第三章吸收分析课件.ppt
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1、,第三章 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 强化吸收的途径第五节 典型吸收设备第六节 填料吸收塔的计算,第一节 概 述,一、吸收及其在化工生产中的应用:1.吸收:就是用液体来吸附、收集气体。吸收是一种以质量传递理论为基础的单元操作,在此过程中,气体由气相通过扩散传递进入液相,从而完成传递与转移。此类的单元操作还有蒸馏、萃取、吸附、干燥等等。2.基本概念:吸收质、吸收剂、惰性质3.吸收的应用:回收或捕获气体混合物中的有用物质,以制取产品;除去工艺气体中的有害成分,使气体净化,以便进一步加工处理,如有害气体会使催化剂中毒,必须除去;或除去工业放空尾气中的有害 物,以免
2、污染大气。,二、吸收操作的类型:,1.物理吸收:吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应,如洗油吸收苯,水吸收CO2、SO2等。物理吸收一般都是可逆的,吸收所能达到的最大程度取决于吸收条件下吸收质在液相中所能达到的平衡溶解度,吸收速率则取决于气相转移到液相的扩散速度。2.化学吸收:吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应。如CO2在水中的溶解度甚低,但若用K2CO3水溶液吸收CO2,则在液相中发生下列反应:K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3 从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力,作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件:a.可逆性。若该反应不可逆,溶剂将难以再生和循
3、环使用 b.较高的反应数率。若反应速率较慢,应研究加入适当的催化剂以加快反应速率。,化学吸收的速率由扩散速率和化学反应速率决定。一般比物理吸收的速率大。化学吸收的平衡主要由当时条件下的吸收反应的化学平衡来决定。,三、吸收方法和流程:1.吸收方法:增大气液接触面积,使吸收更快更完全地进行。(1)喷淋吸收:把液体分散成小液滴,液体为分散相,气体为连续相;(2)鼓泡吸收:气体分散成小气泡,气体为分散相,液体为连续相;(3)膜式吸收:液体沿着某一壁面成膜状流动,液体为分散相,气体为连续相。,2.吸收流程:(1)单程吸收(2)循环吸收(3)吸收与解吸结合吸收流程的共同特点:逆流,共同特点:增大气液接触面
4、积,使吸收更快更完全地进行。,四、实现吸收操作所要解决的问题:1.实现吸收操作所要解决的问题:选择合适的溶剂,使能选择性地溶解某个(或某些)被分离组分;提供适当的传质设备(多位填料塔,也有板式塔)以实现气液两相的接触,使被分离组分得以从气相转移到液相(吸收)或气相(解吸);2.溶剂的选择 溶剂应对被分离组分(溶质)有较大的溶解度,或者说在一定的温度与浓度下,溶质的平衡分压要低。这样,从平衡角度来说,处理一定量混合气体所需溶剂量较少,气体中溶质的极限残余浓度亦可降低;就过程数率而言,溶质平衡分压,过程推动力大,传质数率快,所需设备尺寸小。溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小,即溶剂应具备较高的选
5、择性。若溶剂的选择性不高,将同时吸收混合物中的其他组分,只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感,即不仅在低温下溶解度要大,平衡分压要小,而且随着温度升高,溶解度应迅速下降,平衡分压应迅速上升。这样,被吸收的气体容易解吸,溶剂再生方便。,溶剂的蒸汽压要低,不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失,另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。溶剂应有较好的化学稳定性,以免使用过程中发生变质;溶剂应有较低的粘度,不易产生泡沫,以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。实际上
