第五章-吸收.ppt课件.ppt
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1、第一节第一节 概概 述述第二节第二节 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 填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算第五节第五节 填料塔填料塔1感谢你的欣赏2019-8-9第一节第一节 概概 述述3) 吸收剂:收吸收质的液体。吸收剂:收吸收质的液体。一、吸收的一些相关概念:一、吸收的一些相关概念:1) 吸收:也叫气体吸收,是利用适当的液体来处理气体混吸收:也叫气体吸收,是利用适当的液体来处理气体混 合物,使其中一种或多种组分由气相转入液相的合物,使其中一种或多种组分由气相转入液相的 操作。操作。2) 吸收质:混合气体中被吸收的气体组分。吸收质:混合气体中被吸收的气体组分。
2、混合气体由吸收质和惰性气体组成;混合气体由吸收质和惰性气体组成;如用水来吸收混合气体中的如用水来吸收混合气体中的CO2: CO2为吸收质,水为吸收剂。为吸收质,水为吸收剂。2感谢你的欣赏2019-8-9二、吸收的应用:二、吸收的应用:1) 制取产品制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。2) 分离混合气体分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以 达到分离目的。达到分离目的。98.1%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3制制98.5%的浓硫酸;的浓硫酸;水吸收甲醛制福尔马林溶液;水吸收甲醛制福尔马林溶液;用氨水吸收用氨
3、水吸收CO2制碳酸氢氨等;制碳酸氢氨等;从焦炉气或城市煤气中分离苯;从焦炉气或城市煤气中分离苯;从石油催化裂解气中分离丁二烯等;从石油催化裂解气中分离丁二烯等;3感谢你的欣赏2019-8-93) 气体净化气体净化4)作为环境保护和职业保健的重要手段)作为环境保护和职业保健的重要手段原料气的净化:如合成氨原料气脱原料气的净化:如合成氨原料气脱H2S、脱、脱CO2等;等;尾气处理:如燃煤锅炉烟气,冶炼废气等脱除尾气处理:如燃煤锅炉烟气,冶炼废气等脱除SO2等。等。用氨水来吸收制硫酸的尾气中用氨水来吸收制硫酸的尾气中SO2 NH4HSO3工艺气的净化:如硫酸生产中工艺气的净化:如硫酸生产中HF、As
4、2O3、SO3的水的水 洗脱除等;洗脱除等;4感谢你的欣赏2019-8-9物理吸收:吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应,物理吸收:吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应, 可视为单纯的气体溶解于液相的过程。可视为单纯的气体溶解于液相的过程。化学吸收:溶质与溶剂有显著的化学反应发生。化学吸收:溶质与溶剂有显著的化学反应发生。三、吸收的类型三、吸收的类型用水吸收二氧化碳用水吸收二氧化碳用水吸收乙醇或丙醇蒸汽用水吸收乙醇或丙醇蒸汽用吸收油吸收芳烃等用吸收油吸收芳烃等 用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳 用稀氨水吸收硫酸生产尾气中的用稀氨水吸收硫酸生产尾气中的SO
