页数:65页文件大小:644.4 KB来源: 化工原理ppt课件
本课件对应《化工原理》第五节 低浓度气体吸收,沿第五节低浓度气体吸收主线展开,系统梳理操作线、平衡线等核心概念、公式推导与工程计算思路,并配合图示说明典型设备结构与操作要点,可用于课前预习、课堂对照与课后复习。
第五节低浓度气体吸收一、过程的数学描述
相平衡关系吸收过程的速率式热量衡算∮物料衡算基本方法
低浓度气体吸收
1、低浓度气体吸收的特点1y<5~10%X2y2Gy1
低浓度气体吸收
1G、L为常量;2吸收过程是等温的;实际吸收时,溶质在溶解过程中,由于溶解热的存在,液体的温度会升高,但由于溶质浓度低,液温升高并不显著,所以可以认为吸收是在等温条件下进行的,所以对低浓度气体吸收可不作热量衡算;3)传质系数K为常量,K=f(物性,设备,操作条件),在设备一定的条件下,前面假定了T不变,即物性不变,还假定了G.L不变,即流动状况不变,所以传质分系数kx,ky在全塔内可以认为为常数。
物料衡算
2、物料衡算微分方程式x1LX2y2Gy1hh+dhyxy+dyx+dx以微元塔段为控制体作物料衡算,忽略控制体两断面轴向的分子扩散,气体中组分A减少的量=被传递到液相中的量,−GdyA=NAaAdh⇒−Gdy=NAadha—单位容积内具有的有效吸收表面(m2/m3)aAdh—微元体内的有效吸收表面NAaAdh—单位时间内在此微元塔段内容质的传递量
相际传质速率
−x)dhNA=Kx(xe−x)(Ldx=NAadh)Ldx=Kxa(xe3、相际传质速率方程式NA=Ky(y−ye)(−Gdy=NAadh)−Gdy=Kya(y−ye)dh4、全塔物料衡算式对液相对两相Ldx=NAadhGdy=LdxG(y1−y2)=L(x1−x2)
低浓度气体吸收
对低浓度吸收,L、G以及kx、ky都是常数,如果在吸收操作范围之内平衡线斜率m变化不大,则总传质系数Kx、Ky亦沿塔高保持不变,那么,上两式积分可得∫1yy2GdyKyay−yeH=∫1xx2LdxKxaxe−xH=上两式为低浓度气体吸收过程的基本方程式
传质单元数与传质单元高度
5、传质单元数与传质单元高度KaKaGdxordyOLyxOGxOLyOGorH=H=xe−xLN=y−yeN=∫∫x12y12H=NOG⋅HOGorH=NOL⋅HOLNOG—(y-ye)为推动力的传质单元数NOL—(xe-x)为推动力的传质单元数NOG、NOL都是无因次量HOG、HOL—传质单元高度,具有长度因次,单位为m
传质速率
NOG和NOL只与物系的相平衡以及进出口浓度y1、y2有关,它反映了分离的难易程度,若NOG或NOL太大,表明难分离(吸收剂性能差,或分离要求太多)若NOG或NOL小,表示容易分离(吸收剂性能好或分离的要求低)。
HOG、HOL与设备的型式及操作状态有关,反映了操作状态及设备的传质速率,表示完成一传质单元所需要的塔高。
Kya∝G(Kxa∝L)随G的变化不太大,HOG的变化范围为0.15~1.5m,具体的需由实验测定。
GKya
塔高由不同的表达形式
由于NA有不同的表达形式,H塔高由不同的表达形式,见下表:∮∫∫2xx2yyy−ye1dxxe−x1dyNOG=NOL=∮ee(x−x)与x(y−y)与y要积分需要找出
二、传质单元数的计算法
1、操作线与推动力的变化规律yy1y2x2(1)逆流吸收x122Gy=L(x−x)+yGy+Lx2=Gy2+Lx上式在(x,y)坐标图上为一直线,用线段AB表示,称该线为吸收操作线,操作线两端点坐标(y1,x1)和(y2,x2)
的坐标代表塔内某一截面上气
Xy2X2X1AByy1GLM(xe-x)(y-ye)y=mx+Lx1⇒LG=(y1−y2)(x1−x2)Gy1+Lx2=Gy2直线斜率L/G称为液气比线上任意一点M的坐标代表塔内某一截面上气、液两相的组成。
