化工原理课件9吸收.ppt
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1、9 9 吸收吸收9.1.1 吸收的应用(目的)吸收的应用(目的)9.1 9.1 概述概述1.原料气的净化:煤气中原料气的净化:煤气中H2S的净化的净化2.有用组分回收:合成氨厂放空气中氨回收、有用组分回收:合成氨厂放空气中氨回收、DMF回收回收3.某些产品的制取:某些产品的制取:HCL、NOx、SO3气体制酸气体制酸4.废气的治理废气的治理:工业废气:工业废气SO2吸收吸收1.根据溶质与溶剂是否反应:物理吸收和化学吸收根据溶质与溶剂是否反应:物理吸收和化学吸收2.根据热效应:非等温吸收和等温吸收根据热效应:非等温吸收和等温吸收3.根据被吸收溶质的数目:单组分吸收和多组分吸收根据被吸收溶质的数目
2、:单组分吸收和多组分吸收4.根据操作压力:常压吸收和加压吸收根据操作压力:常压吸收和加压吸收5.根据溶质的浓度不同:低浓度吸收和高浓度吸收根据溶质的浓度不同:低浓度吸收和高浓度吸收 本章主要研究:常压、等温、填料塔中单组分、低本章主要研究:常压、等温、填料塔中单组分、低浓度物理吸收浓度物理吸收9.1.2 吸收操作分类吸收操作分类水水粗苯粗苯水水直接蒸汽直接蒸汽焦炉煤气焦炉煤气脱苯煤气脱苯煤气贫油贫油富油富油吸吸收收塔塔解解吸吸塔塔换换热热器器冷冷却却器器冷却冷却-冷凝器冷凝器吸收液贮槽吸收液贮槽脱吸液贮槽脱吸液贮槽图图9-1 从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图9.
3、1.3 吸收的流程吸收的流程gas inletliquid outletgas outletliquid inlet图图9-2a 气液逆流串联气液逆流串联1.气液流向气液流向2.多塔吸收多塔吸收9.1.3 吸收的流程吸收的流程gas inletliquid outletgas outletliquid inlet图图9-2b 气体串联、液体并联气体串联、液体并联2.多塔吸收多塔吸收3.加压吸收:加压吸收:p,有利于吸收;有利于吸收;p ,有利于解吸有利于解吸4.关于脱吸(解吸)关于脱吸(解吸)9.1.3 吸收的流程吸收的流程吸收剂应具有的特点:吸收剂应具有的特点:溶解度:大溶解度:大 敏感性:
4、好敏感性:好 选择性:好选择性:好 蒸汽压:低(不易挥发,减少溶剂损失,避免在气体中引入新的杂质)蒸汽压:低(不易挥发,减少溶剂损失,避免在气体中引入新的杂质)粘粘 度:低(利于传质及输送)度:低(利于传质及输送)比比 热:小(再生时耗热量小)热:小(再生时耗热量小)发泡性:低(以免过分限制气速而增大塔的体积)发泡性:低(以免过分限制气速而增大塔的体积)腐蚀性:低(减少设备费和维修费)腐蚀性:低(减少设备费和维修费)安全性:好(避免易燃易爆)安全性:好(避免易燃易爆)经济性:易得到易再生经济性:易得到易再生T、p,有利于吸收;有利于吸收;T、p ,有利于解吸有利于解吸9.1.4 溶剂选择溶剂选
5、择9.2.1 吸收相平衡关系吸收相平衡关系 1、溶解度曲线、溶解度曲线 pA,cA,NA,当当 0时,推动力时,推动力 0,cA cA*,气液相平气液相平衡衡溶解度溶解度单单组分物理吸收,变量:组分物理吸收,变量:p、T、pA、cA 三个组分:溶质三个组分:溶质A、溶剂溶剂S、惰性气体惰性气体B两个相:气相、液相两个相:气相、液相自由度数:自由度数:F=C-+2=3-2+2=3T,p一定一定或或9.2 9.2 吸收基本理论吸收基本理论T=273KNH3SO2CO2O2溶解度曲线溶解度曲线气体气体O2CO2SO2NH3n3210图图9-3 293K下几种气体在水中的溶解度曲线下几种气体在水中的溶
6、解度曲线(1)T、pA相同时,不同相同时,不同气体溶解度区别很大:气体溶解度区别很大:难溶气体:难溶气体:O2、CO2 易溶气体:易溶气体:NH3 中等溶解度:中等溶解度:SO2(2)在)在低浓度低浓度范围内,可将范围内,可将溶解度曲线看作直线:溶解度曲线看作直线:溶解度系数,溶解度系数,kmol/(m3.Pa)(9-3)与与气相溶质分压气相溶质分压pA成成平衡关系的平衡关系的液相中溶质的浓度液相中溶质的浓度9.2.1 吸收相平衡关系吸收相平衡关系2、亨利定律(、亨利定律(Henry law)适用稀溶液适用稀溶液与液相溶质浓度与液相溶质浓度cA 成平衡成平衡关系的气相中溶质的分压关系的气相中溶
