化工原理第七章吸收修改2.ppt

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1、1第七章第七章 气体吸收气体吸收Gas Absorption2第七章第七章 吸吸 收收 第一节第一节 概述概述第二节第二节 气气液平衡液平衡 第三节第三节 吸收机理与吸收速率吸收机理与吸收速率 第四节第四节 吸收塔的计算吸收塔的计算 3本章重点本章重点1、亨利定律及各种表达式和相互间的关系；、亨利定律及各种表达式和相互间的关系；2、菲克定律及其应用；、菲克定律及其应用；3、双膜理论及总吸收速率方程；、双膜理论及总吸收速率方程；4、吸收过程的物料衡算及操作线方程；、吸收过程的物料衡算及操作线方程；5、最小液气比概念及吸收剂用量的计算；、最小液气比概念及吸收剂用量的计算；6、填料层高度及其传质单元

2、数的计算；、填料层高度及其传质单元数的计算；7、吸收塔的设计计算、吸收塔的设计计算。4第一节第一节 概述概述一、什么是吸收一、什么是吸收二吸收目的二吸收目的三吸收分类三吸收分类四吸收设备、流程四吸收设备、流程五吸收剂的选择五吸收剂的选择5第一节第一节 概述概述 一、什么是吸收？一、什么是吸收？利用利用气体混合物气体混合物中各组分在液体溶剂中中各组分在液体溶剂中溶解度的差异溶解度的差异来分离气体混合物的来分离气体混合物的操作操作称称为吸收为吸收。6二吸收目的二吸收目的第一节第一节 概述概述7第一节第一节 概述概述三吸收分类三吸收分类8第一节第一节 概述概述1 1、吸收设备、吸收设备-塔设备塔设备

3、 四吸收设备、流程四吸收设备、流程9102吸收流程吸收流程第一节第一节 概述概述11第一节第一节 概述概述（3）吸收剂在吸收塔内再循环流程）吸收剂在吸收塔内再循环流程（4）吸收）吸收-解吸流程解吸流程1213用洗油吸收苯系物质的吸收与解吸流程煤气脱苯吸收操作流程 14从合成氨原料气中回收CO2的流程 15五吸收剂的选择五吸收剂的选择1溶解度溶解度对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有较大的溶解度2选择性选择性对溶质组分有良好的选择性，对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微，3挥发性挥发性 应不易挥发应不易挥发4粘性粘性 粘度要低粘度要低5其它

4、其它 无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。价廉易得，并具有化学稳定性等要求。16第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液平衡液平衡一、气体的溶解度一、气体的溶解度二、吸收极限二、吸收极限相平衡相平衡三、亨利定律三、亨利定律四、气液两相传质的方向四、气液两相传质的方向 17 一溶解度一溶解度 第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡1819二、吸收极限二、吸收极限相平衡相平衡当吸收剂中浓度达饱和时，任何时刻进入液相当吸收剂中浓度达饱和时，任何时刻进入液相中的溶质分子数等于从溶液中送出的到气相中的溶中的溶质分子数等于从溶液

5、中送出的到气相中的溶质分子数，即气相中和液相中溶质分子不再发生变质分子数，即气相中和液相中溶质分子不再发生变化，称两相动态平衡化，称两相动态平衡相平衡相平衡。达到相平衡时，吸收操作已达极限程度，如不改达到相平衡时，吸收操作已达极限程度，如不改变条件，再操作多少时间，溶质不会再被吸收剂吸变条件，再操作多少时间，溶质不会再被吸收剂吸收，吸收操作便可停止。收，吸收操作便可停止。第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡20 第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡 三、亨利定律三、亨利定律对于稀溶液，有对于稀溶液，有21亨利定律的其他形式：亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度