操作线与平衡线
(xe-x)—以液相组成表示的吸收推动力(y-ye)—以气相组成表示的吸收推动力结论:在吸收塔内推动力的变化规律是由操作线与平衡线共同决定的。
逆流吸收操作线具有如下特点:1定态,L、G、Y1、X2恒定,操作线x~Y坐标上为一直线,斜率为L/G。
L/G为吸收操作的液气比;2操作线通过塔顶(稀端)A(X2,Y2)及塔底(浓端)B(X1,Y1);3操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关,与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。
操作线
4吸收操作线在平衡线的上方,解吸操作线在平衡线下方。
5平衡线与操作线共同决定吸收推动力。
操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大;
操作线(续)
(2)并流吸收yxG,y1x1x2y211Gy=y−L(x−x)Gy1+Lx1=Gy+Lxx1x2ABXYy1y2
操作线
逆流与并流的比较:1)逆流推动力均匀,且逆流∆Ym>并流∆Ym2)Y1大,逆流时Y1与X1在塔底相迂有利于提高X1X2小,逆流时Y2与X2在塔顶相迂有利于降低Y2逆流与并流操作线练习Y3X2X1Y1Y2CDABY2X3X2
操作线(续)
Y1Y2Y3X1X2X3CDAB
平衡线
如果平衡线在塔操作范围内可近似看成直线,那么传质推动力e和eΔy=(y−y)Δx=(x−x)dy分别随y和x称线性变化。
有d(Δy)=常数dxd(Δx)=常数(推动力相对于y的变化率)(推动力相对于x的变化率)Δy和Δx的两端值表示,21221(8−76)(8−77)=x1−x2=Δx−Δxx1−x2−x)−(x−x)y1−y2y1−y2y)−(y−y)=Δy−Δy(y−dy可用d(Δy)1ed(Δx)=(xedxe1e2
平衡线
d(Δy)dy=y1−y2Δy1−Δy2GGGGdyKyaGKyaΔym==Δy=Gd(Δy)(y−ye)y−y=y−yeKyaH=Δy∫∫∫y1−y2Δy1Δy2−Δy2y1−y2KyaΔy1−Δy2Δy2KyaΔy1y1−y21d(Δy)Δy2KyaΔy1−Δy2y1−y2Δy1Δy2Δy1−Δy212y1y2lnlnΔy1=2、平衡线为直线时的对数平均推动力
操作线
H=Gy1−y2KyaΔymmΔy2lnΔy1=Δy1−Δy2Δy称之为气相的对数平均推动力很显然ΔymNOG=y1−y2结论:NOG和NOL的导出是以操作线,平衡线直线为条件
平衡线
LKxaΔxmH=⋅x1−x2lnm=Δx1−Δx2ΔxΔx1Δx2mOLNΔx=x1−x2同样的推理过程可得结论:1)平衡线在吸收塔操作范围内可近似为直线,NOG、NOL的推导式仍然对并流适用。
2)平衡线与操作线平行时,y-ye=y1-y1e=y2-y2e3)当或时,对数平均推动力可用算术平均推动力代替,ΔyΔxΔy1<2Δx1<2
令称为解吸因数
3、吸收因素法∫2y1yeOGy−ydyN=当平衡关系为ye=mx,22y=L(x−x)+y2222211222222ln(1dydydydymGLmGLmGLmGLmGLyy2LmGmGLy1yGy1yG2LLGy1yOG1−)y+y−mx(1−)y+y−mx1−=y−mx(1−)y+=y+x−y)y−m(=y−mx=y−yeN=∫∫∫∫1=mGAL令称为解吸因数,A为吸收因素
操作线与平衡线
