第三章吸收分析课件

第三章第三章 吸吸 收收第一节第一节 概述概述第二节第二节 吸收的相平衡吸收的相平衡第三节第三节 吸收速率吸收速率第四节第四节 强化吸收的途径强化吸收的途径第五节第五节 典型吸收设备典型吸收设备第六节第六节 填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算第三章 吸 收第一节 概述1第三章吸收分析课件2第三章吸收分析课件3第三章吸收分析课件4第一节第一节 概概 述述一、吸收及其在化工生产中的应用：1.吸收：就是用液体来吸附、收集气体。吸收是一种以质量传递理论为基础的单元操作，在此过程中，气体由气相通过扩散传递进入液相，从而完成传递与转移。此类的单元操作还有蒸馏、萃取、吸附、干燥等等。2.基本概念：吸收质、吸收剂、惰性质3.吸收的应用：回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理,如有害气体会使催化剂中毒，必须除去；或除去工业放空尾气中的有害 物,以免污染大气。第一节 概 述一、吸收及其在化工生产中的应用：5二、吸收操作的类型：1.物理吸收：吸收时溶质与溶剂不发生明显的化学反应，如洗油吸收苯，水吸收CO2、SO2等。物理吸收一般都是可逆的，吸收所能达到的最大程度取决于吸收条件下吸收质在液相中所能达到的平衡溶解度，吸收速率则取决于气相转移到液相的扩散速度。2.化学吸收：吸收时溶质与溶剂或溶液中的其它物质发生化学反应。如CO2在水中的溶解度甚低，但若用K2CO3水溶液吸收CO2，则在液相中发生下列反应：K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3 从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力，作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件：a.可逆性。若该反应不可逆，溶剂将难以再生和循环使用 b.较高的反应数率。若反应速率较慢，应研究加入适当的催化剂以加快反应速率。化学吸收的速率由扩散速率和化学反应速率决定。一般比物理吸收的速率大。化学吸收的平衡主要由当时条件下的吸收反应的化学平衡来决定。二、吸收操作的类型：1.物理吸收：吸收时溶质与溶剂不发生明显6三、吸收方法和流程：1.吸收方法：增大气液接触面积，使吸收更快更完全地进行。(1)喷淋吸收：把液体分散成小液滴，液体为分散相，气体为连续相；(2)鼓泡吸收：气体分散成小气泡，气体为分散相，液体为连续相；(3)膜式吸收：液体沿着某一壁面成膜状流动，液体为分散相，气体为连续相。2.吸收流程：(1)单程吸收 (2)循环吸收 (3)吸收与解吸结合吸收流程的共同特点：逆流共同特点：增大气液接触面积，使吸收更快更完全地进行。三、吸收方法和流程：2.吸收流程：共同特点：增大气液接触面积7四、实现吸收操作所要解决的问题：1.实现吸收操作所要解决的问题：选择合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分；提供适当的传质设备（多位填料塔，也有板式塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气相转移到液相（吸收）或气相(解吸)；2.溶剂的选择 溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡分压要低。这样，从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；就过程数率而言，溶质平衡分压，过程推动力大，传质数率快，所需设备尺寸小。溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。四、实现吸收操作所要解决的问题：8溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择得溶剂做全面的评价，以便作出经济、合理的选择。3.吸收操作的经济性吸收总费用设备(塔、换热器等)折旧费操作费(占比重大)操作费用主要包括：气、液两相流经吸收设备的能量消耗；溶剂得挥发度损失和变质损失；溶剂的再生费用，即解吸操作费用(在三者中占比例最大)。溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再9第二节第二节 吸收的相平衡吸收的相平衡一、吸收的相平衡和气体的溶解度：1.气体的溶解度：在一定的温度与总压下，使一定量的溶剂与溶质接触，溶质便由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时气液两相达到相平衡，液相中溶质达到饱和，浓度达到一最大限度，称为平衡溶解度，简称为溶解度（溶解度可以用不同的方式表示，相平衡关系亦可用不同的方式表示。注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是停止了。这种状态称为相际动平衡，简称相平衡。当吸收达到相平衡时，则有：当吸收达到相平衡时，则有：吸收质的溶解度吸收质的溶解度=饱和浓度饱和浓度=溶液的最大浓度溶液的最大浓度=溶液的平衡浓度溶液的平衡浓度 2.溶解度的影响因素：气体和溶剂的性质、温度、压力都会影响气体的溶解度。第二节 吸收的相平衡一、吸收的相平衡和气体的103.亨利定律：吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较低，即常在稀溶液范围内。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线，即气液两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。气液组成用不同的单位表示时，亨利定律有以下3种形式：3.亨利定律：11P*与液相平衡的气相中吸收质的分压，单位：Pa或MPac液相中吸收质的浓度，即溶解度，单位：kmol/m3H常数，称为溶解度系数，单位：kmol/m3PaE亨利系数，单位：Pam相平衡系数系数，无单位上述3种形式的亨利定律，最常见的是最后一种形式，相平衡常数有时不是已知，而是给定亨利常数(或溶解度系数)，所以必须知道它们相互间的换算关系。P*=ExP*p=Epx y=p*/py*=Epx x 液相中吸收质的摩尔分率，单位：mol(吸收质)/mol(溶液)y 气相中吸收质的摩尔分率，单位：mol(吸收质)/mol(混合气体)P*与液相平衡的气相中吸收质的分压，单位：Pa或MPac液相12二、相组成的表示方法及其换算：1.相组成的表示方法：m3(气体)/m3(溶剂)、kmol/m3、kg/m3、摩尔分率x、y，在以后的计算中，我们经常要用到比摩尔分率X、Y，Y=mol(吸收质)/mol(溶剂)，X=mol(吸收质)/mol(惰性质)Y=y1-yX=x1-x2.各种浓度间的换算关系：(1)溶液中吸收质的浓度c与x间的换算关系：c=Max+Ms(1 x)=cT x溶液的密度Ma吸收质的摩尔质量Ms吸收剂的摩尔质量cT溶液的总浓度，mol(吸收质+吸收剂)/m3(溶液)二、相组成的表示方法及其换算：1.相组成的表示方法：Y=y13对于稀溶液：x值很小 c=Max+Ms(1 x)=c=Max+Ms(1 x)xcT=Ms Ms对于很稀的水溶液：cT=Ms=100018=55.5 c=55.5x 此数据要记住，考试时不给。(2)摩尔分率与比摩尔分率间的换算：Y=y1-yX=x1-xy=Y1+Yx=X1+X(3)亨利定律的比摩尔分率形式：Y*=mX1+(1 m)X对于稀溶液：Y*=mX浓度间的换算关系例题见书对于稀溶液：x值很小 c=Max+Ms(1 x14第三节第三节 吸收速率吸收速率在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题：过程的极限和过程的速率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传递。两相间物质的传递机理包括三种。一、吸收传质机理：一、吸收传质机理：1.物质的扩散形式：分子扩散：由分子自身的热运动所引起的物质传递。这种传质类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。分子扩散遵循费克定律：扩散速率即单位即单位时间扩散传递的物质量与传质面积和沿传质方向的浓度梯度成正比,在稳定条件下 N=Ac/式中:N-扩散速率,mol A-传质面积,m2 c-浓度差,molm-3D-扩散系数,m2s-1-扩散距离,m第三节 吸收速率在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问15涡流扩散：是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为涡流扩散。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是涡流扩散。(3)对流扩散：分子扩散和涡流扩散合称为对流扩散。将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流扩散的结果。2.有关吸收机理的理论：（1）有效膜理论(双膜理论)（刘易斯Lewis、惠特曼 Whitman，1923年）a.气液两相作相对运动时，在两相的界面两侧存在着作层流流动的稳定的气膜和液膜。按照这一观点，吸收过程就是这样进行的：界面，yi，xi气膜边界液膜边界气膜液膜气相湍流主体 y液相湍流主体 x涡流扩散：是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为涡流扩16b.在两相界面上，吸收质的溶解是瞬时完成的，且在界面上，气液两相总是处于平衡状态，即吸收质在通过界面时并不受任何阻力的影响。c.吸收质在气相主体和液相主体中的扩散是以涡流扩散的方式进行的，而气膜和液膜中的则是以分子扩散的方式进行。双膜理论的优势：极大地简化了吸收过程，为计算吸收速率奠定了基础，对强化吸收传质过程起一个积极的推进作用。双膜理论的局限性：只适用于流速不大的情况，否则稳定的界面和双膜均不存在。（2）溶质渗透理论（希格比 Higbie，1935年）希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合，使液体的浓度均匀化，在某一时间内，液相中发生的不再是定态的扩散过程，而是非定态的扩散过程。（3）表面更新理论（丹克沃茨 Danckwerts,1951年）丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新传质过程大大强化，其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质。b.在两相界面上，吸收质的溶解是瞬时完成的，且在界面上，气液17三、吸收速率方程：1.传热与传质过程的比较：传热过程是冷、热两液体间的热量传递，传递的是热量，传递的推动力是两流体间的温度差，过程的极限是温度相等；吸收过程是气液两相间的物质传递，传递的是物质，但传递的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相浓度相等。2.吸收速率方程：对传热：q=kAt=系数 接触面积 推动力对吸收：吸收速率=系数 接触面积 推动力吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别为：设y 和x分别为气液相主体中吸收质的摩尔分率,yi和xi分别为界面上气液两相中吸收质的摩尔分率,则在吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别是 N=ky A(y-yi)N=kx A(xi-x)三、吸收速率方程：吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别为18式中式中:N-吸收质的吸收传质速率,mols-1A-气液接触面积,m2y-yi-气膜中的吸收推动力,摩尔分率差;xi-x-液膜中的吸收推动力,摩尔分率差:kx-液膜吸收传质分系数,molm-2s-1ky-气膜吸收传质分系数,mol m-2s-1(1)气相总吸收速率方程式：根据双膜理论的第二条，在界面上气液两相处于平衡状态,因而符合亨利定律：yi=m xi另外,设与浓度为x(摩尔分率)的溶液平衡的气相中吸收质的摩尔分率为y*,则 y*=mxyi=m xiN=kx A(xi-x)NkyA=(y-yi)NkxA/m(yi y*)=11+mkxA(yi y*)N=kx式中:N-吸收质的吸收传质速率,mols19Ky是以气相浓度差(y-y*)表示总推动力时的吸收传质系数,简称为气相吸收传质总系数,单位为molm-2s-1令则N=Ky A(y-y*)-气相总吸收速率方程式气相总吸收速率方程式1Ky1=ky+kxm(2)液相总吸收速率方程式：N=Kx A(x*-x)111=+KxkymkxKX是以液相浓度差(x*-x)表示总推动力时的吸收传质系数,简称为液相吸收传质总系数,单位为molm-2s-1(3)吸收速率方程式的其它表示方法：书上69页(4)KX与Ky的换算：KX=m KyKy是以气相浓度差(y-y*)表示总推动力时的吸收传质20第四节第四节 强化吸收的途径强化吸收的途径一、提高吸收传质系数：一、提高吸收传质系数：1.吸收阻力：吸收传质系数的倒数是吸收阻力：111=+kxkymkx1ky1=ky+kxm总阻力=气膜阻力+液膜阻力注意：吸收总阻力可用1/KX或者1/Ky来表示，它们也是与推动力的表示方法相对应。2.强化吸收的措施：(1)提高气液两相的相对运动速度，以降低气膜和液膜的厚度，从而气膜和液膜阻力，提高吸收传质系数；(2)对于易溶气体，m很小，则Ky ky，即气膜阻力远大于液膜阻力，吸收速率主要受气膜控制，这种吸收过程称为气膜控制过程。第四节 强化吸收的途径一、提高吸收传质系数：1.吸收阻力21对于气膜控制过程，可采用喷淋吸收的，使气体受到搅动，气膜减薄，因而气膜阻力降低。(3)对于难溶气体，m很大，Kx kx，液膜阻力远大于气膜阻力，吸收速率主要液膜控制，这种吸收过程称为液膜控制过程。对液膜控制过程，可采用鼓泡吸收，气体分散成小气泡，使液体受到搅动，液膜减薄，因而吸收阻力降低。书上，70页列出了一些吸收过程的控制因素。二、增大吸收推动力：二、增大吸收推动力：y=y-y*,y增大，y*减小，则y 就可增大。但增大y不可能，所以只能降低y*,而y*=mx，所以(1)降低x：增大吸收剂的用量，则x就可降低；(2)降低m：所以，选择溶解度系数大的吸收剂，提高吸收系统的压强均可降低y*H又随温度的降低而增大，所以吸收过程应在低温、高压下进行。(3)采用逆流也可增大y 对于气膜控制过程，可采用喷淋吸收的，使气体受到搅动，气膜减薄22把以上因素综合起来，增大吸收推动力应采用下列方法：用较多的、溶解度系数较大的吸收剂，在低温、高压的条件下，采用逆流进行操作。三、增大气、液接触面积：这一措施，主要在于改善设备的结构。在设备内，增大气液接触面的方法主要有：(1)增大气体或液体的分散度：(2)在吸收塔内放置填料，以增大气液接触面。第五节第五节 典型吸收设备典型吸收设备对吸收设备的要求：1.气液接触良好，吸收速率大2.设备阻力小(压强降小)；3.稳定操作的范围大；4.结构简单，造价低，便于清理和维修。把以上因素综合起来，增大吸收推动力应采用下列方法：用较多的、23第六节第六节 填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算如图所示是一个稳态操作逆流接触的吸收塔G惰性气体的流量，B，kmol/s;L纯吸收剂的流量，S，kmol/s;Y、进出吸收塔气体中溶质的比摩尔浓度，kmol(A)/kmol(B)。X1、X2出塔及进塔液体中溶质的摩尔比浓度，kmol(A)/kmol(s)。注意，本章中塔底截面一律以下标“1”表示，塔顶一律以下标“2”表示。在全塔范围内作溶质的物料衡算，稳定操作时，吸收质在气相中的减少量=吸收质在液相中的增加量 GY1GY2 =LX1LX2 G Y2GY1LX2LX1YXmn填料塔的计算内容：物料衡算、吸收剂的用量、塔径、物料衡算、吸收剂的用量、塔径、吸收推动力、填料高度。吸收推动力、填料高度。第六节 填料吸收塔的计算一、全塔物料衡算如图所示是一个24在mn截面与塔顶端面之间进行衡算，得：GYGY2 =LXLX2 ，整理后为 一般情况下，进塔混合气体的流量和组成是吸收任务所规定的，若吸收剂的流量与组成已被确定，则G、L、Y1及X2为已知数，则上式就反映了Y与X之间的一种关系，而Y与X是吸收塔内任一截面上的气、液相组成，因此，该式实际上表明了吸收塔内任一截面上气液两相中吸收质的浓度关系。吸收塔内任一截面上气液两相中吸收质的浓度关系。所以，我们把它称为吸收操作线方程。所以，我们把它称为吸收操作线方程。X AB线为吸收操作线，直线的斜率L/G液气比称为液气比。A点表示塔底的气液相组成(Y1，X1)，B点表示塔顶的气液相组成(Y2，X2)。Y*=f(x)YY1YY2ABOX2XX1M在mn截面与塔顶端面之间进行衡算，得：GYGY2 25二、吸收剂的用量：二、吸收剂的用量：液气比L/G也可以看作是每处理1mol惰性质所需要的吸收剂的用量，所以，也称为吸收剂的单位耗用量。当进行吸收时，吸收操作线必位于气液平衡线上方。