气体吸收过程课件.ppt
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- 气体 吸收 过程 课件
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1、化 工 原 理第五章 气体吸收 主讲人:曹华2022年6月10日星期五Process System Principle2 教学内容相际传质理论相际传质理论气液相平衡理论气液相平衡理论吸收过程概述吸收过程概述吸收过程计算吸收过程计算2022年6月10日星期五Process System Principle3 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 传质过程:传质过程: 将均相物系混合物分离为较净或几乎纯态的物质时,利用原物系中将均相物系混合物分离为较净或几乎纯态的物质时,利用原物系中各组分间某种物性的差异,从而将均相物系形成一个两相物质,达到分各组分间某种物性的差异,从而将均相物系形成一个两相物质,达
2、到分离的目的。离的目的。 过程工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单过程工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元操作。元操作。 物质在相间的转移过程称为物质传递过程(简称传质过程)。物质在相间的转移过程称为物质传递过程(简称传质过程)。 吸收:吸收: 利用混合气体中各组分在液相吸收剂中溶解度的差异而实现气体混利用混合气体中各组分在液相吸收剂中溶解度的差异而实现气体混合分离的操作称为吸收。合分离的操作称为吸收。2022年6月10日星期五Process System Principle4 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 所用液体称为吸收剂(或溶剂)。所用液体称为吸
3、收剂(或溶剂)。 气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。 不被溶解的组分称为惰性气体或载体。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。 吸收操作的目的:吸收操作的目的: (1 1)分离和净化原料气分离和净化原料气: 原料气在加工以前,其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从原料气在加工以前,其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从合成氨所用的原料气中分离出合成氨所用的原料气中分离出COCO2 2、COCO、H H2 2S S等杂质。等杂质。 (2 2)分离和吸收气体中的有用组分:分离和吸收气体中的有用组分: 如从合成氨厂的放空气中用水回收氨;从焦炉煤气中以洗油回收粗如
4、从合成氨厂的放空气中用水回收氨;从焦炉煤气中以洗油回收粗苯(含甲苯、二甲苯等)蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。苯(含甲苯、二甲苯等)蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。 2022年6月10日星期五Process System Principle5 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 (3 3)某些产品的制取:某些产品的制取: 选择适当的工艺和溶剂进行选择适当的工艺和溶剂进行SOSO2 2、H H2 2S S吸收是废气治理中应用较广的吸收是废气治理中应用较广的方法。方法。 如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的HClHCl、SOSO3 3和和NON
5、O2 2制取盐酸、制取盐酸、硫酸和硝酸。硫酸和硝酸。 (4 4)废气的治理废气的治理:2022年6月10日星期五Process System Principle6 吸收过程概述工业吸收过程工业吸收过程图图5-1 5-1 吸收与解吸流程吸收与解吸流程 2022年6月10日星期五Process System Principle7 吸收过程概述吸收操作需要解决的问题吸收操作需要解决的问题 选择合适的溶剂,选择性溶解被分离的组分:选择合适的溶剂,选择性溶解被分离的组分: 吸收剂的选择时要从以下几方面来考虑:吸收剂的选择时要从以下几方面来考虑: 对被吸收的组分要有较大的溶解度,且有较好的选择性。即对对被
