化工原理第四谭天恩吸收.pptx

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1、1目录 第九章 吸收第二节 气液相平衡一、溶解度及溶解度曲线二、亨利定律 第三节 吸收过程模型及吸收速率方程 一、双膜模型 二、吸收速率方程 第1页/共100页2目录 第九章 吸收 第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算 一、物料衡算和操作线方程 二、吸收剂用量的确定 三、塔径的计算 四、填料层高度的计算 习题课 五、高浓气体吸收 六、解吸 第五节 其他类型的吸收简介第九章小结第2页/共100页3/100第九章 吸收第一节 概述一、什么是吸收相界面ABCD气体混合物液体S惰性组分吸收剂溶质利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物的操作称为吸收。第3页/共100页4/10

2、0第一节 概述二、吸收的目的1制取产品例如，用98%的硫酸吸收SO3气体制取98%硫酸；用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸；用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。2从气体中回收有用的组分例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。3除去有害组分以净化气体主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳；燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。第4页/共100页5/100第一节 概述三、吸收分类相界面ABCD气体混合物液体S惰性组分吸收剂溶质本章要介绍的第5页/共100页6/100请点击观看动画第一节 概述四吸收设备及流程1、吸收设备-塔设备第6

3、页/共100页7/100第一节 概述2吸收流程单一吸收塔流程：吸收剂常常需要回收再利用第7页/共100页8/100第一节 概述2吸收流程多塔吸收流程 第8页/共100页9/100第一节 概述五吸收剂的选择5其它-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。1溶解度-对溶质组分有较大的溶解度2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，3挥发性-应不易挥发4黏性-黏度要低第9页/共100页10/100第二节 气液相平衡一、溶解度及溶解度曲线(对双组分气体)气液达到相平衡时，液相中的溶质浓度称为溶解度，记作对双组分气体吸收，所有变量共4个：温度T、总

4、压P、气相组成、溶解度-独立变量只有3个，例如：T、P、pA在几个大气压以内、温度T一定条件下，（溶解平衡）第10页/共100页11/100第二节 气液相平衡一、溶解度及溶解度曲线上述具体函数关系目前尚无法理论推得，需通过实验方法对具体物系进行测定。如下图示出了四种气体在20C下在水中溶解度曲线。第11页/共100页12/100难溶体系溶解度适中体系 易溶体系说明：（1）不同气体的溶解度差异很大（2）对于稀溶液或极稀溶液，溶解度曲线近似为直线，即-亨利定律pA=723cApA=25.5cApA=0.36cApA=0.0136cA第12页/共100页13/100二、亨利定律通常由实验测定。可从有

5、关手册中查得。如教材P68如图，H越大，表明在相同的pA下cA*越大，故越易溶。T，HP在几个大气压范围内对H影响可忽略。其他情况下，一般P，H属物性获取方法：影响因素：-亨利定律溶解度系数，kmol/(m3Pa)思考：H越大，表明越易溶还是越难溶？第13页/共100页14/100二、亨利定律-亨利定律亨利定律的其他形式：E越大，越难溶；亨利系数，Pa相平衡常数，无量纲思考：E越大，表明越易溶还是越难溶？E的影响因素：T，E；P对E影响可忽略。m的影响因素：T，m；P，m思考：m越大，表明越易溶还是越难溶？m越大，越难溶；第14页/共100页15/100第三节 吸收过程模型及吸收速率方程三个串

6、联传质环节：气体侧的对流传质界面溶解一、吸收过程模型NAGNAL液体侧的对流传质回忆：第八章的双膜模型对照：间壁式换热器的传热机理 NAG=NAL第15页/共100页16/100二、吸收速率方程类似地：-分吸收速率方程NAGNALNAG=NAL对流传质方程：第16页/共100页17/100二、吸收速率方程-以分压差为推动力的气相总吸收速率方程第17页/共100页18/100二、吸收速率方程-以摩尔浓度差为推动力的气相总吸收速率方程-以摩尔分率差为推动力的气相总吸收速率方程-以摩尔分率差为推动力的液相总吸收速率方程第18页/共100页19/100二、吸收速率方程液相总传质推动力气相总传质推动力气

