性之一 DA B 气 10 5m2 sDA B 液 10 9m2 sDA B 固 10 10m2 s 26 二 气相中的稳定分子扩散1 等分子反向扩散 27 传递速率 单位时间内通过单位面积的A B 的物质量 用NA表示 NB 扩散通量 单位时间 单位面积上扩散的物质量JA 如传递为单纯的分子扩散 则NA JANB JB NA JA DdCA dZ D RT dpA dZ 28 将上式积分 截面1 截面2 则可得到 NA D RTZ PA1 PA2 解得传递速率为 29 2 单相扩散 一组份通过另一停滞组分的扩散如吸收 萃取等 为了讨论物质在一相中的传递速率 设想有一界面 如图 30 总体流动 此界面只允许A分子通过 不允许其它分子通过 则A从气相主体中通过界面扩散到液相中 扩散通量为JA 由于A的扩散 则在A的位置遗留有一空缺 此时主体中的A B分子递补过来填充到这个空缺中 这种递补运动称为 总体流动 总体流动的通量用N表示 则A在总体通量N中所占的通量可用下式表示 NA主 NyA NCA C 物质A传递的总的速率NA为 扩散与总体总和 NA NA主 JA JA NCA C 31 同理 NB NB主 JB JB NCB C 前面已约定过 界面只允许A通过 不允许其它分子通过 所以在界面处 B的传递通量等于0 即 NB JB NCB C 0 JB NCB C 将以上关系及通过积分 可得 NA DC C CA dcA dZ C CA CB 扩散在气相中 浓度一般都用分压表示 32 CA PA RTC P RT NA D RT P P PA dpA dZ 或NA DP RT dPB PBdz 积分后 吸收过程传质速率 其中 P PBm 漂流因素 无因次 1 33 如溶液中溶质量很小 即溶液很稀 则P PBm 1此时NA D RTZ PA1 PA2 等摩尔反向扩散 以上过程 即一组分通过一停滞组份的扩散 发生在吸收或脱吸中 不存在精馏过程中 吸收 气相中溶质A不断进入液相 惰性组分 载体 B不能被溶剂S吸收 即不能进入液相 而溶剂S是不汽化的 即溶剂S中没有溶剂分子S逸出 属于一组分通过另一停滞组分S的扩散 精馏 易挥发组分A与难挥发组分B的摩尔汽化潜热近似相等 所以易挥发组分A进入液相的量 34 三 液相中稳定分子扩散 与难挥发组分B进入液相中的量相等 所以在相界面处不会因为一种物质转入另一相而造成空缺 因而也不会发生总体流动 液相中物质分子运动速率远远小于气相中气体分子的运动速率 扩散系数在液相和气相中相差105倍 即D气 105D液 液相中扩散速率可依照气相中扩散速率处理 NA D C ZCsm CA1 CA2 35 式中 NA 溶质A在液相中的传递速率 kmol m2 sD 溶质A在溶剂中的扩散系数 m2 sC 溶液的总浓度 kmol m3CA1 CA2 截面1 2上的溶质浓度 kmol m3Csm 1 2两截面上溶剂S浓度的对数均值 kmol m3 四 涡流扩散 发生在湍流流体中 湍流中流体质点发生无规则运动 而不象在滞流流体中依靠分子无规则运动传递物质 湍流主体中会产生漩涡 使各部分流体间产生剧烈混合 36 湍流流体中发生传质靠流体质点的湍动和漩涡来传递物质的 称为涡流扩散 湍流主体中 分子扩散同时起着作用 但与涡流扩散比很小 涡流扩散占主要地位 J D DE dCA dZ D 分子扩散系数 m2 sDE 涡流扩散系数 m2 s注 D是物性常数DE除了与物质性质有关外 还与流体湍动程度有关 所以不是物性常数 37 3 2吸收机理 单相中传质机理为扩散理论 分子扩散 涡流扩散 两相中传质机理 吸收机理 有 双膜理论 溶质渗透理论 表面更新理论等 38 一 双膜模型 39 理论要点 A 相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面 