化工原理2-8气体吸收.ppt
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1、*利用利用溶解度差异溶解度差异,物质从一相向另一相转移的过程,物质从一相向另一相转移的过程,属物质传递过程属物质传递过程(简称传质过程)(简称传质过程)*吸收操作在生产中的应用:吸收操作在生产中的应用:混合气体分离,以获得一定的组分混合气体分离,以获得一定的组分除去有害组分,以净化气体除去有害组分,以净化气体制备某种气体的溶液制备某种气体的溶液51概述概述一、吸收操作一、吸收操作1、吸收操作、吸收操作混合气体混合气体(溶质溶质气体气体+惰性气体)惰性气体)惰性气体惰性气体+吸收剂吸收剂吸收剂吸收剂+溶质溶质第五章第五章气体吸收气体吸收 2、完成分离任务应解决的主要问题、完成分离任务应解决的主要
2、问题吸收剂的选择吸收剂的选择溶解度、选择性、再生性、稳定性、低粘度、经济与安全性等传质设备的选择传质设备的选择板式塔板式塔(级式接触)、填料塔填料塔(微分式接触)吸收剂的再生吸收剂的再生(常用升温、吹气、减压等方法)吸收剂吸收剂填料填料混合气体混合气体3、工业吸收过程(吸收与解吸)、工业吸收过程(吸收与解吸)工业吸收过程通常由吸收装置与解吸装置组成。如:工业吸收过程通常由吸收装置与解吸装置组成。如:煤气中的芳烃煤气中的芳烃,可采用可采用洗油吸收洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯方法回收芳烃获得粗苯.二、吸收操作分类二、吸收操作分类*物理吸收物理吸收与化学吸收与化学吸收*等温吸收等温吸收与非等温吸收与
3、非等温吸收*单组分吸收单组分吸收与多组分吸收与多组分吸收*定态吸收与非定态吸收(过程参数是否随时间而变)定态吸收与非定态吸收(过程参数是否随时间而变)本章讨论所作的基本假定本章讨论所作的基本假定:单组分、低浓度、连续定态逆流、等温物理吸收单组分、低浓度、连续定态逆流、等温物理吸收三、吸收操作的经济性三、吸收操作的经济性吸收操作费用主要包括:吸收操作费用主要包括:气、液两相流经吸收设备的能量消耗;气、液两相流经吸收设备的能量消耗;溶剂的挥发损失和变质损失;溶剂的挥发损失和变质损失;溶剂再生溶剂再生(解吸)费用,即解吸操作费用费用,即解吸操作费用。*以上三项费用中第项所占比例最大。本章基本内容:本
4、章基本内容:本章基本内容本章基本内容:介绍物理吸收过程机理、传质速率方介绍物理吸收过程机理、传质速率方程及吸收过程的设计计算和操作分析。程及吸收过程的设计计算和操作分析。吸收过程中气液相平衡关系表示方法吸收过程中气液相平衡关系表示方法吸收过程的传质机理吸收过程的传质机理吸收过程传质模型及传质速率表达式吸收过程传质模型及传质速率表达式吸收操作的物料衡算吸收操作的物料衡算填料层高度的计算方法填料层高度的计算方法解吸过程计算传质设备,填料吸收塔重点内容:重点内容:a.物理吸收过程物理吸收过程b.低浓度吸收过程设计计算低浓度吸收过程设计计算本章难点:本章难点:a.吸收过程的传质机理吸收过程的传质机理b
5、.相平衡关系不同表达式间的换算相平衡关系不同表达式间的换算物质的量浓度(摩尔浓度)物质的量浓度(摩尔浓度)CA=nA/V物质的量分数物质的量分数(摩尔分数)摩尔分数)xA=nA/n摩尔比摩尔比XA=nA/nB换算关系:换算关系:CA=xA(n/V)xA=CA(V/n)XA=xA/(1-xA)52气、液相平衡气、液相平衡一、气体在液体中的溶解度一、气体在液体中的溶解度气液相平衡气液相平衡:*在一定温度下气液两相长期或充分接触后,两相趋于平衡。在一定温度下气液两相长期或充分接触后,两相趋于平衡。*单单组组分分物物理理吸吸收收过过程程,当当T、P确确定定后后,溶溶质质在在液液相相中中的的浓浓度度仅仅