7、相分传质推动力液相分传质推动力吸收速率方程的分析：1.关于传质推动力操作点P离平衡线越近，则总推动力就越小第19页/共100页20/100二、吸收速率方程气膜控制故-如图，气膜较厚，液膜较薄，即阻力主要由气膜决定。2、关于传质阻力易溶体系属于这种情况。第20页/共100页21/100二、吸收速率方程液膜控制-如图，液膜较厚，气膜较薄，即阻力主要由液膜决定。难溶体系属于这种情况。故第21页/共100页22/100二、吸收速率方程双膜控制-如图，液膜、气膜厚度相当，气膜阻力和液膜阻力均不可忽略。溶解度适中的体系属于这种情况。第22页/共100页23/100二、吸收速率方程影响传质阻力的因素：即影响

8、传质系数k的因素（第八章）u流动状况如降膜湿壁塔、圆盘塔等：kGG0.75，kLL0.7，填料塔：kLL0.750.95u物性u操作温度和压力u传质面几何特性等。返回目录作业：第23页/共100页24/100第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算计算项目主要有：u吸收剂用量La、液相出塔浓度xbu塔的主要工艺尺寸：塔径D、填料层高度H或塔板数N第24页/共100页25/100一、物料衡算和操作线方程GBYaLSXaGBYbLSXbGB-kmolB/sorkmolB/(m2s)；LS-kmolS/sorkmolS/(m2s)；Y（或X）-摩尔比；全塔物料衡算-可求解液相出塔浓度xb-此式使用不

9、方便，因为摩尔分率x、y的定义基准从塔底到塔顶均在变化。将x、y换成摩尔比X、Y可解决这个问题。回收率为：第25页/共100页26/100一、物料衡算和操作线方程对塔上部任一段作质量衡算（A组分）-可求解全塔浓度分布-操作线方程第26页/共100页27/100一、物料衡算和操作线方程操作线斜率越小，越靠近平衡线，传质推动力越小，对传质越不利。操作点XYOXbYb塔底XaYa塔顶直线，过塔顶点A(Xa，Ya)，塔底B(Xb，Yb)总是位于平衡线的上方；-液气比斜率为-操作线方程操作线方程：第27页/共100页28/100一、物料衡算和操作线方程对于低浓气体（通常yb10%），第28页/共100页

10、29/100 二、吸收剂用量的确定吸收剂用量取决于经济性：塔高（包括解吸塔的）总费用操作中，吸收剂的消耗量设备费能源费计算项目主要有：u吸收剂用量La、液相出塔浓度xbu塔的主要工艺尺寸：塔径D、填料层高度H或塔板数N第29页/共100页30/100能源费总费用设备费：塔高总费用有一最小值能源费因此，应当存在一个最适宜的液气比(LS/GB)opt，使总费用最小。总费用设备费能源费设备费第30页/共100页31/100二、吸收剂用量的确定最小液气比此时，塔内必有一处达到相平衡，塔高需无穷高才行。1、如何确定(LS/GB)opt？一般根据生产经验，取2、什么是(LS/GB)min？第31页/共10

11、0页32/100二、吸收剂用量的确定最小液气比的计算：低浓时：低浓时：第32页/共100页33/100二、吸收剂用量的确定最小液气比只对设计型问题有意义。可以，能，但达不到指定的吸收要求思考：实际操作时的液气比可否小于或等于最小液气比？此时吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？第33页/共100页34/100二、吸收剂用量的确定最小液气比的计算：低浓时：低浓时：第34页/共100页35/100三、塔径的计算u为空塔气速，m/s，Vs为混合气体的体积流量，m3/s。由液泛速度来定，第十一章再讲。计算项目主要有：u吸收剂用量La、液相出塔浓度xbu塔的主要工艺尺寸：塔径D、填料层高度H或塔板数N第3