6、吸收的组分要有较大的溶解度,且有较好的选择性。即对溶质的溶解度要大,而对惰性气体几乎不溶解。溶质的溶解度要大,而对惰性气体几乎不溶解。 要有较低的蒸气压,以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。要有较低的蒸气压,以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。 要有较好的化学稳定性,以免使用过程中变质。要有较好的化学稳定性,以免使用过程中变质。 腐蚀性要小腐蚀性要小, ,以减小设备费用和维修费。以减小设备费用和维修费。 粘度要低,以利于传质及输送;比热要小,使再生时的耗热量粘度要低,以利于传质及输送;比热要小,使再生时的耗热量较小;不易燃烧,以利于安全生产。较小;不易燃烧,以利于安全生产。 吸收后的溶剂应易于再生。吸
7、收后的溶剂应易于再生。 2022年6月10日星期五Process System Principle8图图5-2 5-2 两类吸收设备两类吸收设备 吸收过程概述吸收操作需要解决的问题吸收操作需要解决的问题 提供适当的传质设备,实现气液两相的接触:提供适当的传质设备,实现气液两相的接触:2022年6月10日星期五Process System Principle9 吸收过程概述吸收类型吸收类型 (1 1)物理吸收:气体各组分因在溶剂中溶解度的不同而被分离的)物理吸收:气体各组分因在溶剂中溶解度的不同而被分离的吸收操作,称。吸收操作,称。 1 1、物理吸收和化学吸收:、物理吸收和化学吸收: 例:例:3
8、 32 22 23 32 22KHCO2KHCOO OH HCOCOCOCOK K (2 2)化学吸收:利用化学反应进行的吸收操作,)化学吸收:利用化学反应进行的吸收操作,称称 。 2 2、单组分吸收与多组分吸收、单组分吸收与多组分吸收 (1 1)单组分吸收:在吸收过程中,若混合气体中只有一个组分)单组分吸收:在吸收过程中,若混合气体中只有一个组分被吸收,其余组分可认为不溶于吸收剂,则称之为单组分吸收;被吸收,其余组分可认为不溶于吸收剂,则称之为单组分吸收; (2 2)多组分吸收:如果混合气体中有两个或多个组分进入液相,)多组分吸收:如果混合气体中有两个或多个组分进入液相,则称为多组分吸收。则
9、称为多组分吸收。2022年6月10日星期五Process System Principle10 吸收过程概述吸收类型吸收类型 (1 1)等温吸收:气体溶于液体中时常伴随热效应,若热效应很小,)等温吸收:气体溶于液体中时常伴随热效应,若热效应很小,或被吸收的组分在气相中的浓度很低,而吸收剂用量很大,液相的温度或被吸收的组分在气相中的浓度很低,而吸收剂用量很大,液相的温度变化不显著,则可认为是等温吸收;变化不显著,则可认为是等温吸收; 3 3、等温吸收与非等温吸收、等温吸收与非等温吸收 (2 2)非等温吸收:若吸收过程中发生化学反应,其反应热很大,液)非等温吸收:若吸收过程中发生化学反应,其反应热
10、很大,液相的温度明显变化,则该吸收过程为非等温吸收过程。相的温度明显变化,则该吸收过程为非等温吸收过程。 4 4、低浓度吸收与高浓度吸收、低浓度吸收与高浓度吸收 (1 1)高浓度吸收:通常根据生产经验,规定当混合气中溶质组分)高浓度吸收:通常根据生产经验,规定当混合气中溶质组分A A的的摩尔分数大于摩尔分数大于0.10.1,且被吸收的数量多时,称为高浓度吸收;,且被吸收的数量多时,称为高浓度吸收; (2 2)低浓度吸收:如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于)低浓度吸收:如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于0.10.1时,吸时,吸收称为低浓度吸收。收称为低浓度吸收。低浓度吸收的特点:气液两相流经吸收
11、塔的流率为常数;低浓度吸收的特点:气液两相流经吸收塔的流率为常数; 低浓度的吸收可视为等温吸收。低浓度的吸收可视为等温吸收。2022年6月10日星期五Process System Principle11 吸收过程概述相组成的表示方法相组成的表示方法 对于均相混合物,每一种物质称为该混合物的一个组分,该组分在对于均相混合物,每一种物质称为该混合物的一个组分,该组分在混合物中的相对数量关系称为该组分的组成。混合物中的相对数量关系称为该组分的组成。 在传质过程中,气液两相的组成是不断变化的。在传质过程中,气液两相的组成是不断变化的。 1 1、质量分数、质量分数 w wi i 混合物中某组分的质量与混
12、合物的质量之比。混合物中某组分的质量与混合物的质量之比。 2 2、摩尔分数、摩尔分数 x xi i 混合物中某组分的物质的量与混合物的物质的量之比。混合物中某组分的物质的量与混合物的物质的量之比。 对于只有两组分的混合物:对于只有两组分的混合物:BABBAAmmmmmwmmw,BABBAAnnnnnxnnx,2022年6月10日星期五Process System Principle12 吸收过程概述BBAAAAAMxMxMxw相组成的表示方法相组成的表示方法 3 3、摩尔比、摩尔比 X XA A 对于由组分对于由组分A A和组分和组分B B组成的双组分物系,以组分组成的双组分物系,以组分B B
