05 气体吸收.ppt

1、第二节 气液相平衡,第五章 气体吸收,第一节 概述,第三节 吸收过程的传质速率,第四节 吸收塔的计算,第五节 填料塔,一、气体吸收操作的应用,（1）分离混合气体以获得一定的组分。,（2）除去有害组分以净化或精制气体。,（3）制备某种气体的溶液。,（4）工业废气的治理。,吸收的依据,混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。,第一节 概 述,二、吸收过程与设备,吸收与解吸流程,含苯煤气,脱苯煤气,洗油,苯,水,过热蒸汽,加热器,冷却器,（1）物理吸收和化学吸收,（2）单组分吸收和多组分吸收,（3）等温吸收和非等温吸收,（4）高浓度吸收和低浓度吸收,三、吸收过程的分类,（2）选择性高；,（3）再生容易

2、；,（4）挥发性小；,（5）粘度低；,（6）化学稳定性高；,（7）腐蚀性低；,（8）无毒、无害、价廉等。,选择原则：经济、合理。,（1）溶解度大；,四、吸收剂的选择,液体 S,气体（AB）,A 溶解,A 逸出,一、平衡溶解度,第二节 气液相平衡,平衡状态：任一瞬间进入液相的溶质等于从液相中逸出的溶质数量，即气液两相达到平衡。,平衡方程,饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。,平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。,溶质液相组成,溶质气相组成,讨论：,（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收 。,（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，

3、有利于吸收 。,（3）相同的总压及摩尔分数， cO2 cCO2 cSO2 cNH3,氧气等为难溶气体 氨气等为易溶气体,（一）亨利定律 总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比，其比例系数为亨利系数。,二、亨利定律,讨论：,1）E的影响因素：溶质、溶剂、T 物系一定，,2）E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体,3）E的来源：实验测得；查手册,溶质在气相中的平衡分压，kPa；,x溶质在液相中的摩尔分数；,E亨利常数，单位同压强单位。,1）,（二）亨利定律其它形式,H与E的关系：,H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响

4、小，,m与E的关系 ：,m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2）,2）,m相平衡常数，无因次。,3）,气相中溶质的物质的量,Y=,气相中惰性气体的物质的量,液相中溶质的物质的量,X=,液相中溶质的物质的量,=,y,1-y,=,x,1-x,则,y=,Y,1+Y,x=,X,1+X,Y*=,mX,1+(1-mX),=mX,设某瞬时，气相中溶质的实际组成为y，溶液中溶质的实际组成为x。,若,传质方向由气相到液相 进行吸收过程,若,传质方向由液相到气相 进行解吸过程,三、 相平衡关系在吸收中的应用,（一）判断过程进行的方向,平衡状态,以气相表示的传质推动力,以液相表示的传质推动力,吸收推动力示意图,

5、（二）确定过程的推动力,（1）吸收过程推动力的表达式,（2）在xy图上,y-y*,x*-x,（1）逆流吸收，塔高无限， 吸收剂用量无限大,V，y2,V，y1,L，x2,L，x1,（2）逆流吸收，塔高无限， 吸收剂用量无限少,（三）指明过程进行的极限,过程极限：相平衡。,吸收过程：,（1）A由气相主体到相界面，气相内传递； （2）A在相界面上溶解，溶解过程； （3）A自相界面到液相主体，液相内传递。,第三节 吸收过程的传质速率,吸收过程的步骤：气体内单相对流传质相界面的溶解液相内的单相传质。,分子扩散,静止流体 层流的流体 湍流的流体,单相内,分子扩散 湍流扩散,两相间传质方式双膜理论,气相（与

6、相界面间）,液相（与相界面间）,对流扩散,传质方式：,单向扩散 逆向扩散,有效膜,传质速率：任一固定的空间位置上， 单位时间 内通过单位面积的物质量，记作N, kmol/(m2 s) 。,非稳态传质,稳态传质,传质速率既随位置变化，也随时间变化,传质速率仅随位置变化，而不随时间变化,分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处， 这种现象称为分子扩散。,扩散速率：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量，J表示， kmol/(m2s)。,菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一 点处的扩散速率与该处A

