化工原理下第八章吸收卓越.ppt

第8章 吸收,8.1 概述8.2 吸收过程相平衡基础8.3 模型和传质速率方程 8.4 吸收塔的计算8.5 其他类型吸收,化工原理 下册,分离气体混合物。根据混合物各组分的物理和化学差异，如吸附、吸收。吸收是其中的一种，根据溶解度差异。吸收是将气体混合物与适当的液体接触，气体中一种或多种组分溶解于液体中，不能溶解的组分仍保留在气相中，利用各组分在液体中溶解度的差异,对其进行选择性溶解,使气体中不同组分得到分离的单元操作。混合气中，能溶解于液体的组分称为溶质。不能溶解的组分称为惰性气体。用于溶解气体的液体称为吸收剂，溶有气体的溶液称为溶液。,一、气体吸收在化工中的应用,8.1 概述,1制取化工产品 将气体中需要的成分用指定的溶剂吸收出来，成为液态产品。如：用水吸收HCl、NO2制取工业盐酸和硝酸。2分离气体混合物 工业上利用吸收分离气体混合物。热甲碱法吸收二氧化碳。3从气体中回收有用组分 用洗油回收粗苯或二氯乙烷。,一、气体吸收在化工中的应用,8.1 概述,4气体净化 原料气的净化。尾气、废气的净化以保护环境。5生化工程 菌体在发酵罐中培养。发酵罐中要给予大量的空气以维持微生物的正常代谢，要应用空气中的氧在水中吸收这一过程。,一、气体吸收在化工中的应用,8.1 概述,化学吸收和物理吸收。单组分吸收和多组分吸收。非等温吸收和等温吸收。本章研究物理吸收、单组分吸收和等温吸收。,二、吸收过程分类,8.1 概述,吸收通常在 吸收塔内进行，其中以填料塔的应用较为普遍。生产中除少部分直接获得液体产品的吸收操作之外，一般都需对吸收后的溶液,三、工业吸收过程,8.1 概述,进行解吸，使溶剂再生，能够循环使用。同时也得到有价值的溶质。这样，除了吸收塔以外，还需与其它设备一道组成一个完整吸收-解吸的流程。,采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题：,1.选择适当的溶剂，能选择性的溶解某个被分离组分；2.提供适当的设备实现气液两相接触，使被分离组分从气相转移到液相。3.溶剂的再生，以便循环使用。,另外:溶剂具有良好的化学稳定性和热稳定性；无毒、不易燃易爆；腐蚀性小；价廉易得等。,三、工业吸收过程,8.1 概述,8.2 吸收过程相平衡基础8.2.1 气液相平衡关系,气体混合物与溶剂接触，溶质气体向液相转移，使溶液中溶质(A)的浓度cA增加，直到达到饱和，浓度不再发生变化。这种状态称为气液溶解相平衡。,平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压pA*，液相中的溶质浓度称为平衡浓度cA*，简称为溶解度。,8.2 吸收过程相平衡基础8.2.1 气液相平衡关系,对于单组分物系，组分数3个(溶质、惰性气体和溶剂)，相数2个(气、液)，根据相率，自由度F为 F组分数相数+232+2=3,即在温度、总压和气、液组成四个变量中，三个是自变量。将溶解度cA*表示成温度t、总压P和气相组成的函数，即cA*f(t、P、气相组成)。,在总压不很高的情况下，认为溶解度cA*与总压无关，则 cA*f(t、pA)，或者，pA*f(t、cA)。,在相同的温度和分压下，不同气体溶解度有很大的差别。O2、CO2，溶解度很小，称难溶气体；NH3，溶解度很大，称易溶气体；介乎两者之间SO2称溶解度适中气体。加压和降温可以提高气体溶解度，cA*f(t，pA)，对吸收有利。,课本32页 图8-2如下,8.2 吸收过程相平衡基础8.2.1 气液相平衡关系,pA*f(t、cA)亨利定律：稀溶液、低压和一定温度下，气、液达到溶解相平衡，则 pA*ExA 亨利系数由实验确定，它随物性和温度而变化。对于一定气体溶于一定溶剂，温度升高，E增大。,8.2 吸收过程相平衡基础8.2.2 亨利定律,若干气体在水中的亨利常数E之值,8.2.2 亨利定律,亨利定律三种表达式 pA*=ExA E为亨利系数 单位 Pa cA*=HpA H为溶解度系数 单位 kmol/m3.Pa y*=mx m为相平衡常数 单位 无因次2.三个系数间的关系 E=C/H m=E/P相平衡常数m：相平衡常数m与温度、压力有关。温度降低，m减小；压力增大，m减小。(加压和降温可以提高气体溶解度),8.2 吸收过程相平衡基础8.2.2 亨利定律,气相中的溶质传递到液相，分为三个步骤：1.气相与界面的对流传质；2.溶质在界面上的溶解；3.界面与液相的对流传质。令：界面上气液两相浓度为yi、xi 1.