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化工原理 第八章 氣體吸收.ppt

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第八章 氣體吸收8.1 概述8.2 吸收過程相平衡基礎8.3 吸收過程模型及傳質速率方程8.4 吸收(或脫吸)塔計算8.5 其他類型吸收1一、氣體吸收在化工中的應用 吸收是將氣體混合物與適當的液體接觸,利用個組分在液體中溶解度的差異而使氣體中不同組分分離的操作?;旌蠚怏w中,能夠溶解于液體中的組分稱為吸收質或溶質;不能溶解的組分稱為惰性氣體;吸收操作所用的溶劑稱為吸收劑;溶有溶質的溶液稱為吸收液或簡稱溶液;派出的氣體稱為吸收尾氣。 吸收操作是氣體混合物的主要分離方法,化工生產中它有以下幾種具體的應用: 1.化工產品 2.分離氣體混合物 3.從氣體中回收有用組分 4.氣體凈化(原料氣的凈化和尾氣、廢氣的凈化) 5.生化工程2二、吸收過程分類 按照吸收過程是否伴有化學反應將吸收區分為化學吸收和物理吸收兩大類。 在氣體吸收中,若混合氣體中只有一個組分在吸收劑中有一定的溶解度,其余的組分的溶解度可以忽略,這樣的吸收過程稱為單組分吸收。如果有兩個或更多的組分能溶解于吸收劑中,這一過程稱為多組分吸收。 在吸收過程中,當氣體溶解于液體中時,通常有溶解熱產生,若進行伴有放熱的化學吸收時,還要放出反應熱,因此隨著吸收過程的進行液相溫度要逐漸增高,這樣的吸收稱為非等溫吸收。但若熱效應很小,或被吸收的組分濃度很低,且吸收劑的用量較大,則溫度的變化不顯著,此時吸收過程可認為是等溫吸收。3三、工業吸收過程工業的吸收過程常在吸收塔中進行。生產中除少部分直接獲得液體產品的吸收操作外,一般的吸收過程都要求對吸收后的溶劑進行再生,即在另一稱之為解析他的設備中進行于吸收相反的操作-解吸。因此,一個完整地吸收分離過程一般包括吸收和解吸兩部分。48.2 吸收過程相平衡基礎58.2.1氣液相平衡關系 氣體混合物與溶劑S相接觸時,將發生溶質氣體向液相的轉移,使得溶液中溶質(A)的濃度增加。充分接觸后的氣液兩相,液相中溶質達到飽和,此時瞬間內進入液相的溶質分子數與從液相逸出的溶質分子數恰好相抵,在宏觀上過程就像停止一樣,這種狀態稱為相際動平衡,簡稱相平衡或平衡。 對于單組分物理吸收,組分數c=3(溶質A、惰性氣體B、溶劑S),相數(氣、液),自由度數F應為即在溫度、總壓和氣、液組成共四個變量中,有三個是自變量,另一個是它們的函數。6 在一定的操作溫度和壓力下,溶質在液相中的溶解度由其相中的組成決定。在總壓不很高的情況下,可以認為氣體在液體中的溶解度只取決于該氣體的分壓 ,而與總壓無關。于是, 與 得函數關系可寫成 當然,也可以選擇液相的濃度 作自變量,這時,在一定溫度下的氣相平衡分壓 和 的函數:  氣液平衡關系一般通過實驗方法對具體物系進行測定。78.2.2亨利定律 亨利定律是稀溶液重要的經驗定律,在低壓(通常指總壓小于0.5MPa)和一定溫度下,氣液相達到平衡狀態時,其數學表達式如下: 若溶質在液相中的濃度用物質的量濃度c表示,則亨利定律可表示成:  若溶質在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x與y表示,則亨利定律可表示成 88.3 吸收過程模型及傳質速率方程98.3.1雙膜模型在吸收中的應用 氣體吸收是把氣相中的溶質傳到液相的過程,即相際間的傳質。它由氣相與界面的對流傳質、界面上溶質組分的溶解、界面與液相的對流傳質三個步驟串聯而成。10由膜模型傳質理論,氣相傳質速率可表示為 令 得 同理,由膜模型理論,液相傳質速率式為   令   得 11線上。若在P點附近兩項組成x,y所涉及的范圍內,平衡縣可近似看成斜率為m的直線(若服從亨利定律,則m為相平衡常數)則或8.3.2傳質速率方程一、傳質速率方程如圖所示,吸收塔一截面氣液兩相主體濃度在 上可用一點a表示。此點一般不在平衡線上。如雙膜模型假設成立,表示界面上兩相組成關系的點P必位于平衡12濃度組成表示法 摩爾分率物質得量濃度或分壓    傳質速率方程 其中    總傳質系數  不同的推動力所對應的不同傳質系數和速率方程。 表8—1 傳質速率方程的各種形式13 二、界面濃度的求取 當m隨濃度變化時,用分傳質速率方程式計算更加方便,界面濃度 與 存在關系有:(1)有雙膜模型理論, 與 在平衡線上。如果平衡線以 表示,則 。(2)可導出平衡關系與上式聯立可求解界面濃度 與 。在用作圖法求解時,從氣、液兩相的實際濃度點a出發,作斜率為 的一條直線,此直線與平衡線的交點即為所求的界面濃度( )。14 三、傳質阻力分析總傳質阻力為氣相分傳質阻力與液相分傳質阻力之和。若分傳質阻力 中,則總傳質阻力 。此時的傳質阻力集中于氣相,稱為氣相阻力控制(亦稱氣膜控制)。氣相阻力控制的條件是:(1) 或 。此時若描繪于圖上,則連接氣、液實際濃度點a(x,y)與界面濃度點b( )的直線ab很陡。(2)溶質在吸收劑中的溶解度很大,即平衡線斜率m很小,相平衡曲線平坦。15同時由圖8-6(a)可知,在氣相阻力控制條件下,以氣相摩爾分率差表示的分傳質推動力 接近于總推動力 ,總推動力主要用于克服氣相阻力。圖8-6 兩相中的吸收傳質阻力示意圖16液相阻力控制的條件是:(1) ,或 。圖8-6(b)中連接氣、液實際濃度(x,y)與界面濃度( )的直線ab較平坦。(2)溶質在吸收劑中的溶解度很小,即平衡線斜率m很大,相平衡曲線OE很陡。同時,由圖8-6(b)可知,在液相阻力控制條件下,以液相摩爾分率差表示的分傳質推動力 接近于總傳質推動力 ,總推動力主要用于克服液相阻力。178.4 吸收(或脫吸)塔計算18以不變的量作為物料恒算的基準:對于氣體,是其中惰性 氣體B的流率 ;而對于液體,則是其中溶劑S的流率 :與此相應,氣液相組成應采用摩爾比表示: 8.4.1物料恒算和操作線方程一、全塔物料恒算 穩定操作的逆流吸收塔內氣、液流率和組成如圖8-7所示,其中以下標a代表塔頂,下標b代表塔底,A、B、S分別代表溶質、惰性氣體和溶劑。19對圖8-7所。省略部分。度與傳質單元數29三、傳質單元數的計算(1)對數平均推動力法在吸收操作所涉及的組成范圍內,若相平衡關系可用直線方程表示,即相平衡關系服從亨利定律;或在操作組成范圍內平衡關系為直線,此時傳質推動力 和 分別隨y和x呈線性變化,推動力 或 相對于x或y的變化率均為常數,從而 30 令 稱為氣相對數平均傳質推動力31用同樣的方法,可得式中 稱為液相對數平均傳質推動力。322)吸收因數法除對數平均推動力法,也可將相平衡關系與操作線方程代入 中,直接積分求取得:也常寫成 同理也可以推出以液相濃度為總傳質推動力的傳質單元數的表達式33當平衡關系不滿足亨利定律,但可近似地以 直線表示時,則變成    式中, ,34(3)其他計算方法 傳質單元數的求解,其實質為如何確定定積分的值。當平衡線不能作為直線。顯然上述對數平均推動力法和吸收因數法已不能適用。此時,除按照定積分的物理意義用圖解積分外,還可采用數值積分,后者隨著電子計算機技術的發展及相關工程計算軟件的開發和利用,已變得易于實現并得到廣泛應用。358.4.4填料塔的設計型計算和操作型分析填料吸收塔的計算問題可分為設計型和操作型兩類,兩類問題均可通過聯立全塔物料恒算式、填料層高度計算式及相平衡關系式求解。 一、填料塔的設計型計算設計型計算的特點是給定進口溶質濃度、進塔混合氣的流率G、相平衡關系及分離要求,計算所需要的填料層高度。在給定條件下,要完成設計型計算尚需解決以下幾方面的問題:(1)為計算塔高,必須確定傳質系數。(2)氣、液流向的選擇。(3)吸收劑進口濃度的確定。(4)吸收劑用量的確定。36二、填料塔的吸收型計算吸收操作型計算特點是塔設備已給定(對填料塔則填料層高度h已知)計算的基本類型有:(1)校核現有的塔設備對制定的生產任務是否適用。如已知T、P、h、G、L、 、 ,校核 是否滿足要求;(2)考察某一操作條件改變時,吸收結果的變化情況或為達到制定的生產任務應采取的調節措施。37同理,若液相濃度較高澤液相傳質分系數 也與液相濃度x有關。 綜上所述,可知高濃度氣體吸收的計算要比低濃的復雜得多。為考慮傳質系數變化的影響,常選用氣相傳質速率方程 作為計算的基礎。