分离工程_朱家文_第三章吸收

1、第七节复杂精馏塔的计算分离工程华东理工大学化工学院分离工程教学组2007年11月 目录3.1 吸收过程概述1. 吸收操作的应用及工艺流程2. 吸收操作的分类3. 吸收过程的特点及微分接触理论3.3 气液相平衡3.3.1.物理溶解时的相平衡3.3.2.伴有化学反应的吸收相平衡3.3.3.相平衡曲线及其比较3.4.传质理论3.5.传质速率与传质系数3.5.1.物理吸收传质速率3.5.2.化学吸收传质速率与增强因子3.5.3.传质系数关联式3.6.化学吸收与增强因子1.化学吸收的分类及其判别2.化学吸收中液相传质速率的研究步骤3.化学吸收增强因子的求取4. 化学吸收与物理吸收的比较3.7 吸收过程的

2、设计(A工艺的确定1. 气量、吸收率(净化度吸收量2. 最小液体流率,吸收流程的确定(B工程计算1. 塔径的计算2. 塔高的计算1. 低浓度气体吸收时的填料高度2. 高浓度气体吸收时的填料高度3.化学吸收时的填料高度的计算4. 多组分逆流吸收的填料高度吸收因子法5. 吸收过程的模拟计算3.1.吸收过程概述1. 吸收过程的应用及典型工艺流程化工生产中吸收过程的应用:1获得液相产品2气体混合物的分离3气体的净化原料气的净化尾气的净化4回收有价值的组分典型工艺流程(1吸收剂无需再生的流程使用对象:主要用于制备液相产品。流程特点:吸收剂不再生,循环操作。应用实例:SO3+H2O(H2SO4H2SO4(

3、浓硫酸HCHO+H2O 福尔马林(NH42CO3+CO2+H2O 2 NH4HCO3原料CA溶剂(2吸收再生流程使用对象:气体的净化或回收;流程特点:至少有两个塔(吸收塔和再生塔。再生气再生气净化气再生气进气减压冷再生流程原理:通过改变P ,改变相平衡,使溶质解吸。实例:以碳酸丙烯酯为溶剂,脱除合成氨原料气中CO 2的过程。工艺对气体净化度要求是过程经济性的关键减压冷再生气提冷再生间接蒸汽热再生气提冷再生流程原理:用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸;适用:溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的含量。问题:二次污染,资源的再利用。净化气气体蒸汽废气惰性气体泡沫间接蒸汽热再生流程原理:利用间接蒸

4、汽升高温度,改变液面上活性组分的平衡分压,加速解吸速率;实例:化学吸收(可逆反应热钾碱法吸收CO;2。柠檬酸钠法吸收SO2过程能耗是考核的关键指标。采用化学再生,转化为其他产品,或与其他工业过程有机结合是降低能耗的有效方法之一。物理吸收(水、甲醇-CO 2依据吸收的机理可分成化学吸收(K 2CO 3-CO2物理化学吸收(甲醇-有机胺物理吸收的特点:极限:溶解平衡= f (T,P达到平衡的速率:过程是可逆的,且热效应较小。化学吸收的特点:极限:相平衡= f (T,P,反应组分B达到平衡的速率:由于有化学反应,过程热效应较大,必须热再生。物理化学吸收的特点2.吸收操作的分类,(G A K C f

5、N =,(Kr K C f N G A =3.吸收过程的特点及微分接触理论吸收与精馏操作的相同点:平衡分离过程热、质同传过程,由MESH方程求解吸收与精馏的不同点:吸收过程精馏过程(lg液相气相溶解进入CTGT>(液相(L冷凝进入汽相(V汽化进入CTVT<(吸收操作的特点:溶解平衡过程,相际传质速率和传质面积等成为重要的影响因素;传质过程同时受到平衡和扩散的控制,化学吸收过程反应与分离耦合;气体热容小,液体热容大,溶质浓度较低,且存在溶剂汽化冷凝,过程的温度变化较小;吸收操作多采用连续逆流接触式设备(如填料塔;研究的理论和方法不同微分理论。dhy y a K Sdh x x a K