5、SO2 2等等两类吸收特性的比较:两类吸收特性的比较:5感谢你的欣赏2019-8-9单组分吸收:混合气体中只有单一组分被液相吸单组分吸收:混合气体中只有单一组分被液相吸 收,其余组分因溶解度很小其吸收收,其余组分因溶解度很小其吸收 量可忽略不计。量可忽略不计。多组分吸收:有两个或两个以上组分被吸收。多组分吸收:有两个或两个以上组分被吸收。解吸:与吸收相反的过程,即溶质从液相中分离解吸:与吸收相反的过程,即溶质从液相中分离 而转移到气相的过程。而转移到气相的过程。6感谢你的欣赏2019-8-91) 吸收剂应有良好的选择性吸收剂应有良好的选择性2) 吸收剂的蒸汽压应尽量低。吸收剂的蒸汽压应尽量低。
6、3)尽量选用无毒、难燃、腐蚀性较小的吸收剂。尽量选用无毒、难燃、腐蚀性较小的吸收剂。4)吸收剂粘度要低。吸收剂粘度要低。5)化学稳定性好,在吸收条件下不发生化学反应。化学稳定性好,在吸收条件下不发生化学反应。四、吸收剂的选择四、吸收剂的选择 对气体中要吸收的组分有大的溶解度对气体中要吸收的组分有大的溶解度 对其余组分的溶解度要小。对其余组分的溶解度要小。6)易得、廉价、易再生或再次使用,并不污染环境。易得、廉价、易再生或再次使用,并不污染环境。7感谢你的欣赏2019-8-9五、吸收的操作条件五、吸收的操作条件工业上,吸收一般在吸收塔中工业上,吸收一般在吸收塔中进行,如图所示。进行,如图所示。吸
7、收是气液间的传递过程,为吸收是气液间的传递过程,为提高其传递速率和吸收率,应注意提高其传递速率和吸收率,应注意以下方面:以下方面:.采用连续操作。采用连续操作。.气液间一般采用逆流操作。气液间一般采用逆流操作。.尽量增大气液间的有效界面。尽量增大气液间的有效界面。.增大相际的湍动程度增大相际的湍动程度降低传质阻力。降低传质阻力。8感谢你的欣赏2019-8-9第二节第二节 吸收的相平衡吸收的相平衡气液的相平衡关系是指当时条件下吸收质在溶液中的气液的相平衡关系是指当时条件下吸收质在溶液中的溶解度,决定了吸收的极限。溶解度,决定了吸收的极限。一、亨利定律一、亨利定律1、气液的相平衡关系、气液的相平衡
8、关系 溶解平衡是动态的溶解平衡是动态的 平衡分压平衡分压p*:处于相互平衡的气液两相中溶质在气相:处于相互平衡的气液两相中溶质在气相 中的分压。中的分压。 平衡浓度平衡浓度x*:处于相互平衡的气液两相中溶质在液相:处于相互平衡的气液两相中溶质在液相 中的浓度。中的浓度。9感谢你的欣赏2019-8-92、以摩尔分数、以摩尔分数x表示:表示:当总压不太高时,一定温度下的稀溶液中溶质的溶解度与当总压不太高时,一定温度下的稀溶液中溶质的溶解度与其在气相中的分压成正比。其在气相中的分压成正比。*pEx式中:式中: p* 溶质在气相中的平衡分压,溶质在气相中的平衡分压,kPa x 溶质在液相中的摩尔分数溶
9、质在液相中的摩尔分数 E 亨利系数,亨利系数,kPa。 亨利系数的值随物系的特性及温度而异;亨利系数的值随物系的特性及温度而异; 物系一定,物系一定,E 值一般随温度的上升而增大;值一般随温度的上升而增大; E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度;值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度; 同一溶剂中,难溶气体同一溶剂中,难溶气体E 值很大,易溶气体值很大,易溶气体E 值很小;值很小;10感谢你的欣赏2019-8-93、以物质的量浓度、以物质的量浓度c表示表示:*1pcH 式中式中: :H为溶解度系数,其值随温度升高而降低。为溶解度系数,其值随温度升高而降低。1sxcMxMx因为因为
10、*11spxH MxMxEx则则11sHE MxMx H 的单位:的单位:kmolkmol?m m3 3?PaPa-1-1 当溶液很稀时:当溶液很稀时:1sHE M1sxMxMx11感谢你的欣赏2019-8-94、用摩尔分数表示:、用摩尔分数表示:*pEyxmxPP P 为气相的总压。为气相的总压。 y 为与组成为为与组成为x 的液相相互平衡的气相中溶质的液相相互平衡的气相中溶质 的摩尔分数;的摩尔分数; m =E/P,相平衡系数,无量纲;相平衡系数,无量纲; m 也是亨利系数的另一种形式。也是亨利系数的另一种形式。12感谢你的欣赏2019-8-913感谢你的欣赏2019-8-91AyYBy气
