化工原理第5章传质过程与塔设备.doc

本文由873160059贡献 ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 第五章 传质过程及塔设备 本章要点： 吸收过程的气液相平衡关系 传质机理 吸收速率 吸收塔的计算：物料衡算，吸收剂用量计算， 塔径，填料层高度计算 第五章 传质过程及塔设备 传质过程简介 气体的吸收 吸收塔的计算 传质过程简介 传质过程即物质质量传递的过程。 传质过程即物质质量传递的过程。 单相传质 仅在一相中发生的物质传递 相间传质 通过相界面进行的传质过程 常见的传质过程 传质过程的方式 传质过程的方向与极限 传质速率 常见传质设备 常见传质过程 溶解、结晶 干燥、吸附 吸收、蒸馏、精馏 萃取 液固 气固 气液 液液 单相体系中，物质的传递方式 ： 扩散 分子扩散 涡流扩散 物质靠分子运动从高浓度向低浓度转移 靠流体的湍动和涡流产生位移，实现 物质由高浓度向低浓度转移 相间传质 一相主体 扩散 相界面 扩散 另相界面 如气体吸收 另相主体扩散 传质的方向： 相平衡的方向 以氨气吸收为例 氨气（浓度低）空气 传质的极限： 相平衡 密闭容器 水（溶剂） 在两相分配中， 推动力： 在两相分配中， 偏离平衡的程 度 氨气(浓度高)空气(惰性气体) (溶质，被吸收组分) 氨气（浓度低）空气 总压 p 密闭容器 水（溶剂） 溶质（A）分压 浓度成 pA p *与 溶 液 中 A 的 氨气(浓度高)空气(惰性气体) (溶质，被吸收组分) 平衡的气相分压 p A p * 吸收 p A p * 解吸 p A = p * 平衡 pA p* 吸收推动力 亦可用浓度差表示动力 传质速率 传质推动力 传质阻力 传质速率传质系数传质推动力 塔设备 填料塔和板式塔 上述密闭容器能否用作工业吸收设备？ 上述密闭容器能否用作工业吸收设备？ 可以，但吸收效果不好，原因在于气、液两相接 触情况不好 对工业吸收设备有什么要求？ 对工业吸收设备有什么要求？ 尽可能提供气、液两相有足够大的接触面积 大的接触面积， 大的接触面积 尽可能使气、液两相接触充分 接触充分， 接触充分 尽可能使气、液两相的传质推动力大 传质推动力大（逆流） 传质推动力大 为达到上述要求，目前工业上常用的吸收设备 为达到上述要求， 使塔设备。 塔设备 填料塔 在圆柱形壳体内装填一定高度的填 料，液体经塔顶喷淋装置均匀分 布于填料层顶部上，依靠重力作 用沿填料表面自上而下流经填料 层后自塔底排出；气体则在压强 差推动下穿过填料层的空隙，由 塔的一端流向另一端。气液在填 料表面接触进行质、热交换，两 相的组成沿塔高连续变化。 溶剂 气体 填料塔 常用的填料可分为散装填料和规整填料两大类。散装填 料在塔内可乱堆，也可以整砌。 拉西环 环 鲍尔环 十字环及螺旋环 鞍形填料 阶梯环 规整填料 Corrugated Metal Plates Packings 6400金属板波纹规整 填料 300脉冲规整填料 各种陶瓷规整填料 填料的种类：1、实体填料 填料的种类： 2、网状填料 板式塔 在圆柱形壳体内按一定间距水平设置若 干层塔板，液体靠重力作用自上而下 流经各层板后从塔底排出，各层塔板 上保持有一定厚度的流动液层；气体 则在压强差的推动下，自塔底向上依 次穿过各塔板上的液层上升至塔顶排 出。气、液在塔内逐板接触进行质、 热交换，故两相的组成沿塔高呈阶跃 式变化。 气体 溶剂 板式塔 DJ 塔盘 新型塔板、填料 塔板类型 错流塔板和逆流塔板 塔板是板式塔的基本构件，决定塔的性能。 溢流塔板 (错流式塔板)：塔板间有 专供液体溢流的降液管 (溢流管)， 横向流过塔板的流体与由下而上穿 过塔板的气体呈错流或并流流动。 可获得较高的板效率，但降液管将 占去塔板的传质有效面积，影响塔 的生产能力。 降液管 液 相 堰 气相 逆流塔板（穿流式塔板）： 塔板间没有降液管，气、液两相 同时由塔板上的孔道或缝隙逆 向穿流而过，板上液层高度靠 气体速度维持。 优点：塔板结构简单，板上无液 面差，板面充分利用，生产能 力较大； 缺点：板效率及操作弹性不及溢 流塔板。 液相 气相 两种塔的比较 填料塔 结构简单，气体通过阻力小， 便于用耐腐材料制造。 板式塔 生产能力大，塔效率稳定，较 适合处理量大的系统。气体流过阻力大。 吸收概述 吸收中的相平衡关系亨利定律 吸收速率与传质机理 吸收的依据和目的 溶解程度的差异, 依据：利用混合气体中各组分在液体中 溶解程度的差异 溶解程度大的被吸收,难溶的则被留下了。被吸收的 组分称为吸收质，不被吸收的组分成为惰性组分。 作用： （1）原料气的净化。 （2）有用组分回收。 （3）制备有用溶液。 （4）废气治理。 吸收塔 尾气 吸收剂 混合气体 溶液 二、工业吸收过程 必须解决问题： 1、选择合适的吸 收剂； 2、提供合适的气 液传质设备； 3、吸收剂的再生 循环使用。 吸收塔 解吸塔 吸收剂的选择 1 溶解度 2 选择性 3 挥发度 也越大。 溶解度越大，吸收速率越大,吸收剂用量越越少。 吸收剂要对溶质组分有良好的吸收能力,对其它组分基 本上不吸收,或吸收甚微,否则不能实现有效的分离。 挥发度越大,则溶剂损失量越大,分离后气体中含溶剂量 4 粘度 粘度越小,流动性越好,吸收速率越大,泵的功耗越小,且传质 阻力减小。 5 温度敏感性 6 其它 要求无毒,无腐蚀性,不易燃,不发泡,冰点底,价廉易得,具有化 学稳定性。 吸收操作的分类 按是否有化学反应分:物理吸收、化学吸收 按有无明显温度变化分:等温吸收、非等温吸收 按组分数分:单组分吸收、多组分吸收 按浓度分:低浓度气体吸收、 高浓度气体吸收 本章主要讨论:低浓度单组分等温的物理吸收 低浓度单组分等温的物理吸收。 低浓度单组分等温的物理吸收 吸收进行的限度和方向 取决于相平衡关系 取决于相平衡关系 稀溶液的气液相平衡关系 亨利定律 亨利定律 当总压不高时,在一定温度下,稀溶液上方气体溶质的平衡 分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比,这就是亨利定 律。 其表达式为: p*=Ex E:亨利系数,由实验测定，单位与压强单位一致。 T E 溶解度 在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，易溶气体的E值则 很小。 亨利定律的不同表达形式 p*=c/H H=/Ems 液相中溶质浓度表示 H:溶解度系数,单位:kmol/(kN m) y*=mx m:相平衡常数 气、液相中溶质摩尔分数表示 总压P一定时y*= p*/P = (E/P)x = mx m=E/P T p m 溶解度 液相中溶质摩尔数 X 液相中溶剂的摩尔数 Y 气相中溶质摩尔数 气相中溶剂的摩尔数 X x= 1+ X Y y = 1+ Y y*=mx Y* X =m * 1+ Y 1+ X mX Y = 1+(1m)X * 亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+（1-m）X 则 1 Y*=mX 用摩尔比表示 相平衡与吸收的关系 判断过程进行方向 x=0.05 y=0.1 y*=0.94x y*=0.940.05=0.047 x 吸收 吸收 x=0.1 y=0.05 y*=0.10.94=0.094 y x*=0.05/0.94=0.053 1/kLH，则 KG=kG 吸收阻力主要集中在气膜中,这种吸收称为气膜控制。 例如:用水吸收氨,氯化氢气体 对于难溶气体,H很小,H/kG 液 操作线方程一定在 ， 为 吸过程 吸操作线一定在 操作线 力 线 线 操作线 塔 底 推 动 力 M(X.Y1) Y*=f(x) 线的上方。 线的上方 Y1* 动 线的下方 推 力 塔 Y* 顶 塔底推动力 塔 X2* 推动力 ，吸收推动 ? Y2* X1* T p m 由工艺条件，物料进口浓度Y1,X2已知，出 口气体浓度Y2由生产任务确定，所以操作 线方程恒过定点B。如图。 若qn,L减小，即qn,L / qn,v操作线斜率减小， 由于Y1不变，如图，操作线 沿Y=Y1右移。 则出口液浓度X1增大，吸收推 动力 变小。吸收仍可进行 qn,L继续减小，Y1移至相平衡 (X2,Y2) 线上，此时达到相平衡状态， 吸收停止 推动力为零 吸收剂用量不能无限小，有一个极限值。 吸收剂用量不能无限小，有一个极限值。 相平衡时的吸收剂用量为最小用量，此时 相平衡时的吸收剂用量为最小用量， 的液气比称为最小液气比 的液气比称为最小液气比 qn , L q n ,V Y1 Y2 = * min X 1 X 2 适宜液气比一般取最小液气比的 适宜液气比一般取最小液气比的1.151.5 倍 qn,L / qn,v的影响 液气比对吸收操作的影响 由全塔物料衡算式 得 qn,V(Y1-Y2)= qn,L (X1-X2) Y1 Y2 = X1 X 2 由右图可知，出口液浓度X1越小，1 Y 吸收推动力越大，吸收进行 的越快，吸收效果越好。 Y1 X1越小，则液气比越大 即：在qn,v一定的条件下，吸 在 一定的条件下， 收剂用量越大越好 Y1 吸收剂用量太大，经济成本高 塔底排出液浓度的计算 Y1 Y2 = X1 X2 由液气比即可确定塔底排出液的浓度 1 由液气比即可确定塔底排出液的浓度X 塔的有效高度的计算 填料层高度 填料层高度 填料层的气液相浓度沿塔高连续变化， 故不同塔截面上吸收推动力和传质速率 并不相同。因此，必须进行积分。 塔内任意截面处的传质速率 dN A = KY dA (Y Y * ) N A = KY (Y Y * ) dA A 0 平均推动力 = KY (Y Y ) dA A A * 0 A = KY Ym A 的计算： Ym 的计算：对数平均值法 塔顶推动力： Y2Y2*Y2 塔底推动力 Y1Y1*Y1 Y2 X2 Y2* Y1 Y2 Ym = Y1 ln Y2 Y1 X1 Y1* A气液有效接触面积 A = H 填料塔的横截面积 填料层高度 单位体积填料的有效气液接触面 积 填料不可能将塔的全部体积占据；且填料 表面积不能完全倍吸收剂覆盖，故引入有 效 表面积 填料层高度H的计算 填料层高度 的计算 NA A= = H KY Ym NA H= KY Ym 单位体积填料的有效接触面积 不仅与设备大小、填料性质有关，还受 流体物性、流动状况的影响，难以测出。 常常将KY与 或 KX 与 的乘积视为一 体，一并测定，称为体积吸收系数KY或 KX NA H= KY Ym 所以 则 传质速率 单位时间吸收质 在气相减少或在 液相增加的量 N A = qn ,V (Y1 Y2 ) = qn , L ( X 1 X 2 ) H= qn ,V (Y1 Y2 ) KY Ym = qn , L ( X 1 X 2 ) K X X m = qn ,V K Y Y1 Y2 Ym 传质单元数 传质单元高度 传质单元高度 q n ,V 反映的是传质阻力 传质阻力 K Y Y1 Y2 传质单元数 Ym 反映的是吸收的难易 程度,推动力的大小： 程度 推动力的大小：所需传质单元数越 推动力的大小 意味着吸收越难进行。 多，意味着吸收越难进行。 塔径的计算 塔径的大小主要根据塔设备单位时间处理气体混合物 的量（即生产能力）和塔内所采用的气流速度来决定。 的量（即生产能力）和塔内所采用的气流速度来决定。 圆筒形填料塔的直径为： 圆筒形填料塔的直径为： D= 4q 4qV , s u0 3 1 式中qv，s操作条件下混合气体体积流量，m s ； 式中q 操作条件下混合气体体积流量， 操作条件下混合气体体积流量 1 空塔气体流速， u0 空塔气体流速， m s 。 空塔气体流速 由液泛气速u 确