气相与界面的对流传质；NA=kG(pGpi)=ky(yyi)3.界面与液相的对流传质；NA=kL(cicL)=kx(xix)2.溶质在界面上的溶解；yi=f(xi)采用 yi=mxi,双膜模型：(yyi)代表气相传质推动力，(xix)代表液相传质推动力，穿过界面的传质阻力可以忽略，气、液在界面达到平衡。,8.3 模型和传质速率方程,8.3.1 双膜模型在吸收中的应用,8.3.2 传质速率方程,一、总传质速率方程 用总传质系数表示的速率方程,用吸收塔某一截面气液两相浓度x和y在图8-4用a点表示。相界面上气液平衡浓度xi和yi在图8-4用P点表示，yi=mxi。,8.3 模型和传质速率方程,根据图8-4，m(xix)=yiy*。气相与界面的对流传质：NA=kG(pGpi)=ky(yyi)界面与液相的对流传质：NA=kL(cicL)=kx(xix)即：,进一步变形，得,8.3.2 传质速率方程,8.3 模型和传质速率方程,于是，相际传质速率方程式为：NA=Ky(yy*)式中，,Ky 和Kx 的关系：mKy=Kx Ky 和Kx 的单位：Ky:kmol/(m2.s.y)Kx:kmol/(m2.s.x)表8-1 37页 传质速率方程的各种形式，只需掌握 NA=Ky(yy*)和 NA=Kx(x*x),同理，NA=Kx(x*x),8.3.2 传质速率方程,8.3 模型和传质速率方程,二、界面浓度的求取,如图所示，a(x,y)代表某一截面上气液相摩尔分率，b(xi,yi)代表该截面上界面的浓度(摩尔分率)，如何求出(xi,yi)？,，导出,联立求解（1）和（2），可求出(xi,yi)。用作图法求解，从a(x,y)出发，作斜率为-kx/ky的一条直线，此直线与平衡线的交点即为界面浓度(xi,yi)。,（1）相平衡关系：yimxi（2）从式(8-15)：,8.3.2 传质速率方程,8.3 模型和传质速率方程,三、传质阻力分析,式(8-18)表示总传质系数Ky和分传质系数ky、kx的关系。,它表明总传质阻力1/Ky为气相分传质阻力1/ky和液相分传质阻力m/kx之和。,当 1/kym/kx，则 1/Ky1/ky。此时传质阻力集中于气相，称为气相阻力控制(气膜控制)。气膜控制的条件：(1)kykx。直线ab很陡。直线ab的斜率kx/ky。(2)m很小，相平衡线OE平坦，表明溶质在吸收剂中的溶解度很大，如水吸收NH3、HCl。,8.3.2 传质速率方程,8.3 模型和传质速率方程,同理，当1/mky1/kx，则1/Kx1/kx。此时传质阻力集中于液相，称为液相阻力控制(液膜控制)。液膜控制的条件：(1)kykx。直线ab平坦。(2)m很大，相平衡线OE很陡，表明溶质在吸收剂中的溶解度很小，如以水吸收O2、CO2。,三、传质阻力分析,气液两相的分传质系数与流速的0.7次方成正比，即：kyG0.7；kyL0.7。对于气膜控制，增加气体流率，可有效增加总传质系数Kyky，加快吸收过程。对于液膜控制，增加液体流率，可有效增加总传质系数Kxkx，加快吸收过程。,例8-1(课本40页)吸收分离，操作总压310kPa，气相分传质系数ky3.7710-3kmol/(m2s)，液相分传质系数kx3.0610-4kmol/(m2s)，相平衡关系符合亨利定律：p*=1.067104x kPa。求：(1)总传质系数Ky和Kx(2)传质阻力分析。,8.3.2 传质速率方程,8.3 模型和传质速率方程,解：(1)相平衡关系：,(2)传质阻力分析,，液膜控制。,8.3.2 传质速率方程,8.3 模型和传质速率方程,8.4 吸收塔的计算,工业上的吸收操作，既可采用板式塔，也可采用填料塔。本章采用填料塔分析和讨论吸收过程。吸收塔内气、液两相既可以逆流，也可以并流。逆流可以获得较大的传质推动力，故吸收塔通常采用逆流操作。当已给定吸收任务(处理的气流量，气体混合物的初、终浓度)，选定吸收剂和吸收剂的入塔浓度，并得到相平衡关系。吸收塔的主要计算项目：吸收剂用量和溶液的出塔浓度，所需填料层高度。,8.4.1 物料衡算和操作线方程,一、全塔物料衡算,吸收塔内气、液流率和组成如图所示，下标a代表塔顶，b代表塔底。气体：惰性气体B的流率GB不变。液体：溶剂(吸收剂)S的流率Ls不变。