12、5页/共100页36/100四、填料层高度的计算1、填料层高度的一般计算式气相中溶质A的减少速率kmol/s液相中溶质A的增加速率kmol/s从气相到液相的传质速率kmol/s对微元段填料dh作物料衡算：注意：G、L-kmol/(m2s)kmol/s计算项目主要有：u吸收剂用量La、液相出塔浓度xbu塔的主要工艺尺寸：塔径D、填料层高度H或塔板数N第36页/共100页37/100四、填料层高度的计算将总吸收速率方程代入得：2、低浓气体吸收时vG、L为常数vKy、Kx可视为常数va也可视为常数：a与填料形状、尺寸及填充状况有关气相、液相总体积传质系数（适用于高、低浓吸收）Why？第37页/共10

13、0页38/1002、低浓气体吸收时气相总传质单元高度HTU，m（HeightofTransferUnit）流动状况、物系、填料特性和操作条件思考：影响传质单元高度HTU的因素？第38页/共100页39/1002、低浓气体吸收时什么是传质单元？o相平衡关系如图，将填料层分成若干段，1、2、N段。每一段填料均需满足以下条件：该段气相（或液相）总的平 均推动力每一段气相（或液相）组成的变化量这一段填料就是一个传质单元第39页/共100页40/1002、低浓气体吸收时o相平衡关系传质单元高度？常用吸收设备的HTU约为0.21.5m-每个传质单元对应的填料层高度，m思考：HTU越大越好，还是越小越好？H

14、TU越小越好传质单元数？-传质单元的个数，如图，为N个。第40页/共100页41/1002、低浓气体吸收时为什么NOG就是传质单元数N？o相平衡关系每个传质单元具有：第41页/共100页42/1002、低浓气体吸收时传质单元数NOG的几何意义？越小越好思考：对设计型问题，NOG越大越好，还是越小越好？-阴影部分面积思考：如何使NOG变小？如图所示，要使阴影面积变小，可以将传质推动力变大，或将分离要求降低，即ya变大。第42页/共100页43/1002、低浓气体吸收时传质单元数NOG的两种计算方法：吸收因数法对数平均推动力法（1）平衡线为直线时图解（或数值）积分法近似梯级法（2）平衡线非直线时第

15、43页/共100页44/1002、低浓气体吸收时传质单元数NOG的两种计算方法：（1）平衡线为直线时代入中积分得：吸收因数法对数平均推动力法第44页/共100页45/1002、低浓气体吸收时-吸收因数法类似可推得：第45页/共100页46/1002、低浓气体吸收时思考：当S1时，NOG？根据洛毕达法则可得第46页/共100页47/1002、低浓气体吸收时yb=ybybya=yayaybya传质单元数NOG的两种计算方法：（1）平衡线为直线时吸收因数法对数平均推动力法第47页/共100页48/1002、低浓气体吸收时yb=ybybya=yayaybya-对数平均推动力-对数平均推动力法第48页/

16、共100页49/1002、低浓气体吸收时同理，得：式中：第49页/共100页50/1002、低浓气体吸收时对数平均推动力法与吸收因数法的对比：相同点：都适用于低浓、平衡线为直线的情况不同点：前者涉及四个浓度，后者涉及三个浓度，故后者特别适用于操作型问题的求解。第50页/共100页51/1002、低浓气体吸收时传质单元数NOG的两种计算方法：图解（或数值）积分法近似梯级法（2）平衡线非直线时第51页/共100页52/1002、低浓气体吸收时传质单元数NOG的两种计算方法：图解（或数值）积分法近似梯级法（2）平衡线非直线时作图步骤如下：在操作线AB和平衡线OE之间作曲线MM，使该线恰好等分AB与O

