化工原理第八章气体吸收

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化学工程与工艺专业本科教学用 8-3
化工原理授课提纲
8. 气 体 吸 收
pA=yAP
pAi=yAiP
代入(1)式: NA=PkG(yA-yAi)=ky(yA-yAi) → ky= PkG 取:CA=xAC CAi=xAiC 代入(3)式: NA=CkL(xAi-xA)=kx(xAi-xA) → kx= CkL 相平衡关系为: y A =mxA yAi=mxAi 同理可推出: NA=Ky(yA- y A ) →
y+dy x+dx G L yb xb
π
4
DT2G(y+dy) DT2Gy
(输出量)=
π
4
图8-8:填料塔微分物料衡算
(消失量)=NAdA' = (积累量)=0
π
4
DT2 NAadh~在 dh 内,由气相进入液相
代入物料衡算方程,整理得: Gdy= NAadh 若取速率方程为: NA= Ky(y-y*) 则:Kya(y-y*)dh=Gdy B.C.: h~ 0→h0
x
(
)
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化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲
8. 气 体 吸 收
或:
h0=
L kx
a ∫ (x
xa
xb
dx Ai − x)
⒉ 填料层高度计算
⑴ 平均推动力法
z
以气相总传质推动力计算 平衡线为直线时,即 y=mx
那么,∆y~x 关系也为直线(∆y=y-y*),设为: ∆y=αx+β → d(∆y)=αdx 假设操作线方程形式为:y=α'x+β' → dy=α'dx
pA
pA ,C A pAi,C Ai CA
图8-4: 相界面浓度
p Ai − p A k =− L C Ai − C A kG
而:pAi=f(CAi) 对于气膜控制或液膜控制, 讨论方法与前相同。
§8.3. 吸收(或脱吸)塔的计算
一. 填料塔设计命题:(如图)
z z z z
GB LS ya xa Ya X a
y A*=mxA →m=E/P~相平衡常数,无因次 ⑶ 非线性相平衡 对于高浓度或非理想溶液,用相平衡曲线或经验式来描述相平衡关系 二. 传质速率方程
⒈ 传质机理与双膜理论
⑴ 吸收传质机理 溶质 A :气相对流传质→相界面传质→液相对流传质 ⑵ 有效膜理论~双膜理论 双膜理论假设: Ⅰ:在相界面两侧存在着稳 定 的 气 膜 和 液 膜(即浓度边界层),形成传质的主要阻力; Ⅱ:相界面传质阻力为零,即相界面始终处 于相平衡。 pAi= f(CAi) 那么: 气膜传质速率:NA=kG(pA-pAi) 相界面传质: pAi= f(CAi) (1) (2)
Ya Xa Xb Xb*
GB(Yb-Ya)=LS(Xb-Xa)
当 Yb 当不变时,
图8-6: 吸收塔最小液气比
LS ↑ → Xb↓ → ∆X↑ → h0↓, 动力消耗增加,脱吸塔负荷增加; GB LS ↓ → Xb↑ → ∆X↓ → h0↑,液体负荷下降, GB
当 Xb=X*b 时 →∆X=0 → h0=∞ 此时,得到最小液气比:
二. 吸收流程和吸收剂
⒈ 完整的吸收过程~吸收+解吸 ⒉ 多级吸收 ⒊ 吸收剂
z z z z z
挥发性小~溶剂损失少 腐蚀性小~设备选材易 毒性小~操作环境好 容量大、易解吸~吸收剂用量少 价格低、能耗小
§8.2. 基本理论
一. 气体在液体中的溶解度
化学工程与工艺专业本科教学用
8-1
化工原理授课提纲
8. 气 体 吸 收
⒈ 相律
若气相中不溶解的物质及不挥发溶剂分别作为一个组分 F=n-φ+2=3-2+2=3 CA * =f(P,T,pA) 对于工业吸收过程:P=constant 则:C A* =f(T,pA) 若吸收在等温条件下进行, 即: T= constant 则:C A =f(pA)
*
A , B , pA T,P A , S , CA
8-5
化工原理授课提纲
8. 气 体 吸 收
L~液体摩尔通量
kmol ~ 也称为液流强度 m2 ⋅ s
下标 a~塔顶参数(低浓度参数) 下标 b~塔底顶参数(高浓度参数) GB=G(1-y)~惰性组分流动通量 LS=L(1-x)~溶剂流动通量
kmol m2 ⋅ s
kmol m2 ⋅ s
⒉ 部分物料衡算与操作线方程
d ( ∆y ) dy
B.C. : y~ya→yb
=
α =constant α′
yb
∆ yb
∆y~∆ya→∆yb 积分得:
ya ∆ ya
∆y
∆yb − ∆ya
yb − ya
α = α′
图8-9:吸收过程推动力
则:
yb
d (∆y ) ∆yb − ∆ya = dy yb − ya
对积分
ya
∫ (y − y ) 进行变量代换:
总传质阻力接近于气膜传质阻力, 传质过程由气膜传质所控制,液相浓度均匀。称为气膜控制, 总传质速率表示为: NA=KG(pA - pA*)=kG(pA - pA* ) 同理: NA=Ky(yA- y A ) = ky(yA- y A )
∗ ∗
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8. 气 体 吸 收
∗ ∗
均匀。 称为液膜控制,
⒋ 高浓度吸收
由于溶解热 ,使得吸收过程温度发生变化 ; 另外 , 对于非理想溶 液, 当浓度较高时气液相平衡关系为曲线。即使 kG、kL 保持不变, KG、KL 也不能保持常数。若 kG、kL 随浓度变化不大,则可以采用 膜传质速率方程进行近似计算: NA=kG(pA-pAi) NA=kL(CAi-CA) 其中相界面浓度可用如下方法近似计算:
yb
y ~ y a→ y b
yb
积分得: h0=
G dy G = ∗ ∫ K y a (y − y ) K y a ya
yb
ya
∫ (y − y )