7、的浓度梯度成正比。,一、 分子扩散与菲克定律,JA组分A扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2s）；,组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；,DAB组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。,负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行,牛顿黏性定律,傅立叶定律,理想气体：,=,分子扩散两种形式： 等摩尔逆向扩散无吸收 组分A通过静止组分B的扩散有吸收,作业： 第231页5-3、5-6,二、等摩尔逆向扩散,总压一定,p,扩散距离z,0,z,p,等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。,=,JA=JB=常数,DAB=DBA=D,总压一

8、定,气相：,NA=,液相：,等分子反向扩散传质速率方程,2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。,3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。,讨论,1）,1,JA,NAMcA/c,NBMcB/c,NA,界面处溶质溶解于液相，造成界面与主体的 （1）浓度梯度，因此JA,三、 组分A通过静止组分B的扩散,整体移动造成： 总压不变时，界面处B的分压增大，与气相本体形成分压梯度，因此JB,（2）微小压差，因此NM(整体移动),NM,JB,JB =- NBM即B静止 NA= JA + NAM,1、整体移动与“静止”,2、整体移动的特点：,1）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在整体移动中方向相同，流动

9、速度正比于摩尔分数。,3、组分A的传质速率计算式：,也适用于液相,讨论,1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系,漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。,漂流因子的影响因素： 浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。 低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。,3）单向扩散体现在吸收过程中。,扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；D，m2/s。,D的影响因素：A、B、T、p、浓度,D的来源：查手册；半经验公式；测定,四、分子扩散系数,（1）气相中的D,范围：10-

10、510-4m2/s,经验公式,（2）液相中的D,范围：10-1010-9m2/s,五、 单相内的对流传质,湍流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为湍流扩散。,（一）单相内对流传质的有效膜模型,液体 S,气体（AB）,dA,1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的变化较陡。,3）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。,2）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的变化逐渐平缓。,有效膜模型,单相对流传质的传质阻

11、力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散 。,有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界面的垂直距离。,pAG,pAi,cAi,cAL,气相,液相,以分压差表示推动力的气膜传质分系数， kmol/（m2skPa）。,=传质系数吸收的推动力,（二）气相传质速率方程,（三）液相传质速率方程,kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜 对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）；,对流传质速率方程与对流传热速率方程类似 对流传质系数相当于对流传热系数,注意： 对流传质系数=f (操作条件、流动状态、物性） 可由实验测定并整理成特征数

12、关联式,六、 两相间传质的双模理论,相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型 表面更新模型,（一）双膜理论,双膜模型的基本论点（假设）,（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存 在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩 散方式通过气膜和液膜。,（2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。,（3）有效膜以外主体中，充分湍动，无浓度梯度。,双膜模型也称为双膜阻力模型,（二）气相（膜）传质速率方程,以气相分压差表示推动力的气相传质 系数，kmol/（m2skPa）；,以气相摩尔分数差表示推动力的气相 传质系数，kmol/（m2s）；,以气相摩尔比差表示推动力的气相 传质系数，kmol/（m2s

13、）；,以液相浓度差表示推动力的液相传 质系数，kmol/（m2skmol/m3）；,（三）液相（膜）传质速率方程,以液相摩尔分数差表示推动力的液相 传质系数，kmol/（m2s）；,以液相摩尔比差表示推动力的液相 传质系数，kmol/（m2s）；,稳态下，气、液两膜中的传质速率相等，即,直线,通过定点A (c，p),斜率kL / kG,（四）界面组成的确定,设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程所涉及的浓度范围内为直线,根据双膜模型，相界面上两相互成平衡,七、总传质速率方程,由此得,整理得,由,相加得,令,则,KG气相总吸收系数，kmol/（m2skPa）,气相总吸收 速率方程式,（一）气相传