17、E两线之间的垂直距离。自A点起作一水平线，交MM于M1，并延长至D，使AM1=M1D。过点D作垂线交AB于点F。至此完成一个梯级法ADF。MMM1如此类推，可继续作出第二个梯级，直至越过点B的横坐标xb为止。DFE梯级总数=NOG如图所示，梯级数为2.8个。亦称为贝克（Baker）法第52页/共100页53/1002、低浓气体吸收时近似梯级法亦称为贝克（Baker）法MMM1DFCCFA证 明：为 什 么 梯 级 数 就 是 气相总传质单元数NOG？可见，每一个梯级都满足：第53页/共100页54/1002、低浓气体吸收时MMM1DFCCF思考：根据近似梯级法判断操作线距平衡线越近，则NOG如

18、何变化？操作线越靠近平衡线，梯级数越多，故NOG越大。第54页/共100页55/100习题课汇总：或低浓气体吸收第55页/共100页56/100习题课第56页/共100页57/100设计型举例【例1】常压下，用煤油从苯蒸汽和空气混合物中吸收苯，吸收率为99%，混合气量为53kmol/h。入塔气中含苯2%（体积%），入塔煤油中含苯0.02%（摩尔分率）。溶剂用量为最小用量的1.5倍，在操作温度50下，相平衡关系为y*=0.36x，总传质系数Kya=0.015kmol/(m3s)，塔径为1.1米。试求所需填料层高度。溶剂用量为最小用量的1.5倍y*=0.36x第57页/共100页58/100设计型

19、举例溶剂用量为最小用量的1.5倍y*=0.36x【解】属于低浓气体吸收 第58页/共100页59/100设计型举例溶剂用量为最小用量的1.5倍y*=0.36x至于用“平均推动力法”请课下自行解算。作业：第59页/共100页60/100习题课操作条件：u气液流量、u气液进口浓度、u操作温度、压力等第60页/共100页61/100操作型定性分析举例快速分析法作图+排除法吸收因数法【例2】在逆流操作的填料吸收塔中，对某一低浓气体中的溶质组分进行吸收，现因故(1)吸收剂入塔浓度变大；(2)吸收剂用量变小；而其它操作条件均不变，试分析出塔气体、液体浓度如何变化？【解】(1)吸收剂入塔浓度变大快速分析法：

20、依据：xa变大，xb也将变大。xa变大，将使全塔液相浓度均变大，故全塔传质推动力将变小，不利于吸收，因此，ya变大。对照：传热章的操作型问题分析方法第61页/共100页62/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法【解】(1)吸收剂入塔浓度变大作图+排除法L/G不变影响因素：流动状况、物系、填料特性和操作条件与h0不变相矛盾，故假设不成立。a假设ya不变b假设ya变小作图知此时操作线为红线，可见NOGh0第62页/共100页63/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法【解】(1)吸收剂入塔浓度变大作图+排除法与h0不变相矛盾，故假设不成立。b假设ya变小作图知此时

21、操作线为红线，可见NOGh0因此，ya只能第63页/共100页64/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法【解】(1)吸收剂入塔浓度变大作图+排除法关于xb：与ya的分析类似假设xb不变、变小，作图可知NOG将变小，故h0将变小，与h0一定相矛盾，因此，xb第64页/共100页65/100操作型定性分析举例【解】(1)吸收剂入塔浓度变大吸收因数法：NOG（yb-mxa）/（ya-mxa）S增大由题意可知：NOGh0/HOG不变由右图可知，又xa变大，故ya变大快速分析作图+排除法吸收因数法第65页/共100页66/100操作型定性分析举例【解】(1)吸收剂入塔浓度变大NOG（y

22、b-mxa）/（ya-mxa）S增大至于xb：仍需用排除法判定（略）。快速分析作图+排除法吸收因数法第66页/共100页67/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法建议：上述三种方法中，首先推荐使用“快速分析法”；如果此法不行，建议使用“吸收因数法”；如果还不行，再使用“作图排除法”。第67页/共100页68/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法【解】(2)当吸收剂用量变小时快速分析法：L，导致液相侧湍动程度变差，假想液膜变厚，液相侧流动阻力，故传质总阻力，不利于吸收。因此，yaL，虽然导致A的吸收量变小，但不如L的减小幅度大，故全塔液相浓度将变大，即xb。第

