PPT《第五章 吸收》

第五章 吸收

第一节 概 述

第二节 吸收的相平衡

第三节 吸收速率

第四节 填料吸收塔的计算

第五节 填料塔

第一节 概述3) 吸收剂:收吸收质的液体.

一、吸收的一些相关概念: 1) 吸收:也叫气体吸收,是利用适当的液体来处理气体混 合物,使其中一种或多种组分由气相转入液相的 操作. 2) 吸收质:混合气体中被吸收的气体组分. 混合气体由吸收质和惰性气体组成;

如用水来吸收混合气体中的CO2: CO2为吸收质,水为吸收剂.

二、吸收的应用: 1) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品. 2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以 达到分离目的. 98.1%的硫酸吸收SO3制98.5%的浓硫酸;

水吸收甲醛制福尔马林溶液;

用氨水吸收CO2制碳酸氢氨等;

从焦炉气或城市煤气中分离苯;

从石油催化裂解气中分离丁二烯等;

3) 气体净化 4)作为环境保护和职业保健的重要手段 原料气的净化:如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等;

尾气处理:如燃煤锅炉烟气,冶炼废气等脱除SO2等. 用氨水来吸收制硫酸的尾气中SO2―?NH4HSO3 工艺气的净化:如硫酸生产中HF、As2O

3、SO3的水 洗脱除等;

物理吸收:吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应,可视为单纯的气体溶解于液相的过程. 化学吸收:溶质与溶剂有显著的化学反应发生.

三、吸收的类型 用水吸收二氧化碳用水吸收乙醇或丙醇蒸汽用吸收油吸收芳烃等 用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳 用稀氨水吸收硫酸生产尾气中的SO2等 物理吸收 可逆 热效应小 极限:溶解度 推动力小 速率小 化学吸收 不可逆 热效应大 化学平衡 推动力大 速率大 两类吸收特性的比较: 单组分吸收:混合气体中只有单一组分被液相吸 收,其余组分因溶解度很小其吸收 量可忽略不计. 多组分吸收:有两个或两个以上组分被吸收. 解吸:与吸收相反的过程,即溶质从液相中分离 而转移到气相的过程. 吸收剂应有良好的选择性 2) 吸收剂的蒸汽压应尽量低. 3)尽量选用无毒、难燃、腐蚀性较小的吸收剂. 4)吸收剂粘度要低. 5)化学稳定性好,在吸收条件下不发生化学反应.

四、吸收剂的选择 对气体中要吸收的组分有大的溶解度对其余组分的溶解度要小. 6)易得、廉价、易再生或再次使用,并不污染环境.

五、吸收的操作条件 工业上,吸收一般在吸收塔中进行,如图所示. 吸收是气液间的传递过程,为提高其传递速率和吸收率,应注意以下方面: 1.采用连续操作. 2.气液间一般采用逆流操作. 3.尽量增大气液间的有效界面. 4.增大相际的湍动程度――降低传质阻力.

第二节 吸收的相平衡 气液的相平衡关系是指当时条件下吸收质在溶液中的溶解度,决定了吸收的极限.

一、亨利定律

1、气液的相平衡关系 溶解平衡是动态的 平衡分压p*:处于相互平衡的气液两相中溶质在气相 中的分压. 平衡浓度x*:处于相互平衡的气液两相中溶质在液相 中的浓度.

2、以摩尔分数x表示: 当总压不太高时,一定温度下的稀溶液中溶质的溶解度与其在气相中的分压成正比. 式中: p* ―― 溶质在气相中的平衡分压,kPa x ―― 溶质在液相中的摩尔分数 E ―― 亨利系数,kPa. 亨利系数的值随物系的特性及温度而异;

物系一定,E 值一般随温度的上升而增大;

E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度;

同一溶剂中,难溶气体E 值很大,易溶气体E 值很小;

3、以物质的量浓度c表示: 式中:H为溶解度系数,其值随温度升高而降低. 因为 则H的单位:kmol?m3?Pa-1 当溶液很稀时:

4、用摩尔分数表示: P 为气相的总压. y 为与组成为x 的液相相互平衡的气相中溶质 的摩尔分数;

m =E/P,相平衡系数,无量纲;

m 也是亨利系数的另一种形式. 由上式可得: 代入相平衡关系 得:

5、用摩尔比表示的相平衡关系 在低浓度气体吸收计算中,通常采用基准不变的比摩尔分数 Y( 或X)表示组成. 对于稀溶液,X的值较小,则有: 例 含氨为φ氨=0.20的氨-空气混合气100m3,用水吸收至混合气中含氨为φ氨=0.05.设吸收过程中有中间冷却使前后温度不变,试求氨被吸收的体积数,并用摩尔比的计算作对比. 解:吸收前 氨100*20%=20m3 空气 100*80%=80m3 吸收后空气比例降为95%,且氨只占5%,氨的体积为 若以摩尔比计算,则y1=0.20,y2=0.05 吸收的氨为: 吸收的氨为:20-4.21=15.79 m3 以分压及摩尔分数x表示: 以物质的量浓度c表示: 用摩尔分数表示: 用摩尔比表示:

