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1、第三章 吸 收,分离工程,吸收过程的设计,传质速率与传质系数,传质理论,气液相平衡,吸收过程概述,化学吸收与增强因子,目 录,吸收过程的应用,气体的净化,3,回收有价值的组分,4,原料气的净化,a,尾气的净化,b,获得液相产品,1,气体混合物的分离,2,SO3+H2O(H2SO4) H2SO4(浓硫酸) HCHO+H2O 福尔马林 (NH4)2CO3+CO2+H2O 2 NH4HCO3,典型工艺流程,吸收剂无需再生的流程,使用对象:主要用于制备液相产品。 流程特点:吸收剂不再生,循环操作。 应用实例:,使用对象:主要用于制备液相产品。 流程特点:吸收剂不再生,循环操作。 应用实例:,减压冷再生
2、 气提冷再生 间接蒸汽热再生,典型工艺流程,吸收剂需要再生的流程,使用对象:气体的净化或回收。 流程特点:至少有两个塔(吸收塔和再生塔)。 应用实例:,减压冷再生流程,吸收剂需要再生流程应用实例,原理:通过改变P,改变相平衡, 使溶质解吸。 实例:以碳酸丙烯酯为溶剂,脱除合成氨原料气中CO2的过程。 工艺对气体净化度要求是过程经济性的关键,吸收剂需要再生流程应用实例,气提冷再生流程,原理:用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸。 适用:溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的含量。 问题:二次污染,资源的再利用。,吸收剂需要再生流程应用实例,减压冷再生流程,原理:利用间接蒸汽升高温度,改变液面上活
3、性组分的平衡分压,加速解吸速率。 实例:化学吸收(可逆反应) 热钾碱法吸收CO2; 柠檬酸钠法吸收SO2。 过程能耗是考核的关键指标 。 采用化学再生,转化为其他产品,或与其他工业过程有机结合是降低能耗的有效方法之一。,吸收操作的分类,依据吸收的机理可分成 物理吸收(水、甲醇-CO2) 极限:溶解平衡=f(T, P) 达到平衡的速率: 过程是可逆的,且热效应较小。 化学吸收(K2CO3-CO2) 极限:相平衡= f (T,P,反应组分B) 达到平衡的速率: 由于有化学反应,过程热效应较大,必须热再生。 物理化学吸收(甲醇-有机胺),吸收过程的特点,吸收与精馏操作的相同点: 平衡分离过程 热、质
4、同传过程,由MESH方程求解 吸收与精馏的不同点: 吸收过程 精馏过程,吸收操作的特点,溶解平衡过程,相际传质速率和传质面积等成为重要的影响因素; 传质过程同时受到平衡和扩散的控制,化学吸收过程反应与分离耦合; 气体热容小,液体热容大,溶质浓度较低,且存在溶剂汽化冷凝,过程的温度变化较小; 吸收操作多采用连续逆流接触式设备(如填料塔); 研究的理论和方法-微分理论。,微分理论,气液相平衡,相平衡时: 物理溶解时相平衡 低浓度理想溶液 (Hi为亨利系数) 亨利定理变形: 或者,关于H系数的几点说明,高浓度非理想溶液 当气液平衡时, 两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程:,伴有化学反应时的相平衡,
5、化学平衡: (1) 溶解平衡: (2) 物料衡算式: (3),平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定 (即Ci同时满足化学平衡和溶解平衡) 由化学平衡式(1、2、3式)求得Ci,带入Pi=HCi, 求得相平衡时 的关系式: 分几种情况讨论,产物不离解系统(NH3-H2O),溶液中A的初始浓度 : 化学平衡: 溶解平衡: 当 时, 由此可见: 物理吸收: 化学吸收:,产物离解系统 (Cl2-H2O,CO2-H2O,SO2-H2O),离解平衡常数: 忽略溶液中水的离解: 化学平衡常数: 物料衡算: 溶液中A的起始浓度:,上式整理成CA的一元二次方程,并求解可得: 式中 溶解平衡:,被吸收组分与溶剂中