则：GB=G(1-y)，Ls=L(1-x)气、液组成采用摩尔比：Y=y/1-y，X=x/1-x 作全塔物料衡算，GB(Yb-Ya)=LS(Xb-Xa),8.4 吸收塔的计算,吸收操作时，表征吸收程度有两种方式：,(1)吸收的目的是为了回收有用物质，用吸收率表示：被吸收的溶质/进塔气中的溶质(YbYa)/Yb1Ya/Yb(2)吸收的目的是为了除去气体混合物中的有害物质，直接规定出塔气体有害物质的浓度Ya,8.4.1 物料衡算和操作线方程,8.4 吸收塔的计算,一、全塔物料衡算,二、操作线方程,为确定塔内某一截面上相互接触的气液组成间的关系，对塔顶与任意截面间作物料衡算，得：GB(Y-Ya)LS(X-Xa)，整理，得,同理，对塔底与任意截面间作物料衡算，得：GB(Yb-Y)LS(Xb-X)，整理，得,(8-29),(8-31),8.4.1 物料衡算和操作线方程,8.4 吸收塔的计算,直线AB上任一点P代表塔内相应截面上气、液浓度Y、X。直线AB称操作线。PR代表液相摩尔比差表示的总推动力(X*-X)，PQ代表气相摩尔比差表示的总推动力(Y-Y*)。,操作线离平衡线越远，气相（或液相）总推动力越大。,式(8-29)及(8-31)称为吸收塔操作线方程，直线的斜率LS/GB，且直线通过B(Xb,Yb)和A(Xa,Ya)两点，如图所示。,二、操作线方程,8.4.1 物料衡算和操作线方程,8.4 吸收塔的计算,设计时，由吸收任务和要求可以确定GB、Yb、Ya，由工艺条件可知道Xa。因此，图中点A(Xa，Ya)(表示塔顶状态)固定，GB也固定。点B(Xb，Yb)(表示塔底状态)Yb固定，B点在水平线上移动，由斜率确定，即由Ls确定。若Ls减小，B点向C点靠近，Xb增大，即出塔液体浓度增大，推动力减少。,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4 吸收塔的计算,当B点到达C点，出塔液体和入塔气体达到平衡，推动力为零。这意味着塔高要无限高才能实现指定的分离要求。这在实际上行不通。B点到达C点，表示一种极限情况，即最小液气比(Ls/GB)min的情况。根据生产经验，实际液气比是最小液气比的1.12.0倍。即：Ls/GB1.12.0(Ls/GB)min,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4 吸收塔的计算,最小液气比用图解法求出，即,液气比也不是越大越好。液气比越大，固然推动力越大，对传质有利；但吸收剂用量随之增大，因而输送、回收等操作费用增加。液气比越小，推动力越小，对传质不利，因而设备费用增加。实际液气比的选定，是操作费用和设备费用的权衡。,8.4.2 吸收剂用量的确定,8.4 吸收塔的计算,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,多数工业吸收操作，进塔的混合气溶质浓度不高(小于5%10%)，称为低浓度气体吸收。为此，我们作如下假设：气、液流率视为常数，即用气、液的总流率G、L代替惰性气体流率GB和吸收剂流率LS，因而，气体流率G与液体流率L不变。等温吸收传质系数kx和ky在全塔各截面处不变以摩尔分率y、x代替摩尔比Y、X,8.4 吸收塔的计算,因此，操作线方程变为：,或,最小液气比变为：,且平衡关系采用亨利定律,注意：上三式是我们真正要用的公式,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,一、填料层高度的计算,填料塔是连续接触式设备，在填料塔内连续接触的气液两相，其组成沿填料层高度连续变化。为此，先取微元填料层高度，列出物料衡算式和传质速率方程，然后积分得到填料层总高度。,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,如图所示，填料塔的横截面积m2。取一段微元填料层dh，列溶质A的物料衡算：单位时间内气相进入液相溶质A的量 气相所失溶质A的量 液相所得溶质A的量 dmA=G(y+dy)Gy=L(x+dx)Lx 即：dmA=Gdy=Ldx 在微元填料层dh中，微元的体积为dh，单位体积填料层提供的有效传质面积为a(m2/m3)，气液两相组成变化很小，传质速率NA不变，则 NA adh=dmA,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,因此，得到：NA adhGdy 和NA adhLdx 对上两式积分，可得：,注意：a是单位体积填料层提供的有效传质面积，它很难测定。因此，我们将a与传质系数 Ky和Kx的乘积作为一个完整的物理量来看待，称Kya和Kxa为气相总体积传质系数及液相总体积传质系数，单位均为kmol/(m3s)。