23、68页/共100页69/100操作型定性分析举例【解】(2)当吸收剂用量变小时吸收因数法：快速分析作图+排除法吸收因数法由题意可知：NOGh0/HOG变小或不变由右图可知，yaNOG（yb-mxa）/（ya-mxa）S增大Kya变小或不变第69页/共100页70/100操作型定性分析举例【解】(2)当吸收剂用量变小时快速分析作图+排除法吸收因数法至于xb：仍需用排除法判定a假设xb不变b假设xb变小，NOL作图知，NOG与h0不变相矛盾，故假设不成立。与h0不变相矛盾，故假设不成立。第70页/共100页71/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法【练习】在逆流操作的填料吸收塔中

24、，对某一低浓气体中的溶质组分进行吸收，现因故（1）气体入塔浓度yb变小，（2）G变小，而其它操作条件均不变，试分析出塔气体浓度ya、液体浓度xb如何变化？第71页/共100页72/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法【练习】（1）气体入塔浓度yb变小快速分析法：yb变小，ya也将变小。yb变小，将使全塔气相浓度均变小，故全塔传质推动力将变小，不利于吸收，因此，xb变小。第72页/共100页73/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法【练习】（1）气体入塔浓度yb变小吸收因数法：查图可知：至于xb的变化仍需用作图+排除法第73页/共100页74/100操作型定性

25、分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法（1）气体入塔浓度yb变小吸收因数法：关于xb：排除法假设xb不变、变大，作图可知NOG将变大，故h0将变大，与h0一定相矛盾，因此，xb将变小。第74页/共100页75/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法（2）G变小快速分析法：G，导致气相侧湍动程度变差，假想气膜变厚，气相侧流动阻力，故传质总阻力，不利于吸收，A的吸收量变小，但不如G的减小幅度大，故吸收率变大，因此ya。A的吸收量变小，故xb。第75页/共100页76/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法（2）G变小吸收因数法：由题意可知：NOGh0/HOG变大由右

26、图可知，yaNOG（yb-mxa）/（ya-mxa）S增大至于xb的变化仍需用作图+排除法第76页/共100页77/100操作型定性分析举例快速分析作图+排除法吸收因数法（2）G变小a假设xb不变、，NOL作图知，NOG与h0不变相矛盾，故假设不成立。假设xb变大作业：第77页/共100页78/100操作型问题计算y=1.18xKyaG0.8气体流量增加20%【例3】某吸收塔在101.3kPa、293K下用清水逆流吸收丙酮空气混合气体（可视为低浓气体）中的丙酮。当操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达95%。已知物系平衡关系为y=1.18x，吸收过程大致为气膜控制，气相总传质系数KyaG0.8。

27、今气体流量增加20%，而液量及气液进口浓度不变，试求：（1）回收率变为多少？（2）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少倍？气膜控制【解】（1）回收率变为多少？分析：气体流量增加，则导致被吸收的丙酮量增加，ya，故回收率将变小。第78页/共100页79/100操作型问题计算y=1.18xKyaG0.8气体流量增加20%气膜控制原工况下：新工况下：第79页/共100页80/100操作型问题计算y=1.18xKyaG0.8气体流量增加20%（2）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少倍？可见，单位时间内被吸收的丙酮量增加了1720%，即被吸收的丙酮量增大幅度小于气体流量增大幅度。返回目录作业：第80页/共10

28、0页81/100第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算五、高浓气体吸收简介特点：(2)气相流率G(3)气相传质系数溶解热导致液相温度升高，相平衡常数增大，不利于吸收平衡线可能不为直线。(1)全塔物料衡算式仍可用,沿塔高有明显变化液相流率L，则仍可作为常数。,在全塔范围内不再为一常数，液相传质系数，由于液相流率变化不显著，则仍可作为常数。(4)热效应对相平衡关系的影响(5)填料层高度的计算式-不能用第81页/共100页82/100第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算六、解吸（脱吸）简介低温高温高压低压气液液气第82页/共100页83/100第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算六、解吸（

29、脱吸）简介传质方向解吸剂-吸收的逆操作解吸方法u减压解吸-闪蒸（在第十章中介绍）u应用解吸剂进行解吸 常用的解吸剂有惰性气体、贫气或水蒸汽等汽提或提馏气提第83页/共100页84/100六、解吸（脱吸）2低浓气体解吸时特点（与吸收对比）：传质方向解吸剂v全塔物料衡算、操作线方程、填料层高度计算式与吸收时的完全相同。思考：为什么解吸时操作线在平衡线下方？因为解吸时气相浓度y小于液相平衡浓度y*-此式用起 来更方便第84页/共100页85/100六、解吸（脱吸）2低浓气体解吸时特点（与吸收对比）：v最小气液比传质方向解吸剂斜率(L/G)max第85页/共100页86/100解吸（脱吸）举例【例4】

30、吸收解吸联合操作系统如图所示。两塔填料层高度均为7m，G=1000kmol/h，L=150kmol/h，解吸气量G=300kmol/h，组分浓度为：yb=0.015，ya=0.045，yb=0，xb=0.095（均为摩尔分率），且知：吸收系统相平衡关系为Y=0.05X，解吸系统相平衡关系为Y=0.6X。试求：（1）吸收塔气体出口浓度ya，传质单元数NOG；（2）解吸塔传质单元数NOG；（3）若解吸气体流量减少为250kmol/h，则吸收塔气体出口浓度ya如何多少？为什么？注意：高浓第86页/共100页87/100解吸（脱吸）举例【解】（1）求吸收塔气体出口浓度ya，传质单元数NOG对整个流程（

31、包括两塔）作物料衡算，可得：说明：当然，本题也可以分别对吸收塔、解吸塔作物料衡算而求解，但不如上面的解法简便。第87页/共100页88/100ya=0.0015对吸收塔：以上解法有没有问题？求传质单元数NOG：液相高浓第88页/共100页89/100正确解法：对吸收塔：第89页/共100页90/100解吸（脱吸）举例ya=0.0015对吸收塔：注意：错误解法的结果是xa=0.005第90页/共100页91/100解吸（脱吸）举例ya=0.0015注意：错误解法的结果是3.16第91页/共100页92/100解吸（脱吸）举例ya=0.0015（2）求解吸塔传质单元数NOG第92页/共100页93

32、/100解吸（脱吸）举例（3）若解吸气体流量减少为250kmol/h，则吸收塔气体出口浓度ya如何变化？为什么？250kmol/hya=0.0015则对解吸不利，因而xb（xa）将变大，对吸收不利，所以ya 将变大。分析：解吸气量减小，第93页/共100页94/100第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算七、塔板数（教材P49）将在第十章中介绍作业：返回目录第94页/共100页95/100第五节 其他类型的吸收简介 一、多组分吸收计算原则：先根据关键组分（某指定组分）计算填料高度，再由此计算其他组分的吸收率。第95页/共100页96/100第五节 其他类型的吸收简介三、非等温吸收热效应产生的

33、原因：溶解热、反应热、冷凝热等。热效应对吸收过程的影响：-改变平衡线斜率-改变吸收速率：温度升高，使kG下降，kL增大二、化学吸收界面处化学反应内部化学反应返回目录第96页/共100页97/100第九章 小结一概念吸收推动力（总的、气相侧、液相侧）、吸收阻力（气相侧、液相侧、总的）影响吸收阻力的因素、传质单元、传质单元高度、传质单元数、影响HTU的因素、回收率、近似梯级法二相平衡关系亨利定律的三种形式第97页/共100页98/100全塔物料衡算式：三吸收塔计算（低浓时）操作线方程：填料层高度计算式：第98页/共100页99/100第99页/共100页100/100感谢您的观看！第100页/共100页