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化工原理 吸收.ppt

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第二章 吸收吸收概述基本原理:吸收相平衡吸收計算傳質機理→吸收機理吸收速率(吸收系數)吸收塔計算操作線方程塔徑和填料層高度理論板數其它:脫吸及幾種條件下的吸收目的:掌握吸收概念、吸收過程的相平衡關系與速率關系;掌握低組成氣體吸收的計算;了解吸收系數的獲取途徑和解吸過程的概念與計算方法。吸收概述吸收操作1. 定義分離物系:氣體混合物(溶質A+載體B)造兩相方式:引入吸收劑S傳質原理:溶解度差異吸收結果:吸收液(大部分A+S)+吸收尾氣(B+微量A) 吸收:利用各組分溶解度不同而分離氣體混合物的單元操作。吸收概述2. 分類① 化學反應物理吸收:水吸收CO2化學吸收:堿液吸收CO2② 組分數目單組分吸收:水吸收合成氨原料氣(N2、H2、CO及CO2等)多組分吸收:洗油吸收焦爐氣(苯、甲苯和二甲苯等)③ 溫度變化等溫吸收:吸收時溫度變化不明顯非等溫吸收:吸收時溫度明顯上升(熱效應和反應熱)④ 溶質組成高低低組成吸收高組成吸收重點:低組成單組分等溫物理吸收的原理與計算吸收概述3. 吸收與蒸餾之異同吸收與蒸餾比較吸收概述4. 吸收用途① 凈化氣體:用水或堿液脫除合成氨原料氣中的CO2;② 制備某種氣體的溶液:用水吸收氯化氫氣體制取鹽酸;③ 回收混合氣體中所需組分 :用洗油處理焦爐氣以回收芳烴;④ 治理工業廢氣 :脫除廢氣中含有SO2、NO2等有害氣體。5. 吸收劑的選擇① 溶解度:吸收劑對A的溶解度要大;② 選擇性:吸收劑對混合氣體中除A外的其他組分不吸收或吸收甚微;③ 揮發度:揮發度小,其損失??;④ 黏度:黏度低,利于改善流動狀況;⑤ 其他:無毒、無腐蝕、價廉易得,且化學性質穩定。吸收相平衡1. 氣體溶解度吸收劑 S氣體(A+B)A 溶解A 逸出氣體吸收相平衡 恒溫和恒壓時,氣體混合物(A+B)與吸收劑 S 接觸,當氣、液兩相處于平衡時,其飽和組成(平衡組成)為x A ,飽和分壓(平衡分壓)為p A*,關系為 氣體溶解度:指氣體在液體中的飽和組成,習慣上用單位質量(或體積)液體中所含溶質質量表示。吸收相平衡易溶:氨在水中的溶解度中等:二氧化硫在水中的溶解度難溶:氧在水中的溶解度規律:① 同溫下,氣相分壓↑,溶解度↑; ② 同分壓下,溫度↓ ,溶解度↑ 。 加壓和降溫有利于吸收吸收相平衡2. 亨利定律 亨利定律:在總壓不高和恒溫下,稀溶液上方的飽和分壓與其飽和組成之間的關系。① p - x 若溶質在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾分數 x 表示,關系為(E:亨利系數,kPa)② p - c若溶質在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾濃度 c 表示,關系為[H:溶解度系數,kmol/(kN?m)]吸收相平衡③ y - x 若溶質在氣、液相中的組成分別以摩爾分數y和x表示 ,關系為(m :相平衡常數或分配系數)④ Y - X (最常用)若溶質在氣、液相中的組成分別以摩爾比Y和X表示 ,關系為(低組成吸收,xi很?。┪障嗥胶猗?小結-8種形式吸收相平衡⑥ 系數換算a. H-E 若溶液組成為c i kmol(A)/m3、密度為ρ kg/m3 →1 m3溶液中溶質A為c i kmol,溶劑S為(ρ-c i MA)/MS kmol(低組成吸收)吸收相平衡b. m-Ec. H-m吸收相平衡3. 吸收相平衡的應用① 判定傳質方向若氣相中溶質的實際組成為y i,溶液中溶質的實際組成為x i,傳質方向由氣相到液相,進行吸收傳質方向由液相到氣相,進行脫吸吸收相平衡② 確定傳質推動力以氣相表示的傳質推動力為:以液相表示的傳質推動力為:吸收推動力吸收相平衡③ 指明傳質極限平衡過程是傳質過程進行的極限x2x1y1y2 相平衡關系限定了出塔氣體的最低組成和吸收液離塔的最高組成。吸收計算 -傳質機理與菲克定律1. 吸收中的傳遞現象 吸收是溶質從氣相轉移到液相的單元操作,含2步:溶質由氣相主體向相界面的傳遞和由相界面向液相的傳遞;物質在單一相中的轉遞是靠擴散完成的。① 傳遞步驟② 擴散方式吸收計算 -傳質機理與菲克定律2. 分子擴散與菲克定律擴散現象 ① 分子擴散:在一相內部有組成差異的條件下,由于分子無規則熱運動而形成的物質傳遞現象;習慣上簡稱為擴散;擴散在氣相、液相和固相中均能發生。 擴散通量(J):反映擴散進行的快慢程度,指單位面積上單位時間內擴散傳遞的物質量,kmol/(m2?s)。吸收計算 -傳質機理與菲克定律② 菲克定律:描述擴散過程的基本方程。(DAB :物質A在介質B中的擴散系數,m2/s) 兩組分擴散體系時,擴散現象吸收計算 -傳質機理與菲克定律3.氣相中的穩態擴散① 等分子反向擴散等分子反向擴散穩態的等分子反向擴散 傳質速率(NA):亦稱傳質通量,指在任一固定的空間位置上,單位時間內通過單位面積的A物質量。吸收計算 -傳質機理與菲克定律② 一組分通過另一停滯組分的擴散組分A通過停滯組分B的擴散總體流動:在多組分中,各組分在進行擴散的同時其微團也處于運動狀態。吸收計算 -傳質機理p/pBm :漂流因數,反映總體流動對傳質速率的影響。(吸收)(精餾)吸收計算 -傳質機理4. 液相中的穩態擴散① 特點a. 液相中的擴散速度遠遠小于氣相中的擴散速度;b. 物質在氣相中的擴散系數較在液相中的擴散系數約大105倍;c. 一定條件下氣、液兩相中可達到相同的擴散通量。② 一組分通過另一停滯組分的液相擴散(D’:溶質A在溶劑S中的擴散系數,m2/s) 吸收計算 -傳質機理5. 擴散系數 擴散系數:物質的特性常數之一,隨介質種類、溫度、壓強及組成的不同而變化;其獲取途徑有3種:① 實驗測定;②從資料和手冊中查??;③估算。氣相中,按Maxwell-Gilliland公式:液相中,分子體積(υ):1 mol物質在正常沸點下呈液態時的體積(cm3)。吸收計算 -傳質機理6. 渦流擴散與對流傳質① 渦流擴散 渦流擴散:憑借流體質點的湍動和旋渦而形成的物質傳遞現象;3特點:a.發生在湍流流體中;b. 與分子擴散并存;c. 其速率遠大于分子擴散速率。 渦流擴散的擴散通量為:(DE :渦流擴散系數,非物性常數,與湍動程度和位置有關)吸收計算 -傳質機理② 對流傳質傳質的有效層流膜 對流傳質:發生在運動著的流體與相界面之間的傳質;在化學工程領域中,主要指湍流主體與相界面之間的渦流擴散與分子擴散兩種傳質作用的總和。(z G、z L:氣、液相中的有效層流膜厚度)吸收計算 -吸收機理1. 雙膜理論雙膜理論雙膜理論:亦稱停滯膜模型,由惠特曼提出;3點假設:① 當氣、液兩相相互接觸時,兩相間存在著穩定的相界面,界面兩側各有一個很薄的層流膜(氣膜和液膜),溶質A以分子擴散通過此二膜層由氣相主體進入液相主體;② 界面處的氣、液兩相達到平衡狀態;③ 在氣膜、液膜以外的氣、液兩相主體中,由于流體充分湍動,物質組成均勻。 吸收計算 -吸收機理 雙膜理論用于描述具有固定相界面的系統及速度不高的兩流體間的傳質過程,是傳質設備設計計算的主要依據;其貢獻在于把復雜的相間傳質簡化為溶質經由兩個層流膜層的分子擴散過程,而相界面處及兩相主體中均無傳質阻力存在。 模型參數:氣相有效層流膜厚度(z G);液相有效層流膜厚度(z L)。吸收計算 -吸收機理2. 溶質滲透理論 溶質滲透理論:由希格比提出的一種非穩態模型;2要點:① 液面是由無數微小的流體單元所構成,暴露于表面的每個單元都在與氣相接觸某一短暫時間(暴露時間)后,即被來自液相主體的新單元取代,而其自身則返回液相主體內;② 溶質總是處于由相界面向液相主體縱深方向逐漸滲透的非穩態過程中。模型參數:暴露時間θs。吸收計算 -吸收機理3. 表面更新理論 表面更新理論:由丹克沃茨提出;2要點: ①液體表面是由具有不同暴露時間(或稱年齡)的液體微元所構成;② 各種年齡的微元被置換的幾率與它們的年齡無關,而與液體表面上該年齡的微元數成正比。[表面更新率(s):單位時間內表面被置換的分率] 模型參數:表面更新率s吸收計算 -吸收速率1. 吸收速率吸收速率:單位時間內單位相間傳質面積上吸收的溶質量。吸收速率方程式:表示吸收速率與吸收推動力之間的關系。膜系數k×氣膜或液膜的推動力總系數K×總推動力2. 氣膜吸收速率方程式吸收計算 -吸收速率3. 液膜吸收速率方程式雙膜理論吸收計算 -吸收速率4. 界面組成界面組成A:氣、液相主體的組成點;I:相界面的組成點。吸收計算 -吸收速率5. 總吸收速率方程式① 總推動力為(p- p*)的吸收速率方程式 吸收計算 -吸收速率氣膜控制對于易溶氣體,H值很大 示例:水吸收氨吸收計算 -吸收速率② 總推動力為(c*- c)的吸收速率方程式 吸收計算 -吸收速率液膜控制對于難溶氣體,H值很小 示例:水吸收氧 對于具有中等溶解度的氣體吸收而言,氣膜阻力與液膜阻力同時考慮。吸收計算 -吸收速率③ 總推動力為(Y- Y* )的吸收速率方程式 (低組成吸收)吸收計算 -吸收速率④ 總推動力為( X*- X)的吸收速率方程式 (低組成吸收)吸收計算 -吸收速率6. 小結不同吸收速率方程式的比較吸收計算 -吸收速率① 等效性;② 吸收系數單位是kmol/(m2·s·單位推動力);③ 吸收速率方程式中的吸收系數與吸收推動力的正確搭配;④ 上述各式是以氣液組成保持不變為前提的,故只適合描述穩態操作的吸收塔內任一橫截面上的速率關系,不能直接描述全塔的吸收速率; ⑤ 使用與總吸收系數相對應的各式時,在整個過程所涉及的濃度范圍內,平衡關系須為直線。使用吸收速率方程式時應注意:吸收計算 -吸收塔計算① 吸收常用塔設備,既可采用氣液相逐級接觸的板式塔,也可采用氣液相連續接觸的填料塔(為主);② 填料層是塔內實現氣液接觸的有效部位;③ 在對等條件下,逆流不僅獲得較大的平均推動力,而且可減少吸收劑消耗量、提高溶質吸收率,故吸收塔常用逆流。 吸收塔計算:確定吸收劑用量,繼而計算塔徑和塔的有效段高度1. 概述吸收計算 -吸收塔計算2. 吸收塔的物料衡算與操作線方程逆流吸收塔物料衡算下標1:塔底截面;下標2:塔頂截面V:kmol(B)/s;L:kmol(S)/s;Y1和Y2:kmol(A)/kmol(B);X1和X2:kmol(A)/kmol(S)。( :溶質吸收率或回收率)① 全塔物料衡算吸收計算 -吸收塔計算逆流吸收塔操作線衡算 操作線方程:描述塔內任一橫截面上氣相組成Y與液相組成X之間的關系。逆流吸收塔操作線濃端:具有最大氣液相組成;稀端:具有最小氣液相組成。② 吸收塔操作線方程吸收計算 -吸收塔計算③ 吸收劑用量 吸收計算中,V已知,須計算L;V一定時,若確定液氣比 L / V,即確定L。 確定液氣比L/V:先求出吸收過程的最小液氣比(L/V) min,然后根據工程經驗,確定適宜液氣比。 吸收塔的最小液氣比吸收塔吸收計算 -吸收塔計算3. 計算塔徑注意點: ① Vs以塔底氣量為依據; ② 關鍵在于確定適宜的空塔氣速u; ③ 圓整塔徑。 吸收計算 -吸收塔計算4. 填料層高度Z微元填料層物料衡算① Z的基本計算式物料衡算、傳質速率與相平衡 填料塔為連續接觸式塔設備,隨著吸收的進行,氣、液兩相組成沿填料層高度不斷變化,塔內各截面上吸收速率并不相同,故取微元填料層進行物料衡算。吸收計算 -吸收塔計算微元填料層物料衡算(a :有效比表面積;? :塔截面積) 體積吸收系數:在單位推動力下,單位時間、單位體積填料層內吸收的溶質量,kmol/(m3?s)。吸收計算 -吸收塔計算② 傳質單元數與傳質單元高度(HOG:氣相總傳質單元高度,NOG:氣相總傳質單元數)(HOL:液相總傳質單元高度,NOL:液相總傳質單元數)吸收計算 -吸收塔計算HOG 反映吸收速率的大小,HOG 越大,吸收速率越小NOG 反映吸收分離的難易程度,NOG 越大,吸收分離難度越大吸收計算 -吸收塔計算傳質與傳熱中單元數與單元高度(長度)比較吸收計算 -吸收塔計算③ 求傳質單元數1)平衡線為直線a. 脫吸因數式(S :脫吸因數)吸收計算 -吸收塔計算(A :吸收因數)吸收計算 -吸收塔計算b. 對數平均推動力法 吸收計算 -吸收塔計算吸收計算 -吸收塔計算2) 平衡線不是直線辛普森數值積分法貝克近似梯級法(P124)吸收計算 -吸收塔計算④ 理論板數填料塔高=理論板數×等板高度梯級圖解法求理論板數的步驟(P126): 先在直角坐標系中標繪出操作線和平衡線,然后,在操作線與平衡線之間,從塔頂(或塔底)開始逐次畫階梯直至與塔底(或塔頂)的組成相等或超過此組成為止,該階梯數即為理論板數。 克列姆塞爾方程:填料塔高=傳質單元高度×傳質單元數吸收計算 -吸收系數1. 吸收系數的獲取途徑① 實驗測定;② 經驗公式;③ 準數關聯式。2. 傳質準數① 施伍德準數(Sherwood)吸收計算 -吸收系數② 施密特準數(Schmidt)③ 雷諾準數吸收計算 -吸收系數④ 伽利略準數(Gallilio)⑤ 準數關聯式脫吸及其它吸收1. 脫吸脫吸:亦稱解吸,使溶解在液相中的氣體釋放出來。2. 脫吸方法① 氣提脫吸;② 減壓脫吸;③ 加熱脫吸;④ 加熱-減壓脫吸。3. 其它吸收:高組成吸收、非等溫吸收、多組分吸收和化學吸收(自學)
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