,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,二、传质单元数与传质单元高度,分析填料层高度的计算公式，令,，即,和,式中，NOG称气相总传质单元数，无因次 HOG称气相总传质单元高度，单位 m,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,NOG和HOG的物理意义：,NOG表示气体经过填料层后浓度的变化(yb-ya)除以传质推动力的对数平均值。NOG只与相平衡以及进出口的浓度有关，而与设备的形式无关。这样，我们在设备选型之前可以先计算NOG，如果NOG太大，说明吸收剂性能太差，或说明分离要求过高。HOG表示气体经过填料层后，NOG刚好等于1时的填料层高度，它的单位是m。因此，填料层高度气相总传质单元数NOG气相总传质单元高度HOG。HOG与设备的形式有关，是吸收设备效能高低的反映，显然，HOG越小，传质效果越好。,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,采用传质单元高度HOG的优点：1.单位与填料层高度相同，较为直观；2.数值变化范围较窄，一般在0.15m至1.5m范围内。,同理，,，即,和,式中，NOL称液相总传质单元数，无因次 HOL称液相总传质单元高度，单位 m,课本 表8-2 364页,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,三、传质单元数的计算,（1）对数平均推动力法,相平衡线为直线，即 y*=mx,采用对数平均推动力法，需要知道4个浓度：xa，xb，ya和yb,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,（2）吸收因数法,相平衡线为直线，即 y*=mx,令 S=mG/L，S为脱吸因素，是相平衡线斜率m与操作线斜率L/G的比值。NOG可以用变量S和(yb-mxa)/(ya-mxa)来表示，见课本368页图8-13。当xa=0，且已知吸收率=1-ya/yb，公式则变为：,非常简单。,8.4.3 低浓度气体吸收时填料层高度,8.4 吸收塔的计算,一、填料塔的设计型计算 设计型计算的特点是给定进口气体的溶质浓度、进料混合气的流率、相平衡关系及分离要求，计算达到指定分离要求所需要的填料层高度。为此，我们需要解决以下几方面的问题：（1）为计算塔高，必须确定传质系数。（2）气、液流向的选择。气、液逆流（3）吸收剂进口浓度的确定。题目会告诉，已知条件。（4）吸收剂用量的确定。吸收剂用量是最小用量的1.12.0倍。,8.4.4 填料塔的设计型计算和操作型分析,8.4 吸收塔的计算,例8-2 在一填料吸收塔中，用煤油逆流吸收含苯5（体积百分比）的煤气，煤气的流量为41kmol/h，要求苯的回收率为92。已知塔顶进入的煤油含苯0.2（摩尔分率），煤油的耗用量是最小耗用量的1.6倍。气液平衡关系 y=0.14x，总传质系数Kya=0.035kmol/m3s。已知塔径0.6m，问塔高为多少？,8.4.4 填料塔的设计型计算和操作型分析,8.4 吸收塔的计算,解：yb=0.05，ya=(1-)yb=0.004，xa=0.002 最小液气比：(xb*=yb/m),气相流率 G=(41/3600)/(0.25d2)=0.04kmol/(m2s)液相流率 L=1.6Lmin=1.60.040.130.0083 kmol/(m2s)用平均推动力法和吸收因数法计算填料层高度。,8.4.4 填料塔的设计型计算和操作型分析,8.4 吸收塔的计算,1.平均推动力法 先求xb。xb(G/L)(ybya)+xa0.224 塔顶推动力 ya=yaya*=yamxa=0.00372 塔底推动力 yb=ybyb*=ybmxb=0.01864 全塔平均推动力 ym=(ybya)/ln(yb/ya)=9.2610-3 气相总传质单元数 NOG=(ybya)/ym=4.97 气相总传质单元高度 HOG=G/Kya=1.14m 所需填料层高度 h=NOGHOG=5.67m,8.4.4 填料塔的设计型计算和操作型分析,8.4 吸收塔的计算,2.吸收因数法先求脱吸因数 S=mG/L=0.675m气相总传质单元数,所需填料层高度 h=NOGHOG=5.65m,8.4.4 填料塔的设计型计算和操作型分析,8.4 吸收塔的计算,