第8章气体吸收课件.ppt

第8章 气体吸收,GAS ABSORPTION,2023/4/3,2,利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。,8.1.1 吸收的原理,8.1 概 述,2023/4/3,3,吸收质或溶质（absorbate)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体或载体（inert gases）：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂（absorbent）：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液（absorption solution）：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和 溶质A。吸收尾气（absorption tail gas）：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。,2023/4/3,4,8.1.2 吸收的目的,1制取产品 例如，用98%的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸，用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。,2从气体中回收有用的组分 例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。,3除去有害组分以净化气体 主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。,2023/4/3,5,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。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余 组分因溶解度甚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。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。,8.1.3 吸收分类,2023/4/3,6,8.1.4 吸收设备和流程,2023/4/3,7,2吸收流程,2023/4/3,8,8.1.5 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。,2023/4/3,9,溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度关系曲线。,120,8.2.1 平衡溶解度,8.2 气液相平衡,2023/4/3,10,在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。用水作吸收剂时，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30和溶质的分压为40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。,2023/4/3,11,吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。加压和降温对吸收操作有利。,2023/4/3,12,8.2.2 亨利定律,当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。,1 用吸收质在溶液中的摩尔分数x表示,pe 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，单位:Pa。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；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小。,2023/4/3,13,2 用溶液中吸收质的物质的量浓度c表示,c 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H 溶解度系数，单位：(Pam3)/kmol。H是温度的函数，H值随温度升高而增大。易溶气体H值小，难溶气体H值大。H与E的关系,设溶液的密度为，浓度为c，溶质和溶剂的摩尔质量分别为M和Ms,注意：有些教材上用,2023/4/3,14,3 用气液相中溶质的摩尔分数表示,m相平衡常数，是温度和压强的函数。温度升高、总压下降则m值变大；m值越大，表明气体的溶解度越小。若总压为P，m和E之间的关系为m=E/P。,若为稀溶液，则有：,2023/4/3,15,例8-1：在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：浓度为0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）解：,由亨利定律表达式知：,2023/4/3,16,亨利系数为,又,，而,相平衡常数,溶解度系数为：,2023/4/3,17,或由各系数间的关系求出其它系数,2023/4/3,18,8.3 扩散和单相传质,平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。,2023/4/3,19,吸收过程,(1)溶质从气相主体转移到相界面。即气相内的物质传递,(2)溶质在相界面处的溶解，由气相进入液相。,(3)溶质由相界转移到液相主体。即液相内的物质传递。,2023/4/3,20,分子扩散：,一相内部存在浓度差异时，由于分子的无规则运动而引起的物质传递。,1菲克定律,扩散速率：,单位时间内通过单位面积传递的物质的量，单位：mol/(m2s)。,8.3.1分子扩散菲克定律,2023/4/3,21,J-传质速率，单位为mol/(m2s),D-扩散系数，单位为m2/s,c-吸收质的浓度，单位为mol/m3,z-扩散距离，单位为m,A-相间传质接触面积，单位为m2,2023/4/3,22,2.