界面两侧各有一个很薄的停滞膜 吸收质以分子扩散方式通过此二膜层 由气相主体进入液相主体 B 在相界面处 气液两相达于平衡 C 两停滞膜外气液两相主体中流体充分湍动 浓度均匀 二 双膜理论要点 40 3 3 吸收速率 吸收速率 前面已提过 即单位相际传质面积上单位时间内吸收的溶质量 NA表示 任何传质速率都可用下式表示 吸收速率 吸收推动力 吸收阻力 吸收系数 推动力 41 吸收的速率也可用上式表示 吸收速率 吸收推动力 吸收阻力 吸收系数 推动力一 吸收速率方程双膜理论 相界面两侧存在厚度为ZG和ZL的气膜和液膜 在稳定操作时 通过气膜或液膜的速率是相等 即 42 液膜吸收速率方程式NA D C zLcsm ci c kL ci c ci c 1 kL 即 气膜吸收速率方程式 43 类似地 44 以分压差为推动力的气相总吸收速率方程 45 46 47 气膜控制 易溶体系 故 48 液膜控制 难溶体系 故 49 双膜控制 气膜阻力和液膜阻力均不可忽略 称其为双膜控制 50 总结 1 吸收速率方程式的形式由于浓度表示方法不同和推动力所涉及的范围不同 出现了多种形式的吸收速率方程式 可把它们分为两类 51 膜吸收速率方程式 NA kG p pi NA ky y yi ky PkGNA kL ci c NA kx xi x kx CkL总吸收速率方程式 NA KG p p 1 KG 1 kG 1 HkL NA KY Y Y 1 KY m kX 1 kY NA KL c c 1 KL 1 kL H kGNA KX X X 1 KX 1 kX 1 mkY 52 2 吸收系数的单位任何吸收系数的单位均可写作kmol m2 s单位推动力 当推动力以无因次的摩尔分率或摩尔比表示时 吸收系数的单位为kmol m2 s 即为吸收速率的单位 3 应用吸收速率方程时应注意的事项 1 必须注意各速率方程式中吸收系数与推动力正确搭配 吸收系数的倒数表示吸收阻力阻力的表达式也应与推动力相对应 53 2 上述所有吸收速率方程适用于 描述稳定操作的吸收塔内任一截面上的速率关系 而不能直接用来表示全塔的吸收速率 因为在塔内不同截面上气液两相浓度各不相同 吸收速率也不相同 3 总吸收速率方程适用范围 在整个浓度范围内 平衡关系须为直线 即符合亨利定律 否则 总吸收系数会随着浓度而变化 当然对于一些例外 如难溶气体KX kx 易溶气体KY ky 4 对于中等溶解度气体 平衡关系不符合直线 不宜采用总吸收系数表示的速率方程 而用膜吸收速率方程 54 55 第四节吸收塔的计算 4 1吸收操作的物料衡算及操作线方程4 2吸收剂用量的确定4 3填料层高度的计算 56 4 1吸收操作的物料衡算及操作线方程 一 全塔物料衡算 V 单位时间内通过吸收塔的惰性气体量 kmol B sL 单位时间内通过吸收塔的溶剂量 kmol A sY1 Y2 分别为进塔 出塔气体中溶质组分气相摩尔比 kmol A kmol B X1 X2 分别为出塔及进塔液体中 溶质组分的摩尔比kmol A kmol S 下标1 代表塔低 下标2 代表塔顶 57 对A进行物料衡算 VY1 LX1 VY2 LX1即V Y1 Y2 L X1 X2 混合气体中溶质A被吸收的百分率 称为吸收率或回收率 用 A表示 则出塔混合气体中溶质A的浓度为 Y2 Y1 1 A 58 二 吸收塔操作线方程与操作线 了解在塔的任一截面处两相浓度关系可从塔的任一截面至塔的任何一个端面 塔顶或塔底 进行物料衡算即可 例下图 从m n截面至塔底端面之间作组分A的衡算VY LX1 VY1 LX 59 Y 1 从m n截面至塔顶端面之间作组分A的衡算VY LX2 VY2 LXY 2 60 1 如平衡线位于操作线之上 应是什么结果 2 在X