因为在塔内任意截面上，溶质在气相中的实际浓度Y总是高于与液相平衡的气相浓度Y*，即吸收推动力(Y Y*)大于0；反之，若操作线位于平衡线下方，则进行脱吸过程。在吸收操作线方程中若其它量都是已知量，则吸收剂的流量L和出塔液的浓度X1之间就有一定的对应关系。在达到生产任务的情况下，减少吸收剂的用量L，则操作线的斜率L/G减小，此时出塔液的浓度X11增大；若增大在L，则操作线斜率增大，出塔液的X12浓度减小。Y*=f(x)YY1YY2ABOX2 XX1MX11X12思考题：如果吸收剂的用量不断减少，操作线的斜率也将不断减小，出塔液的浓度会不会无限增大？二、吸收剂的用量：液气比L/G也可以看作是每处理1mol惰性26Y1与与X1max是位于气液平衡线上的点，即是位于气液平衡线上的点，即Y1与与X1max符合气液平衡关系符合气液平衡关系Y*=f(x)，设此，设此时的气液相组成符合亨利定律，即时的气液相组成符合亨利定律，即当出塔液的浓度达到最大值，即达到平衡浓度时的吸收剂的用量称为吸收当出塔液的浓度达到最大值，即达到平衡浓度时的吸收剂的用量称为吸收剂的最小理论用量。剂的最小理论用量。Y*=f(x)YY1Y2OX2X1max当吸收剂达到最小用量时，吸收的当吸收剂达到最小用量时，吸收的操作线就会与平衡线相交，它们的操作线就会与平衡线相交，它们的交点所对应的横坐标即为出塔液的交点所对应的横坐标即为出塔液的最大浓度。最大浓度。此时的液气比称为最小液气比此时的液气比称为最小液气比(L/G)min把此时的操作参数代入操作线方程中，则把此时的操作参数代入操作线方程中，则(L/G)min=Y1-Y2X1max-X2Y1=m X1max1+(1 m)X1max据此式，可求出据此式，可求出X1max=Y1m-(1 m)Y1即由进塔气浓度即由进塔气浓度Y1就可求出出塔液的最大浓度就可求出出塔液的最大浓度Y1与X1max是位于气液平衡线上的点，即Y1与X1max符27对稀溶液对稀溶液，Y1=mX1max ,则则X1max=Y1/m从此式中也可以看出，进塔所的组成从此式中也可以看出，进塔所的组成Y1一定，其实出塔液的最大浓度也就是一定，其实出塔液的最大浓度也就是一个定值了，即一个定值了，即Y1一定，气液平衡关系一定，它们的交点的横坐标就一定。一定，气液平衡关系一定，它们的交点的横坐标就一定。思考题：实际生产中会不会采用最小吸收剂用量，为什么？例题：书上77页3-4、78页3-5吸收率：被吸收的吸收质占进塔吸收质总量的分率三、填料塔直径的计算：三、填料塔直径的计算：空塔速度：吸收塔内没有填料时气体通过塔的线速度。设流体的体积流量为qv(m3/s),塔的直径为D(m)，空塔速度为u(m/s),则在吸收塔中，当塔径太小时，气体速度太大，将会使气体把吸收剂吹上去，相当于出现液体倒流的情况，即“液泛”。对稀溶液，Y1=mX1max ,则X1max=Y28气体在填料吸收塔中的实际空塔速度一般取液泛速度的4070%，液泛速度可由书上的公式来求取。(81页)例题：书上81页。四、吸收推动力的计算：四、吸收推动力的计算：吸收推动力的表示方法：p、y、x、Y等等。Y=Y Y*，Y即吸收质在气相中的比摩尔分率，可以从吸收操作线上查出，而Y则是与液相平衡的气相浓度，它的值对应地可从平衡线上查出，所以吸收推动力即是操作线与平衡线之间的垂直距离。Y*=f(x)YY1YY2ABOX2XX1MY*对塔中的任一截面Y=Y Y*对塔底：Y1=Y1 Y1*对塔顶：Y2=Y2 Y2*若以液相浓度来表示：X=X*X；X1=X1*X1；X2=X2*X2即推动力是操作线一平衡线间的水平距离。气体在填料吸收塔中的实际空塔速度一般取液泛速度的4070%29从以上两种推动力的表示方法中可见，吸收塔内每个截面上的吸收推动力并不相等，所以全塔的平均推动力为：设气液相平衡线为直线，即符合亨利定律y=mx,则Ym=Y1/Y22五、填料高度的计算：五、填料高度的计算：N=kY A YmN=G(Y1-Y2)A=a S HG(Y1-Y2)=kY aSH YmHOG=传质单元高度传质单元数NOG=a 填料的有效比表面积,m2/m3 ；S 塔的截面积；H 填料高度。从以上两种推动力的表示方法中可见，吸收塔内每个截面上的吸收推30HOL=传质单元高度NOL=传质单元数如果以液相为基准，则 N=L(X1-X2)HOL=传质单元高度NOL=传质单元数如果以液相为基准，则N31