第二章 吸收优秀PPT.ppt
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1、第二章 吸收第一页,本课件共有72页2.1 概述1 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为吸收。称为吸收。吸收过程:吸收过程:(1)溶质从气相主体传递到相界面;(2)在相界面上溶质溶解到液相表面;(3)溶质从相界面传递到液相主体。吸收过程吸收过程解吸过程解吸过程气相主体液相主体吸收及解析传质方向第二页,本课件共有72页2 应用:应用:a)制取产品制取产品例如,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。b)从气体中回收有
2、用的组分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酸铵;用洗油从煤气中回收粗苯等。c)除去有害组分以净化气体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。第三页,本课件共有72页3吸收过程的分类吸收过程的分类(1)物理吸收物理吸收与化学吸收(依有无化学反应);(2)单组分吸收单组分吸收与多组分吸收(依吸收组分数);(3)等温吸收等温吸收与非等温吸收(依温度是否变化);(4)低浓度气体吸收低浓度气体吸收与高浓度气体吸收。第四页,本课件共有72页4 吸收工艺流程吸收过程 吸收塔吸收工
3、艺流程解吸过程 解吸塔贫油吸收塔含苯煤气解吸塔过热蒸汽冷凝器粗苯水冷却器换热器补充新鲜洗油富油脱苯煤气采用吸收剂再生的连续吸收流程第五页,本课件共有72页2.2 气体吸收的相平衡关系单组份的物理吸收平衡:F=C-+2=3-2+2=3。在温度、总压一定时,F=1,有:P溶质在气相中的分压平衡分压。平衡分压。c溶质在液相中的饱和浓度平衡溶解度。平衡溶解度。1气液相平衡气液相平衡液相液相气相气相a)溶解度:气液达到相平衡时,液相中的溶质浓度称为溶解度溶解度:气液达到相平衡时,液相中的溶质浓度称为溶解度。b)溶解平衡:溶解平衡:第六页,本课件共有72页c)溶解度曲线溶解度曲线氨在水中的溶解度曲线注:分
4、压对溶解度的影响:pA增加,xA增加(T 一定);温度对溶解度的影响:T 增加,xA下降(pA一定);加压和降温有利吸收,升温和减压则有利脱吸。第七页,本课件共有72页2亨利定律亨利定律亨利定律:用来表示当总压不高,在一定温度下,稀溶液上方的气体溶质平衡分压与该溶质在液相中的组成之间的关系。表示形式:(注意每一项的单位)E-亨利系数,亨利系数,E=f(T)TE气体不易溶解气体不易溶解 H-溶解度系数,溶解度系数,H=f(T)TH气体不易溶解气体不易溶解 m-相平衡常数相平衡常数 当溶液组成很低时,可简化为:第八页,本课件共有72页E、H、m之间的关系之间的关系 对于稀溶液:对于稀溶液:第九页,
5、本课件共有72页E、H、m之间的关系之间的关系第十页,本课件共有72页2.3传质机理与吸收速率传质机理与吸收速率相界面相界面pGpici传质方向传质方向(1)吸收过程中的质量传递吸收过程中的质量传递质量传递质量传递:在具有浓度差的混合物中,一个或几个组分从一处 转移到另一处的过程。工程上,简称为传质过程。吸收过程:吸收过程:气相主体 相界面 液相主体 单向传质单向传质 界面溶解界面溶解单向传质单向传质(2)单相内的传质机理:)单相内的传质机理:a a)分子扩散分子扩散:分子随机热运动的宏观结果分子随机热运动的宏观结果。静止的流体和作层流流动的流体内部单独存在。b)涡流扩散:质点的湍动和旋涡的扰
6、动引起涡流扩散:质点的湍动和旋涡的扰动引起。湍流流动的流体内(分子扩散的影响可忽略)。第十一页,本课件共有72页1菲克定律菲克定律 扩散通量也可表示为浓度与扩散速度的乘积:扩散通量也可表示为浓度与扩散速度的乘积:相界面相界面pGpici传质方向传质方向第十二页,本课件共有72页 如图所设,当抽掉隔板后,气体A就会向右扩散,气体B就会向左扩散。由菲克定律,得分子扩散系数的特性设压力不太高,则在容器中的任何一点:同样由C=Constant,得在任何一点的任何方向上,有 所以 此结论也适用于液体。第十三页,本课件共有72页2流体中组分的速度流体中组分的速度a)组分的绝对速度组分的绝对速度ui i 组