14、质速率方程,以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，kmol/（m2skPa）；,以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；,以气相摩尔比差表示推动力的气相 总传质系数，kmol/（m2s）；,（二）液相总传质速率方程,以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，kmol/（m2skmol/m3）；,以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；,以液相摩尔比差表示推动力的液相 总传质系数，kmol/（m2s）；,（三）总传质系数与单相传质分系数之间的关系,（四）总传质系数之间的关系,（五）传质速率的控制,相间传质总阻力 = 液相(膜)阻力 +气

15、相(膜)阻力,注意:传质系数、传质阻力 与推动力一一对应。,1.传质阻力,2.传质速率的控制步骤,（1）气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程为气相阻力控制（气膜控制）。,H 较大易溶气体,气膜控制的特点：,提高传质速率的措施：提高气体流速； 加强气相湍流程度。,液膜阻力气膜阻力,（2）液膜控制,液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程 为液相阻力控制（液膜控制）,液膜控制的特点：,H较小难溶气体,液膜阻力气膜阻力,提高传质速率的措施：提高液体流速； 加强液相湍流程度。,同理：,气膜控制：,液膜控制：,m小易溶气体,m大难溶气体,作业： 第231页5-9、232页5-12,传质设备：

16、,第四节 吸收塔的计算,操作型：核算； 操作条件与吸收结果的关系。,计算依据：物料衡算 相平衡 吸收速率方程,吸收塔的计算内容：,设计型：流向、流程、吸收剂用量、 吸收剂浓度、塔高、塔径,一、物料衡算与操作线方程,物料衡算,定态，假设S不挥发，B不溶于S,全塔范围内，对A作物料衡算 ：,GY1+LX2=GY2+LX1,G（Y1Y2）=L（X1X2）,X1=X2G（Y1Y2）/L,操作线方程式及操作线,（1）逆流吸收,GY+LX2=GY2+LX,Y2=Y1（1）,A被吸收的百分数，称为回收率或吸收率。,同理：,逆流吸收操作线具有如下特点：,3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系 统的平衡

17、关系、塔型及操作条件T、p无关。,2）操作线通过塔顶（稀端） A （X2，Y2）及塔底 （浓端） B （X1， Y1）;,1）定态，L、G、Y1、X2恒定，操作线在XY 坐标上为一直线，斜率为L/G 。 L/G为吸收 操作的液气比；,5）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大；,4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平 衡线OE下方。,（2）并流吸收,GY+LX=GY2+ LX2,逆流与并流的比较：,1）逆流推动力均匀，且,2） Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相遇有利于提高X1； X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相遇有利于降低Y2。,二、吸收剂的用量与最小液-

18、气比,已知量：G（混合气体流量）、 Y1（进料气组成）、 X2 （吸收剂进料组成） （分离要求即回收率） 待求量：L（吸收剂流量）,（一）最小液-气比,最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔低端吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。,Y1,Y2,A,B,O,B*,X2,X1,Y1,Y2,A,O,X2,X1,1.平衡关系符合亨利定律时：,B*,X*1与Y1平衡的液相组成。,2.平衡曲线一般情况,3.平衡曲线为凸形曲线情况,（二）操作液-气比,三、填料层高度的计算,传质单元数法,（一）填料层高度的基本计算式,单位时间，dZ内吸收A的量：,塔截面积，; G惰性

19、气体流率，kmol/(s)； L吸收剂流率， kmol/(s)。 a单位体积填料的有效传质面积，/m3。,填料层高度,单位为“个数”,单位这样考虑,同理：,填料层高度可用下面的通式计算： Z=传质单元高度传质单元数,体积传质系数的物理意义： 在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。,（1）传质单元数,气相传质单元高度 、传质单元数,液相传质单元高度 、传质单元数,气相总传质单元高度、总传质单元数,（二）传质单元数与传质单元高度,传质单元数的意义： 反映了取得一定吸收效果的难易程度。,气体流经一段填料，溶质组成变化（Y1 Y2）等于该段填料平均吸收推动力（YY*）m时，该段填料为