11、相中溶质 的摩尔数气相中惰气 的摩尔数1AxXSx液相中溶质 的摩尔数液相中溶剂 的摩尔数由上式可得:由上式可得: 1YyY1XxX代入相平衡关系代入相平衡关系ymx得:得:11m XYmX5、用摩尔比表示的相平衡关系、用摩尔比表示的相平衡关系 在低浓度气体吸收计算中,通常采用基准不变的比在低浓度气体吸收计算中,通常采用基准不变的比摩尔分数摩尔分数 Y( 或或 X )表示组成。)表示组成。 对于稀溶液,对于稀溶液,X的值较小,则有:的值较小,则有:YmX14感谢你的欣赏2019-8-9例例 含氨为含氨为氨氨 =0.20的氨的氨-空气混合气空气混合气100m3,用水吸收至混合,用水吸收至混合气中
12、含氨为气中含氨为氨氨 =0.05。设吸收过程中有中间冷却使前后温度不。设吸收过程中有中间冷却使前后温度不变,试求氨被吸收的体积数,并用摩尔比的计算作对比。变,试求氨被吸收的体积数,并用摩尔比的计算作对比。解:解:吸收前吸收前 氨氨 10020%=20m3 空气空气 10080%=80m3吸收后空气比例降为吸收后空气比例降为95%,且氨只占,且氨只占5%,氨的体积为,氨的体积为3800.054.21m0.95若以摩尔比计算,则若以摩尔比计算,则y1=0.20,y2=0.0510.20Y0.251 0.2020.05Y0.05261 0.05吸收的氨为:吸收的氨为:31280(YY )80(0.2
13、50.0526)15.79m吸收的氨为:吸收的氨为:20-4.21=15.79 m315感谢你的欣赏2019-8-9*pEx以分压及摩尔分数以分压及摩尔分数x表示:表示:*1pcH以物质的量浓度以物质的量浓度c表示表示:*pEyxmxPP用摩尔分数表示:用摩尔分数表示:11m XYmXmX用摩尔比表示用摩尔比表示: :11sHE MxMxEmP16感谢你的欣赏2019-8-9二、气体在液体中的溶解度二、气体在液体中的溶解度1、溶解度很小、溶解度很小难溶气体,难溶气体,E很大,很大,109如:如:O2、H2、N2、CO等等2、溶解度中等、溶解度中等可溶气体,可溶气体,E较大,较大,107如:如:
14、CO2、SO2 、Cl2、H2S等等3、溶解度很大、溶解度很大易溶气体,易溶气体,E较小,较小,103如:如:HCl、NH3等等17感谢你的欣赏2019-8-918感谢你的欣赏2019-8-9第三节第三节 吸收速率吸收速率 吸收操作的推动力是偏离平衡的浓度差或分压差,吸收操作的推动力是偏离平衡的浓度差或分压差,吸收速率可写成:吸收速率可写成:dnNKAd式中:式中:N单位时间传递的吸收质的量单位时间传递的吸收质的量 吸收过程的推动力。吸收过程的推动力。 K过程的传质系数。过程的传质系数。19感谢你的欣赏2019-8-9一、一、 双膜理论双膜理论1、吸收过程中吸收质的传递、吸收过程中吸收质的传递
15、 气相主体气相主体 通过通过气相气相边界层边界层 气液界面气液界面气相侧气相侧 气液界面液相侧气液界面液相侧 通过通过液相液相边界层边界层 液相主体液相主体20感谢你的欣赏2019-8-92、双膜理论的基本观点:、双膜理论的基本观点:(1)(1)相互接触的两流体间存相互接触的两流体间存在着稳定的相界面,界在着稳定的相界面,界面两侧各存在着一个很面两侧各存在着一个很薄薄( (等效厚度分别为等效厚度分别为 1 1 和和 2 2) )的流体膜层。溶质以的流体膜层。溶质以分子扩散方式分子扩散方式通过此两通过此两膜层。膜层。(2)(2)相界面没有传质阻力,相界面没有传质阻力,即溶质在相界面处的浓即溶质在