7、分通过空间某一静止平面的速度。b)物系的平均速度物系的平均速度uu-混合体系的平均速度,m/s;c0-混合物的表观物质的量浓度,kmol/m3;N-单位面积上混合物系的摩尔流量,kmol/(m2s)。第十四页,本课件共有72页c)组分的扩散速度)组分的扩散速度uki扩散是由于自身的浓度差引起的质量传递。uki移动平面静止平面ui u组分运动速度分析第十五页,本课件共有72页通过空间某一静止平面的某组分的传质通量:通过空间某一静止平面的某组分的传质通量:3流体中组分的传质通量流体中组分的传质通量 传质通量:混合物系中某组分在单位时间内通过空间某一平面单位面积上的质量或物质的量。扩散通量:所以:所
8、以:第十六页,本课件共有72页又因为:所以:(N为流体整体的传质通量。)移动平面静止平面NiN(ci/c0)Ji组分传质通量分析表示总体流动造成的传质通量。第十七页,本课件共有72页4 气相中的稳态分子扩散(1)等分子反向扩散如图所设,且设如图实验装置中的两个容器为无限大,则抽掉隔板并经过一个不稳定扩散后,有:a)由于1、2截面上的两组份的分压不随时间而变,所以在联通管中的分子扩散是稳定的。b)由于联通管中任何一点C=常数,所以在联通管中任何一点的任何方向上有:即联通管中的分子扩散是等分子反向扩散。由于在联通管中除浓度差引起的分子扩散外,没有其他原因引起质量的传递,所以联通管中的传质速率就等于
9、分子扩散通量,即第十八页,本课件共有72页(2)单向扩散 A可溶于液相 B完全不溶于液相 液相不挥发气相主体液相主体相界面组分B在z轴方向上总的传质通量为:组分A在z轴方向上总的传质通量为:对于有总体流动的稳态分子扩散过程,两组分的分子扩散通量仍然是数值相等而方向相反。第十九页,本课件共有72页对于单向稳态分子扩散,由于 NB=0,所以 N=NA,第二十页,本课件共有72页令则有:对于气相物系:其中 和 称为漂流因数漂流因数漂流因数反映了总体流动对传质速率的影响,其值愈大总体流动作用越强。当A的组成很低时,则漂流因子趋向1,总体流动的影响消失。第二十一页,本课件共有72页5 液相中的稳态分子扩
10、散 由于对液体的分子运动规律远不及对气体研究得充分,因此,只能仿效气相中的分子扩散速率方程写出液相中的相应方程:其中第二十二页,本课件共有72页6 6 扩散系数扩散系数 物质传递性质的度量参数,表达组分扩散难易程度。物理意义:物理意义:单位浓度梯度下的扩散通量。影响因素:影响因素:系统的温度、压力和物系的组成。数据来源:数据来源:一般由实验确定、半经验公式计算。液体中的分子扩散系数(液体中的分子扩散系数(10-910-10m2/s)双组分气体混合物,组分的扩散系数:气体分子扩散系数气体分子扩散系数(10-510-4m2/s)小分子溶质在非电解质稀溶液中的扩散系数:第二十三页,本课件共有72页
11、通常传质设备中的流体都是流动的,流动流体与相界面之间的物质传递称为对流传质(如溶质由气相主体传到相界面及由相界面传到液相主体)。流体的流动加快了相内的物质传递。(1)气相层流流动 层流流动时溶质A组分在垂直于流动方向上的传质机理为分子扩散。(2)气相湍流流动 大多数传质设备中流体的流动都属于湍流。湍流主体中流体产生大量的漩涡,引起流体质点间的剧烈混合,促进了横向(传质方向)的物质传递,流体主体的浓度分布被均化。7 对流传质湍流扩散速率,既有分子扩散又有涡流扩散:De涡流扩散系数,不仅和物性有关,而且与流动状况有关。涡流扩散系数,不仅和物性有关,而且与流动状况有关。第二十四页,本课件共有72页8
12、 吸收过程的双膜模型 气液相间有稳定的相界面,相界面两侧各有一停滞膜(虚拟膜或者有效膜),膜内的传质以分子扩散方式进行。传质阻力全部集中在虚拟膜内,膜外相主体中高度湍流 传质阻力为零,即无浓度梯度。相界面上气液处于平衡状态,无传质阻力存在。(1)模型假设:第二十五页,本课件共有72页(2)传质速率方程对于气相对于液相kL:液膜吸收系数:液膜吸收系数kG:气膜吸收系数:气膜吸收系数令:令:分吸收速率方程第二十六页,本课件共有72页(3)相界面浓度的确定第二十七页,本课件共有72页9 总吸收速率方程亨亨利利定定律律气膜阻力液膜阻力气相总吸收速率方程气相总吸收系数第二十八页,本课件共有72页-以以摩
13、摩尔尔浓浓度度差差为为推推动力的动力的液相总吸收速率方程液相总吸收速率方程-以以为为推推动动力力的的气相总吸收速率方程气相总吸收速率方程-以以为为推推动动力力的的液相总吸收速率方程液相总吸收速率方程第二十九页,本课件共有72页10吸收过程传质阻力分析吸收过程传质阻力分析气相阻力控制过程气相阻力控制过程溶解度很大(易溶)称为气膜控制过程。此时:气膜控制,增加气相流率气膜控制,增加气相流率,k kG G 提高提高,加快吸收过程。加快吸收过程。增加液相流速,效果不明显。增加液相流速,效果不明显。第三十页,本课件共有72页液膜阻力控制过程液膜阻力控制过程 溶解度小(难溶)此时:称为液膜控制过程;说明说
14、明:液膜控制,增加液相流率,液膜控制,增加液相流率,k kL L增加,加快传质,有利吸收。增加,加快传质,有利吸收。双膜阻力联合控制双膜阻力联合控制两者阻力均不可忽略如,中等溶解度气体的吸收。第三十一页,本课件共有72页 气膜控制过程 液膜控制过程第三十二页,本课件共有72页吸收传质速率方程的几种形式吸收传质速率方程的几种形式相平衡方程 吸收传质速率方程 总传质系数 相内或同基准的传质系数换算 相际或不同基准传质系数换算 第三十三页,本课件共有72页2.4 吸收塔的计算吸收塔计算包括设计型计算和操作型计算。设计型计算主要是通过物料衡算及操作线方程,确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸(塔径和塔高
15、)。操作型计算则要求算出给定的吸收塔的气液相出口浓度等参数。第三十四页,本课件共有72页V,Y1L,X1YXV,Y2L,X2mn 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算1 吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算 第三十五页,本课件共有72页 对对全全塔塔来来说说,气气体体混混合合物物经经过过吸吸收收塔塔后后,吸吸收收质质的的减减少少量量等等于液相中吸收质的增加量,即:于液相中吸收质的增加量,即:V(Y1-Y2)=L(X1-X2)Y2=Y1(1-A)式中:式中:V惰性气体的摩尔流量惰性气体的摩尔流量,Kmol/SL吸收剂摩尔流量吸收剂摩尔流量,Kmol/SY1、Y2分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩
16、尔分率;分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率;X1、X2分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率;分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率;A混合气体中溶质混合气体中溶质A被吸收的百分率,称为吸收率或回收率被吸收的百分率,称为吸收率或回收率第三十六页,本课件共有72页 现现取取塔塔内内任任一一截截面面与与塔塔底底(图图中中的的虚虚线线范范围围)作作溶溶质质的的物物料衡算,料衡算,即:即:V(Y1-Y)=L(X1-X)式中:式中:Y、Y1分别为分别为m-n截面和塔底气相中溶质的比摩尔分率,截面和塔底气相中溶质的比摩尔分率,Kmol(溶质溶质)/Kmol(惰性气体惰性气体);X、X1分别为分别
17、为m-n截面和塔底液相中溶质的比摩尔分率,截面和塔底液相中溶质的比摩尔分率,Kmol(溶质溶质)/Kmol(溶剂溶剂)。同理,可得同理,可得上两式称为吸收操作线方程式。第三十七页,本课件共有72页0X2XX1Y1YY2TABY*=f(X)在任一截面上的气相浓度在任一截面上的气相浓度Y与液相浓度与液相浓度X之间成直线关系,直之间成直线关系,直线的斜率为线的斜率为L/V,过点,过点B(X1,Y1)和)和T(X2,Y2)两点。端点)两点。端点B代代表塔底端面,称为表塔底端面,称为“浓端浓端”,端点,端点T代表塔顶端面,称为代表塔顶端面,称为“稀端稀端”。第三十八页,本课件共有72页 说明:说明:(1
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