二、气体在液体中的溶解度

1、溶解度很小 难溶气体,E很大,~109 如:O

2、H

2、N

2、CO等

2、溶解度中等 可溶气体,E较大,~107 如:CO

2、SO2 、Cl

2、H2S等

3、溶解度很大 易溶气体,E较小,~103 如:HCl、NH3等

第三节 吸收速率 吸收操作的推动力是偏离平衡的浓度差或分压差,吸收速率可写成: 式中:N――单位时间传递的吸收质的量 Δ――吸收过程的推动力.K――过程的传质系数.

一、 双膜理论

1、吸收过程中吸收质的传递 气相主体 ?通过气相边界层 ?气液界面气相侧 ?气液界面液相侧 ?通过液相边界层 ? 液相主体

2、双膜理论的基本观点: (1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面,界面两侧各存在着一个很薄(等效厚度分别为?1 和?2)的流体膜层.溶质以分子扩散方式通过此两膜层. (2)相界面没有传质阻力,即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态. (3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈,传质速率高,传质阻力可以忽略不计,相际的传质阻力集中在两个膜层内.

3、双膜理论评价 该理论提出的双阻力概念,认为传质阻力集中在相接触的两流体相中,而界面阻力可忽略不计的概念,在传质过程的计算中得到了广泛承认,是传质过程及设备设计的依据.按双膜理论,传质系数与扩散系数成正比,这与实验所得的关联式的结果相差较大;

由此理论所得的传质系数计算式形式简单,但等效膜层厚度?1和?2以及界面上浓度 pi 和ci 都难以确定;

对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系,相界面是不稳定的,因此双膜理论假设的界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层等都难以成立;

因此出现了如 对流扩散 、 界面动力状态 等其它一些吸收传质理论.

二、分子扩散定律――菲克定律 分子扩散是吸收质在静止或滞流流体中的扩散.分子扩散服从菲克定律,扩散速率可以表示为: 式中:N――传质速率,单位mol/s;

A――相间传质接触面积,单位m2;

δ――扩散距离,即膜的厚度,单位m;

c――吸收质的浓度,单位mol/m3;

D――扩散系数,单位为m2/s.

1、菲(费)克定律

2、扩散系数D 单位:m2?s-1 物理意义:浓度梯度为1mol ?m-4时,1m2面积上1s所传 递的物质的量. D是物质的物理性质之一,表明其扩散能力的大小. D的影响因素 扩散质和扩散介质的种类:分子小,D大 气体压力:压力小,D大 温度:温度高,D大 定态条件下,将上式积分,菲克定律为: 对气体: 则: 当扩散质A通过静止的惰性气体B进行稳定扩散时: 在液相中,扩散质A通过溶剂层进行稳定扩散时:

3、斯特藩(Stephan)定律

三、 吸收速率方程

1、分吸收速率方程 (1)、气膜分吸收速率方程 kg为气膜吸收分系数,单位:mol?Pa-1?m-2?s-1 kg中δ难测,kg值来源:测定值或按经验公 式、特征数关系式计算. (2)、液膜分吸收速率方程 kl为液膜吸收分系数,单位:m?s-1 kl中δ难测,kl值来源:测定值或按经验公式、 特征数关系式计算. c0为溶液总浓度, cs为吸收剂浓度,单位:mol?m-3 (3)、吸收推动力间的关系 c、ci、c*、c

0、cs p、pi、p*、P

0、pB

2、总吸收速率方程 (1)、气相总吸收速率方程 由分吸收速率方程: 整理得: 将亨利定律c=Hp*代入: 由得: 两式相加: 这就是气相总吸收速率方程. KG为气相总吸收系数,单位:kmol?Pa-1?m2?s-1. 为气相总吸收阻力(液相部分已折算) 当气体为容易溶气体时,H很大,KG≈kg,吸收为 气膜控制. 由气相分吸收速率方程: 整理得: 将亨利定律p=c*/H代入: 由得: 两式相加: (2)、液相总吸收速率方程 KL为液相总吸收系数,单位:m?s-1. 为液相总吸收阻力(气相部分已折算) 当气体为难溶气体时,H很小,KL≈ kl,吸收为 液膜控制. (3)、总吸收速率方程的推动力 气相推动力:p-p* 液相推动力:c*-c (4)、两个总吸收总系数的关系 即: 或