Y图上表示塔顶 底总吸收推动力 思考 61 4 2吸收剂用量的确定 在吸收操作过程中 一般需要进行处理的混合气体流量V及气体的初始 终了浓度Y1 Y2和吸收剂入塔时的初始浓度X2已知的 即我们已知 V Y1 Y2 X2未知L 吸收剂用量 在进行操作前必须由设计者决定 而吸收剂用量L的大小与设备费用 操作费用两方面有关 应综合考虑两方面因素 最终才能确定合适的吸收剂用量L 62 从下面的图分析 X2 Y2已知 操作线T点确定 63 又 Y1已知 即B点的纵坐标已知 X1未知 则B点是在Y Y1的直线上移动 到底B点定在什么位置 决定于BT线的斜率 即气液比 而V值已知的 实际斜率只决定于吸收剂用量L 如 1 L L V BT线的B点向右移动 结果使B点吸收液 即出塔吸收液 中浓度加大 X1加大 则吸收推动力X X减小 要达到同样吸收效果时 要求吸收传质面积增大 即吸收剂用量减少 溶质消耗费用减少了 但设备投资费用增大了 2 继续减少L 使B点移动到与平衡线的交点B 点时 64 此时X1 X 即出塔吸收液浓度达饱和 与它所接触的气体呈平衡状态 这是吸收操作理论上所能达到的最高浓度 最理想的状态 而实际上 因为推动力 X X1 0 要达到这样吸收效果 必须有无限大的相际传质面积 这是不可能的 所以X1 X 是一种极限状态 在这种极限状态时操作线斜率L V达最小 用 min表示 称 min为最小液气比 此时相应的吸收剂用量L称为最少吸收剂用量 用Lmin表示 这是理论状态 实际L应比Lmin大 65 3 增大L 则L V 操作线BT斜率增大 B点向左移 则出塔吸收液浓度X1减少 这是操作上不希望的 但是此时推动力X1 X 增大 相应的吸收面积减少 即投资费用减少 但L增大到一定限度时 这时效果越来越不明显 但吸收剂消耗量了 输送 回收等费用急剧增加 综合上述各因素 L太大或太小都不好 一般L的用量取最小吸收剂用量Lmin的1 1 1 2倍 即 1 1 1 2 min即L 1 1 1 2 Lmin 66 Lmin的求取 1 平衡线如上图所示 则只要从T点连接Y Y1与平衡线的交点B 点即TB 则TB 线所对应的斜率L V即为最小吸收剂用量下的斜率 min而 min tg 67 2 平衡线如下图所示 只要过点T作平衡线切线 切线与Y Y1水平线交点B 所对应的吸收液出塔浓度为X1 TB 线所对应的斜率为此种情况下的最小斜率 即 min 68 3 如平衡关系符合亨利定律 即直线 那么Y mX可直接将Y mX代入公式 min 中求得Lmin 69 4 3填料层高度的计算 填料层高度Z由 物料衡算 传质速率 相平衡关系共同确定如此我们讨论时只能选取塔中某一截面 即某一单元高度dZ 来进行分析 70 一 填料层高度的基本计算式 如图 71 取高度为dZ的这样一个微元为对象进行研究 对溶质A进行物料衡算 单位时间内由气相转入液相的A物质量为 dGA VdY LdX dZ很小 可以认为在dZ内气 液相浓度变化极小 认为吸收速率在dZ内不变 A被吸收量为 dG NAdAdA 在Z内气液传质面积 有效面积 a 单位体积填料层所提供的有效接触面积 m2 m3 塔截面积 m2 72 dA a dGA NAa 1 dZ微元填料层中的吸收速率方程式可写为 将以上式子代入 1 式中 dGA KY Y Y adGA KX X X a又因为dGA VdY LdX所以VdY KY Y Y aLdX KX X X a 73 则 稳定操作时 L V a 为常数稀溶液 也视为常数 可对上式进行在全塔范围内积分 74 即 或 由于a与 填料形式 尺寸 填充状况 流体性质 流体流动状态这三种情况有关 a值难于直接确定 为了避开直接用a的不便 因而我们把 作为一个整体考虑 称 气相总体积吸收系数 kmol m3 s 