7、质的分压亨利系数,亨利系数,Pa(9-5)H,E,越易越易溶。溶。E=f(T)p,H,E,有利于吸收有利于吸收T,H,E H=f(T):一般一般 p 的影响可忽略的影响可忽略E=f(T,c):E=c/Hm=f(T,p,c):m=E/p=c/(H p)(9-7)与液相摩尔分率与液相摩尔分率xA成成平衡的气相摩尔分率平衡的气相摩尔分率相平衡常数,无因次,相平衡常数,无因次,m=E/p9.2.1 吸收相平衡关系吸收相平衡关系摩尔比表示相平衡关系摩尔比表示相平衡关系若若 m=1或稀溶液,或稀溶液,XA很小,则很小,则9.2.1 吸收相平衡关系吸收相平衡关系3、应用、应用(1)判断传质方向)判断传质方向
8、:y*=mx x*=y/m 若若 y y*,吸收过程吸收过程 若若 x x*,解吸过程解吸过程 y=y*,平衡过程平衡过程 x=x*,平衡过程平衡过程 y y*,解吸过程解吸过程 x 0 y x(不是传质推动力,因为不同相不是传质推动力,因为不同相)x*-x 0,pA-pA*0,cA*-cA 0 解吸:解吸:y*-y 0,x-x*0,pA*-pA 0,cA-cA*0(3)确定传质过程极限)确定传质过程极限 y-y*0为为吸收过程,吸收过程,x,当当x x*时,达到最大时,达到最大9.2.1 吸收相平衡关系吸收相平衡关系例例9.1:已已知知在在总总压压101.3kPa及及温温度度20下下,液液相
9、相中中氨氨的的摩摩尔尔浓浓度度为为0.582kmol/m3,气气相相中中氨氨的的平平衡衡分分压压为为800Pa,若若在在此此浓浓度范围内的相平衡关系符合亨利定律,试求其度范围内的相平衡关系符合亨利定律,试求其H、E、m之值。之值。例例9.3:在总压:在总压1200kPa、温度温度303K下,含下,含CO25%(体积分数)体积分数)的气体与含的气体与含CO2为为1.0g/L的水溶液相遇,问:会发生吸收还是的水溶液相遇,问:会发生吸收还是脱吸?以分压差表示的推动力有多大?若要改变其传质方向可脱吸?以分压差表示的推动力有多大?若要改变其传质方向可采取哪些措施?采取哪些措施?9.2.1 吸收相平衡关系
10、吸收相平衡关系双膜理论的三个基本要点:双膜理论的三个基本要点:(two film theory)(1)气气液液两两相相传传质质阻阻力力集集中在一定厚度的膜内;中在一定厚度的膜内;(2)在在膜膜内内只只有有分分子子扩扩散散,没有涡流扩散;没有涡流扩散;(3)相相界界面面处处pi、ci符符合合相相平平衡衡关关系系,即即相相界界面面的的传传质质阻力为零。阻力为零。距离距离zp或或c组组成成气相主体气相主体液相主体液相主体相相界界面面气膜气膜液膜液膜传质方向传质方向图图9-4 气液相界面两侧的浓度分布气液相界面两侧的浓度分布(双膜模型)(双膜模型)9.2.2气体吸收传质速率方程气体吸收传质速率方程气相
11、:气相:气相传质气相传质推动力推动力液相:液相:液相传质液相传质推动力推动力稳态下:稳态下:9.2.2气体吸收传质速率方程气体吸收传质速率方程距离距离zp或或c组组成成气相主体气相主体液相主体液相主体相相界界面面气膜气膜液膜液膜传质方向传质方向图图9-4 气液相界面两侧的浓度分布气液相界面两侧的浓度分布(双膜模型)(双膜模型)0EPQI相平衡线相平衡线图图9-5 气液相界面组成的图解气液相界面组成的图解pi=f(ci)9.2.2气体吸收传质速率方程气体吸收传质速率方程1、以、以pG-pL*为为推动力表示的总传质速率方程推动力表示的总传质速率方程(9-18)以分压差表示推动力以分压差表示推动力的
12、气相总传质系数,的气相总传质系数,kmol/(m2sPa)液膜中的液膜中的传质阻力传质阻力气膜中的气膜中的传质阻力传质阻力(9-16)以分以分压差表示的气压差表示的气液两相总推动力液两相总推动力(9-17)9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程2、以、以cG*-cL 为为推动力表示的总传质速率方程推动力表示的总传质速率方程以以浓度差表示的气浓度差表示的气液两相总推动力液两相总推动力(9-20a)(9-20)(9-21)以浓度差表示推动力以浓度差表示推动力的液相总传质系数,的液相总传质系数,kmol/(m2sPa)气膜中的气膜中的传质阻力传质
13、阻力液膜中的液膜中的传质阻力传质阻力9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程掌握:掌握:上式适用条件(稀溶液、双膜理论的上式适用条件(稀溶液、双膜理论的3个要点)个要点)(9-21)9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程3、以摩尔分率表示气、液组成的传质速率方程、以摩尔分率表示气、液组成的传质速率方程y、yi 气相主体中及相界面上的溶质摩尔分率;气相主体中及相界面上的溶质摩尔分率;ky 以摩尔分率差为推动力的气相分传质系数,以摩尔分率差为推动力的气相分传质系数,kmol/(m2.s)气相:
