第八章 气体吸收.ppt
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1、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
2、、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
3、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
4、、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
5、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
6、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81 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
7、,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)
8、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
9、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
10、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1.22.0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
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