1=mGAL几何意义:操作线与平衡线的斜率比(1ln122122222211211(8−84)∫∬1−=1−=11−A1A1A21A1A1AA11A1A2A2A2A1AOGy−mx∫y−mxln(1−)2+1y−mxmx−mx+mx+y−1−)y+y−mx1−)y+y−mx(1−1)yN=ln(
吸收率
2221(8−84)∫+1∫ln(1−)11−A1A1A∬OGy−mxy−mxN=此式包含NOG22y−mxy1−mx2,1/A及三个数群y2−mx2y1−mx2的意义:反映了吸收率的高低1/A的意义:反映了吸收过程推动力的大小,为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值三个数群之间的关系如下
传质单元数
①当y1/y2一定,LGm③LG②当m一定,L/G下降(液体用量减少)H增大m一定,y1/y2增大(分离要求改变)OG增大,N和H都增大NOG和H都增大。
同理可以推出液相浓度差为推动力的传质单元数∫∬+Ay−mx∫y−mxN=OL11121−A)ln(11−A
设计型计算
平均推动力法和吸收因素法的区别平均推动力法:在操作范围内,平衡线为直线(y=mx+a)但该直线不一定通过原点,适合设计型计算。
吸收因素法:在操作范围内操作线为直线,平衡线为(y=mx)通过原点的直线,适用于操作性计算
传质单元数
4、传质单元数的数值积分法当平衡线ye=f(x)为一曲线,斜率处处不等,则ky发生变化,此时用数值积分求解∫1yy2yeKa(y−y)GdyH=作图得曲线e•系列y~y−y图解积分法步骤如下:•操作线上任取一点(x,y),其推动力为(y-ye)。
1•积分计算y1至y2范围内的阴影面积得到NOG
传质单元数(续)
y-ye二y1y2x2x1∫dy/(y-ye)y2y1f(y)=1/(y-ye)
传质单元数
以H=HOG.NOG计算塔高时,可将全塔看作由NOG个传质单元所组成;而气体流经一个传质单元所产生的浓度变化等于该单元内的平均推动力;而阶梯个数即为传质单元数NOG。
yFyAy1BHOGFHCM1M2y0x1C1F1DGNEA1x2H1A2MM3操作线AB平衡曲线OE请看下叶的演示:5、图解计算法
传质单元数
yFyAy1AHOGFHCM1M2y20x1C1F1DGNEx2H1MA1M3操作线AB平衡曲线OE图传质单元数的图解法作图法演示,请单击左键B图解计算法以H=HOG.NOG计算塔高时,可将全塔看作由NOG个传质单元所组成;而气体流经一个传质单元所产生的浓度变化等于该单元内的平均推动力;而阶梯个数即为传质单元数NOG。
物料衡算
三、吸收塔的设计型计算计算的依据全塔物料衡算相平衡方程G(y1−y2)=L(x1−x2)ye=f(x)吸收过程基本方程式∫∫22x1xeOLOLy1yeOGOGKxax−xH=H⋅N=dyKyay−yLdxGH=H⋅N=
设计型计算
一切问题将归纳
依H=HOG·NOG,计算H.HOG=G/Kya在此可作为已知量。
一切问题将归纳为NOG的求取,面临一系列的选择。
(1)、流向选择并流吸收y2y1x2逆流吸收x1y1y2x2x1
溶解度
逆流特点:1)逆流推动力大,传质速率快;2)吸收液的浓度高;3溶质的吸收率高;4液体受到上升气体的曳力,限制了液体流量和气体流量。
m很小时,溶解度很大,逆流、并流均可采用
图吸收剂进口浓度的上限
2、吸收剂进口浓度的选择(x2)及x2的最高允许值y1y2AB从经济角度考虑X2,传质推动力H吸收设备费X2解吸费用结论,x的选择是一个经济上的2优化问题。
x2ex1图吸收剂进口浓度的上限
吸收剂进口与气相出口处于同一
对于逆流操作,吸收剂进口与气相出口处于同一截面,收剂进口浓度x2受到气体出口浓度y2(即分离要求)的制约,x2<x2e=y2/m,这是其上限的问题。
对于逆流操作,吸收剂进口浓度更应低于x2e=y2/m。