6、越小；越大，表明溶解度越小；E随随温温度度变变化化而而变变化化，T，E，m越大，表明溶解度越小；越大，表明溶解度越小；m随随温温度度、总总压压变变化化而而变变化，化，T，m，P，m 第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡22四、四、气液两相传质的方向气液两相传质的方向与传质极限与传质极限推动力推动力 y-ye 或或 xe-x 注意推动力不等于注意推动力不等于y-x！23求下列五种情况下的传质方向 在常压下及25下，气相co2的组成0.05（摩尔分率），现将此混合气体分别与以下几种溶液接触：浓度为10-3kmol/m3的co2水溶液；浓度为1.0910-3kmol/m3的co2水溶

7、液；浓度为310-3kmol/m3的co2水溶液；气相压力还保持常压，co2的组成仍为0.05，而温度降为0，将此种气体与浓度为310-3kmol/m3的co2水溶液相接触；气相压力为5105pa，温度为25，co2组成仍为0.05，将气相与浓度为310-3kmol/m3的co2水溶液相接触。24解：对于题中规定的气液两相条件，判别过程进行的方 向和极限。首先计算与气相浓度呈平衡是的液相浓度。查常压下25下，co2在水中的亨利系数 E=164mpa，平衡常数 m=E/P=1640，当气相浓度y=0.05时，与其平衡的液相浓度 x*=y/m=310-3而实际的液体浓度 c=10-3kmol/m3

8、水密度为 =1000kg/m3则 x=c/(/ms)=10-3/(1000/18)=1.810-5 25由于液相中co2的浓度下于与气相呈平衡的液相浓度x*，故两相接触时，将有部分co2从气相转入液相，此过程为吸收。同理对、四种情况计算，计算后将5种情况结果列于表中 序号气相浓度y液相浓度x与气相呈平衡的液相浓度x*吸收推动力x*x方向判断10.051.810-5310-50吸收20.05310-5310-5=0平衡30.055.410-5310-50吸收50.055.410-51510-50吸收26小结小结 亦可通过比较气相组成y与液相呈平衡时的气相浓度y*的值的大小来进行判别，y y*，则

9、为吸收过程；y y*，则为解吸过程。1、气液两相传质的方向与极限：若溶质在液相主体中的实际浓度为x，与接触的气相呈平衡的液相浓度为x*，则当x x*，解吸，x=x*，平衡状态，此时传质推动力为0，传质过程停止，即达到极限状态。272、影响吸收过程的因素（1）温度tE，减少了吸收的传质推动力，对吸收 不利。（2）压力，P总510-5pa，对E影响不大。当气相中溶质浓度相同，增加气相中溶质的分压，增大了传质推动力，对吸收有利。28第三节第三节 吸收机理与吸收速率吸收机理与吸收速率 3.1单相中物质传递单相中物质传递 3.2吸收机理吸收机理 3.3吸收速率吸收速率293.1单相中物质传递单相中物质传

10、递 一、分子扩散与菲克定律一、分子扩散与菲克定律 二、涡流扩散二、涡流扩散30一、分子扩散与菲克定律分子扩散与菲克定律扩散通量：单位面积、单位时间内扩散通量：单位面积、单位时间内扩散传递的物质量，扩散传递的物质量，单位为单位为kmol/m2s，用，用J表示表示。相界面相界面pGpici传质方向传质方向31费克定律的其它表达形式：费克定律的其它表达形式：说明：说明：（1）JA,z是相对扩散通量是相对扩散通量（绝对扩散通量用（绝对扩散通量用NA,z表示）表示）（2）DA,B是物性之一是物性之一 DA,B（气）（气）10-5m2/sDA,B（液）（液）10-9m2/s DA,B（固）（固）10-10

11、m2/s32二、涡流扩散涡流扩散 湍流湍流流体中，湍流中流体质点发生无流体中，湍流中流体质点发生无规则运动，规则运动，湍流主体中会产生漩涡，湍流主体中会产生漩涡，使各部分流体间产生剧烈混合。使各部分流体间产生剧烈混合。滞流流体中依靠分子无规则运动传递滞流流体中依靠分子无规则运动传递物质。物质。33 湍流流体中发生传质靠流体质点的湍动和漩涡来传递湍流流体中发生传质靠流体质点的湍动和漩涡来传递物质的物质的称为称为涡流扩散涡流扩散。湍流主体中，分子扩散同时起着作用，但与涡流扩散湍流主体中，分子扩散同时起着作用，但与涡流扩散比很小比很小，涡流扩散占主要地位。涡流扩散占主要地位。J=（D+DE）（dCA

