化工原理ppt课件：第五章 气体吸收.ppt

1,第二节 气液相平衡,第五章 气体吸收,第一节 概述,第三节 吸收过程的传质速率,第四节 吸收塔的计算,第五节 填料塔,2,第一节 概述一、吸收操作的应用 二、吸收过程与设备 三、吸收过程分类四、吸收剂的选择,3,一、气体操作的应用,吸收的依据,混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。,4,二、吸收过程与设备,5,6,（1）溶解度大；,三、吸收过程的分类,四、吸收剂的选择,7,选择原则：经济、合理。,8,第二节 气液相平衡一、 平衡溶解度二、 亨利定律三、 气液相平衡关系在吸收中的应用,9,一、平衡溶解度,平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收 剂与混合气体充分接触，气相 中的溶质 向溶剂中转移，长期充分接 触后，液相 中溶质组分的浓度不再增加，此时，气 液两相达到平衡。,饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。,10,平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。,平衡状态的因素,FC2=32+2=3,当压力不太高、温度一定时,p*A =f1（ x ） y*=f2（x） p*A =f3（ cA ）,11,12,13,14,讨论：,（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。,（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。,（3）相同的总压及摩尔分率， cO2 cCO2 cSO2 cNH3,氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体,15,（一）亨利定律 总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。,二、亨利定律,16,讨论：,1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，,2）E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体,3）E的来源：实验测得；查手册,17,1）,（二）亨利定律其它形式,H与E的关系：,18,H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小，,2）,m相平衡常数，无因次。,19,m与E的关系 ：,m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2）,20,3）,21,三、 相平衡关系在吸收中的应用,（一）判断过程进行的方向,y y*或x* x或,A由气相向液相传质，吸收过程,平衡状态,A由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,22,（二）指明过程进行的极限,过程极限：相平衡。,23,（1）逆流吸收，塔高无限，,（2）逆流吸收，塔高无限，,（三）确定过程的推动力,（1）吸收过程推动力的表达式,y - y*或x* -x或,24,（2）在xy图上,25,第三节 吸收过程的传质速率,一、 分子扩散与菲克定律,六、 两相间的双模理论,四、 分子扩散系数,七、 总传质速率方程,二、 等摩尔逆向扩散,三、 组分A通过静止组分B的扩散,五、 单相内对流传质,26,吸收过程：,（1）A由气相主体到相界面，气相内传递；（2）A在相界面上溶解，溶解过程；（3）A自相界面到液相主体，液相内传递。,单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。,一、 分子扩散与菲克定律,27,分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处， 这种现象称为分子扩散。,扩散速率：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量，J表示， kmol/(m2s)。,菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一 点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。,28,JA组分A扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2s）；,组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；,DAB组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。,负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行,29,理想气体：,=,分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分A通过 静止组分B的扩散。,30,二、等摩尔逆向扩散,31,等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。,总压一定,=,32,JA=JB,DAB=DBA=D,等分子反向扩散传质速率方程,传质速率定义：任一固定的空间位置上， 单位时间 内通过单位面积的物质量，记作N, kmol/(m2 s) 。,气相：,33,NA=,液相：,讨论,1）,34,2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。,3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。,三、 组分A通过静止组分B的扩散,35,（1）整体移动：因溶质扩散 到界面溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微小压差， 使得混合物向界面处的流 动。,（2）整体移动的特点：,1）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔 分率。,36,微分式,37,在气相扩散,积分式,积分式,38,积分式,液相：,（4）讨论,1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系,39,漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大的倍数。,漂流因子的影响因素： 浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。 低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。,3）单向扩散体现在吸收过程中。,40,扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；D，m2/s。