16、相界面处的浓度处于相平衡状态。度处于相平衡状态。(3)(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈,传质速率在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈,传质速率高,传质阻力可以忽略不计,相际的传质阻力集中在两高,传质阻力可以忽略不计,相际的传质阻力集中在两个膜层内。个膜层内。 21感谢你的欣赏2019-8-9 该理论提出的双阻力概念,认为传质阻力集中在相接触的两该理论提出的双阻力概念,认为传质阻力集中在相接触的两流体相中,而界面阻力可忽略不计的概念,在传质过程的计算流体相中,而界面阻力可忽略不计的概念,在传质过程的计算中得到了广泛承认,是传质过程及设备设计的依据。中得到了广泛承认,是传质过程及设备
17、设计的依据。按双膜理论,传质系数与扩散系数成正比,这与实验所得的按双膜理论,传质系数与扩散系数成正比,这与实验所得的关联式的结果相差较大;关联式的结果相差较大;由此理论所得的传质系数计算式形式简单,但等效膜层厚度由此理论所得的传质系数计算式形式简单,但等效膜层厚度 1和和 2以及界面上浓度以及界面上浓度 pi 和和 ci 都难以确定;都难以确定;对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系,相界对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系,相界面是不稳定的,因此双膜理论假设的界面两侧存在稳定的等效面是不稳定的,因此双膜理论假设的界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层等
18、都难以成立;因膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层等都难以成立;因此出现了如此出现了如“对流扩散对流扩散”、“界面动力状态界面动力状态”等其它一些吸收等其它一些吸收传质理论。传质理论。22感谢你的欣赏2019-8-9二、分子扩散定律二、分子扩散定律菲克定律菲克定律分子扩散是吸收质在静止或滞流流体中的扩散。分分子扩散是吸收质在静止或滞流流体中的扩散。分子扩散服从菲克定律,扩散速率可以表示为:子扩散服从菲克定律,扩散速率可以表示为:ddcDAddnN式中:式中:N传质速率,单位传质速率,单位mol/s; A相间传质接触面积,单位相间传质接触面积,单位m2; 扩散距离,即膜的厚度,单位扩散距离,即
19、膜的厚度,单位m; c吸收质的浓度,单位吸收质的浓度,单位mol/m3; D扩散系数,单位为扩散系数,单位为m2/s。1、菲、菲(费费)克定律克定律23感谢你的欣赏2019-8-92、扩散系数、扩散系数D单位:单位:m2?s-1物理意义:浓度梯度为物理意义:浓度梯度为1mol ?m-4时,时,1m2面积上面积上1s所传所传 递的物质的量。递的物质的量。D是物质的物理性质之一,表明其扩散能力的大小。是物质的物理性质之一,表明其扩散能力的大小。D的影响因素的影响因素扩散质和扩散介质的种类:分子小,扩散质和扩散介质的种类:分子小,D大大气体压力:压力小,气体压力:压力小,D大大温度:温度高,温度:温
20、度高,D大大24感谢你的欣赏2019-8-9定态条件下,将上式积分,菲克定律为:定态条件下,将上式积分,菲克定律为:cNDA对气体:对气体:1DNApRTpVnRTnpcVRT则:则:当扩散质当扩散质A通过静止的惰性气体通过静止的惰性气体B进行稳定扩散时:进行稳定扩散时:01/BDNAppPRT在液相中,扩散质在液相中,扩散质A通过溶剂层进行稳定扩散时:通过溶剂层进行稳定扩散时:0/SDNAccc3、斯特藩(、斯特藩(Stephan)定律定律25感谢你的欣赏2019-8-9三、三、 吸收速率方程吸收速率方程/dNdn dK dA1、分吸收速率方程、分吸收速率方程(1)、气膜分吸收速率方程、气膜