等分子反向扩散,定态条件下，对积分，得：,因c=n/V，且pV=nRT，故c=p/RT，,2023/4/3,23,（1）主体流动：因溶质扩散到界面后溶解于溶剂中，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）主体流动的特点：1）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在主体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。,3 单向扩散,2023/4/3,24,（3）单向扩散传质速率方程,2023/4/3,25,微分式,2023/4/3,26,气相扩散,积分式,2023/4/3,27,2023/4/3,28,积分式,积分式,液相：,2023/4/3,29,漂流因数意义：其大小反映主体流动对传质速率的影 响程度，其值为主体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大的倍数。,漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，主体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，主体流动的影响小。,2023/4/3,30,8.3.2 扩散系数,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；单位：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,2023/4/3,31,（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,2023/4/3,32,例8-2：有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。,2023/4/3,33,单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：,=,解,2023/4/3,34,2023/4/3,35,8.3.3.对流传质,1涡流扩散,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，这种现象称为涡流散。,2023/4/3,36,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：,2023/4/3,37,2 对流传质模型,相际对流传质三大模型：,双膜（有效膜）模型*溶质渗透模型 表面更新模型,2023/4/3,38,双膜理论,由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。双膜理论的基本论点是：,(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。,2023/4/3,39,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地结果相差较大；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；双膜理论存在着很大的局限性，例如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的假设都难以成立；该理论提出的双阻力概念，即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，仍是传质过程及设备设计的依据；本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。,2023/4/3,40,溶质渗透理论,工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体总是不断地与主流混合而暴露出新的接触表面。赫格比（Higbie）认为流体在相界面上暴露的时间很短，溶质不可能在膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的浓度分布。,溶质通过分子扩散由表面不断地向主体渗透，每一瞬时均有不同的瞬时浓度分布和与之对应的界面瞬时扩散速率（与界面上的浓度梯度成正比）。流体表面暴露的时间越长，膜内浓度分布曲线就越平缓，界面上溶质扩散速率随之下降。,界面,cAi,cA0,距相界面的距离,液相浓度cA,增加,2023/4/3,41,直到时间为c 时，膜内流体与主流发生一次完全混合而使浓度重新均匀后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。c 称为汽、液接触时间或溶质渗透时间，是溶质渗透理论的模型参数，气、液界面上的传质速率应是该时段内的平均值。由该理论解析求得液相传质系数,该理论指出传质系数与扩散系数 DAB 的 0.5 次方成正比，比双膜理论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。,2023/4/3,42,表面更新理论,丹克瓦茨（Danckwerts）认为气液接触表面是在连续不断地更新，而不是每隔一定的周期 c 才发生一次。处于表面的流体单元随时都有可能被更新，无论其在表面停留时间（龄期）的长短，被更新的机率相等。引入一个模型参数 S 来表达任何龄期的流体表面单元在单位时间内被更新的机率（更新频率）。由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为 0 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为,2023/4/3,43,该理论得出的传质系数正比于扩散系数 DAB 的 0.5 次方；该理论的模型参数是表面更新机率 S，而不是接触时间 c；目前还不能对 c 和 S 进行理论预测，因此用上述两个理论来预测传质系数还有困难；溶质渗透理论和表面更新理论指出了强化传质的方向，即降低接触时间或增加表面更新机率。,2023/4/3,44,以分压表示推动力的气相对流传质系数，kmol/m2skPa）。