6、 Sdh N Lx d Gy d e y e x A (=SG,y 1L,x 1dhL,x 2G,y2yy+dy=21(0x x e x hx x aS K Lx d dh H =12(0y y e y hy y aS K Gy d dh H =1221y y ey OGOG x x e x OLOLy y dy aSK L N H xx dx aS K L N HH3.3吸收相平衡相平衡时,1(,c i f fP P T T L iG iL G L G =3. 3. 1. 物理溶解时相平衡1低浓度理想溶液(H i 为亨利系数亨利定理变形:或者i i i x H P =ii Py P =ii

7、i i ii x m y x PH y =PH m ii =ii i i Mii C H P C C H P =Mii C H H =关于H系数的几点说明:0.1MPa。P 一般情况 -稀溶液。化学平衡时,3 低浓度的易溶气体; 2 难溶气体;1 的适用范围:5、H 与溶液的组成、4、H ;,但C ,H 3、T 越小;越大,C一定,H2、p f(T、溶剂性质、H i i AiAi i i i <=未反应的溶质总压无关;溶质性质、12高浓度非理想溶液当气液平衡时,两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程:G ii G i Py f =*0ii i i i L i L i x H x f f =

8、G i i i i i i P H x y m *=1(ln ln 20x RTA H x f i i L i =化学平衡:溶解平衡:物料衡算式:nNmM l bB l aA H g A K A+(m n m n m nM N M N M Na ab a b a bA B A B A Ba a C C K a a C C =bBa A n Nm M r a C C C C K K K =A A A C H P =+=+=ma C C C C C C M A A M A A 00(m a m a =PX 13. 3. 2. 伴有化学反应时的相平衡(1(2(3平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定(

9、即C i 同时满足化学平衡和溶解平衡由化学平衡式(1、2、3式求得C i ,带入P i =H C i ,求得相平衡时的关系式:分别几种情况讨论:a b BnN m MA A A A CK C C H C H P 1(=c (f P i A =产物不离解(NH 3H 2O 系统溶液中A 的初始浓度:化学平衡:溶解平衡:(3-26当时,由此可见:物理吸收:化学吸收:(l M l B l A H g A K A+0AC *0MAACC C +=*0*BA AAB A MC C C C C C C K =*0*1BAA C K C C +=1(*0*BA A A A A C K C H C H P +

10、=ABC C >>0*BB C C *AA A C H P =01BA A A C K C H P +=产物离解(Cl2-H2O,CO2-H2O,SO2-H2O 系统离解平衡常数:忽略溶液中水的离解: 化学平衡常数: 物料衡算:溶液中A 的起始浓度(3-30+AKl M l B l A H g A K K A1(MA K C C C K +=1+=A K C C MA C K C 1=AB MC C C K =BA M C C K C =+=A M A A C C C C 0BA 1B A A 0AC C K K C C K C C +=上式整理成C A 的一元二次方程,并求解可得

11、:(3-31式中(3-32溶解平衡:C K 1(2K C 4(K K C 2(C B a 0Aa a 0A*A+=BB 1aC K 1C K K K +=K C 4(K K C 2(C K 1(2H C H P a 0A a a 0AB A *AA A +=被吸收组分与溶剂中的活性组分的作用(ag M ag B ag A H g A aK A+设B 组分的平衡转化率为R ,有:化学平衡:(1相平衡:(2=R C C R C C C C C B M B B M A A 0*0*0*1(1(1(*0*0*R C R R C C R C C C C K A B A BB A M=*AA A C H

12、P =由(1式得,代入(2得:令根据吸收组分在相平衡时的溶解能力为:当物理溶解量可以忽略不计时,*A C 1(R K R H P A A =AA AAp p R R Rp H K +=1 1( R C H P CB AA A00+=AABBMA P P CR C CC +=100*0(336(337相平衡曲线物理吸收:化学吸收:说明:,而不能超过。代表溶剂B 对溶质A 的最大吸收能力;代表吸收时气体所能达到的极限净化度。*AA A CH p =*0*01AABMAp pC C C +=00*,BAAC C p 0BC0BC *Ap物理吸收化学吸收2CO p ACp 2CO C 0BC 3. 3