dy
若取速率方程为: NA= ky(yA-yAi)
G 积分得:h0== ky a
ya
∫ (y− y )
Ai
dy
对于液相同样推导,可得到:
L b dx Naadh=Ldx → h0= ∫ x∗ − x Kxa x a
工艺条件:T、P、G、yb 工艺要求:ya 工程决策:xa、L 计算目标:h0(或 N)、DT
G L y x
二. 物料衡算
⒈ 填料塔吸收过程分析(如图)
假设连续稳态流动, G~气体摩尔通量
GB LS yb xb Yb X b
图8-5 : 填料塔流程图
kmol m2 ⋅ s
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LS Yb − Ya = X ∗− X G b a B min
费 用
t c o
理论上应综合设备大小、能量消耗等因素, 以生产利润(或费用)为 目标函数确定最适宜液气比 Lopt。实际设计时 , 根据生产经验 , 实际液 气比取:
LS =(1.1~1.5) GB
三. 低浓度吸收计算
设逆流流动,取塔中部任一截面与塔顶作物料衡算,有: GBY+LSXa=GBYa+LSX 则: Y=
LS L X+(Ya- S Xa) GB GB
Yb
为线性方程,且经过点(Xa,Ya)(如图)
⒊ 全塔物料衡算与吸收剂用量
取 Xb = X, Y b = Y Y b=
则有: 或
LS L Xb+(Ya- S Xa) GB GB

dy
y=ya y=yb
∆y = ∆y a ∆y = ∆y b d y=
yb − y a d(∆y) ∆ yb − ∆ y a
yb − y a dy = ∗ ∫ ( y − y ) ∆ yb − ∆ y a ya
其中:∆ym=
yb
∫ (y − y ) = ∆ y ∆