6、很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求,应对可供选择得溶剂做全面的评价,以便作出经济、合理的选择。,3.吸收操作的经济性吸收总费用设备(塔、换热器等)折旧费操作费(占比重大),操作费用主要包括:气、液两相流经吸收设备的能量消耗;溶剂得挥发度损失和变质损失;溶剂的再生费用,即解吸操作费用(在三者中占比例最大)。,第二节 吸收的相平衡,一、吸收的相平衡和气体的溶解度:1.气体的溶解度:在一定的温度与总压下,使一定量的溶剂与溶质接触,溶质便由气相向液相转移,随着溶液浓度的逐渐增高,传质速率将逐渐减慢,最后降为零,此时气液两相达到相平衡,液相中溶质达到饱和,浓度达到一最大限度,称为平衡溶解度,简称
7、为溶解度(溶解度可以用不同的方式表示,相平衡关系亦可用不同的方式表示。注意:此时并非没有溶质分子继续进入液相,只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等,在宏观上过程就象是停止了。这种状态称为相际动平衡,简称相平衡。当吸收达到相平衡时,则有:吸收质的溶解度=饱和浓度=溶液的最大浓度=溶液的平衡浓度,2.溶解度的影响因素:气体和溶剂的性质、温度、压力都会影响气体的溶解度。,3.亨利定律:吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物,此时液相的浓度通常比较低,即常在稀溶液范围内。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线,即气液两相的浓度成正比,这一关系称为亨利定律。气液组成用不
8、同的单位表示时,亨利定律有以下3种形式:,上述3种形式的亨利定律,最常见的是最后一种形式,相平衡常数有时不是已知,而是给定亨利常数(或溶解度系数),所以必须知道它们相互间的换算关系。,P*=Ex,=,x,y=p*/p,y*=,二、相组成的表示方法及其换算:,1.相组成的表示方法:m3(气体)/m3(溶剂)、kmol/m3、kg/m3、摩尔分率x、y,在以后的计算中,我们经常要用到比摩尔分率X、Y,Y=mol(吸收质)/mol(溶剂),X=mol(吸收质)/mol(惰性质),2.各种浓度间的换算关系:(1)溶液中吸收质的浓度c与x间的换算关系:,溶液的密度,cT,溶液的总浓度,mol(吸收质+吸
9、收剂)/m3(溶液),对于稀溶液:x值很小,此数据要记住,考试时不给。,(2)摩尔分率与比摩尔分率间的换算:,(3)亨利定律的比摩尔分率形式:,对于稀溶液:Y*=mX,浓度间的换算关系例题见书,第三节 吸收速率,在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题:过程的极限和过程的速率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传递。两相间物质的传递机理包括三种。,一、吸收传质机理:1.物质的扩散形式:分子扩散:由分子自身的热运动所引起的物质传递。这种传质类似于传热中的热传导,是分子微观运动的宏观统计结果。发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。,分子扩
10、散遵循费克定律:扩散速率即单位即单位时间扩散传递的物质量与传质面积和沿传质方向的浓度梯度成正比,在稳定条件下 N=Ac/,式中:N-扩散速率,mol A-传质面积,m2 c-浓度差,molm-3,D-扩散系数,m2s-1,-扩散距离,m,涡流扩散:是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为涡流扩散。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是涡流扩散。(3)对流扩散:分子扩散和涡流扩散合称为对流扩散。将一勺砂糖投于杯水中,片刻后整杯的水都会变甜,这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水,则将甜得更快更均匀,那便是对流扩散的结果。2.有关吸收机理的理论:,(1)有效膜理论(双膜理论)(刘易斯Lew
11、is、惠特曼 Whitman,1923年),a.气液两相作相对运动时,在两相的界面两侧存在着作层流流动的稳定的气膜和液膜。按照这一观点,吸收过程就是这样进行的:,界面,yi,xi,气膜边界,液膜边界,气膜,液膜,气相湍流主体 y,液相湍流主体 x,b.在两相界面上,吸收质的溶解是瞬时完成的,且在界面上,气液两相总是处于平衡状态,即吸收质在通过界面时并不受任何阻力的影响。c.吸收质在气相主体和液相主体中的扩散是以涡流扩散的方式进行的,而气膜和液膜中的则是以分子扩散的方式进行。双膜理论的优势:极大地简化了吸收过程,为计算吸收速率奠定了基础,对强化吸收传质过程起一个积极的推进作用。双膜理论的局限性:
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