13、. 3. 相平衡曲线及其比较物理吸收与化学吸收的比较物理吸收,呈线形关系,不存在浓度界限;(适宜高压或高浓度气体的脱除化学吸收,有极限,;适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程;当,化学吸收优于物理吸收;当,物理吸收优于化学吸收。溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数(H ,降低净化度*A p 0A C *A p 00B A C C AC A p p <*AC A p p >*i i 0i i C 'b I b m m ln =3.4.传质理论吸收过程,溶质A由气相传到液相。传质理论(较成熟双膜论Whitaman,1923渗透论Higbie,1935表面更新论Danck

14、werts,1951界面液相气相N A传质主体(气,液相界面分子扩散对流湍流混合界面湍动界面阻力1.双膜论特点:是稳态的物理模型,模型直观,用起来方便。x i x Ay i 液相主体l g y A 气相主体界面要点:流动方式:界面两侧有滞流传质膜滞流传质膜滞流边界层传递方式:膜内呈分子扩散传递,主体浓度均一,传质阻力集中在界面两侧的双膜内;界面无阻力,。模型参数是膜的厚度l 。i i i x K y =C C (C C D N AL Ai BMM l A =由单向扩散速率积分式可得:讨论:1. 稳定的边界滞流传质膜?2. 传质过程是稳态的?3. 界面无阻力?4. K D (大量实测到的K D

15、0.5双膜论的弱点:没有反应出K 与D 的0.5次方的关系。2.渗透论要点:传质方式:膜内是非稳态的传质;传质模型:随着旋涡的产生,溶质有时在主体,有时在界面;微元在界面停留时间te 是相同的;界面无阻力,;由非定态分子扩散可求得:此结论与实验相符合,但te 无法测定,且表面还是固定膜。(2AL Ai A C C te D N =constN const d dC t N d dC t t N t A L A L A = / / max0i i i x K y =界面tte 微团C A0(主体3.表面更新论要点:传质是非稳态的;界面上的每一微元具有不同的暴露时间,被另一微元置换的机会均等;微元

16、被旋涡携带的过程在气、液相均会发生,表面不断更新。微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律;缺点:表面更新率S 无法确定,但该理论最完善。界面湍动参数( (f S Se t st=(AL Ai A C C DS N =界面微团C A0液相气相3. 5传质速率与传质系数由双膜论知,A 由气相到液相的传质速率可表示为:根据相平衡方程式或可以写出传质速率的多种形式(见表3-5。p p (K p p (k y y (K y y (k N Ae A G Ai A g e y i y A =C C (K C C (k x x (K x x (k N Al Ae L Al Ai l e x i x A =am

17、x y +=bC H P A A A +=x i C ix A C Aly iP ai 液相主体lgy A P A气相主体界面3. 5. 1.物理吸收传质速率当A 从气相进入液相时,;由于是随的增加而增加,由此可得:Al Ai C C >Ae p AlC AiAe p p <AiA Ae A p p p p >gG k K <AeAi Al Ae C C C C >lL k K < 由传质总系数与传质分系数的关系式可知:l A g G k H k K +=11Ag l L H k k K +=111GA L K H K =(A g A Ai G A Ae A

18、 l Ai Al L Ae Al N k p p K p p N k C C K C C =当很大,即A 是难溶气体A H 属液膜控制1 >>>>l L 'Al G g 'A L g l A k K Hk K k H 1k k 1k H 当很小,即A 是易溶气体时,A H 属气膜控制11 1''>>>>g G g A L lg A l Ag k K k H K k k H k H k 结论:气膜控制的条件是: 液膜控制的条件是:很小(易溶气体'Al g g G H k k k K <<很大(难溶