,D的影响因素：A、B、T、P、浓度,D的来源：查手册；半经验公式；测定,四、分子扩散系数,41,（1）气相中的D,范围：10-510-4m2/s,经验公式,（2）液相中的D,范围：10-1010-9m2/s,42,五、 单相内的对流传质,涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散。,43,注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性 常数，其值与流体流动状态及所处的位置有 关 。,总扩散通量：,44,（一）单相内对流传质的有效膜模型,单相内对流传质过程,45,1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的 变化较陡。,2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散， 溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水 平线。,3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的 变化逐渐平缓。,46,有效膜模型,单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散 。,（二）气相传质速率方程,有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界面的垂直距离。,47,以分压差表示推动力的气膜传质分系数， kmol/（m2skPa）。,=传质系数吸收的推动力,48,气相对流传质速率方程有以下几种形式：,以气相摩尔分率表示推动力的气膜传 质分系数，kmol/（m2s）；,各气相传质分系数之间的关系：,49,液相传质速率方程有以下几种形式：,（二）液相传质速率方程,50,kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜 对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）；,以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜 对流传质分系数，kmol/（m2s）；,各液相传质分系数之间的关系：,注意： 对流传质系数=f (操作条件、流动状态、物性）,51,六、 两相间传质的双模理论,相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型,（一）双膜理论,52,双膜模型的基本论点（假设）,（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存 在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩 散方式通过气膜和液膜。,（2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。,（3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散的形式传质。,双膜模型也称为双膜阻力模型,53,（一）气相传质速率方程,以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，kmol/（m2skPa）；,以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；,以气相摩尔比差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；,七、总传质速率方程,54,（二）液相总传质速率方程,以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，kmol/m2skmol/m3）；,以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；,以液相摩尔比差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；,55,根据双膜理论,（三）总传质系数与单相传质分系数之间的关系,系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线,56,（四）总传质系数之间的关系,57,（五）传质速率的控制,相间传质总阻力 = 液相(膜)阻力 +气相(膜)阻力,注意:传质系数、传质阻力 与推动力一一对应。,1.传质阻力,58,2.传质速率的控制步骤,（1）气膜控制,气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程 为气相阻力控制（气膜控制）。,H 较大易溶气体,气膜控制的特点：,59,提高传质速率的措施：提高气体流速； 加强气相湍流程度。,（2）液膜控制,液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程 为液相阻力控制（液膜控制）,液膜控制的特点：,H较小难溶气体,60,提高传质速率的措施：提高液体流速； 加强液相湍流程度。,同理：,气膜控制：,液膜控制：,m小易溶气体,m大难溶气体,61,第四节 吸收塔的计算,一、物料衡算与操作线方程,二、吸收剂的用量最小液气比,三、填料层高度的计算,四、吸收塔的操作计算,五、解吸塔的计算,62,传质设备：,63,操作型：核算； 操作条件与吸收结果的关系。,计算依据：物料衡算 相平衡 吸收速率方程,吸收塔的计算内容：,设计型：流向、流程、吸收剂用量、 吸收剂浓度、塔高、塔径,64,一、物料衡算与操作线方程,物料衡算,定态，假设S不挥发，B不溶于S,全塔范围内，对A作物料衡算 ：,GY1+LX2=GY2+LX1,G（Y1Y2）=L（X1X2）,65,X1=X2G（Y1Y2）/L,操作线方程式及操作线,（1）逆流吸收,GY+LX2=GY2+LX,Y2=Y1（1）,A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。,66,同理：,逆流吸收操作线具有如下特点：,67,3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系 统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。,2）操作线通过塔顶（稀端） A （X2，Y2）及塔底 （浓端） B （X1， Y1）;,1）定态，L、G、Y1、X2恒定，操作线在XY 坐标上为一直线，斜率为L/G 。 L/G为吸收 操作的液气比；,68,5）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大；,4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平 衡线OE下方。