化工原理第八章气体吸收.ppt

1 第八章气体吸收 8 1概述8 2吸收过程相平衡基础8 3吸收过程模型及传质速率方程8 4吸收 或脱吸 塔计算8 5其他类型吸收 2 一 气体吸收在化工中的应用吸收是将气体混合物与适当的液体接触 利用个组分在液体中溶解度的差异而使气体中不同组分分离的操作 混合气体中 能够溶解于液体中的组分称为吸收质或溶质 不能溶解的组分称为惰性气体 吸收操作所用的溶剂称为吸收剂 溶有溶质的溶液称为吸收液或简称溶液 派出的气体称为吸收尾气 吸收操作是气体混合物的主要分离方法 化工生产中它有以下几种具体的应用 化工产品 分离气体混合物 从气体中回收有用组分 气体净化 原料气的净化和尾气 废气的净化 生化工程 3 二 吸收过程分类按照吸收过程是否伴有化学反应将吸收区分为化学吸收和物理吸收两大类 在气体吸收中 若混合气体中只有一个组分在吸收剂中有一定的溶解度 其余的组分的溶解度可以忽略 这样的吸收过程称为单组分吸收 如果有两个或更多的组分能溶解于吸收剂中 这一过程称为多组分吸收 在吸收过程中 当气体溶解于液体中时 通常有溶解热产生 若进行伴有放热的化学吸收时 还要放出反应热 因此随着吸收过程的进行液相温度要逐渐增高 这样的吸收称为非等温吸收 但若热效应很小 或被吸收的组分浓度很低 且吸收剂的用量较大 则温度的变化不显著 此时吸收过程可认为是等温吸收 4 三 工业吸收过程工业的吸收过程常在吸收塔中进行 生产中除少部分直接获得液体产品的吸收操作外 一般的吸收过程都要求对吸收后的溶剂进行再生 即在另一称之为解析他的设备中进行于吸收相反的操作 解吸 因此 一个完整地吸收分离过程一般包括吸收和解吸两部分 5 8 2吸收过程相平衡基础 6 8 2 1气液相平衡关系气体混合物与溶剂S相接触时 将发生溶质气体向液相的转移 使得溶液中溶质 A 的浓度增加 充分接触后的气液两相 液相中溶质达到饱和 此时瞬间内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抵 在宏观上过程就像停止一样 这种状态称为相际动平衡 简称相平衡或平衡 对于单组分物理吸收 组分数c 3 溶质A 惰性气体B 溶剂S 相数 气 液 自由度数F应为即在温度 总压和气 液组成共四个变量中 有三个是自变量 另一个是它们的函数 7 在一定的操作温度和压力下 溶质在液相中的溶解度由其相中的组成决定 在总压不很高的情况下 可以认为气体在液体中的溶解度只取决于该气体的分压 而与总压无关 于是 与得函数关系可写成当然 也可以选择液相的浓度作自变量 这时 在一定温度下的气相平衡分压和的函数 气液平衡关系一般通过实验方法对具体物系进行测定 8 8 2 2亨利定律亨利定律是稀溶液重要的经验定律 在低压 通常指总压小于0 5MPa 和一定温度下 气液相达到平衡状态时 其数学表达式如下 若溶质在液相中的浓度用物质的量浓度 表示 则亨利定律可表示成 若溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x与y表示 则亨利定律可表示成 9 8 3吸收过程模型及传质速率方程 10 8 3 1双膜模型在吸收中的应用气体吸收是把气相中的溶质传到液相的过程 即相际间的传质 它由气相与界面的对流传质 界面上溶质组分的溶解 界面与液相的对流传质三个步骤串联而成 11 由膜模型传质理论 气相传质速率可表示为令得同理 由膜模型理论 液相传质速率式为令得 12 线上 若在 点附近两项组成x