液相总体积吸收系数 kmol m3 s 75 二 传质单元高度与传质单元数 分析式 其中 单位为m 即高度的单位 称为单元高度 全称 气相总传质单元 高度 以 HOG 表示 即 HOG 76 再看积分号内 分子 分母具有相同的单位 积分值为一个无因次量 把它认为相当于气相总传质单元高度HOG的一个倍数 称它为 气相总传质单元数 用 NOG 表示 即 NOG 则 总传质总元高度Z 单元高度 倍数 单元数 Z HOGNOG同理 用液相总传质系数表示时Z 77 依次类推 可以写出如下通式 即 填料层高度 传质单元高度 传质单元数如采用膜吸收速率方程式 或 时 则填料层高度的计算可写成 或 其中 HG 78 三 传质单元数的求法 从以上公式可看出 要求算填料层的有效高度Z 关键在于求算传质单元数 NOG NOL NG NL 1 图解积分法 适用于各种平衡关系 特别适用于平衡线为曲线的情况 仍以气相总传质单元数NOG 为例来说明 79 Y Y2 Y 0所围成的面积值 分析积分值 实际是曲线 与Y Y1 则只要作出 Y的曲线便可 方法 找出一点 如图 1 求得 同理 由 如此可作出图 2 80 2 解析法 适用于平衡线为直线的情况 设平衡线方程 1 脱吸因素法 81 前面已推导过的逆流操作的操作线方程 代入上式得 令 则 82 积分并化简得 称 为 脱吸因素 无因次 称为 吸收因素 无因次 由推导的公式NOG形式中可看出 NOG与 和S有关 83 脱吸因素S一定时 与 有一一对应关系 为了计算 方便 将NOG S 作成一图得书本P120图2 19 每根曲线对应的一个S值 横坐标表示 纵坐标表示 NOG 横坐标代表溶质A吸收率的高低 如需吸收率越高 即A被吸收越多 离开塔的尾气中浓度Y2越小 横坐标数值越大 即横坐标越往右 则吸收操作的吸收率越大 则NOG也越大 84 参数S 脱吸因素 代表吸收推动力大小 如 一定 S越大 即液气比减小 图 85 即操作线的斜率越小 则溶液出口浓度X1提高 塔内吸收推动力减少 则达到同样吸收效果时 要求的传质单元数增大NOG 吸收操作中如要求 提高吸收效率 则应增大液体量 则操作线斜率 使 操作线斜率 平衡线斜率 即 要求得到浓的吸收液 力求使出塔液体与进塔气体达平衡 则要减少液体量 则操作线斜率 86 使操作线斜率 平衡线斜率 即 1 一般吸收操作都是要求获得高的吸收率 即力求使气体中溶质被充分吸收 所以一般S 1 经验选取S 0 7 0 8 2 对数平均推动力法 推导过程从略 其中 87 同理 用液相总传质单元数NOL 其相应解析式为 其中 如当 2或 2时对数平均值使用算术 平均值计算 88 3 梯级法 Baker法 适用于平衡线为直线或弯曲程度不大时 步骤 如图 89 作平衡线OE 操作线BT 作中点连线MN 过塔顶T点作水平线 交MN于点F 延长TF至F 使FF TF 过点F 作垂直线 再从A作水平线交MN于点S 延长AS至S 使AS SS 再过S 作垂直线交BT于点D 再从D点出发直到达到或超过操作线上代表塔底的端点B为止 所画的梯级数即为气相总传质系数 90 第五章填料塔的流体力学性能 一 气体通过填料层内的压强降二 液泛 91 在逆流操作的填料塔内 流体自上而下喷淋在填料表面作膜状流动 液膜的厚度直接影响到 气体通过填料层时的压强降 液泛速度 塔内持液量 这三项就是填料塔的流体力学性能 液膜厚度由液体和气体流动状况所决定 所以填料塔内的流体力学性能与塔内液体气体的流动有密切的关系 首先介绍流体力学之一 92 一 气体通过填料层内的压强降 气体通过填料层时与填料表面上液膜间产生摩擦以及在填料间隙中流动时与填料间摩擦造成了气体通过填料层时产生能量损失 即压降P 压强的大小直接决定了塔的动力消耗 所以压降是 一个很重要的流体力学性能 因为 P