3、用比摩尔分率表示的总吸收速率方程 (1)、用Y表示的气相总吸收速率方程 由得: KY为以Y表示的气相总吸系数,单位:mol?m-2?s-1 KY= 当气相中的吸收质较少时,Y、Y*都很小,KY≈KG?P 若再是易溶气体,KY≈KG?P≈kg?P(气膜控制) (2)、用X表示的液相总吸收速率方程 由得: KX为以X表示的液相总吸系数,单位:mol?m-2?s-1 对于难溶气体的稀溶液,KX≈KL?c0≈kl?c0(液膜控制) KX= 分吸收速率方程 总吸收速率方程 作业:P185起3,5,7,8

第四节 填料吸收塔的计算 设计型计算:按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任 务要求的单元设备.操作型计算:根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能 完成的任务. 计算依据:物系的相平衡、传质速率和物料衡算. 以吸收为例说明填料塔填料层高度的计算方法. 在吸收中,填料塔为最常用的塔型.

一、填料层高度的计算

1、以气相推动力表示的计算式: 接触面dA 传质量dN 浓度变化dY Y2 Y1 在吸收塔中的任一微分截面吸收速率方程为: 若惰气流量为qn(V), 气相中吸收质含量的变化为dY,则有 综合以上两式,得: 整理得: 在连续定态操作条件下,设KY在过程中为定值,积分得: 设填料层的高度为H,空塔截面积为A0,单位体积填料的有效表面积为a,则 这即为气相推动力表示的填料层高度的计算式. 吸收塔两截面间的吸收质浓度变化等于这个范围的吸 收推动力时,这样的一个区域就称为一个传质单元. nG称为气相传质单元数 hG称气相传质单元高度, 通过与上面类似推导,以液相推动力表示的计算式: 上式即为液相推动力表示的填料层高度的计算式;

qn(L)为通过吸收塔的吸收剂流量,mol/s,kmol/s;

nL称为液相传质单元数;

hL称为液相传质单元高度.

2、以液相推动力表示的计算式:

二、吸收塔中的物料衡算――操作线方程

1、操作线方程 取传质面积微元dA,对吸收质作物料衡算: qn(V) qn(L) Y+dY Y2 Y1 X2 X1 X+dX Y X ↑ ↓ ↓ ↑ 定态条件下,qn(L)、qn(V)为定值,积分: 操作线为一条直线,斜 率为qn(L)/qn(V);

操作线上任意一点表示 吸收塔某一截面上气液 组成关系. 操作线仅是物料衡算关 系,与其它因素无关. 操作线与平衡线间的距离 即为传质推动力. Y-Y* X*-X 对全塔进行物料衡算: Y X o Y*=f(X) A Y1 X1 X2 Y2 B Y X X* Y* P Y- Y* X*-X V, Y1 V, Y2 L, X2 L, X1 V, Y L, X 对气、液两相并流操作作物料衡算,可得并流时的操作线方程,其斜率为- qn(L)/qn(V) . Y X o Y*=f(X) A Y1 X1 X2 Y2 B Y X X* Y* P Y- Y* X*-X 并流操作线方程

2、吸收剂用量的确定 (1)液气比:处理单位惰性气体的吸收剂用量: Y X o Y*=f(X) A Y1 X1 X2 Y2 B qn(L)/qn(V) Y- Y* A'

X1'

[qn(L)/qn(V)]'

X1,max [qn(L)/qn(V)] M C 不同液气比qn(L)/qn(V)下的操作线图 为操作线的斜率. (2)最小液气比[qn(L)/qn(V)]M 随液气比的减小,操作线将与平衡线相交或者相切,此时对应的液气比称为最小液气比, Y X o Y*=f(X) Y1 X2 Y2 B X1,max=X1* (L/V)min C Y X o Y*=f(X) Y1 X2 Y2 B X1* (L/V)min C X1,max 两线在 Y1 处相交时,X1,max=X1*;

两线在中间某个浓度处相切时, X1,max1.8~2 拦液点、载点 (3)、液泛区:v很大,Δp随垂直上升 气体成泡状通过,稳定性差. 泛点:由载区转为液泛区的转折点即为泛点. 液泛速度:泛点气体的流速称为液泛速度. 液泛速度是填料塔操作的极限;

气体的实际流速为液泛速度的60%~80%.

4、计算塔径 实际气体流速:

3、液泛速度的计算 a:填料的有效比表面,m2/m3v0:液泛速度,m/sε :填料空隙率,m3/m3ρG/ρL:气体与液体的密度比;

μ/μ0:当时吸收液的粘度与20℃时水的粘度之比;

qm(L)/qm(V):液体与气体质量流量之比;

b:常数,拉西环0.022,弧鞍环0.26. ........