ya
∆ yb
d (∆ y )
∆ yb yb − ya yb − y a ln = ∆ ya ∆ ym b − ∆ ya
LS G B min
Lmin
opt L
图8-7:最适宜吸收剂用量
当 x、y < 0.1 时,体系可以作为低浓度处理,可设:
化学工程与工艺专业本科教学用
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8. 气 体 吸 收
G ≈ GB , x ≈ X,
L ≈ LS y≈Y
那么操作线方程: y=
L L x+(ya- xa) G G
图8-1: 吸收气液相平衡 或 pA* =f(C A)
⒉ 相平衡关系
设 T= constant ⑴ 溶解度曲线 P27 页图 9-3 ⑵ 亨利定律 对于稀溶液,溶解度曲线为直线,用亨利定律描述相平衡关系: C A * =HpA → H~溶解度系数 kmol/m3-Pa Pa 或 atm
pA* =ExA → E=C/H~亨利系数
N AH * =C A - Cai kG
(11)
NA = CAi-CA kL
合并得:NA=
∗ CA − CA =KL(C*A-CA) H 1 + kG k L
(12)
(13)
其中:
1 H 1 = + K L kG k L
m/s KG=HKL
(14)
KL~以浓度差为推动力的总传质系数
(15)
⑶ 以摩尔分率为推动力的总传质速率方程 设气相符合理想气体特性, 则:
(8)
pA − p∗ A (7)+(8)得:NA= =KG(pA - pA*) 1 1 + k G Hk L
其中:
(9)
1 1 1 = + K G k G Hk L
(10)
KG~以分压差为推动力的总传质系数 ⑵ 以浓度差为推动力的总传质速率方程 将(4)、(6)式代入(1) 式得:
kmol m 2 ⋅ s⋅ Pa
⑴ 原料气的处理:合成氨及合成甲醇工艺中 H2S、CO2 的脱除… ⑵ 生产产品:碳氨、尿素、盐酸、硝酸、硫酸的生产,炼油工艺中吸收稳定… ⑶ 回收有用组分:合成氨工艺中回收 CO2,用以生产尿素或碳氨… ⑷ 废气的处理:
z z z
聚氯乙烯生产尾气中 HCl 处理; 磷酸厂尾气中 Nox 处理; 锅炉尾气中 SO2 处理…。
pA p Ai pA* CA CAi CA*
C H
* A
图8-3: 亨利定律
利用上式消除速率方程中的不可测的量 pAi 与 Cai 推导总传质速率方程。 ⑴ 以分压差为推动力的总传质速率方程 由(1)式得:
NA = pA - pAi Hk L NA p p * = Ai - A Hk L
(7)
将(4)、(5)式代入(3)式得:
⒈ 微分物料衡算
传质面积与填料层高度: A'=aV=
π
4
ya h y
xa x dh
DT2ah
设:Kx、Ky、G、L 不随 h 变化, 由于 x、y 以及 NA 沿 h 变化,需要用微元法计算。 在距塔顶 h 处取微元体 dh, 其传质面积 d A' =
π
4
DT2adh, 假设 NA 不变,对气相作物料衡算: (输入量)=
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8. 气 体 吸 收
§ 8. 气体吸收
§8.1. 概述
一. 工业中的吸收过程
⒈ 吸收分类
⑴ 依溶质与溶剂的结合形式分类:
z z
物理吸收 化学吸收 K2CO3+CO2+H2O⇔2KHCO3
⑵ 依组分数分类
z z
单组分吸收 多组分吸收
⑶ 依温度变化分类
z z
等温吸收 非等温吸收
⒉ 工业吸收过程
∗ ∗ ∗
kmol m2 ⋅ s kmol m2 ⋅ s
(或 x A =yA/m)

1 1 m = + K y k y kx 1 1 1 = + K x mk y k x
(16)
NA=Kx( x A Байду номын сангаасxA) →
(17)
Kx、Ky~以摩尔分率为推动力的总传质系数 Kx=mKy (18)
⒊ 总传质速率方程分析
相界面
pA G NA pAi C Ai
L
CA δe δL
图 8-8-2: 吸收传质双膜理论
8-2
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8. 气 体 吸 收
液膜传质速率:NA=kL(CAi-CA)
(3)
⒉ 低浓度吸收传质速率方程
对于低浓度吸收,假设相平衡符合亨利定律,即: CAi=H pAi 且:CA=HpA* (如图) 或: pA= (5) (6) (4)
⑵ 液膜控制 当溶质溶解度较小时, H 较小,若
H 1 << kG kL
1 H 1 1 = + ≈ → KL≈ kL KL kG k L k L
总传质阻力接近于液膜传质阻力, 传质过程由液膜传质所控制,气相浓度 总传质速率表示为: NA= KL(C*A-CA)=kL(C*A-CA) 同理: NA=Kx( x A -xA) =kx( x A -xA)
1 1 1 = + K G k G Hk L
1 H 1 = + K L kG k L
式中: {kG}≈10-3~10-4 可以认为具有相同数量级 ⑴ 气膜控制 当溶质溶解度较大时(如 SO3、NH3…), H 较大
kmol m ⋅ s⋅ a tm
2
{kL}≈10-4 m/s
1 1 >> kG Hk L 1 1 1 1 = + ≈ K G kG Hk L kG
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