20、一个传质单元。,（2）传质单元高度,传质单元高度的意义: 完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低。,传质单元高度影响因素：填料性能、流动状况,体积总传质系数与传质单元高度的关系:,传质单元高度变化范围：0.101.0m。,各种传质单元高度之间的关系,平衡线斜率为m,同理 ：,比较上式：,不求 、 ；,（三）传质单元数的计算,结算吸收塔填料层高度时，传质阻力主要在气相,实验确定，有表可查,需根据不同的平衡线进行计算,而去求：,1.对数平均推动力法,气液平衡线为直线,操作线也为直线,=常数,平衡线与操作线平行 时，,当 时，对数平均推动力可用算术平均推动力 。,注意：

21、平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。,2.吸收因数法,平衡线为通过原点的直线 ，服从亨利定律,逆流为例：,解吸因数 （脱吸因数）,将 对 作图,注意：图的适用范围为,0.05及 S1。,在不同的 下，,3.图解积分法,平衡线曲线时,图解积分法步骤如下：,操作线上任取一点（X, Y），其推动力为(Y - Y*)。,系列Y 作图得曲线。,积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。,命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的 分析和计算; 吸收塔的核算。,四、 吸收塔操作计算,已知量：G（混合气体流量）、 Y1（进料气组成）、 Z（填料塔高度） 改变量：t、p（对相平衡的影响）、 L、X

22、2（对吸收效果的影响） 待核算量： Y2 、 ,（1）对数平均推动力法 想要增大回收率,可知可以通过增大推动力,即增加操作线与相平衡线之间的距离,增大液气比L/G； 降低相平衡常数m（降低温度、提高压力） 降低吸收剂进口组成X2。,NOG不变,（2）吸收因数法 想要降低Y2,当NOG、S为定值时，,可知当X2减小时，Y2将减小,例 在一填料塔内用纯溶剂吸收气体混合物中的某溶质组分，进塔气体溶质浓度为0.01（摩尔比，下同），混合气质量流量为1400kg/h，平均摩尔质量为29，操作液气比为1.5，在操作条件下气液平衡关系为Y*=1.5X，当两相逆流操作时，工艺要求气体吸收率为95，现有一填料层

23、高度为7m、塔径为0.8m的填料塔，气相总体积传质系数为0.088kmol/（m3s），问： （1） 操作液气比是最小液气比的多少倍？ （2）出塔液体的浓度； （3） 该塔是否合适？,（3）定量计算,解：（1）,（2）,（3）,190.30=5.7m,Z需要=5.7mZ实际7m，故该塔合适,解吸过程：溶质从吸收液中分离出的操作， 称为解吸。,解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生 循环使用。,五、 解吸塔的计算,（一）解吸条件及传质方向,传质方向：溶质由液相向气相传递。,1气提解吸：,2减压解吸：,3加热解吸：,（二）解吸方法,或,解吸能耗大，整个吸收过程的能耗主要在解吸。,（三）解吸塔的计算

24、（解吸塔塔高及载气量）,1.物料衡算与操作线方程,全塔物料衡算：,操作线：,L吸收液流量，kmol/m2s; G载气流量，kmol/m2s;,GY1+LX2=GY2+LX1,2.最小气液比和载气流量的确定,物系和操作条件一定，完成一定分离任务,推动力为零,塔高无穷大时对应的气液比为最小气液比。对应的气体用量为最小用量，记作Gmin。,实际载气流量G=（1.12.0）,平衡线非下凹:,3.传质单元数法计算解吸填料层高度,平均推动力法,吸收因数法,吸收因数,（一） 填料塔结构,液体分布器,液体再分布器,支承板,除沫器,填料,一、 填料塔的结构及填料性能,第五节 填料塔,2.填料特性,1）比表面积 a：单位堆积体积所具有的表面积， 1