还存在技术方面的限制0<x2<x2e若x2=x2e,塔顶的推动力Δy2=0H=∞x2>x2e当,不可能达到分离要求
物料衡算
3、吸收剂量的选择和最小液气比吸收塔x1y2Gy1LX2做全塔物料衡算x1=x2+G/L(y1-y2)液气比越大,x1愈小
吸收塔
斜率(L/G)(L/G)miny1y2x2x1ex2eACB斜率(L/G)miny1y2x2x1A吸收塔x1y2Gy1LX2
吸收塔
x1y2Gy1斜率(L/G)(L/G)miny1y2x2x1ex2eACBLX2斜率(L/G)miny1y2x2x1A图最小液气比实际液气比演示
吸收塔
x1y2Gy1斜率(L/G)(L/G)miny1y2x2x1ex2eACBLX2斜率(L/G)miny1x2x1yA2图最小液气比最小液气比演示
操作线与平衡线
当y1,y2,x2一定时,L/G增大,x1下降,操作线斜率增大,OG操作线远离平衡线,大,而N下降,H下降吸收设备费下降,但吸收液量大,对解吸要求高,则再生费用增加。
结论:L/G的选择是个经济上优化的问题L/G的最小用量也受到技术上的限制,当L/G减小时,操作线斜率减小,当L/G小到某一值时,在同一y1的情况下,操作线与平衡线相交,即意味着在吸收塔底气、液两相浓度达平衡,此时1Δy=0要完成分离任务所需塔高为无穷大,此时对应的液气比称为最小液气比,相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量Lmin。
Δy增m
是对一定的分离要求
x1e−x2(LG)min=y1−y2注意:(LG)min是对一定的分离要求而言的,当LG<(LG)min时,将达不到分离要求
平衡线
当平衡线形状如右图时,(LG)min应决定于从A点所作的平衡线切线的斜率2x′−x(LG)min=y′−y2实际当中斜率(L/G)miny2x2x1Ax‘y1y,LG≈(1.1~2)(LG)min
填料塔
【例题】在一塔径为0.8m的填料塔内,用清水逆流吸收空气中的氨,要求氨的吸收率为99.5%。
已知空气和氨的混合气质量流量为1400kg/h,气体总压为101.3kPa,其中氨的分压为1.333kPa。
若实际吸收剂用量为最小用量的1.4倍,操作温度(293K)下的气液相平衡关系为ye=0.75x,气相总体积吸收系数为0.088kmol/m3·s,试求1每小时用水量;2用平均推动力法求出所需填料层高度。
填料塔
【例5-7】空气中含丙酮2%(体积百分数)的混合气以0.024kmol/m2·s的流率进入一填料塔,今用流率为0.065kmol/m2·s的清水逆流吸收混合气中的丙酮,要求丙酮的回收率为98.8%。
已知操作压力为100kPa,操作温度下的亨利系数为177kPa,气相总体积吸收系数为0.0231kmol/m3·s,试用解吸因数法求填料层高度。
最小液气比
y1y2x2x1ACBy1x2x1y2解吸塔Lx1X2y2Gy1e平衡线CB平衡线4、解吸塔的最小液气比y1解吸操作线在平衡线的下方。
操作线方程变为:x=(G/L)(y−y2)+x2
物料衡算
增大到与平衡线相交一点,此时解吸气出口浓度y1与x1成平衡,解吸操作线斜率L/G最大而气液比G/L为最小。
做全塔的物料衡算有Lx1+Gy2=Lx2+Gy1y1=LG(x1−x2)+y2解吸用气量G减小y1增加,在x1一定,减小G,y1y1e−y2(GL)min=x1−x2当平衡线为如上图的凹形曲线时,过B点做平衡线的切线,求最小气液比。
解吸操作的实际气液比也应大与最小气液比。
四、吸收塔的操作型计算
1、操作型计算的命题第一类命题给定条件:H(及有关的设备尺寸)、G、L、y1、x2平衡关系及流动方式、Kya或Kxa计算目的:y2,x2(气液两相出口浓度)第二类命题给定条件:H(及有关的设备尺寸)、G、y1、y2、x2平衡关系及流动方式、Kya或Kxa计算目的:L,x1