21、分吸收速率方程01/BDdNdAppPRT01iBDPpp dApRTgidNkpp dA kg为气膜吸收分系数,单位:为气膜吸收分系数,单位:mol?Pa-1?m-2?s-1 k kg g中中难测,难测,k kg g值来源:测定值或按经验公值来源:测定值或按经验公 式、特征数关系式计算。式、特征数关系式计算。26感谢你的欣赏2019-8-9(2)、液膜分吸收速率方程、液膜分吸收速率方程0/sDdNdAccc0/isDcc dAcclidNkcc dA kl为液膜吸收分系数,单位:为液膜吸收分系数,单位:m?s-1 k kl l中中难测,难测,k kl l值来源:测定值或按经验公式、值来源:测
22、定值或按经验公式、 特征数关系式计算。特征数关系式计算。 c0为溶液总浓度,为溶液总浓度, cs为吸收剂浓度,单位:为吸收剂浓度,单位:mol?m-327感谢你的欣赏2019-8-9(3)、吸收推动力间的关系、吸收推动力间的关系c、ci、c*、c0、csp、pi、p*、P0、pB28感谢你的欣赏2019-8-92、总吸收速率方程、总吸收速率方程(1)、气相总吸收速率方程、气相总吸收速率方程由分吸收速率方程:由分吸收速率方程:lidNkcc dA整理得:整理得:*lidNkHpHpdA*lik H ppdA将亨利定律将亨利定律c=Hp*代入:代入:*ildNppdAk H由由gidNkpp dA
23、得:得:igdNpp dAk两式相加:两式相加:*11lgdNppdAk Hk29感谢你的欣赏2019-8-9*111lgdNppdAk Hk*GdNKppdA 这就是气相总吸收速率方程。这就是气相总吸收速率方程。 KG为气相总吸收系数,单位:为气相总吸收系数,单位:kmolkmol?PaPa-1-1?m m2 2?s s-1-1。 111GlgKk Hk为气相总吸收阻力为气相总吸收阻力(液相部分已折算液相部分已折算) 当气体为容易溶气体时,当气体为容易溶气体时,H很大,很大,KGkg,吸收为,吸收为 气膜控制。气膜控制。30感谢你的欣赏2019-8-9由气相分吸收速率方程:由气相分吸收速率方
24、程:整理得:整理得:*igccdNkdAHH*gikcc dAH将亨利定律将亨利定律p=c*/H代入:代入:*igHdNcc dAk由由lidNkcc dA得:得:ildNcc dAk两式相加:两式相加:*1glHdNcc dAkk(2)、液相总吸收速率方程、液相总吸收速率方程gidNkpp dA31感谢你的欣赏2019-8-9*11lgdNcc dAHkk*LKcc dA KL为液相总吸收系数,单位:为液相总吸收系数,单位:m m?s s-1-1。 11LlgHKkk为液相总吸收阻力为液相总吸收阻力(气相部分已折算气相部分已折算) 当气体为难溶气体时,当气体为难溶气体时,H很小,很小,KL
25、kl,吸收为,吸收为 液膜控制。液膜控制。32感谢你的欣赏2019-8-9(3)、总吸收速率方程的推动力、总吸收速率方程的推动力气相推动力:气相推动力:p-p*液相推动力:液相推动力:c*-c(4)、两个总吸收总系数的关系、两个总吸收总系数的关系111GlgKk Hk111lgHHkk11lgHHkkLH K即:即:GLKH K或或GLKKH33感谢你的欣赏2019-8-93、用比摩尔分率表示的总吸收速率方程、用比摩尔分率表示的总吸收速率方程(1)、用、用Y表示的气相总吸收速率方程表示的气相总吸收速率方程由由*GdNKppdA得:得:*GppdNK PdAPP*GK P yydA*11GYYK
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