有:8.4.5高濃度氣體吸收時填料層高度的計算當入塔氣體的溶質含量較高(例如超過10%),對低濃度氣體的簡化處理方法顯然不在適用,高濃度氣體吸收時,按膜模型理論,氣相傳質分系數表示為:388.4.6塔板數吸收操作除用填料塔外,也可采用板式塔。板式塔的主要特點是:氣液兩相的接觸是在塔板上進行的,故組成沿著塔高呈階躍式而不是連續式的變化。為計算板式塔完成吸收任務所需的塔板數,要應用物料恒算和氣液平衡量關系,其常用方法是圖解法。39 一、梯級圖解法求理論塔板數在塔設備內任一取一截面 ,設其位置落在第n-1與n塊板之間,對 于塔頂、底作溶質物料恒算,可得到操作線方程如下: 在板式吸收塔計算中,為簡明計,常引用“理論塔板”的概念,其定義是:氣液兩相在這種塔板上相遇時,因接觸良好、傳質充分,以致兩相在離開塔板時已達到平衡。40代表離開各層理論板氣、液組成的點 、 ,..., ,都在圖8-15的平衡線OE之上。41一直類推到第 層理論板之下(塔底),得到即 二、解析法求理論塔板數當平衡關系符合 、操作線為直線時,用克列姆塞爾(Kremeser)等人提出的解析方法求理論塔板數。由于離開任一層理論塔板的液、氣組成 ,..., 符合相平衡式,故有 ,...,  有42對板式吸收塔而言,塔板上的事跡傳質情況遠不如理論塔板完善,故所需的實際塔板數 較理論塔板數N為多,常用塔板效率來衡量這種差別。定義全塔板效率或總板效率 為     包括了傳質動力學因數,其值與物系和塔板結構、操作條件有關。板式吸收塔的全塔板效率可由實驗測定或經驗關聯圖確定,通常吸收塔的 范圍約為 。438.4.7解吸(脫吸)把溶液中的氣體溶質釋放出來的過程稱為脫吸或解吸,其傳質方向與吸收相反,為吸收的逆過程。其目的是為了實現溶劑再生,并回收溶質。若吸收的目的是為了制取溶液成品,就不需要脫吸?;どa中常見的脫吸方法有以下幾種:1、通入惰性氣體(氣提法)2、通入直接水蒸氣(汽提或提留)3、降低壓力448.5 其他類型吸收458.5.1多組分吸收多組分吸收是指其體混合物中有幾個組分同時被吸收的過程。多組分氣體吸收一般可分為貧氣吸收與富氣吸收兩類。若進他氣體中個溶質組分的濃度都不高稱為貧氣,否則為富氣。通常,多組分吸收對起關鍵作用的組分(稱作關鍵組分)規定分離要求,由于是相同的操作條件和設備,故其他組分的被吸收量由其平衡關系及各組分間的相互關系確定?,F以貧氣多組分吸收為例,介紹簡捷計算法在吸收過程設計中的應用,其他的計算方法清參考相關的專著。圖8-17是具有N塊理論板的吸收塔示意圖46對第n板作i組分的物料恒算假設各組分的氣液平衡關系服從亨利定律,且各組分的平衡關系互不影響,即則最后解N得478.5.2化學吸收吸收過程中,溶質氣體與溶劑中的某一個(或一個以上)組分可能發生化學反應,這種有顯著化學反應的吸收過程稱為化學吸收?;瘜W吸收的液相傳質速率方程也可表達為物理吸收那樣的形式:當吸收為液膜控制時,由于液相反應能夠顯著的減小液膜傳質阻力從而減小總阻力,同時液膜控制又見于難溶、難吸收、吸收容量小的物系,故采用化學吸收法其優點就很明顯;當吸收為氣膜控制時,液膜阻力的降低對總阻力的影響不大,而且這類物系又多見于易吸收、吸收容量大的物系,則應用化學吸收法優點就不明顯。 488.5.3非等溫吸收通常吸收操作可分為等溫和非等溫吸收兩類。吸收過程中的熱效應主要包括:溶質氣體溶解時的溶解熱;溶質與吸收劑發生化學反應的反應熱;吸收劑中的易揮發組分帶走的汽化熱。熱效應引起的溫度變化對吸收過程的影響主要有如下兩方面。1、影響氣液平衡關系當吸收的溶質量較大時,這些熱效應使得塔內液相溫度隨其濃度的升高而增大,從而使平衡關系變得不利于吸收過程的進行。2、影響吸收速率溫度升高,氣相分傳質系數下降。當吸收塔進行非等溫吸收操作時,其傳質單元數或理論塔板數的計算與等溫吸收并無原則性的區別。不同之處在于非等溫吸收操作時需先根據塔中操作的實際情況,即塔內溫度與溫度的變化關系確定兩相的實際平衡曲線,由此確定吸收操作的液氣比和吸收操作線。當平衡曲線和操作線確定后,前述等溫吸收的計算方法可直接應用于非等溫吸收。49
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