,69,（2）并流吸收,GY+LX=GY2+ LX2,70,逆流与并流的比较：,1）逆流推动力均匀，且,2） Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相迂有利于提高X1； X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相迂有利于降低Y2。,逆流与并流操作线练习,71,C,D,A,B,72,二、吸收剂的用量最小液气比,P,73,（一）最小液气比,最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。,最小液气比的计算,1.平衡曲线一般情况,74,X*1与Y1相平衡的液相组成。,平衡关系符合亨利定律时：,2.平衡曲线为凸形曲线情况,75,76,（二）操作液气比,77,三、填料层高度的计算,传质单元数法,（一）填料层高度的基本计算式,单位时间，dZ内吸收A的量：,塔截面积，;GAA的流率，kmol/(s)；G惰性气体流率，kmol/(s)；L吸收剂流率， kmol/(s)。,78,a单位体积填料的有效传质面积，/m3。,填料层高度,79,同理：,80,填料层高度可用下面的通式计算： Z=传质单元高度传质单元数,体积传质系数的物理意义： 在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。,（二）传质单元数与传质单元高度,81,（1）传质单元数,气相传质单元高度 、传质单元数,液相传质单元高度 、传质单元数,气相总传质单元高度、总传质单元数,82,传质单元数的意义： 反映了取得一定吸收效果的难易程度。,气体流经一段填料，溶质组成变化（Y1 Y2）等于该段填料平均吸收推动力（YY*）m时，该段填料为一个传质单元。,83,（2）传质单元高度,传质单元高度的意义: 完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低。,传质单元高度影响因素： 填料性能、流动状况,体积总传质系数与传质单元高度的关系:,84,传质单元高度变化范围：0.101.0m。,各种传质单元高度之间的关系,平衡线斜率为m,85,同理 ：,比较上式：,（三）传质单元数的计算,1.对数平均推动力法,气液平衡线为直线,操作线也为直线,86,同理：,87,平衡线与操作线平行 时，,当 、 时，对数平均推动力可用算术 平均推动力 。,注意：平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收 皆可。,88,2.吸收因数法,平衡线为通过原点的直线 ，服从亨利定律,逆流为例：,89,S解吸因数（脱吸因数）,90,注意：图的适用范围为 0.05及 S1。,3.图解积分法,平衡线曲线时,图解积分法步骤如下：,91,操作线上任取一点（X, Y），其推动力为(Y - Y*)。,系列Y 作图得曲线。,积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。,92,命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的分析和计算; 吸收塔的核算。,定性分析,例 在一填料塔中用清水吸收氨空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则Y2、X1如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为 ）,四、 吸收塔操作计算,93,定性分析步骤： 1）根据条件确定HOG、S； 2）利用 ，确定 的变化; 3）采用吸收因数法确定Y2的变化; 4）利用全塔物料衡算分析X1变化。,水吸收混合气中的氨为气膜控制过程,因气体流量V不变,94,NOG不变,95,（2）定量计算,问题：吸收温度降低， Y2、X1、吸收操作线如何变化？ X2降低， Y2、X1 、吸收操作线如何变化？ 吸收压力提高， Y2、X1 、吸收操作线如何变化？,96,例 在一填料塔内用纯溶剂吸收气体混合物中的某溶质组分，进塔气体溶质浓度为0.01（摩尔比，下同），混合气质量流量为1400kg/h，平均摩尔质量为29，操作液气比为1.5，在操作条件下气液平衡关系为Y*=1.5X，当两相逆流操作时，工艺要求气体吸收率为95，现有一填料层高度为7m、塔径为0.8m的填料塔，气相总体积传质系数为0.088kmol/（m3s），问： （1） 操作液气比是最小液气比的多少倍？ （2）出塔液体的浓度； （3） 该塔是否合适？,97,解：（1）,（2）,98,（3）,99,190.30=5.7m,Z需要=5.7mZ实际7m，故该塔合适,100,解吸过程：溶质从吸收液中分离出的操作， 称为解吸。,解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生 循环使用。,五、 解吸塔的计算,（一）解吸条件及传质方向,传质方向：溶质由液相向气相传递。,101,1气提解吸：,2减压解吸：,3加热解吸：,（二）解吸方法,或,解吸能耗大，整个吸收过程的能耗主要在解吸。,102,（三）解吸塔的计算（解吸塔塔高及载气量）,1.物料衡算与操作线方程,G（ Y1 Y2）=L（ X1 X2 ）,全塔物料衡算：,操作线：,L吸收液流量，kmol/m2s;G载气流量，kmol/m2s;,103,104,2.最小气液比和载气流量的确定,物系和操作条件一定，完成一定分离任务,推动力为零,塔高无穷大时对应的气液比为最小气液比。以表示。对应的气体用量为最小用量，记作Gmin。,实际载气流量G=（1.12.0）,平衡线非下凹:,105,3.传质单元数法计算解吸填料层高度,平均推动力法,106,吸收因数法,吸收因数,107,第五节 填料塔,一、填料塔的结构和填料性能,二、气液两相在填料层内的流动,三、塔径的计算,四、填料塔的附件,108,（一） 填料塔结构,（二） 填料性能,液体分布器,液体再分布器,支承板,除沫器,填料,一、 填料塔的结构及填料性能,109,2.填料特性,1）比表面积 a：单位堆积体积所具有的表面积， 1/m,2）空隙率： 单位体积填料所具有的空隙体积 ，m3/m3,3）干填料因子 ：a/3 湿填料因子液体喷淋下测得的 a/3 。,1.作用：提供传质面积； 促使分散、湍动、液膜更新。,110,（三） 常用填料,环形 （拉西环、鲍尔环、阶梯环）鞍形 （矩鞍形、弧鞍形）波纹形（板波纹、网状波纹）,堆放：整砌、乱堆,材料：陶瓷、金属、塑料,111,拉西环,鲍尔环,阶梯环,环,112,板波纹,丝网波纹,鞍形环,槽式液体分布器,113,（一）气体通过填料的压降,L，空隙率，压降大。,L:载点 F:泛点,L=0 干填料,1）L点以下， u小，Pu1.82.0。,二、 气液两相在填料层内的流动,114,u，塔内液泛，泛点气速。Pu 斜率急剧增加,使填料塔不能正常操作。,3）液泛区,（二）泛点气速的计算,2）L点以上，u大，拦液现象，拦 液现象时的气速为载点气速， 超过载点气速后，Pu2.0 。,115,u,；,116,三、 塔径的计算,D吸收塔塔径，m;VS 实际体积流量，m3/s;u 空塔气速， m3/s。,117,四、填料塔的附件,（一）支承板,（二）液体分布器,118,管式 管式 槽式,莲蓬头式 盘式 盘式,119,（三）液体再分布器,截锥式 斜板式,（四）除沫器,折板除沫器 丝网除沫器,