19、气体'A l g l L H k k k K >>物理吸收A 在液膜中的溶解速率服从费克定律,即:(dxdC D N AAL A =AL A Ai A C C x C C x,0 在图中C A 为DE 直线,斜率为浓度梯度。有化学反应时A 在膜中边扩散边反应,C A 为曲线DE 。在D 处(x=0 ,扩散速率为:dxdC AD D AAL A dxdC D N =(3. 5. 2 化学吸收的传质速率与增强因子A 的扩散量= 膜内扩散量+ 膜内反应量在x=处,A 向液相主体扩散速率为:E E A AL A dxdC D N =(=E E A D D A AL dx dC dx

20、dC D ( A 在膜内的反应量当界面处D L 相同,C 相同,则DD 线斜率对应化学吸收的速率DE 线斜率对应物理吸收的速率定义增强因子>1斜率斜率DE D D =将化学吸收速率看作物理吸收速率的倍。则有:(Al Ai l Ai Ag g A C C k P P k N =(Al Ae L Ae Ag G C C K P P K =lg G k H k K +=11H k k K g l L +=111问:1、对传质总系数的影响如何?2、化学反应的存在,是否只对液膜传质有影响,而对气膜传质无影响?OLOL OG OG LL G G N H N H h N H N H h = a k G

21、 H y G =a k L H x L =aK G H y OG =a K L H x OL = 液膜传质系数关联式(Norman :%20(5.0±=ll l n l l l l l D V D a k 适用于公称尺寸10-50mm 的拉西环和公称尺寸13-38mm 的鞍型填料。金属拉西环填料3. 5. 3.传质系数关联式气膜传质系数关联式(Charpentier :适用于公称尺寸大于15cm 的填料。恩田等(3-9295的传质系数与传质单元高度关联式。%30(3.55.03.07.1±=gg g g g D Gdad G pk 当工业设备的填料尺寸与文献值一致,计算可以

22、有一定的精度,否则就有教大的误差。对于化学吸收的传质系数值,则以物理吸收为基础,全力求出值。可以从商家或计算软件中获得常见体系的传质单元高度,再求取特定体系的传质单元数。金属孔板波纹填料3. 6化学吸收与增强因子1.化学吸收的特点、分类及其判别2.化学吸收中液相传质速率的研究步骤(1研究思路(2扩散反应微分方程(3物理吸收速率(4化学吸收速率3.化学吸收增强因子的求取化学吸收的特点AAl Ai l Ai A g A R C C (k p p (k N =传质和反应耦合反应发生在液相,化学反应仅改变液膜传质阻力!传质速率:两个重要参数及物理意义:增强因子(化学反应的影响:化学吸收无因次准数M (

23、反应类型判断的依据:2l*ll l*ll Ai l Ai*l l k k D k k C k C k =通过液膜的最大传递量液膜中最大反应量M 物理吸收速率化学吸收速率=1.加大了推动力改变了系统的相平衡,可提高脱除气的净化度。C Al ,C A * ;P A *2.在低压、低浓度条件下提高了溶剂的吸收容量,可降低吸收剂的用量。3. 降低了液相传质阻力,提高了传质速率。物化,l l k k >>(102或更大纯物理吸收速率化学吸收速率引入化学反应对传质过程产生的影响(与物理吸收的差异塑料阶梯环1.化学反应可忽略的物理吸收过程液相中的总反应量<<扩散传递量令:当(*1AA

24、ACCQCVk<<1=VQAACCk*11<<=AC1*1<<kCALCAipAipA界面3. 6. 1.化学吸收的分类与判别2.液流主体中进行慢反应的吸收过程液膜中反应的量<<通过液膜扩散的量AiAl2l *1l Ai Al l *1l Al Ai l Ai *1l C C 1k k D C C 1k k C C (k C k <<<<<<2*1*1ll ll kk D k kM =质量通过液面最大的扩散传量液膜中最大的化学反应=Ai Ai l l C C k kM *1(主体反应膜内扩散+=f N A 当M<<1,M<0.2时,C BlC ALC A ip Ai P A界面3.在液膜中进行快反应的吸收过程液膜中可能的最大反应量通过液膜扩