,DG：气相对流传质系数,3单相对流传质速率方程,（1）气相对流传质速率方程,2023/4/3,45,以气相摩尔分率表示推动力的气相对流传 质分系数，kmol/（m2s）；,令,2023/4/3,46,同理,（2）液相对流传质速率方程,kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相 对流传质系数，(ms)-1；,以液相组成摩尔分率表示推动力的液相 对流传质系数，kmol/（m2s）；,2023/4/3,47,4 对流传质系数的求解,Sherwood Number,Reynolds Number,Schmidt Number,2023/4/3,48,根据双膜理论,8.4 相际传质,8.4.1 相际传质速率,2023/4/3,49,同理,令：,以气相压差表示推动力的气相总传 质系数,以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数,2023/4/3,50,用液相组成表示吸收推动力,以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数,以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数,2023/4/3,51,总传质系数之间的关系,2023/4/3,52,8.4.2 传质阻力和速率控制,传质阻力,相间传质总阻力=液相(膜)阻力+气相(膜)阻力,2023/4/3,53,传质速率的控制步骤,（1）气膜控制,气膜控制：易溶气体，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 较小，易溶气体,气膜控制的特点：,2023/4/3,54,（2）液膜控制,液膜控制：难溶气体，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较大，难溶气体,2023/4/3,55,同理：,气膜控制：,液膜控制：,m小，易溶气体,m大，难溶气体,2023/4/3,56,8.5 低含量气体的吸收,G、L通过吸收塔的气体和液体的摩尔流率；kmol/(m2s)；y 混合气体中溶质的摩尔分率；x 溶液中溶质的摩尔分率。下标“1”代表填料层下底截面浓端，下标“2”代表填料层上顶截面稀端。,特点：（1）.G，L为常量（2）.等温吸收（3）.传质系数为常数,2023/4/3,57,1、全塔物料衡算塔底到塔顶对溶质做物料衡算,8.5.1 吸收塔中的物料衡算操作线方程,液气比,进塔气体量 G和组成 y1 是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成 x2 一般由工艺条件所确定，出塔气体组成y2 则由任务给定的吸收率 求出,2023/4/3,58,2、操作线方程与操作线,上式称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相组成 y和x之间的关系。,填料层任一截面与塔顶之间对溶质做物料衡算：,2023/4/3,59,当L/G一定，操作线方程在y-x图上为直线，称为吸收操作线。斜率：液气比L/G，经过点A(x1，y1)和B(x2，y2),y,x,o,y=f(x),A,y1,x1,x2,y2,B,y,x,xe,ye,P,线上任一点的坐标P(x，y)代表了塔内该截面上气液两相的组成。,操作线上任一点 P 与平衡线间的垂直距离y=y-ye 为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离 x=xe-x 为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。,两线间垂直距离（y-ye）或水平距离（xe-x）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。,y-ye,xe-x,2023/4/3,60,y,x,o,y=f(x),A,y1,x1,x2,y2,B,L/G,y-ye,A,x1,x1e,(L/G)min,C,最小液气比(L/G)min,当 L/G下降到某一值时，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，用(L/G)min表示，而对应的 x1 则用 x1e 表示（最大出塔吸收液浓度）。,L/G，斜率，操作线与平衡线的距离,推动力，塔高,设备费用;L/G，吸收剂用量，吸收剂出塔浓度x1,循环和再生费用。,3、液汽比的选择,2023/4/3,61,随液气比的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平衡线的形状。,y,x,o,y=f(x),y1,x2,y2,B,x1,max=x1e,最小液气比,C,y,x,o,y=f(x),y1,x2,y2,B,x1e,最小液气比,C,x1,max,两线在 y1 处相交时，x1,max=x1e；两线在中间某个浓度处相切时，x1,maxx1e。,2023/4/3,62,最小液气比的计算,液气比的选择,2023/4/3,63,对填料层中高度为 dH,传质面积为dA的微分段作物料衡算,可得溶质在单位时间内由气相转入液相的量。,填料塔内气、液组成 y、x和传质推动力y（或x）均随塔高变化，故塔内各截面上的吸收速率也不相同。,8.5.2 填料层高度的计算,1 填料层高度的基本计算式,S:填料塔的截面积,2023/4/3,64,若填料塔的填料层高度为H，空塔截面积为S，则堆放填料的体积为HS，单位体积填料的有效表面积为(m2m-3),则传质的接触面积为：A=HS，dA=aSdH,2023/4/3,65,的单位,气相传质单元数,2 传质单元数和传质单元高度,气相传质单元高度,液相传质单元高度,液相传质单元数,2023/4/3,66,传质单元数 NOG 或 NOL 反映吸收过程的难易程度，其大小取决于分离任务和整个填料层平均推动力大小两个方面。若任务所要求的气体浓度变化越大，过程的推动力越小，则吸收越难，所需的传质单元数越多。NOG 与气相或液相进、出塔的浓度，液气比以及物系的平衡关系有关，而与设备形式和设备中气、液两相的流动状况等因素无关。设备选型前可先计算出过程所需的 NOG 或 NOL。其 值大，分离任务艰巨，为避免塔过高应选用传质性能优良的填料。若 NOG 或 NOL 值过大，就应重新考虑所选溶剂或液气比是否合理。