14、气相:(9-26)(9-25)液相:液相:(9-28)(9-27)x、xi液相主体及相界面上的溶质摩尔分率;液相主体及相界面上的溶质摩尔分率;kx 以以摩尔分率差为推动力的液相分传质系数,摩尔分率差为推动力的液相分传质系数,kmol/(m2.s)9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程 y*与与液相组成液相组成x呈平衡的气相组成,摩尔分率;呈平衡的气相组成,摩尔分率;x*与气与气相组成相组成y呈平衡的液相组成,摩尔分率;呈平衡的液相组成,摩尔分率;Ky、Kx以气相、液相摩尔分率差为推动力的总传质系数,以气相、液相摩尔分率差为推动力的总传质系数
15、,kmol/(m2.s)。(9-29)同理同理(9-30)9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程(9-31)(9-32)9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程4、总传质速率方程的分析、总传质速率方程的分析0EPQIGL图图9-6 传质推动力图示传质推动力图示 p掌握:掌握:1.线段线段PL、PG意义意义 2.P、P点位置意点位置意义义9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程(1)易溶气体(气膜控制)易溶气体(气膜控制)H,1/(H kL
16、),1/kG 1/(H kL),),KGkG0EPI(a)气膜控制气膜控制 9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程(2)难溶气体(液膜控制)难溶气体(液膜控制)H ,H/kG,H/kG 1/kL,KLkL0EP(b)液膜控制液膜控制 9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程(3)中等溶解度气体(双膜控制)中等溶解度气体(双膜控制)(4)解吸的传质速率方程)解吸的传质速率方程9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程(1)易溶气体(气膜控制)
17、易溶气体(气膜控制)(2)难溶气体(液膜控制)难溶气体(液膜控制)(3)中等溶解度气体(双膜控制)中等溶解度气体(双膜控制)作图作图xi,yiNA9.2.2.2 相平衡关系不符合亨利定律的总传质速率方程相平衡关系不符合亨利定律的总传质速率方程 传质速率方程的表达形式很多,要注意传质阻力与传质传质速率方程的表达形式很多,要注意传质阻力与传质推动力的对应关系:推动力的对应关系:(1)传质系数与传质推动力表示方式之间必须对应;)传质系数与传质推动力表示方式之间必须对应;(2)各传质系数的单位和对应的基准;)各传质系数的单位和对应的基准;(3)传质阻力的表达形式必须与传质推动力的对应。)传质阻力的表达
18、形式必须与传质推动力的对应。9.2.2.3 传质速率方程小结传质速率方程小结例例 9-4:已已 知知 p=310kPa,ky=1.0710-2 kmol/m2.h,ky=22 kmol/m2.h,p=10.67 103 x (相平衡关系)相平衡关系)求:求:(1)Ky、Kx、KG、KL。(2)以以气气相相摩摩尔尔分分率率差差作作为为推推动动力力的的总总传传质质阻阻力力、气气相相分分传传质质阻阻力力、液液相相分分传传质质阻阻力力;以以液液相相摩摩尔尔分分率率差差作作为为推推动动力力的总传质阻力、气相分传质阻力、液相分传质阻力。的总传质阻力、气相分传质阻力、液相分传质阻力。(3)总总传传质质速速率
19、率,液液相相主主体体浓浓度度0.005 kmol/m3,气气相相分分压压60kPa。例例 题题已知:处理气量及初、终浓度、相平衡已知:处理气量及初、终浓度、相平衡 关系关系求:(求:(1)溶剂的用量及吸收液浓度)溶剂的用量及吸收液浓度 (2)填料塔的填料层高度)填料塔的填料层高度 (3)吸收塔塔径)吸收塔塔径9.3 吸收(或解吸)塔的计算吸收(或解吸)塔的计算图图9-8 9-8 吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端Ga、Gb组分组分(A+B)出塔、入塔气体流率,出塔、入塔气体流率,kmol(A+B)/(m2.s);La、Lb组分组分(A+S)入塔、出塔液体流率,入塔