13、为基准,两组分为基准,两组分的物质的量的比值称为摩尔比,用的物质的量的比值称为摩尔比,用X XA A表示。表示。BAAnnX 它与摩尔分数的关系为:它与摩尔分数的关系为:AAAAAAXXxxxX11或2022年6月10日星期五Process System Principle13 吸收过程概述吸收操作假设吸收操作假设 吸收操作假设:吸收操作假设: (1 1)气体混合物中只有一个组分溶于溶剂,其余组分在溶剂中的)气体混合物中只有一个组分溶于溶剂,其余组分在溶剂中的溶解度极低而可忽略不计,视为惰性气体。溶解度极低而可忽略不计,视为惰性气体。 (2 2)溶剂溶剂的蒸汽压很低,其挥发损失可以忽略的蒸汽压
14、很低,其挥发损失可以忽略 。 即:气相中仅包含一个即:气相中仅包含一个惰性组分和一个可溶解组分;液相中则包含惰性组分和一个可溶解组分;液相中则包含着可溶解组分(溶质)和溶剂。着可溶解组分(溶质)和溶剂。2022年6月10日星期五Process System Principle14 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 平衡溶解度的概念:平衡溶解度的概念: 平衡分压平衡分压 : 溶质与溶剂接触,在进行溶解的过程中,随着溶质在溶液中浓度溶质与溶剂接触,在进行溶解的过程中,随着溶质在溶液中浓度C C1 1的逐渐提高,传质速率将逐渐减慢,最后降到零,的逐渐提高,传质速率将逐渐减慢,最后降到零,C C1
15、1达到一最大限度达到一最大限度。这时称气液达到了平衡,称为平衡溶解度。简称为溶解度。这时称气液达到了平衡,称为平衡溶解度。简称为溶解度。 气液平衡时,气相中溶质的分压为平衡分压。气液平衡时,气相中溶质的分压为平衡分压。 相平衡关系:相平衡关系: 平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。 2022年6月10日星期五Process System Principle15 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 平衡溶解度曲线:平衡溶解度曲线: 气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度
16、曲线。 图5-2 氨在水中的溶解度图5-4 20下SO2在水中的溶解度2022年6月10日星期五Process System Principle16 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 从图中可以看到:从图中可以看到:u 在相同的温度和分压条件下,不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度在相同的温度和分压条件下,不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度不同;不同;u 同一个物系,在相同温度下,分压越高,则溶解度越大;同一个物系,在相同温度下,分压越高,则溶解度越大;u 分压一定,温度越低,则溶解度越大。分压一定,温度越低,则溶解度越大。 这说明在较高分压和较低温度下有利于吸收操作,而减压和升温则这说明在较高分
17、压和较低温度下有利于吸收操作,而减压和升温则有利于解吸操作过程。有利于解吸操作过程。 2022年6月10日星期五Process System Principle17 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 亨利定律:亨利定律: 当总压不高(一般小于当总压不高(一般小于10105 5 N NCmCm-2-2) )时,在一定温度下,稀溶液时,在一定温度下,稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系:上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系: P PA A* *=E=Ex xA A 式中:式中: P PA A* *- - 溶质在气相中的平衡分压溶质在气相中的平衡分压,
18、 KN/m, KN/m2 2 x xA A - - 溶质在液相中的摩尔分率溶质在液相中的摩尔分率 E - E - 享利系数,享利系数,kN/mkN/m2 2 亨利定律的其它表示方法:亨利定律的其它表示方法:2022年6月10日星期五Process System Principle18 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 y yA A* *=m=mx xA A 设:设:P - P - 总压总压 所以享利系数所以享利系数E E、m m之间的关系为:之间的关系为: p pE Emm 式中:式中: y yA A* *- - 溶质在气相的摩尔分率;溶质在气相的摩尔分率; m - m - 相平衡常数,无因