6、与气相分压与气相分压Pe的有关。的有关。*相平衡时气液相浓度平衡浓度平衡浓度x(饱和浓度)平衡分压平衡分压P*气液相平衡关系的可用不同方式表示:气液相平衡关系的可用不同方式表示:*1溶解度曲线溶解度曲线*2亨利定律亨利定律溶解度溶解度:定义定义:影响因素影响因素:溶液、溶质的性质,溶液、溶质的性质,T,PT溶解度溶解度P溶解度溶解度*1溶解度表示吸收过程气液两相的平衡关系溶解度表示吸收过程气液两相的平衡关系*2降温、加压有利于吸收,升温、减压有利于解吸降温、加压有利于吸收,升温、减压有利于解吸*3不同气体在不同溶剂中的溶解度可由实验测定不同气体在不同溶剂中的溶解度可由实验测定溶解度曲线:溶解度
7、曲线:P*x关系曲线:关系曲线:直接反映了相平衡的本质,用于思考与分析问题直接反映了相平衡的本质,用于思考与分析问题yx关系曲线:关系曲线:可可方方便便地地与与物物料料衡衡算算式式等等其其它它关关系系式式一一起起对对整整个个吸收过程进行数学描述吸收过程进行数学描述P*y*8070XX 二、亨利定律二、亨利定律*1亨利定律表示:亨利定律表示:稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比。稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比。*2亨利系数亨利系数E可由实验测定。可由实验测定。通常易溶气体通常易溶气体E值小,难溶气体值小,难溶气体E值大;且值大;且T,E。*3对对于于理理想想
8、溶溶液液:E等等于于该该温温度度下下纯纯溶溶质质的的饱饱和和蒸蒸汽汽压压。(此此时亨利定律与拉乌尔定律一致)时亨利定律与拉乌尔定律一致)PA*=ExA条件:总压小于条件:总压小于5105N/m2,恒定温度,稀溶液恒定温度,稀溶液式中:式中:PA*溶质在气相中的平衡分压,溶质在气相中的平衡分压,N/m2。E亨利系数,亨利系数,kN/m2。xA溶质在液相中的摩尔分率。溶质在液相中的摩尔分率。*4 4 亨利定律的其他表达形式:亨利定律的其他表达形式:PA*=HCAPA*气相平衡分压气相平衡分压CA液相摩尔浓度液相摩尔浓度H溶解度系数,溶解度系数,mN/kmol;yA*=mxAyA*气相摩尔分率气相摩
9、尔分率xA液相摩尔分率液相摩尔分率m相平衡常数,无量纲量;相平衡常数,无量纲量;mXAYA*=YA*气相摩尔比气相摩尔比1+(1-m)XAXA液相摩尔比液相摩尔比或或YA*=mXA*5E、H、m之间关系之间关系H=ExA/CAEMS/Sm=E/P总压总压E亨利系数,亨利系数,N/m2。三、相平衡与吸收过程的关系三、相平衡与吸收过程的关系1、判别传质过程的方向、判别传质过程的方向PPPAAPB*PA*PBBxAxA*xxB*xBx2、确定传质过程的推动力、确定传质过程的推动力平衡是过程的极限,平衡是过程的极限,PAPA*为吸收过程,为吸收过程,PBPA2PB111表明有总体流表明有总体流动而使动
10、而使A A物质的传递速率比单纯的分子扩散速率大。当混合气体中物质的传递速率比单纯的分子扩散速率大。当混合气体中组分组分A A的浓度很低时其值近似等于的浓度很低时其值近似等于1 1。上式也可写成:上式也可写成:DCNA=(CA1-CA2)ZCBm式中:式中:CBm组分组分B浓度的对数平均值,浓度的对数平均值,kmol/m3。C混合物的总浓度,混合物的总浓度,kmol/m3,(,(C=CA+CB)*该式同样适用于液相。该式同样适用于液相。4、分子扩散系数、分子扩散系数 D,m2/s 物性参数之一,表示物质在介质中的扩散能力。物性参数之一,表示物质在介质中的扩散能力。影响因素:影响因素:物质的种类物
