天津大学版《化工原理》ppt课件.ppt

第二章 气体吸收,教学要求 2-1 概述 2-2 低组成气体吸收的计算 2-3 吸收系数 2-4 其他吸收与解吸,教学要求,重 点：低浓吸收填料层高度的计算。基本概念：最小溶剂用量、传质单元数、传质 单元高度、吸收因子（解吸因子）,基本关系：吸收过程的物料衡算（操作线方程）、 最小溶剂用量计算、低浓吸收填料层高 度的计算（平衡线为直线）,理解分析：溶剂用量对吸收费用的影响，提高传质 效果的措施，传质性能的测定。, 2-1 概述,一、吸收及其分类1.吸收：利用混合气体中各组分在溶剂（吸收剂） 中溶解度的差异，分离气体混合物的操 作。,2.吸收的目的：回收溶质，制备溶液；净化气体。,3.吸收分类,有无化学反应,物理吸收,化学吸收,被吸收组分数,单组分吸收,多组分吸收,温度变化情况,等温吸收,非等温吸收,浓度高低情况,低浓度吸收,高浓度吸收, 2-1 概述,4.吸收剂的选择：（1）吸收剂对溶质有较大的溶解度；（2）吸收剂对混合气中各组分有较好的选择性；（3）挥发度小，沸点高（蒸汽压低）；（4）粘度低，腐蚀性小，无毒，价廉，易得等。,本章重点讨论：低浓度、单组分、等温、 物理吸收过程, 2-1 概述,吸收塔,解吸塔,A+B,A+B,尾气,A+S,吸收液,G,A：溶质（要分离的组分）,二、吸收与解吸流程及设备,吸收剂,A+S,A+G,吸收和解吸是一完整的系统，解吸效果的好坏关系到吸收效果的好坏,B：载气（混合气中除溶质 外的所有组分）；,S：溶剂；,G：载气（用于气提）, 2-1 概述,吸收设备,连续接触式填料塔,逐级接触式板式塔, 2-2 低组成气体吸收的计算,计算前提：溶剂不挥发，载气不溶解。,一、吸收塔的物料衡算与操作线方程,.操作线方程,(1)逆流,V载气的摩尔流量 kmol/s,L纯溶剂的摩尔流量 kmol/s,X,Y液、气相中溶质的摩尔比。, 2-2 低组成气体吸收的计算,V Y,V Y2,L X,V Y1,L X1,L X2,在划定范围内，以单位时间为基准，对溶质做衡算:,对给定分离任务、选择好溶剂及操作条件时:V, Y1,Y2,L,X2一定YX符合直线关系, 2-2 低组成气体吸收的计算,L/V,X2,X1,X,Y2,Y1,Y,操作线的物理意义,反映填料塔任意截面气、液相组成间的关系。,(2)并流,过（X1, Y1),(X2, Y2) 两点,斜率：L/V,试着画一下?, 2-2 低组成气体吸收的计算,Y1*,X2,X1,X,Y2,Y1,Y,Y2*,L/V,2.传质推动力:,塔底:,塔顶:,逆流,任意截面?, 2-2 低组成气体吸收的计算,X1,X2,X,Y2*,Y2,Y,Y1,Y1*,任意截面:,塔顶:,塔底:,并流, 2-2 低组成气体吸收的计算,二、吸收剂用量的确定,1.溶剂用量L的影响（经济性）,总费用=设备费+操作费,操作费用,设备费用,以逆流为例,X1,X,X2,X1,X1*,Y,Y2,Y1, 2-2 低组成气体吸收的计算,2.溶剂用量的求取,Lmin当溶剂用量减小到使塔的某个截面传质 推动力为0时，此时的溶剂用量为最小 溶剂用量。,费用min,Lmin,Lopt,L,费用,关键：Lmin, 2-2 低组成气体吸收的计算,X,X1,X2,X1*,Y,Y1,Y2,当纯溶剂吸收，平衡关系符合亨利定律时, 2-2 低组成气体吸收的计算,X,X2,X1,Y,Y1,Y2,X1,X1*,当平衡线有拐点时, 2-2 低组成气体吸收的计算,例1.用清水逆流吸收某混合气中溶质，已知入塔气体含溶质7%（mol%)，混合气流量为1500Nm3/h，操作条件下平衡关系为：Y*=1.68X。要求吸收率为97%，试求： （1）溶质的吸收速度；kmol/h （2）最小溶剂用量；t/h （3）当溶剂用量为3200kg/h时，出塔溶液浓度是多少？ 此时塔顶、塔 底的传质推动力是多少？ （4）如果出塔溶液浓度为3%（mol%)，此时的溶剂用量 为多少？ （5）试绘出（3）、（4）两种情况的操作线示意图，分 析要达到同样分离要求，哪种情况所需的传质面积 大？, 2-2 低组成气体吸收的计算,两塔联合操作的操作线,a,X1a,b,Y1a,Y2a,Y2b,Y1b,X1b,X2b,X2a,X,Y,Y*=f(X),X1a,Y1a,X2b,X1b,Y2a,Y2b,X2a,Y1b=,a,b, 2-2 低组成气体吸收的计算,Y2b,X2b,X2a,X1a,X1b,Y1b,Y2a,Y1a,Y*=f(X),X,Y,Y1a,Y2a,Y1b=,Y2b,X2b,X2a,X1a,X1b,a,b,两塔联合操作的操作线, 2-2 低组成气体吸收的计算,L, X1,X2=0,Y2=0.003,Y1=0.03,X2,0.5L,有循环的操作线,V=100kmol/h,L=100kmol/h,X=0.015,1.有循环的操作线,2.循环点在x=0.015处的操作线,x1 x2 操作线,Y*=f(X),X1,X2,Y1,Y2,X2,X=0.015,Y,X,X2*, 2-2 低组成气体吸收的计算,例2.在常压下用纯溶剂吸收某混合气中的溶质。 已知：入塔气体溶质浓度为5%（mol%)，出 塔气体浓度1%。操作条件下的平衡关系为： Y*=35X。试求： （1）逆流及并流时的最小液气比； （2）压强升高至原来的3倍时，逆流操作的液 气比为原来的多少倍？, 2-2 低组成气体吸收的计算,二、塔径的计算,- 塔径,- 操作条件下的体积流量,- 空塔气速，按空塔截面积计算的混合气体线速度, 2-2 低组成气体吸收的计算,三、低浓吸收填料层高度的计算,1.填料层高度的基本计算式,GA溶质吸收速度 kmol/s,NA传质速率 kmol/m2s,F传质面积 m2,V填料体积 m3,a填料的有效比表面积 m2/m3,Z填料层高度 m,填料塔截面积 m2, 2-2 低组成气体吸收的计算,dZ,Y+dY,X+dX,X,X1, L,X2, L,Y2, V,Y,Y1, V,对dZ塔段进行物衡算：,const, NA const,当NA选择不同表达式时，对全塔积分可推出不同的Z计算式：, 2-2 低组成气体吸收的计算,当NA=KY(Y-Y*)时,当NA=KX(X*-X)时, 2-2 低组成气体吸收的计算,2.传质单元高度及传质单元数,(1)传质单元高度,传质单元高度=f(设备结构，操作条件）,其数值大小反映设备传质性能的优劣。,思考：传质单元高度受什么因素影响，反映什么？, 2-2 低组成气体吸收的计算,求取,方法一：已知体积传质系数时，由定义式求解。,方法二：经验公式。,方法三：实验测定。, 2-2 低组成气体吸收的计算,(2)传质单元数,其数值大小反映分离的难易程度NOG, 物系就越难分离。, 2-2 低组成气体吸收的计算,一个传质单元,取（Y-Y*)=const,Y,Y”,Z=HOG, 2-2 低组成气体吸收的计算,小结,填料层高度计算通式Z=HN,一定T, P 当低浓吸收，且K=const, 2-2 低组成气体吸收的计算,一定T, P 当低浓吸收，且k=const, 2-2 低组成气体吸收的计算,3.传质单元数NOG的求取,(1)平衡线段为直线,A 基本式,思路：利用操作线关系和相平衡关系，找出Y与 Y-Y*之间的关系积分即可,平衡关系,操作线关系, 2-2 低组成气体吸收的计算, 2-2 低组成气体吸收的计算,B平均推动力法,C 脱吸因数法, 2-2 低组成气体吸收的计算,清水,试求：,（2）每小时能吸收多少丙酮,（3）若保持气液流量不变，将 填料层高度再增加3m，问 能多吸收多少丙酮？,（1）总吸收系数,X1,6m,Y2,Y1,3m,Y2,已知：D=880mm, Z=6m, Vs=2000m3/h, y1=5%, y2=0.263%, x1=6.12%, Y*=2.0X，25，常压。, 2-2 低组成气体吸收的计算,令：A=L/mV吸收因子 S=mV/L解吸因子,纯溶剂吸收时, 2-2 低组成气体吸收的计算,小结,低浓吸收平衡线段为直线，使K=const。,适用于已知四个浓度和平衡关系时。,适用于操作型问题分析。不需要X1。, 2-2 低组成气体吸收的计算,讨论,从经济性上看,（1）图的走势,NOG, 2-2 低组成气体吸收的计算,（2）如何提高吸收程度,增大溶剂用量，可有效提高吸收效果。但要慎用。,降低操作温度、升高操作压力，或降低吸收剂入塔浓度均可提高吸收效果。,Y*=mX,X1*,X2,X,Y,Y2,Y2,Y1,L,L,Y*=mX,Y*=mX,X,X2,X1,Y,Y1,Y2*,Y2*,X2, 2-2 低组成气体吸收的计算,例3.逆流吸收塔中用纯溶剂进行低浓度吸收操作， 其操作线如图所示。 若其它条件不变，而系统温度降低（设T对m的 影响远大于kYa，kXa), 则： （1）HOG；Y2；X1将如何变化？ （2）请画出操作线示意图。, 2-2 低组成气体吸收的计算,分析：,平衡线将下移,X1,Y,Y2,X,例2：某吸收塔在101.3 kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮一空气混合物中的丙酮，操作液气比L/V=2.1时，丙酮回收率可达到=0.95。已知物系的浓度较低，操作条件下的平衡关系为Y* =1.18X。吸收过程为气膜控制，总传质系数KYa与气体流率的0.8次方成正比，而与 L无关。（温度、压强不变）试求：,（1）如V=1.2V，L，X2，Y1不变, =？ Ym有何变化？,（2）欲将丙酮回收率由原来的0.95提高至0.98，若 其他操作条件不变，仅增大吸收剂用量，L/L=?, 2-2 低组成气体吸收的计算, 2-2 低组成气体吸收的计算,解：,原工况下：,新工况下(1),（本题关键）, 2-2 低组成气体吸收的计算,（2）,因为：气膜控制KYa与L无关,试差求解,或者：,查图2-18, 2-2 低组成气体吸收的计算,例：在一填料塔内吸收某低浓混合气中溶质，现 入塔溶剂中溶质浓度增大，其他操作条件不变，则出塔气、液组成将如何变化？,X1,X2,Y2,Y1,L/V,分析,1.T、P不变，则平衡关系?m?,2.T、P、流量不变，则KYa、KXa?,3.HOG?,4.NOG?,可用关系NOGmV/L(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*),物料衡算,Y2?, 2-2 低组成气体吸收的计算,X1 ?,简化分析法：,X1 ?, 2-2 低组成气体吸收的计算,例：在一填料塔中用清水吸收空气中氨，若用水量增大，其他条件不变，则Y2, X1如何变化？,X1,X2,Y2,Y1,L/V,分析,1.T、P不变，则平衡关系?m?,2.易溶体系，？控制？则KYa、KXa?,3.HOG?,4.NOG?,由：NOGmV/L(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*),Y2?,物料衡算式？,从传质推动力角度考虑：,画图，看看X1？, 2-2 低组成气体吸收的计算,例：在一填料塔中吸收低浓度气体，若用气量增大，要求吸收率不变，按比例增大吸收剂用量可行吗？,X1,X2,Y2,Y1,L/V,分析,1.T、P不变，则平衡关系?m?,2.V，L ,则KYa、KXa?,3.HOG?,4.NOG?,由：NOGmV/L(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*),Y2?,结论：要维持吸收率不变，需增大L。, 2-2 低组成气体吸收的计算,（2）平衡线为曲线,A 图解积分法,平衡线不为直线，KYaconst, 2-2 低组成气体吸收的计算,Y,Y2,Y1,Y,Y1i,Yi,X,X1,X,(Xi, Yi),X2,(X1i, Y1i),图解积分,0,Y2,Y1,Y, 6-2 低组成气体吸收的计算,B.数值积分法,已知：kYa，kXa，Y1，Y2，X1，X2及Y*=f(X),令Y=(Y1-Y2)/n,Yj=Y2+ jY,物料衡算,Xj,由,j:0n,Yi,利用辛普森公式：, 6-2 低组成气体吸收的计算,C.近似梯级法,F,T,y,X,T*,H,H*,A*,A,F,操作线,辅助线,平衡线,操作线,平衡线,辅助线,做,适用于气膜控制及平衡线平缓情况。,E,G, 2-2 低组成气体吸收的计算,例：已知一填料吸收塔中的填料层高度为6m， 拟用洗油逆流吸收煤气中的苯，V/ =200kmol(B)/m2.h、Y1=0.02； X2=0 、L/ =40kmol(S)/m2h。KYa=0.05kmol/m2s，且 于L无关，Y*=0.13X。要求吸收率不小于0.95。 问该塔能否满足要求。, 2-2 低组成气体吸收的计算,解：Y2=Y1(1-A)Y2=0.001；X1=V(Y1-Y2)/L+X2=0.095Y1=Y1-mX1=0.00765； Y2=Y2-mX2=0.001Ym=(Y1 - Y2)/ln(Y1 / Y2)=0.00327NOG=(Y1-Y2)/ Ym =5.81S=m/(L/V)=0.65；X2=0；A= ANOG=(1/(1-S)ln(1-S)(1/(1- A)+S)=5.81HOG=(V/)/3600/(KYa)=1.11mZ=HOGNOG=6.5(6.33)m6m所以：该吸收塔不能完成生产任务。,例：在一填料吸收塔中，用清水处理含有二氧化硫的混合气体。逆流操作，操作压力为3.039105Pa(绝对压力）。进塔气体中含二氧化硫5%（mol%)，处理气体量为1600Kg/h（气体平均相对分子量为28）水的用量比最小用量大1.7倍。冬天平均水温为10时，亨利系数E=2.453MPa，出口气体浓度为0.2%；夏季平均水温为30 ，亨利系数E=4.852MPa。（此吸收过程可视为液膜阻力控制）求：（1）冬季水的用量？ （2）夏季出口气体浓度为多少？, 2-2 低组成气体吸收的计算, 2-2 低组成气体吸收的计算,四、理论板层数NT求取,1.理论板：离开该板的两相达平衡。,HETP,Yn,Yn,Xn+1,Xn+1,Yn-1,Yn-1,Xn,Xn,n,板式塔,填料塔,HETP等板高度,。, 2-2 低组成气体吸收的计算,Yj-2,V,Yb,j-1,j,V,Yt,L,Xt,L,Xb,j=NT,j=1,Yj-1,Xj-1,Xj,2.理论板数的求取,（1）逐板计算法,已知：平衡关系Y*=f(X),板式塔的操作线方程：,反映相邻两板气、液相组成间的关系。,j塔板序号, 2-2 低组成气体吸收的计算,方法：,操作线,平衡线,操作线,平衡线,操作线,平衡线,由:Yb=Y0,X1=Xb,XN,Y1,YN,X2,YN-1,YNYt,NT=,N,当：YN=Yt,当：YNYt,使用一次平衡关系，就是一块理论板,已知：, 2-2 低组成气体吸收的计算,Yt,Yb,X,Y,Y*=f(X),Xt,Xb,a,b,c, 2-2 低组成气体吸收的计算,（2）解析法,当平衡线段为直线时：即Y*=mX+B,交替使用平衡关系及操作线关系得:,注意 NOG 与 NT 的区别联系：, 2-3 传质系数,主要介绍：吸收系数的实验测定、经验公式、 准数关联式。,传质系数=f(物性参数、操作条件、设备结构),1.吸收系数的实验测定,试构造一个适当的实验系统，测定填料塔的传质性能及指定物系的传质系数。, 2-3 传质系数,2.吸收系数的经验公式 对特定的设备，在一定的操作条件下，直接通过实验测定得到的传质系数随重要操作条件变化的关系。（1）用水吸收氨：. kGa=6.0710-4G 0.9 W 0.39 kGa：气膜体积吸收系数(kmol/(m3hkPa)。 G：气相的空塔质量流速(kg/m2.s)。W：液相的空塔质量流速(kg/m2s)。 公式使用条件： 1）在填料塔中用水吸收氨；2）直径为12.5mm的陶瓷环填料。, 2-3 传质系数,（2）常压下用水吸收二氧化碳 kLa=2.57 U 0.96 ， kLa：液膜体积吸收系数kmol/m3hkPa。 U：喷淋密度（单位时间内喷淋在单位塔截面积上的液体体积m3/m2h)。 公式使用条件： 1）常压下填料塔中用水吸收二氧化碳； 2）直径1032mm的陶瓷环； 3）U=320m3/m2h； 4）G=130580kg/m2h； 5）2127., 2-3 传质系数,相关准数：,(1)施伍德准数(Sherwood)反映传质影响,3.吸收系数的准数关联,(2)施密特准数(Schmidt)反映物性影响,(3)雷诺准数反映流动因素影响, 2-3 传质系数,(4)伽利略准数（Gallilio）准数反映重力及 粘性力综合影响,例1计算气膜吸收系数的准数关联式：, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,一、解吸（脱吸）,（1）气提（通入惰性气体）（2） 通入过热水蒸汽（3）减压,1.定义及目的（1）解吸吸收的逆过程。,（2）目的回收溶质或再生溶剂。,2.