19、次。相平衡常数,无因次。p pp py y* * *A A 则:则: 如果气液两相的组成均以摩尔比表示时如果气液两相的组成均以摩尔比表示时, ,则上式可写成:则上式可写成:AAXXm1* *A A* *A AY Y1 1Y Y2022年6月10日星期五Process System Principle19 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 整理后得到:整理后得到:AAAXmmXY)1 (1* 当溶液很稀时,当溶液很稀时,X XA A很小,上式可简化得到:很小,上式可简化得到:AAmXY *2022年6月10日星期五Process System Principle20 气液相平衡理论相平衡关系的
20、应用相平衡关系的应用 判断传质过程进行的方向:判断传质过程进行的方向: 设设101.3kpa101.3kpa、20 20 下,稀氨在水中的相平衡方程:下,稀氨在水中的相平衡方程: y ye e=0.94x =0.94x 图图5-5 5-5 判断吸收过程的方向判断吸收过程的方向2022年6月10日星期五Process System Principle21 气液相平衡理论相平衡关系的应用相平衡关系的应用 指明过程的极限:指明过程的极限: 图图5-6 5-6 指明吸收过程的极限指明吸收过程的极限2022年6月10日星期五Process System Principle22 气液相平衡理论相平衡关系的
21、应用相平衡关系的应用 计算过程的推动力:计算过程的推动力: 图图5-7 5-7 计算吸收过程的推动力计算吸收过程的推动力yA*xA*2022年6月10日星期五Process System Principle23 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 相际传质过程的步骤:相际传质过程的步骤: 吸收过程涉及两相间的物质传递。吸收过程涉及两相间的物质传递。 传递过程包括三个步骤:传递过程包括三个步骤: 溶质由气相主体传递到两相界面,即气相内的物质传递。溶质由气相主体传递到两相界面,即气相内的物质传递。 溶质在相界面上的溶解,由气相转入液相,即界面上发生的溶溶质在相界面上的溶解,由气相转入液相,即界面
22、上发生的溶解过程;解过程; 溶质自界面被传递至液相主体,即液相内的物质传递。溶质自界面被传递至液相主体,即液相内的物质传递。 物质传递机理:物质传递机理: 分子扩散:浓度差。分子扩散:浓度差。 涡流扩散:流体的宏观运动。涡流扩散:流体的宏观运动。2022年6月10日星期五Process System Principle24 相际传质理论分子扩散分子扩散 分子扩散:当流体内部存在着某组分的浓度差时,由于物质分子无分子扩散:当流体内部存在着某组分的浓度差时,由于物质分子无规则的热运动,该组分由浓度较高处转移到浓度较低处,这种传质方式规则的热运动,该组分由浓度较高处转移到浓度较低处,这种传质方式称为
23、分子扩散。称为分子扩散。 涡流扩散:是依靠流体质点的湍流流动和涡流运动将物质由高浓度涡流扩散:是依靠流体质点的湍流流动和涡流运动将物质由高浓度处转移至低浓度处的现象。处转移至低浓度处的现象。 2022年6月10日星期五Process System Principle25 相际传质理论对流扩散对流扩散 对流对传质的贡献:对流对传质的贡献:图图5-12 MN5-12 MN截面上可溶组分的浓度分布截面上可溶组分的浓度分布 1 1静止流体;静止流体;2 2滞流;滞流;3 3湍流湍流 对流传质:流动流体与对流传质:流动流体与相界面之间的物质传递称为相界面之间的物质传递称为对流传质。对流传质。 参见图参见
24、图5-125-12所示。所示。2022年6月10日星期五Process System Principle26 相际传质理论对流扩散对流扩散 对流传质速率:对流传质速率: 对流传质现象复杂,传质速率难以解析求得,必须依靠实验测得。对流传质现象复杂,传质速率难以解析求得,必须依靠实验测得。 气相与界面的传质速率式可写成:气相与界面的传质速率式可写成:i iY YA Ai iG GA AY YY Yk kN Np pp pk kN NA 式中:式中:p p、p pi i-溶质溶质A A在气相主体与界面处的分压,在气相主体与界面处的分压, kPakPa ; Y Y、Y Yi i-溶质溶质A A在气相主
25、体与界面处的摩尔比;在气相主体与界面处的摩尔比; k kG G-以分压差表示推动力的气相传质系数,以分压差表示推动力的气相传质系数, kmol/(s kmol/(sm m2 2kPa)kPa) k kY Y-以摩尔比差表示推动力的气相传质系数,以摩尔比差表示推动力的气相传质系数,kmol/(skmol/(sm m2 2) ) 2022年6月10日星期五Process System Principle27 相际传质理论对流扩散对流扩散 液相与界面的传质速率式可写成:液相与界面的传质速率式可写成:A Ai iX XA Ai iL LA AX XX Xk kN Nc cc ck kN N 式中:式中
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