广东工业大学-吸收.ppt

第二章吸收 一 定义1 吸收 利用气体在液体中溶解度的差异来分离气体混合物的传质过程 1 形成溶液溶剂或吸收剂S 吸收所用液体 2 溶质或吸收质A 能溶解的气体组分 3 惰性气体或载体B 不能溶解的气体组分2 解吸 使溶质从溶液中逸出的传质过程 该过程既可使溶剂再生 又可使溶质回收 二 分类物理吸收 H2O吸收CO2 化学吸收 NaOH溶液吸收CO2单组分吸收 H2O吸收乙醇 多组分吸收 液态烃吸收气态烃等温吸收 H2O吸收丙酮 非等温吸收 H2O吸收SO3低浓度吸收高浓度吸收三 用途1 回收混合气体中的有用物质 用硫酸吸收焦炉气中的氨 2 除去有害成分以净化气体 用铜氨液吸收合成气中的CO 3 制取液体产品 用H2O吸收SO3制取H2SO4 形成溶液 四 吸收与精馏的区别1 精馏在混合物系内部产生两相 而吸收则是从混合物系外界引入另一相 2 精馏可直接获得较纯的组分 而吸收不能直接获得较纯的组分 3 精馏中进行双向传质 而吸收中进行单向传质 第一节气 液相平衡2 1 1气体的溶解度一 定义1 溶解度 气液两相达到相平衡时 溶质在液相中的浓度 记为CA x X 2 平衡分压 气液两相达到相平衡时 溶质在气相中的分压 记为p y Y 二 溶解度的特性由相律得所以物系的自由度为3 当总压不太高时 可忽略总压对溶解度的影响 所以溶解度曲线 表示该函数的曲线 图2 2 图2 3 图2 4 溶解度特性 T CA p CA 所以 低温高压有利吸收高温低压有利解吸 2 1 2亨利定律 一 亨利定律 在一定的温度和压力 不太高 下 稀溶液中溶质在气相中的平衡分压与其在液相中的溶解度成正比 即 式中p 溶质在气相中的平衡分压 kN m2 x 溶质在液相中的摩尔分率 E 亨利系数 kN m2 或式中CA 溶质在液相中的摩尔浓度 kmol m3 H 溶解度系数 kmol m kN 或式中y 溶质在气相中的平衡摩尔分率 m 相平衡常数 二 摩尔比1 定义 2 摩尔比表示的亨利定律由得代入得所以所以 当x 0 05时 X 0 053所以三 亨利定律各系数间的关系1 m和E的关系由得又由分压定律得所以 2 H和E的关系设MA 溶质的摩尔质量 kg kmol MS 溶剂的摩尔质量 kg kmol L 溶液的密度 kg m3 mA 溶质在液相中的质量浓度 kg m3 mS 溶剂在液相中的质量浓度 kg m3 CS 溶剂的摩尔浓度 kmol m3 则所以代入得又得对稀溶液 所以 2 1 3吸收剂的选择 溶解度大选择性好蒸汽压低 挥发损失小稳定性好 不易变质易于再生粘度低 功耗小无毒 无腐蚀 不易燃 不发泡 冰点低 价廉易得 第二节传质机理与吸收速率2 2 1分子扩散与菲克定律 一 分子扩散 由流体分子的微观运动传递质量的过程 二 菲克定律 在双组分混合流体中的任何一点 某组分沿任一方向的分子扩散通量 单位时间内垂直通过单位面积扩散的质量 与该组分在该方向上的浓度梯度成正比 即式中JA 组分A的分子扩散通量 kmol m2 s CA 组分A的摩尔浓度 kmol m3 z 扩散方向上的距离 m 组分A在扩散方向z上的浓度梯度 kmol m4 DAB 组分A在组分B中的分子扩散系数 m2 s 一 分子扩散系数的特性如图所设 当抽掉隔板后 气体A就会向右扩散 气体B就会向左扩散 由菲克定律 得设压力不太高 则在容器中的任何一点 由得而微分上式 得同样由C Constant 得在任何一点的任何方向上 有所以上述结论也适用于液体 2 2 2气相中的稳定分子扩散 二 等分子反向扩散如图所设 且设如图实验装置中的两个容器为无限大 则抽掉隔板并经过一个不稳定扩散后 有 1 由于1 2截面上的不随时间而变 所以在联通管中的分子扩散是稳定的 2 由于联通管中任何一点C Constant 所以在联通管中任何一点的任何方向上有 即联通管中的分子扩散是等分子反向扩散 定义 传质速率 单位时间内垂直通过单位面积传递的质量 由于在联通管中除浓度差引起的分子扩散外 没有其他原因引起质量的传递 所以联通管中的传质速率就等于分子扩散通量 即由 得微分上式 得所以定积分上式 