,1）传质单元数,2023/4/3,67,传质单元高度 HOG 或 HOL 则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，代表了吸收塔传质性能的高低，主要与填料的性能和塔中气、液两相的流动状况有关。HOG 或HOL 值小，表示设备的性能高，完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。用传质单元高度HOG、HOL 或传质系数 Kya、Kxa 表征设备的传质性能其实质是相同的。但随气、液流率改变 Kya 或 Kxa 的值变化较大，一般流率增加，Kya（或Kxa）增大。HOG 或HOL 因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度就较小。一般吸收设备的传质单元高度在 0.151.5m 范围内。,2）传质单元高度,2023/4/3,68,8.5.3 传质单元数的计算方法,平衡线为直线时,对数平均推动力法,吸收因数法,平衡线为曲线时,图解积分法,近似梯级法,2023/4/3,69,1 对数平均推动力法,吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时,线性函数,2023/4/3,70,对数平均推动力,2023/4/3,71,同理：,2023/4/3,72,2 吸收因数法,2023/4/3,73,令,2023/4/3,74,脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次。,吸收因数,2023/4/3,75,2023/4/3,76,当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通常可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数。,图解积分法的步骤为(1)以y-x作出平衡线；(2)以y-x作出操作线(3)在y2-y1范围内设不同的y值，求出（yye）值及1/(yye)。,3 图解积分法,2023/4/3,77,(4)在 y2到 y1 的范围内作 y1/(yye)曲线；,y,o,y1,y2,1/(y-ye),(5)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数NOG。,2023/4/3,78,8.5.4 吸收塔的计算类型,2、操作型（校核型）计算,1、设计型计算,2023/4/3,79,例8-3 在一塔径为0.8m的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为99.5%。已知空气和氨的混合气体质量流量为1400kg/h，气体总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.333 kPa。若液气比为最小液气比的1.4倍，操作温度（293K）下的气液相平衡关系为y=0.75x，气相总体积吸收系数Ky为0.088kmol/m3s，试求（1）每小时用水量；（2）用平均推动力法求出所需填料层高度。,2023/4/3,80,解：(1),因混合气中氨含量很少，故,2023/4/3,81,x1=x2+G(y1y2)/L=0+,（）,2023/4/3,82,例8-4 某逆流吸收塔，用纯溶剂吸收混合气体中的可溶组份，气体入塔浓度y1=0.01,吸收率为90%,平衡关系为y=2x,且知L/G=1.2(L/G)min,HOG=0.9m,试求：（1）填料层高度？（2）若该塔操作时，因解吸不良，导致入塔x2=0.0005，其它入塔条件不变时，回收率又为多少？,2023/4/3,83,解（1）：由于是纯溶剂吸收，x2=0 x1=(y1/m)/1.2=0.0042 y2=0.01(1-0.9)=0.001y1e=20.0042=0.0084 y2e=0,L/G=1.2(L/G)min,H=HOG NOG=6.21 m,2023/4/3,84,(2)HOG不变，H不变，NOG不变由N OG计算公式知，NOG不变，1/A不变,2023/4/3,85,解吸过程：溶质从吸收液中分离出的操作,解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生，循环使用。,8.5.5 解吸,1 解吸条件及传质方向,传质方向：溶质由液相向气相传递。,2023/4/3,86,1)气提解吸：,2)减压解吸：,3)加热解吸：,2 解吸方法,或,解吸能耗大，整个吸收过程的能耗主要在解吸。,2023/4/3,87,3 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：,操作线方程：,L吸收液摩尔流率，kmol/m2s;G载气摩尔流率，kmol/m2s;,2023/4/3,88,2)最小气液比和载气流量的确定,G=(1.12.0)Gmin,2023/4/3,89,3)传质单元数法计算解吸填料层高度,（1）平均推动力法,2023/4/3,90,（2）吸收因数法,吸收因数,2023/4/3,91,例8-5 含苯2mol%的煤气用平均分子量为260的洗油在一填料塔中做逆流吸收以回收其中的苯，煤气的流率为1200kmol/h。塔顶进入的洗油中含苯0.5mol%，洗油的流率为最少用量的1.3倍。吸收塔在1atm、27下操作，此时的气液平衡关系为y=0.125x。富油由吸收塔底出口经加热后送入解吸塔塔顶，在解吸塔中送入过热水蒸气使富油脱苯，脱苯后的贫油由解吸塔塔底排出冷却后再进入吸收塔使用，水蒸气的用量为最少用量的1.2倍。解吸塔在1atm、120下操作，此时的气液平衡关系为y=3.16x。求：洗油的循环流率和过热蒸汽耗量,2023/4/3,92,解（1）,2023/4/3,93,2023/4/3,94,2023/4/3,95,8.6 高含量气体的吸收,8.6.1 高含量吸收的特点,G、L沿塔高变化；,y-x操作线为曲线；,非等温：含量高，溶解热大，对平衡不利，但 有利于提高传质系数，常忽略不计更 安全；,传质系数与含量有关，漂流因数受浓度影响大，传质系数非常数。,2023/4/3,96,小结,2023/4/3,97,解题步骤,列已知条件x2、y1、y2*、G、m计算（L/G)min计算（L/G)、L及x1计算HOG计算NOG计算H,