6、的活性组分的作用,设B组分的平衡转化率为R,有: 化学平衡: (1) 相平衡: (2),由(1)式得 ,代入(2)得: 令 根据吸收组分在相平衡时的溶解能力为: 当物理溶解量可以忽略不计时,,相平衡曲线及其比较,相平衡曲线 物理吸收: 化学吸收 : 说明: ,而不能超过 。 代表溶剂B对溶质A的最大吸收能力; 代表吸收时气体所能达到的极限净化度。,物理吸收与化学吸收的比较,物理吸收, 呈线形关系,不存在浓度界限; (适宜高压或高浓度气体的脱除) 化学吸收, 有极限, ;适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程; 当 ,化学吸收优于物理吸收; 当 ,物理吸收优于化学吸收。 溶质浓度过高会降低气体在
7、溶液中的溶解度常数(H),降低净化度,传质理论,吸收过程,溶质A由气相传到液相。,双膜论,特点: 是稳态的物理模型,模型直观,用起来方便。 要点: 流动方式:界面两侧有滞流传质膜, 滞流传质膜滞流边界层 传递方式:膜内呈分子扩散传递, 主体浓度均一,传质阻力集中在 界面两侧的双膜内 界面无阻力, , 模型参数是膜的厚度l,由单向扩散速率积分式可得: 讨论: 稳定的边界滞流传质膜? 传质过程是稳态的? 界面无阻力? KD(大量实测到的KD0.5 ) 双膜论的弱点: 没有反应出K与D的0.5次方的关系。,渗透论,要点: 传质方式:膜内是非稳态的传质;传递方式:膜内呈分子扩散传递, 传质模型:随着旋
8、涡的产生,溶质有时在主体,有时在界面;微元在界面停留时间te是相同的; 界面无阻力, ; 由非定态分子扩散可求得: 此结论 与实验相符合,但te无法测定, 且表面还是固定膜。,表面更新论,要点:传质是非稳态的 界面上的每一微元具有不同的暴露时间,被另一微元置换的机会均等 微元被旋涡携带的过程 在气、液相均会发生, 表面不断更新 微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律 缺点:表面更新率S无法确定,但该理论最完善。,传质速率与传质系数,物理吸收传质速率,化学吸收传质速率 与增强因子,传质系数关联式,1,2,3,物理吸收传质速率,由双膜论知,A由气相到液相的传质速率可表示为: 根据相平衡方程式 或
9、可以写出传质速率的多种形式 (见表3-5)。, 当A从气相进入液相时, ; 由于 是随 的增加而增加, 由此可得:,由传质总系数与传质分系数的关系式可知:,当 很大,即A是难溶气体 当 很小,即A是易溶气体时, 结论: 气膜控制的条件是: 液膜控制的条件是:,化学吸收的传质速率与增强因子,物理吸收 A在液膜中的溶解速率服从费克定律,即: 在图中CA为DE直线,斜率为浓度梯度 有化学反应时 A在膜中边扩散边反应, CA为曲线DE。 在D处(x=0) ,扩散速率为:,A的扩散量 = 膜内扩散量 + 膜内反应量 在 x=处,A向液相主体扩散速率为: 当界面处DL相同,C相同,则 DD 线斜率对应化学
10、吸收的速率 DE 线斜率对应物理吸收的速率 定义增强因子 1,将化学吸收速率看作物理吸收速率的倍。则有:,思考: 对传质总系数的影响如何? 化学反应的存在,是否只对液膜传质有影响,而对气膜传质无影响?,传质系数关联式,液膜传质系数关联式(Norman):,适用于公称尺寸10-50mm的拉西环 和公称尺寸13-38mm的鞍型填料。,金属拉西环填料,气膜传质系数关联式(Charpentier):,适用于公称尺寸大于15cm的填料。,恩田等(3-9295)的传质系数与传质单元高度关联式。 当工业设备的填料尺寸与文献值一致,计算可以有一定的精度,否则就有较大的误差。 对于化学吸收的传质系数值,则以物理