y所涉及的范围内 平衡县可近似看成斜率为m的直线 若服从亨利定律 则 为相平衡常数 则或 8 3 2传质速率方程一 传质速率方程如图所示 吸收塔一截面气液两相主体浓度在上可用一点a表示 此点一般不在平衡线上 如双膜模型假设成立 表示界面上两相组成关系的点 必位于平衡 13 不同的推动力所对应的不同传质系数和速率方程 表8 1传质速率方程的各种形式 14 二 界面浓度的求取当 随浓度变化时 用分传质速率方程式计算更加方便 界面浓度与存在关系有 1 有双膜模型理论 与在平衡线上 如果平衡线以表示 则 2 可导出平衡关系与上式联立可求解界面浓度与 在用作图法求解时 从气 液两相的实际浓度点 出发 作斜率为的一条直线 此直线与平衡线的交点即为所求的界面浓度 15 三 传质阻力分析总传质阻力为气相分传质阻力与液相分传质阻力之和 若分传质阻力中 则总传质阻力 此时的传质阻力集中于气相 称为气相阻力控制 亦称气膜控制 气相阻力控制的条件是 或 此时若描绘于图上 则连接气 液实际浓度点 x y 与界面浓度点 的直线ab很陡 溶质在吸收剂中的溶解度很大 即平衡线斜率 很小 相平衡曲线平坦 16 同时由图 a 可知 在气相阻力控制条件下 以气相摩尔分率差表示的分传质推动力接近于总推动力 总推动力主要用于克服气相阻力 图 两相中的吸收传质阻力示意图 17 液相阻力控制的条件是 或 图 b 中连接气 液实际浓度 x y 与界面浓度 的直线ab较平坦 2 溶质在吸收剂中的溶解度很小 即平衡线斜率m很大 相平衡曲线OE很陡 同时 由图 b 可知 在液相阻力控制条件下 以液相摩尔分率差表示的分传质推动力接近于总传质推动力 总推动力主要用于克服液相阻力 18 8 4吸收 或脱吸 塔计算 19 以不变的量作为物料恒算的基准 对于气体 是其中惰性气体 的流率 而对于液体 则是其中溶剂 的流率 与此相应 气液相组成应采用摩尔比表示 8 4 1物料恒算和操作线方程一 全塔物料恒算稳定操作的逆流吸收塔内气 液流率和组成如图 所示 其中以下标 代表塔顶 下标 代表塔底 A B S分别代表溶质 惰性气体和溶剂 20 对图 所示的吸收过程作全塔物料恒算 如下 式中 分别代表塔顶 塔底气液相摩尔比 吸收操作时 表征吸收程度有两种方式 即 吸收目的是为回收有用物质 通常以吸收率表示 吸收的目的是为了除去气体混合物中的有害物质 一般直接规定出塔气中有害物质的残余浓度 21 二 操作线方程及操作线为确定吸收塔内任一塔截面上相互接触的气 液组成间的关系 可对吸收塔塔顶和任一截面间 即图 种虚线所示的范围 作物料恒算如下 即为逆流吸收塔的操作线方程式 整理得同理 亦可对塔底与任一截面间作物料恒算 得整理得 22 8 4 2吸收剂用量的确定关于吸收剂用量 从能耗的角度考虑 希望流量要小 但限于气体在液体中的溶解度 流率小到一定程度则达不到吸收要求 故需合理选取 根据生产实践经验 一般情况下取吸收剂用量为最小用量的1 2 2 0倍是比较适宜的 即或最小液气比可用图解法或计算求出 操作线与平衡线在点相交 从而或 23 如果平衡曲线呈现如图 种所示的形状 则应过点A作平衡曲线的切线 找到水平线与此切线的交点 按下式计算最小液气比 即或 24 8 4 3低浓度气体吸收时的填料层高度当进塔混合气中的溶质浓度不高 例如小于 时 通常称为低浓度气体吸收 计算此类吸收问题时可作如下假设而不致引入显著误差 对应于图 种的流程 1 气液相流量可视为常量 2 吸收过程可视为等温吸收 3 传质系数可视为常量 25 对于低浓度气体的吸收 可近似的用气 液流经全塔的混合气体与液体的流率 代替惰性组分的流率 并以摩尔分率 代替摩尔比 有 或物料恒算式也可作 26 一 填料层高度的计算进行填料计算时 传质速率方程和物料恒算式应对填料层的微分高度列出 然后几分得到填料层总高度 27 若以气 液相摩尔分率差为总传质推动力计算传质速率 得 对于稳定的低浓度气体的吸收过程 均不随时间而变 且在塔内不同截面位置上均为定值 总传质系数 在全塔范围内也可视为常数 则 若选用气 液相摩尔分率差作为分传质推动力来计算传质速率 同理可得 28 若将传质单元的概念应用于以业相摩尔分率差作为总船只推动力的情形 则可得式中 令则以气相摩尔分率差为总传质推动力的填料层高度计算式可写成 二 传质单元数与传质单元高度 29 相应的传质单元数及传质单元高度表示如下表 表8 2传质单元高度与传质单元数 30 三 传质单元数的计算 对数平均推动力法在吸收操作所涉及的组成范围内 若相平衡关系可用直线方程表示 即相平衡关系服从亨利定律 或在操作组成范围内平衡关系为直线 此时传质推动力和分别随 和x呈线性变化 推动力或相对于x或y的变化率均为常数 从而 31 令称为气相对数平均传质推动力 32 用同样的方法 可得式中称为液相对数平均传质推动力 33 吸收因数法除对数平均推动力法 也可将相平衡关系与操作线方程代入中 直接积分求取得 也常写成 同理也可以推出以液相浓度为总传质推动力的传质单元数的表达式 34 当平衡关系不满足亨利定律 但可近似地以直线表示时 则变成式中 35 3 其他计算方法传质单元数的求解 其实质为如何确定定积分的值 当平衡线不能作为直线 显然上述对数平均推动力法和吸收因数法已不能适用 此时 除按照定积分的物理意义用图解积分外 还可采用数值积分 后者随着电子计算机技术的发展及相关工程计算软件的开发和利用 已变得易于实现并得到广泛应用 36 8 4 4填料塔的设计型计算和操作型分析填料吸收塔的计算问题可分为设计型和操作型两类 两类问题均可通过联立全塔物料恒算式 填料层高度计算式及相平衡关系式求解 一 填料塔的设计型计算设计型计算的特点是给定进口溶质浓度 进塔混合气的流率G 相平衡关系及分离要求 计算所需要的填料层高度 在给定条件下 要完成设计型计算尚需解决以下几方面的问题 1 为计算塔高 必须确定传质系数 2 气 液流向的选择 3 吸收剂进口浓度的确定 4 吸收剂用量的确定 37 二 填料塔的吸收型计算吸收操作型计算特点是塔设备已给定 对填料塔则填料层高度h已知 计算的基本类型有 1 校核现有的塔设备对制定的生产任务是否适用 如已知T P h G L 校核是否满足要求 2 考察某一操作条件改变时 吸收结果的变化情况或为达到制定的生产任务应采取的调节措施 38 同理 若液相浓度较高泽液相传质分系数也与液相浓度 有关 综上所述 可知高浓度气体吸收的计算要比低浓的复杂得多 为考虑传质系数变化的影响 常选用气相传质速率方程作为计算的基础 有 8 4 5高浓度气体吸收时填料层高度的计算当入塔气体的溶质含量较高 例如超过10 对低浓度气体的简化处理方法显然不在适用 高浓度气体吸收时 按膜模型理论 气相传质分系数表示为 39 8 4 6塔板数吸收操作除用填料塔外 也可采用板式塔 板式塔的主要特点是 气液两相的接触是在塔板上进行的 故组成沿着塔高呈阶跃式而不是连续式的变化 为计算板式塔完成吸收任务所需的塔板数 要应用物料恒算和气液平衡量关系 其常用方法是图解法 40 一 梯级图解法求理论塔板数 在塔设备内任一取一截面 设其位置落在第n 1与n块板之间 对于塔顶 底作溶质物料恒算 可得到操作线方程如下 在板式吸收塔计算中 为简明计 常引用 理论塔板 的概念 其定义是 气液两相在这种塔板上相遇时 因接触良好 传质充分 以致两相在离开塔板时已达到平衡 41 代表离开各层理论板气 液组成的点 都在图 的平衡线OE之上 42 一直类推到第层理论板之下 塔底 得到即 二 解析法求理论塔板数当平衡关系符合 操作线为直线时 用克列姆塞尔 Kremeser 等人提出的解析方法求理论塔板数 由于离开任一层理论塔板的液 气组成 符合相平衡式 故有 有 43 对板式吸收塔而言 塔板上的事迹传质情况远不如理论塔板完善 故所需的实际塔板数较理论塔板数 为多 常用塔板效率来衡量这种差别 定义全塔板效率或总板效率为包括了传质动力学因数 其值与物系和塔板结构 操作条件有关 板式吸收塔的全塔板效率可由实验测定或经验关联图确定 通常吸收塔的范围约为 44 8 4 7解吸 脱吸 把溶液中的气体溶质释放出来的过程称为脱吸或解吸 其传质方向与吸收相反 为吸收的逆过程 其目的是为了实现溶剂再生 并回收溶质 若吸收的目的是为了制取溶液成品 就不需要脱吸 化工生产中常见的脱吸方法有以下几种 1 通入惰性气体 气提法 2 通入直接水蒸气 汽提或提留 3 降低压力 45 8 5其他类型吸收 46 8 5 1多组分吸收多组分吸收是指其体混合物中有几个组分同时被吸收的过程 多组分气体吸收一般可分为贫气吸收与富气吸收两类 若进他气体中个溶质组分的浓度都不高称为贫气 否则为富气 通常 多组分吸收对起关键作用的组分 称作关键组分 规定分离要求 由于是相同的操作条件和设备 故其他组分的被吸收量由其平衡关系及各组分间的相互关系确定 现以贫气多组分吸收为例 介绍简捷计算法在吸收过程设计中的应用 其他的计算方法清参考相关的专著 图 是具有 块理论板的吸收塔示意图 47 对第 板作 组分的物料恒算假设各组分的气液平衡关系服从亨利定律 且各组分的平衡关系互不影响 即则 最后解 得 48 8 5 2化学吸收吸收过程中 溶质气体与溶剂中的某一个 或一个以上 组分可能发生化学反应 这种有显著化学反应的吸收过程称为化学吸收 化学吸收的液相传质速率方程也可表达为物理吸收那样的形式 当吸收为液膜控制时 由于液相反应能够显著的减小液膜传质阻力从而减小总阻力 同时液膜控制又见于难溶 难吸收 吸收容量小的物系 故采用化学吸收法其优点就很明显 当吸收为气膜控制时 液膜阻力的降低对总阻力的影响不大 而且这类物系又多见于易吸收 吸收容量大的物系 则应用化学吸收法优点就不明显 49 8 5 3非等温吸收通常吸收操作可分为等温和非等温吸收两类 吸收过程中的热效应主要包括 溶质气体溶解时的溶解热 溶质与吸收剂发生化学反应的反应热 吸收剂中的易挥发组分带走的汽化热 热效应引起的温度变化对吸收过程的影响主要有如下两方面 影响气液平衡关系当吸收的溶质量较大时 这些热效应使得塔内液相温度随其浓度的升高而增大 从而使平衡关系变得不利于吸收过程的进行 影响吸收速率温度升高 气相分传质系数下降 当吸收塔进行非等温吸收操作时 其传质单元数或理论塔板数的计算与等温吸收并无原则性的区别 不同之处在于非等温吸收操作时需先根据塔中操作的实际情况 即塔内温度与温度的变化关系确定两相的实际平衡曲线 由此确定吸收操作的液气比和吸收操作线 当平衡曲线和操作线确定后 前述等温吸收的计算方法可直接应用于非等温吸收