12、/dZ）D分子扩散系数，m2/s DE涡流扩散系数，m2/s 注：D是物性常数是物性常数 DE除了与物质性质有关外，还与流体湍动程度有关，除了与物质性质有关外，还与流体湍动程度有关，所以不是物性常数所以不是物性常数343.2吸收机理吸收机理 单相中传质机理为扩散理论（分子扩散、单相中传质机理为扩散理论（分子扩散、涡流扩散）。涡流扩散）。两相中传质机理（吸收机理）有：两相中传质机理（吸收机理）有：双双膜理论膜理论、溶质渗透理论、表面更新理论、溶质渗透理论、表面更新理论等。等。35一、双膜模型气膜气膜液膜液膜36 理论要点：理论要点：A、相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个

13、很薄的停滞膜，吸收质以分子扩散方式通过此二膜层，由气相主体进入液相主体。B、在相界面处，气液两相达于平衡。C、两停滞膜外气液两相主体中流体充分湍动，浓度均匀。二、双膜理论要点二、双膜理论要点373.3、吸收速率、吸收速率吸收速率吸收速率：单位相际传质面积上单位时间内吸单位相际传质面积上单位时间内吸收的溶质量。收的溶质量。N NA A表示。表示。任何传质速率都可用下式表示：传质速率传质速率=传质传质推动力推动力/传质传质阻力阻力=传质传质系数系数传质传质推推动力动力38吸收的速率也可用上式表示：吸收速率吸收速率=吸收推动力吸收推动力/吸收阻力吸收阻力=吸收系数吸收系数吸收吸收推动力推动力一、吸收

14、速率方程一、吸收速率方程 双膜理论：双膜理论：相界面两侧存在厚度为相界面两侧存在厚度为Z ZG G和和Z ZL L的气膜和液膜。的气膜和液膜。在稳定操作时，通过气膜或液膜的速率是相等。在稳定操作时，通过气膜或液膜的速率是相等。即 39液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式 NA=（DC）/(zLcsm)(cic)=kL(cic)=(cic)/(1/kL)即：气膜吸收速率方程式气膜吸收速率方程式40类似地：类似地：-分吸收速率方程 41-以分压差为推动力的以分压差为推动力的气相总吸收速率方程气相总吸收速率方程42-以以摩摩尔尔浓浓度度差差为为推推动动力的力的气相总吸收速率方程气相总吸收速率方程-以

15、以摩摩尔尔分分率率差差为为推推动动力的力的气相总吸收速率方程气相总吸收速率方程43液相分传质推动力液相总传质推动力气相总传质推动力气相分传质推动力44气膜控制气膜控制（易溶体系）（易溶体系）：故故 45液膜控制液膜控制（难溶体系）（难溶体系）：故故 46双膜控制：双膜控制：气气膜膜阻阻力力和和液液膜膜阻阻力力均均不不可忽略，称其为可忽略，称其为双膜控制双膜控制。47总结：总结：1、吸收速率方程式的形式、吸收速率方程式的形式 由于浓度表示方法不同和推动力所涉及的由于浓度表示方法不同和推动力所涉及的范围不同，出现了多种形式的吸收速率方范围不同，出现了多种形式的吸收速率方程式，可把它们分为两类：程式

16、，可把它们分为两类：48膜吸收速率方程式：膜吸收速率方程式：NA=k G(pp i)NA=k y(yy i)k y=Pk G NA=k L(c ic)NA=k x(x ix)k x=Ck L 总吸收速率方程式：总吸收速率方程式：NA=K G(pp*)1/K G=1/kG+1/(H kL)NA=K Y(YY*)1/KY=m/kX+1/(kY)NA=K L(c*c)1/K L=1/kL+H/kG NA=K X(X*X)1/K X=1/kX+1/(mkY)492、吸收系数的单位吸收系数的单位 任何吸收系数的单位均可写作任何吸收系数的单位均可写作kmol/(mkmol/(m2 2.s.s单位推动力单位

17、推动力)。当推动力以无因次的摩尔分率或摩尔比表示时，吸收当推动力以无因次的摩尔分率或摩尔比表示时，吸收系数的单位为系数的单位为kmol/(mkmol/(m2 2.s).s)即为吸收速率的单位。即为吸收速率的单位。3、应用吸收速率方程时应注意的事项、应用吸收速率方程时应注意的事项（1）必须注意各速率方程式中吸收系数与推动力正确）必须注意各速率方程式中吸收系数与推动力正确 搭配，吸收系数的倒数表示吸收阻力搭配，吸收系数的倒数表示吸收阻力 阻力的表达式也应与推动力相对应。50（2）、上述所有吸收速率方程适用于：）、上述所有吸收速率方程适用于：描述稳定操作的吸收塔内任一截面上的速率关系，而不能描述稳定

18、操作的吸收塔内任一截面上的速率关系，而不能直接用来表示全塔的吸收速率。因为在塔内不同截面上气液两直接用来表示全塔的吸收速率。因为在塔内不同截面上气液两相浓度各不相同，吸收速率也不相同。相浓度各不相同，吸收速率也不相同。（3）、总吸收速率方程适用范围：）、总吸收速率方程适用范围：在整个浓度范围内，平衡关系须为直线，即符合亨利定律；在整个浓度范围内，平衡关系须为直线，即符合亨利定律；否则，总吸收系数会随着浓度而变化。当然对于一些例外，否则，总吸收系数会随着浓度而变化。当然对于一些例外，如难溶气体如难溶气体K K X Xkkx x，易溶气体，易溶气体K KY Ykky y，（4）、）、对于中等溶解度

19、气体，平衡关系不符合直线，不宜对于中等溶解度气体，平衡关系不符合直线，不宜采用总吸收系数表示的速率方程，而用膜吸收速率方程。采用总吸收系数表示的速率方程，而用膜吸收速率方程。51第四节第四节 吸收塔的计算吸收塔的计算 4.1吸收操作的物料衡算及操作线方程4.2 吸收剂用量的确定4.3填料层高度的计算524.1吸收操作的物料衡算及操作线方程吸收操作的物料衡算及操作线方程一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算：V单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，kmol(B)/sL单位时间内通过吸收塔的溶剂量，单位时间内通过吸收塔的溶剂量，kmol(A)/sY1、Y2分别为进塔、出塔气

20、体中溶质组分气相摩尔分别为进塔、出塔气体中溶质组分气相摩尔 比，比，kmol(A)/kmol(B)X1、X2分别为出塔及进塔液体中，溶质分别为出塔及进塔液体中，溶质组分的摩尔比组分的摩尔比kmol(A)/kmol(S)下标下标1代表塔低。代表塔低。下标下标2代表塔顶。代表塔顶。53对对A进行物料衡算：进行物料衡算：VY1+LX1=VY2+LX1 即即 V(Y1Y2)=L(X1X2)混合气体中溶质混合气体中溶质A被吸收的百分率，称为被吸收的百分率，称为吸收吸收率或回收率率或回收率，用，用A表示，则出塔混合气体中溶质表示，则出塔混合气体中溶质A的浓度的浓度为：为：Y2=Y1(1A)。54二、吸收塔

21、操作线方程与操作线二、吸收塔操作线方程与操作线 了解在塔的任一截面处两相浓度关系了解在塔的任一截面处两相浓度关系可从塔的任一截面至塔的任何一个端面（塔顶或塔底）可从塔的任一截面至塔的任何一个端面（塔顶或塔底）进行物料衡算即可。进行物料衡算即可。例下图，从例下图，从mn截面至塔底端面之间作组分截面至塔底端面之间作组分A的衡算的衡算VY+LX1=VY1+LX 55Y=(1)从mn截面至塔顶端面之间作组分A的衡算 VY+LX2=VY2+LX Y=(2)561、如平衡线位于操作线之上，应是什么结果？、如平衡线位于操作线之上，应是什么结果？2、在、在X-Y图上表示塔顶、底总吸收推动力图上表示塔顶、底总吸

22、收推动力思考思考574.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定吸收剂用量吸收剂用量L L的大小与的大小与设备费用设备费用、操作费用操作费用两方两方面有关。面有关。应综合考虑两方面因素，最终才能确定合适的吸收应综合考虑两方面因素，最终才能确定合适的吸收剂用量剂用量L L。58从下面的图分析：X2、Y2已知操作线T点确定。59Lmin的求取：的求取：（1）平衡线如上图所示，则只要从）平衡线如上图所示，则只要从T点连接点连接Y=Y1与平衡线的交点与平衡线的交点B*点即点即TB*，则，则TB*线所对应的斜率线所对应的斜率L/V即为最小吸收剂用量下的斜率（即为最小吸收剂用量下的斜率（）min 而而()mi

23、n=tg=60（2 2）平衡线如下图所示）平衡线如下图所示 只要过点只要过点T T作平衡线切线，作平衡线切线，切线与切线与Y=YY=Y1 1水平线交点水平线交点BB所所对应的吸收液出塔浓度为对应的吸收液出塔浓度为X X1 1，TBTB线所对应的斜率为此种线所对应的斜率为此种情况下的最小斜率。情况下的最小斜率。即即 （）min=61（3）如平衡关系符合亨利定律，即直线，那么如平衡关系符合亨利定律，即直线，那么 Y*=mX可直接将可直接将Y*=mX代入公式代入公式（）min=中求得Lmin=62一、填料层高度的基本计算式填料层高度的基本计算式 如图：填料塔 634.34.3填料层高度的计算填料层高

24、度的计算 填料层高度填料层高度Z Z计算计算：物料衡算物料衡算吸收速率吸收速率相平衡关系相平衡关系64即：或：由于a与：填料形式、尺寸、填充状况；流体性质；流体流动状态这三种情况有关。a值难于直接确定，为了避开直接用a的不便，因而我们把 、作为一个整体考虑。称 气相总体积吸收系数，kmol/(m3.s)液相总体积吸收系数，kmol/(m3.s)65二、传质单元高度与传质单元数二、传质单元高度与传质单元数 分析式：分析式：其中：单位为单位为m，即高度的单位。，即高度的单位。称为单元高度单元高度，全称“气相总传质单元气相总传质单元高度高度”。以“HOG”表示 即：HOG=66再看积分号内 把它认为

25、相当于气相总传质单元高度HOG的一个倍数，称它为“气相总传质单元数气相总传质单元数”用“NOG”表示 即：NOG=则，总传质总元高度则，总传质总元高度H=单元高度单元高度倍数（单元数）倍数（单元数）H=HOGNOG同理，用液相总传质系数表示时同理，用液相总传质系数表示时 H=67依次类推，可以写出如下通式，即：填料层高度填料层高度=传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数 如采用膜吸收速率方程式 或 时 则填料层高度的计算可写成：或 其中：HG=68三、传质单元数的求法三、传质单元数的求法 从以上公式可看出，要求算填料层的有效高度Z，关键在于求算传质单元数（NOG、NOL、NG、NL）。1

26、、图解积分法：图解积分法：（适用于各种平衡关系，特别适用于平 衡线为曲线的情况。）仍以气相总传质单元数NOG=为例来说明：69Y=Y2、Y=0所围成的面积值。分析积分值 实际是曲线 与Y=Y1、则只要作出Y的曲线便可。方法：找出一点 如图（1），求得 同理，由 如此可作出图（2）702、解析法：、解析法：适用于平衡线为直线的情况。设平衡线方程：（1）脱吸因素法：71前面已推导过的逆流操作的操作线方程：代入上式得：令 则：72积分并化简得：称 为“脱吸因素”（无因次）称为“吸收因素”（无因次）由推导的公式NOG形式中可看出：NOG与：和S有关。73（2）对数平均推动力法）对数平均推动力法（推导过

27、程从略。（推导过程从略。）其中：74同理：用液相总传质单元数NOL，其相应解析式为：其中：如当 2或 2时对数平均值使用算术平均值计算753、梯级法（Baker法）（适用于平衡线为直线或弯曲程度不大时）步骤：如图 76作平衡线OE 操作线BT 作中点连线MN 过塔顶T点作水平线，交MN于点F 延长TF至F使FF=TF 过点F作垂直线 再从A作水平线交MN于点S，延长AS至S使AS=SS再过S作垂直线交BT于点D，再从D点出发直到达到或超过操作线上代表塔底的端点B为止。所画的梯级数即为气相总传质系数。77第五章 填料塔的流体力学性能 一、气体通过填料层内的压强降 二、液泛 78在逆流操作的填料塔

28、内，流体自上而下喷淋在填料表面作膜状流动。液膜的厚度直接影响到：气体通过填料层时的压强降；液泛速度；塔内持液量。这三项就是填料塔的流体力学性能。液膜厚度由液体和气体流动状况所决定。所以填料塔内的流体力学性能与塔内液体气体的流动有密切的关系。首先介绍流体力学之一：79一、气体通过填料层内的压强降 气体通过填料层时与填料表面上液膜间产生摩擦以及在填料间隙中流动时与填料间摩擦造成了气体通过填料层时产生能量损失，即压降P。压强的大小直接决定了塔的动力消耗动力消耗，所以压降是一个很重要的流体力学性能。因为P与气体流量有关。测出不同液体喷淋量L下的单位填料层高度的压强 与空塔气速u的关系，如图：80从图中

29、可看出：（1）L=0时，即无液体喷淋时，气体通过干填料时所产生的压降与气速的关系为一直线。（2）当L0时，u关系为一折线。并存在两个转折点：81下转折点：“载点载点”。上转折点：“泛点泛点”。这两个转折点又将 u分为三个区域：三个区段：恒持液量区恒持液量区（载点以下）载液区载液区（两点之间）液泛区液泛区（泛点以上）持液量持液量单位体积填料层内所持有的液体的体积。a、恒持液量区：当气速u比较低时，液体从填料层内向下流动时几乎不受气速的影响。在喷淋量L一定时（对应一根折线），填料表面上所覆盖的液体膜层厚度82不变，所以填料的持液量不变，称为恒持液量区。在这个区域：因为填料空隙被一定量的液体所占据，

30、所以气体通过填料层时的真实速度 比它通过干填料层时真实速度为高，所以压降也较大。b、载液区：增大气速，此时下降的液体受上升的气流影响，使液体不能顺利地下流，此时填料层内持液量增多，并随气速u增大而增多，这种现象称为拦液现象拦液现象，当气速增大到开始出现拦液现象时的空塔气速称为“载点气速载点气速”。c、继续增大u，液体受到上升的气流的影响更大，使液83二、液泛 体在填料层内越积越多，以致几乎充满了填料层中的空隙，此时压强降急剧增加，u线的斜率增大（10以上），u曲线几乎接近垂直线上，其折点即为“泛点泛点”，达泛点时的气速称为“泛点气速泛点气速”。在泛点气速下，填料持液量增多，此时液体并非以膜状形

31、式分布于填料表面与气相接触，液体以一股流体形式（即呈连续相）向下流动，而气体与液体接触由填料层表84面转移到填料的空隙中，气体在液体中通过鼓泡形式传质，此时气流出现脉动，液体被高速的气体大量带出塔顶，塔的操作很不稳定，甚至被完全破坏，这种情况称为填料塔的“液泛现象液泛现象”。“泛点气速”是开始出现液泛时的空塔气速。由实验表明：空塔气速在“载点”和“泛点”之间时，气体和液体的湍动加剧，气液接触良好，传质效果提高。“泛点气速”是填料塔操作时的最大极限气速最大极限气速。而填料塔的适宜操作气速通常依“泛点气速”来决定的。所以“泛点气速”是填料塔设计和操作十分重要的一个85参数，通过实验测定。适宜的空塔气速一般取泛点气速的5085%。