20、、出塔液体流率,kmol(A+S)/(m2.s);G、L通过塔任一截面的气、液流率,通过塔任一截面的气、液流率,kmol/(m2.s);ya、yb出出塔、入塔气体组成的摩尔分率塔、入塔气体组成的摩尔分率,kmol A/kmol(A+B);xa、xb入入塔、出塔液体组成的摩尔分率塔、出塔液体组成的摩尔分率,kmol A/kmol(A+S);x、y通过塔任一截面的气、液组成。通过塔任一截面的气、液组成。图图9-8 9-8 吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程图图9-8 9-8 吸收塔的物料衡算吸收塔的物
21、料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端(9-35)(9-36)全塔物料衡算:全塔物料衡算:(9-37)9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程图图9-8 9-8 吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端(9-38)或或(9-38a)塔顶与任一截面间的物料衡算:塔顶与任一截面间的物料衡算:塔底与任一截面间的物料衡算:塔底与任一截面间的物料衡算:(9-39)或或(9-39a)9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程ERQBPA0YXYbYaYXaX Xb图图9-9 9-9 摩尔比坐标系中摩尔比坐标系中 的操作线和平衡线
22、的操作线和平衡线(9-38a)(9-39a)操作线方程:操作线方程:9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程用用摩尔比表示的传质速率方程:摩尔比表示的传质速率方程:以气相摩尔比差为推动力的总传质系数,以气相摩尔比差为推动力的总传质系数,kmol/(m2.s)以以液相摩尔比差为推动力的总传质系数,液相摩尔比差为推动力的总传质系数,kmol/(m2.s)当当为低为低浓度吸收时,浓度吸收时,GBG,LSL,Yy,Xx,式(式(9-38)与()与(9-38a)可改写成可改写成(9-42)或或(9-42a)9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程并
23、流操作的吸收塔并流操作的吸收塔XEA0YYbYaXaXbB9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程CB1ERQBPA0最小液汽比(最小液汽比(Limiting gas-liquid ratio)图图9-9 9-9 摩尔比坐标系中摩尔比坐标系中 的操作线和平衡线的操作线和平衡线9.3.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定CB1ERQBPA0图图9-9 9-9 摩尔比坐标系中摩尔比坐标系中 的操作线和平衡线的操作线和平衡线总费用总费用=设备费设备费+操作费操作费(LS/GB),操作线斜率操作线斜率,传质推动力传质推动力,塔高(填料层,塔高(填料层高度)高度),操作费用,
24、操作费用,设备费设备费用用;(LS/GB),操作线斜率操作线斜率,传质推动力传质推动力,塔高(填料层,塔高(填料层高度)高度),操作费用,操作费用,设备设备费用费用;9.3.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定讨论:讨论:1 1、相平衡关系符合亨利定律时,、相平衡关系符合亨利定律时,Xb*=Yb/m当当Xa=0时,时,2 2、若为低浓度气体吸收(如无特别说明以后均为低浓度气体、若为低浓度气体吸收(如无特别说明以后均为低浓度气体吸收)吸收)9.3.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定定义:定义:吸收因子(因数):吸收因子(因数):A=L/(mG)或或 A=LS/(mGB)几何意义:操作线斜率与平
25、衡线斜率之比几何意义:操作线斜率与平衡线斜率之比解吸因子(因数):解吸因子(因数):S=mG/L 或或 S=mGB/LS(1)A1,则则L/G 1,则则L/G m ya,h0。在塔顶达到平衡在塔顶达到平衡xa*,若若xa=0,max=1(3)A=1,则则L/G=m 塔高无穷大时,全塔处处平衡,塔高无穷大时,全塔处处平衡,max=19.3.3 填料层无穷高的吸收塔填料层无穷高的吸收塔a 单位体积填料的单位体积填料的有效有效传质面积,传质面积,m2/m3;h 填料层高度,填料层高度,m;塔截面积(即填料层截面),塔截面积(即填料层截面),m2;D 塔直径,塔直径,mKya kmol/(m3.s)K
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