物料衡算
∫∫22x1xy1yedxKxaxe−xLKyay−yeGdy..................y=f(x)或...H=吸收过程基本方程......H=相平衡关系在一般情况下,相平衡方程式和吸收过程方程式都是非线性的,求解时必须试差或迭代2、操作型问题的计算方法∮物料衡算.....................G(y1−y2)=L(x1−x2)
平衡线
如果平衡线在操作范围内可近似为直线ymKaΔy−y2H=G⋅y1mΔy2lnΔy1=Δy1−Δy2ΔyG(y1−y2)=L(x1−x2)ye=mx+b
无论对于某一类还是第二类命题
均有GLOG=y−y−m(x−x)=NOG=(y2−mx2−b12x1−x2y2−mx2−b1221y1−y2y1−mx1)−(y2−mx2)y1−y21−mG=1lny1−mx1−b1−my−y1lny1−mx1−blny1−mx1−blny2−mx2−by1−mx1−bN=Kya⋅H=常数mGOGLy2−mx2−by1−mx1−b=lnN⋅1−y2−mx2−b∴
第一类命题第二类命题便可解
=mG∫∬∫Ly2−mx2−by−mx1−b1expNOG⋅1−1122−b................(1)∫∬L(y−mx−b)exp∫NOG⋅1−mG=y−mx1G(y1)()−y2=Lx−x2{第一类命题第二类命题便可解出y2,x1只能通过试差当平衡关系为ye=mx∫+∬∫⋅H=NOG=ln1−G1−Kya11Ay2−mx2A1y1−mx21A
吸收塔
3、吸收塔的操作和调节吸收塔的气相入口条件通常由上一操作(工序)决定,不能变动。
而吸收剂入口条件的改变,则对吸收操作会产生大的影响,主要有以下几种情况:•增大吸收剂的用量L•降低吸收剂入口浓度x1•降低吸收操作的温度t
操作线
增大吸收剂用量,必然使吸收操作线斜率增大,平均推动力增大,传质单元数减小。
请看下面的简单演示斜率(L/G)(L/G)miny1y2x2x1x1eACB1)增大吸收剂用量
传质单元数
L,操作线斜率L/G,平均推动力Δym,传质单元数NOG但塔的总高H不定,传质单元高度HOG不变,传质单元数就不能减小,故必造成操作线位置的改变来保证传质单元数不变,因而致使气相出口浓度降低。
这种效果,在吸收操作在塔底更接近平衡(L/G<m)时,才有效,当吸收操作在塔底更接近平衡(L/G>m)时,增大吸收剂用量不能有效地降低气相出口浓度降低。
单从吸收过程讲,增大吸收剂用量显然是有利的。
但考虑到解吸操作,解吸液体量的增大,必使解吸的气液比减小,解吸操作是否还能满足要求应是考虑的重点。
操作线
降低吸收剂入口浓度,必然使吸收操作线左移,同样使平均推动力增大,传质单元数减小仍是以解吸操作是否还能满足要求为考虑的重点。
斜率(L/G)(L/G)miny1y2x2x1x1eACB2)降低吸收剂入口浓度
平衡线
3)降低吸收操作的温度降低吸收操作的温度:必然使平衡线斜率m减小,Δym增大,传质单元数减小,有利于吸收操作。
此时应考虑降温的设备和操作费用是否值得。
在某些溶解热较大的吸收操作中,采用中间冷却装置,甚至于采用管程为单程的冷却器为吸收塔,都是可取的。
吸收塔
【例5-9】某填料吸收塔在101.3kPa,293K下用清水逆流吸收丙酮—空气混合气中的丙酮,操作液气比为2.0,丙酮的回收率为95%。
已知该吸收为低浓度吸收,操作条件下气液平衡关系为ye=1.18x,吸收过程为气膜控制,气相总体积吸收系数Kya与气体流率的0.8次方成正比。
(塔截面积为1㎡)(1)若气体流量增加15%,而液体流量及气、液进口组成不变,试求丙酮的回收率有何变化?