解吸方法, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,吸收液,再生溶剂,载气,V, Y2,L, X2,L, X1,V, Y1,3.解吸计算内容（1）加入载气用量V（2）解吸塔高度,4.解吸计算（1）载气用量V 解吸的操作线, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,Y1*,Y,X2,Y1,X1,Y2,X,直线，过（X2,Y2) (X1, Y1) 两点,（操作线与平衡线相交时）,Y1,（操作线与平衡线相切时）,V=倍数Vmin, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,（2）填料层高度计算,适用于：低浓传质，平衡线段为直线时, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,平衡线为曲线时,NL求取方法,图解积分,数值积分,近似梯级法,分段法, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,例 如图所示的吸收与解吸联合操作。在吸收塔内用煤油吸收混合气体中的苯，原料气中苯的浓度为Y1=0.02,在吸收塔操作条件下Y*=0.125X， L/V=0.16,洗油的入塔浓度为X2=0.005,出塔尾气中苯的残余浓度为Y2=0.001,吸收过程为气膜控制过程。解吸塔中用水蒸汽解吸，Y*=3.16X， L/V=0.365,为液膜控制过程。现欲将Y2降到0.0005,试问:保持洗油入塔浓度而增大L/V能否达到要求;或保持L不变,而降低洗油入塔浓度,解吸塔的蒸汽量需增加多少?, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,Y*=0.125X,Y*=3.16X,Y1=0.02,L/V=0.16,L/V=0.365,Y2=0.001,X2=0.005,吸收塔,解吸塔,Y2解=0,Y1解,Y2=0.0005,V解,V解, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,2.高浓度吸收,（1）高浓吸收特点,传质系数不为常数,由于流量变化， ZG, ZL 不为常数由于浓度变化，漂流因子不为常数温度、浓度对D的影响可近似认为相消,近似处理:,难溶、中溶,易溶体系为气膜控制。,k不为常数, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,（2）高浓计算基本公式,A传质系数,需要试差计算界面浓度,ky, kx低浓吸收时的传质系数，易由实验或 经验式求取。, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,B 操作线方程及吸收剂用量,V, L摩尔流量 kmol/s, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,y,Q,L,Lmin,x,x1,x2,x1*,y1,y2,C 填料层高度,dGA=VdY=LdX=NAadZ,NA=ky(y - yi), 2-4 解吸及其它情况下的吸收, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,3.非等温吸收,(1)特点：,A平衡线上移,B传质系数增大,(2)计算,温度、浓度变化情况下的平衡关系,思路：找出 xt 关系,由yxt关系得y*。,A溶剂基本不汽化；B气体的显热变化可忽略；C热损失不计。,假设：, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,t+dt,L, x ,t,x +dx,L+dL,dZ,微分溶解热, kJ/kmolA,cp溶液比热, kJ/kmol ,对dZ塔段进行热衡算，以0为基准,化简：, 2-4 解吸及其它情况下的吸收,T3,T2,T1,T0,x2,x,x,x”,y”*,y*,y,查,算,查,y2*,cp,由：T0, x2,y1*,cp,x, T1,x1, y1*,溶剂用量、填料层高度根据具体情况选择合适方法计算。,y2*,