得所以所以又由得所以pA与z成线性关系 且pA随z减小 显然 上述结论完全适用于组分B 三 一组分通过另一停滞组份的扩散将上述实验装置中右边容器改盛溶剂 设气液相界面只允许A分子通过 且溶剂不挥发 则抽掉隔板并经过一个不稳定扩散后 由于1 i截面上的pA pB不随时间而变 所以联通管中的传质是稳定的 定义 总体流动通量 单位时间内垂直通过单位面积由于流体的总体流动沿流体的流动方向传递的A和B的总质量 N kmol m2 s 由于在联通管中除了浓度差引起的分子扩散外 流体的总体流动也引起质量的传递 所以联通管中的传质速率就等于分子扩散通量与总体流动引起的传质速率之和 即由气液相界面不允许B分子通过 得 所以由得所以所以 分子扩散也是等分子反向扩散 且所以 将代入上式得定积分上式 得所以由得所以令 对数平均分压所以由 得 对比知反映总体流动对传质的作用 又由 知对传质的作用就象顺水行舟 水流加大了船的速度一样 所以称为漂流因数 又由得所以pA与z成非线性关系 且随pA的减小 也减小 所以pA随z向下弯曲 由 知pB随z向上弯曲 2 2 3液相中的稳定分子扩散 将上述实验装置中的气液界面移至1截面 则仿效气相中的一组分通过另一静止组分的分子扩散 得由于对液体的分子运动规律远不及对气体研究得充分 因此 只能仿效气相中的分子扩散速率方程写出液相中的相应方程 2 2 4扩散系数 一 气相扩散系数 低压下 由上式 得二 液相扩散系数 非电解质稀溶液 2 2 5对流传质 一 涡流扩散 对流 由流体质点的宏观运动传递质量的过程 二 对流传质 湍流流体中分子扩散和涡流扩散两种传质作用之和 即式中 三 传质方式和浓度分布1 层流分子扩散线性层流底层分子扩散近似线性2 湍流过渡流区分子扩散和涡流扩散非线性湍流主体区涡流扩散为主近似水平线四 有效膜 层流底层浓度分布线延线一湍流主体区浓度分布线延线交点与相界面的距离 zG zL m 五 对流传质速率方程1 气膜传质速率方程设有效膜的流体按层流流动 则有效膜内的传质方式为一组分通过另一停滞组份的扩散 所以2 液膜传质速率方程同理可得 2 2 6吸收过程的机理 一双膜理论1 气液两相间存在稳定的相界面 界面两侧各有一层有效膜 溶质以分子扩散的传质方式由气相主体进入液相主体 2 在相界面处 气液两相达到平衡 3 在气液两相主体中 溶质浓度均匀 二 溶质渗透理论液面由无数微元流体组成 液面上的每个微元都在与气相接触某一相同时间后进入液相主体 三 表面更新理论液面由无数微元流体组成 但液面上每个微元与气相接触的时间不同 服从某个分布函数 各种年龄的微元被置换下去的机率相等 与年龄无关 而与该年龄的微元数成正比 虽然溶质渗透理论和表面更新理论比双膜理论更接近实验结果 但还不能用于设计计算 所以吸收设备的设计仍以双膜理论为基础 2 2 7吸收速率方程式 一 分吸收速率方程 牛顿冷却定律 2 气膜分吸收速率方程令 气膜分传质 吸收 系数 kmol m2 s kPa 则仿效上式 得3 液膜分吸收速率方程令 液膜分传质 吸收 系数 kmol m2 s kmol m3 则仿效上式 得由得所以用作图法可求出界面浓度 三 总吸收速率方程 总传热方程 仿效分吸收速率方程 得 气相总传质 吸收 系数 kmol m2 s kPa 或kmol m2 s 液相总传质 吸收 系数 kmol m2 s kmol m3 或kmol m2 s 四 总系数与分系数及其之间的关系由得相加 由得所以所以对比得同理可得由知总阻力等于气膜阻力和液膜阻力之和 当溶质溶解度很大 即H很大时 传质阻力主要在气膜 称为气膜控制传质过程 当溶质溶解度很小 即H很小时 传质阻力主要在液膜 称为液膜控制传质过程 又 相比上两式 得同理可得又由对比得同理可得 第三节吸收塔的计算2 3 1物料衡算与操作线方程 一 物料衡算设V 惰性气体的摩尔流量 kmol s L 溶剂的摩尔流量 kmol s 其他如图所设 对全塔进行溶质的物料衡算 则所以或定义 回收率 溶质被吸收的百分率 即所以 3 若已知则可由式 3 求 然后由式 1 求 二 吸收操作线方程如图所设 对图中虚线范围进行溶质的物料衡算 则所以 吸收操作线方程或由式 2 得 吸收操作线方程显然 吸收操作线为一直线 2 3 2吸收剂用量的决定 一 吸收剂用量对操作线的影响由知所以存在适宜的吸收剂用量或适宜的液气比 理论上应以设备费和操作费之和为最小来确定适宜液气比 而实际上是根据经验选取操作液气比为最小液气比的某个倍数 二 最小液气比由图解得若则或所以操作液气比 2 3 3塔径的计算 由得式中D 塔径 m Vs 混合气体的体积流量 m3 s u 空塔气速 即以空塔截面积计算的混合气体的流速 m s 2 3 4填料层高度的计算 一 基本计算式如图所设 对微元填料层进行溶质的物料衡算 则所以设微元填料层内的气液接触面积为dA 则式中a 单位体积填料所具有的气液接触面积 m2 m3 塔的横截面积 m2 由z处的总吸收速率方程得所以对低浓度稳定吸收 为常数 可视为常数 所以 二 传质单元高度与传质单元数令 气相总传质单元高度 m 液相总传质单元高度 m 气相总传质单元数 液相总传质单元数 则当时 即由定积分中值定理得所以 所以传质单元高度是溶质浓度的改变与该层填料内的平均推动力相等时的填料高度 同理可得 气相分传质单元高度 m 液相分传质单元高度 m 气相分传质单元数 液相分传质单元数由得同理三 传质单元数的求法1 对数平均推动力法设则 由得 所以令则所以成线性关系 其斜率也为所以所以令 对数平均推动力 则同理1 脱吸因数法由吸收操作线方程得代入得所以 在上式对数项中的分子中加入 并整理 得令 脱吸因数得所以若以S为参数 则可以用平面图表示该函数关系 图2 19 从而方便计算 同理或式中 吸收因数 3 数值积分法或图解积分法当平衡线为曲线时 令则数值积分法有矩形法 梯形法和抛物线法 辛普森法 4 梯级图解法当平衡线为直线或弯曲程度不大时 可用梯级图解法求总传质单元数 步骤如下 1 建立平面直角坐标系XOY 2 画出平衡线OE和操作线TB 3 将操作线和平衡线之间垂直线中点联线NM 4 从点T出发 作水平线交NM于点F 延长TF至点F 使FF TF 过点F 作垂直线交于TB于点A 再从点A类推作梯级 直至达到或超过点B 5 每个梯级代表一个气相总传质单元 由得而F A代表塔顶一段填料内气相浓度的变化 YA YT 又 弯曲程度不大 即HH 代表该段填料内气相总推动力的算术平均值 Y Y m所以梯级TF A代表一个气相总传质单元 将操作线和平衡线之间的水平线中点联线 用类似的方法可以求出液相总传质单元数 2 3 5理论板层数的计算 自学 第四节吸收系数 传质 吸收 系数是进行吸收塔设计型和操作型计算的基础 获取传质 吸收 系数的途径 2 4 1吸收系数的测定 一 总系数由得式中 气相体积总传质 吸收 系数 kmol m3 s 吸收负荷 kmol A s 填料体积 m3二 膜 分 系数 以测为例 由得所以又所以先测 后求 再求 后面解释 而氧气微溶于水 即 2 4 2吸收系数的经验公式 一 用水吸收氨式中 气膜体积分传质 吸收 系数 kmol m3 h kPa G 气相空塔质量速度 kg m2 h W 液相空塔质量速度 kg m2 h 条件 12 5mm陶瓷环形填料 二 常压下用水吸收二氧化碳式中 液膜体积分传质 吸收 系数 kmol m3 h kmol m3 U 喷淋密度 m3 m2 h 条件 10 32mm的陶瓷环 U 3 20m3 m2 h G 130 580kg m2 h T 21 27 C 三 用水吸收二氧化硫式中 为常数 见表2 6中 P133 条件 G 320 4150kg m2 h W 4400 58500kg m2 h 25mm的环形填料 2 4 3吸收系数的准数关联式 一 传质过程中常用的几个准数1 施伍德 Sherwood 准数 气相施伍德准数 液相施伍德准数 2 施密特 Schmidt 准数 气相施密特准数 液相施密特准数 3 雷诺准数 气相雷诺准数 而 填料层中气体通道的当量直径 m 所以式中u0 气体通过填料层中通道的实际流速 m s 空隙率 m3 m3 G 气体的空塔质量流速 kg m2 s 比表面积 即单位体积填料层内的填料表面