(2)若丙酮回收率由95%提高到98%,而气体流量,气、液进口组成,吸收塔的操作温度和压力皆不变,试求吸收剂用量提高到原来的多少倍。
吸收塔
【例5-10】在一填料吸收塔内,用含溶质为0.0099(摩尔分率)的吸收剂逆流吸收混合气中溶质的85%,进塔气体中溶质浓度为0.091(摩尔分率),操作液气比为0.9,已知操作条件下系统的平衡关系为,ye=0.86x试求:(1)逆流操作改为并流操作后所得吸收液的浓度;(2)逆流操作与并流操作平均吸收推动力的比。
假设体积传质系数与流动方式无关。
第四节高浓度气体的吸收和化学吸收简介•高
浓度气体–当混合气的入塔浓度较高,被吸溶质量较多时,低浓度气体吸收的简化处理便不在适用;这时需要采用高浓度气体吸收的特点来分析计算。
•化学吸收–化学吸收的计算,简而言之,须考虑化学反应对吸收过程的增强效应。
在传质总系数的计算式中引入增强因子β:1/Ky=1/ky+m/βkx2006-5-13
气体吸收
•吸收过程中,气体流率G和液体流率L都不再是常量,但惰性气体流率GB和纯溶剂流率LS却可认为是常量。
•吸收过程是非等温的•传质膜系数与浓度相关下面就这三条予以详细介绍高浓度气体吸收的特点
气体吸收
•吸收过程中,气体流率G和液体流率L都不再是常量,但惰性气体流率GB和纯溶剂流率LS却可认为是常量。
–作物料衡算可得高浓度气体吸收的操作线方程:/(1−y2))(X−–y/(1−y)=(LS/GB)(x/(1−x)−x2/(1−x2))+y2–若令Y=y/(1−y)、X=x/(1−x),则Y=(LS/GBX2)+Y2为直线方程。
–但若将平衡线方程改写为Y=mX/(1+(1−m)X),则可在作标图上进行图解作业。
Y=y/(1−y)=mx/(1−mx)X=x/(1−x)x=X/(1+X)由是,仍可用前述公式进行吸收计算,如:最小液气比为(LS/GB)min=(Y1−Y2)/(Xe1−X2),唯应用m/(1+(1−m)X)替换式中的相平衡常数m。
气体吸收
吸收塔x1y2LX2Gy1y1y2x1ex2ABx1(LS/GB)(LS/GB)min图高浓度气体吸收操作线
热量衡算
•吸收过程是非等温的由于高浓度气体的吸收操作中,溶解热不能忽略,必使液相温度发生改变,进而也使气相温度改变,因此吸收全过程中相平衡常数不再是常量。
而且,对吸收过程的计算必须联解热量衡算式。
气体吸收
•传质膜系数与浓度相关ky=(DP/(RTδ))(P/pBm)=(DP/(RTδ))(1/(1−y)m)kx=(DCm/(RTδ))(Cm/CBm)=(DCm/(RTδ))(1/(1−x)m)Cm/CBm=1/((((Cm−CA)1(Cm−CA)2)/Cm)/ln(((Cm−CA)1/Cm)/((Cm−CA)1/Cm))))=1/(((1−x)1−(1−x)2)/ln((1−x)1/(1−x)2))=1/(1−x)m高浓度气体吸收过程的计算特点是将全塔分为若干段,逐段计算,在每一段中认为吸收温度不变。
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