11、质的种类温度温度T,D浓度浓度C,D(组分在气体中扩散,浓度的影响可忽略)压力压力P,D(组分在液体中扩散,压力的影响可忽略)确定方法:确定方法:实验测定(查手册)或根据实验方程式计算。实验测定(查手册)或根据实验方程式计算。根据实验方程式估算D,使用方便,但误差较大。通常,通常,气体的扩散系数气体的扩散系数0.11.0cm2/s液体的扩散系数液体的扩散系数110-5510-5cm2/s由于气体的扩散系数大于液体的扩散系数,因此一般气体由于气体的扩散系数大于液体的扩散系数,因此一般气体中的扩散速率比液体中的扩散速率高(约中的扩散速率比液体中的扩散速率高(约100倍)。倍)。二二 涡流扩散与对流
12、传质涡流扩散与对流传质 1、涡流扩散涡流扩散湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡,造成湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡,造成组分扩散,称为涡流扩散。组分扩散,称为涡流扩散。表示方法,借助于费克定律形式dCAJA=-DqdZDq为涡流扩散系数,不仅和物性有关,而且与流动状况有关为涡流扩散系数,不仅和物性有关,而且与流动状况有关。2、对流扩散速率对流扩散速率即有分子扩散又有涡流扩散即有分子扩散又有涡流扩散dCAJA=-(Dq+D)dZ层流区层流区Dq=0;湍流区分子扩散可忽略湍流区分子扩散可忽略;过渡区两者均不可忽略;过渡区两者均不可忽略3 3、对流传质理论、对流传质理论 为进一步解决对实际传质过程速
13、率的描述,提出为进一步解决对实际传质过程速率的描述,提出以下模型基本思想以下模型基本思想(1)单相内的对流传质的有效膜模型)单相内的对流传质的有效膜模型(湿壁塔)(湿壁塔)1)模型要点)模型要点:*相界面处存在一层虚拟的停滞膜相界面处存在一层虚拟的停滞膜;*膜外为流体流动的湍流区膜外为流体流动的湍流区,*停滞膜非常薄停滞膜非常薄,膜内无物质累积膜内无物质累积,为稳态分子扩散为稳态分子扩散.*对流传质阻力全部集中于停滞膜内对流传质阻力全部集中于停滞膜内ci气气相相主主体体c相界面相界面1231-湍流湍流2-层流层流3-静止静止2)传质速率方程)传质速率方程按上述有效膜模型,在按上述有效膜模型,在
14、气相中气相中的传质过程速率可表示为的传质过程速率可表示为DPNA=(PA-PAi)RTZGPBm写成写成NA=kG(PA-Pi)或或NA=ky(yA-yi)式中式中kG以分压差表示推动力的气膜传质系数以分压差表示推动力的气膜传质系数,kmol/(m2skPa)。)。ky以摩尔分数差表示推动力的气膜传质系数以摩尔分数差表示推动力的气膜传质系数,kmol/(m2s)。)。PA、Pi气相主体和界面处气相主体和界面处A组分的分压,组分的分压,kPa;yA、yi气相主体和界面处气相主体和界面处A组分的摩尔分数。组分的摩尔分数。同理可得:同理可得:在在液相中液相中的传质过程度速率可表示为的传质过程度速率可
15、表示为DCNA=(CAi-CA)ZLCBm写成写成NA=kL(Ci-CA)或或NA=kx(xi-xA)kL以摩尔浓度差表示推动力的液膜传质系数以摩尔浓度差表示推动力的液膜传质系数,m/s;kx以摩尔分数差表示推动力的液膜传质系数以摩尔分数差表示推动力的液膜传质系数,kmol/(m2s)。;)。;CA、Ci液相主体和界面处液相主体和界面处A组分的浓度,组分的浓度,kmol/m3;xi、xA液相主体和界面处液相主体和界面处A组分的摩尔分数。组分的摩尔分数。3)kG与与ky、kx与与kL关系:关系:ky=PkGkx=CkLkG、ky、kx、kL相当于对流传热的传热膜系数相当于对流传热的传热膜系数,影
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