11、吸收为基础,全力求出值。 可以从商家或计算软件中获得常见体系的传质单元高度,再求取特定体系的传质单元数。,化学吸收与增强因子,化学吸收的特点、分类及其判别 化学吸收中液相传质速率的研究步骤 研究思路 扩散-反应微分方程 物理吸收速率 化学吸收速率 化学吸收增强因子的求取,化学吸收的特点,传质和反应耦合 反应发生在液相,化学反应仅改变液膜传质阻力! 传质速率: 两个重要参数及物理意义: 增强因子(化学反应的影响): 化学吸收无因次准数M(反应类型判断的依据):,引入化学反应对传质过程产生的影响 (与物理吸收的差异),加大了推动力改变了系统的相平衡,可提高脱除气的净化度。实例:化学吸收(可逆反应)
12、 CAl,CA* ;PA* 在低压、低浓度条件下提高了溶剂的吸收容量,可降低吸收剂的用量。 降低了液相传质阻力,提高了传质速率。,化学吸收的分类与判别,化学反应可忽略的物理吸收过程 液相中的总反应量扩散传递量 令: 当,液流主体中进行慢反应的吸收过程 液膜中反应的量通过液膜扩散的量 当M1,M0.2时,,在液膜中进行快反应的吸收过程 液膜中可能的最大反应量通过液膜扩散传递的量 中速反应 液膜中反应量膜内扩散量,反应在膜内完成,属边扩散边反应,瞬间反应 若是不可逆反应,反应在膜内某个面瞬时完成; 若是可逆反应,则在膜内达到平衡。,化学吸收中液相传质速率的研究步骤,研究思路 建立液相微元的扩散-反
13、应微分方程; 求得液相传质速率式; 根椐所获得的数学模型,求取模型参数。 方法:,扩散-反应方程,在dt时间内,对微元体Fdx作物料衡算: 扩散进入量 - 扩散流出量 - 反应量 = 积累量 其中,扩散量服从费克定律: Mx: Mx+dx:,MR: Ma: 代入 整理得扩散-反应微分方程: 定态传质过程 有了扩散反应方程,则在不同的边界条件,不同的传质机理,不同的反应特征下求解,得到,物理吸收,解微分方程得 代入边界条件: 得 求: 代入速率方程,得:,化学吸收,由双膜论: 从扩散反应方程出发 寻求化学吸收的 , 进一步求 化学吸收速率: 寻求化学吸收速率的问题转化为求解的问题。 思路:,化学
14、吸收增强因子的求取,一级不可逆反应 的求取,不可逆瞬时化学反应 的求取,二级不可逆反应的求取,1,2,3,一级不可逆反应 的求取,用双膜论处理一级(拟一级)不可逆反应 边界条件 组分A向主体扩散的量=A在主体中反应的量,将扩散-反应方程、边界条件无因次化 令: 得: 解微分方程,得: 代入边界条件: 得 的表达式:,求单位面积组分A的吸收速率NA(kmol/m2s) 与 物理吸收速率相比较,则: 将 的表达式 对 求导,并代入 的边界条件, 得:,瞬间反应: 快反应: 中速反应: 慢反应:,各类一级不可逆反应的求取,快反应 中速反应 慢反应:,慢反应又可分成两种情况: 如果 很大,则仍可使 或很小。 显示了液相反应速率与液膜传质速率的相对大小。 如 如果 也很小,此时属极慢反应,由反应工程研究。 如 吸收速率将由液相主体的缓慢化学反应所决定。,(CAl0),讨论:(如何强化传质过程?) 一级快反应: 一级中速反应: 都是有利的; 一级慢反应: ,改善化学反应条件 ,提高积液量采用鼓泡塔才是有效的。,考察不同的M取值对的影响 (P.137,图3-16):,不可逆瞬时化学反应的求取,反应面上: 瞬间反应: A: