PDF《《化工原理》》

《 《化工原理 化工原理》 》 Principles of Chemical Engineering 主讲教师:董缘 下册(第三版) 陈敏恒 丛德滋 方图南 齐鸣斋 编 化学工业出版社 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.

fineprint.cn 本章学习要求 § 掌握的内容: 分子扩散、菲克定律的定义及其应用,等分子 反向扩散、单向扩散的速率方程;

对流传质概 念;

气体在液体中溶解度概念,亨利定律及各种 表达式和相互间的关系,相平衡的应用;

双膜理 论要点;

总传质系数及总传质速率方程;

吸收过 程物料衡算;

操作线方程推导及其物理意义;

最 小液气比概念及吸收剂用量的计算;

填料层高度 的计算;

传质单元高度与传质单元数的定义及其 物理意义;

传质单元数的计算(平均推动力法和 吸收因数法);

吸收塔的设计型和操作型计算. 第第8 8章章气体吸收 气体吸收 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn § 熟悉的内容: 吸收剂的选择;

各种形式的单相传质速率方 程;

各种传质系数间的关系;

气膜控制与液膜控 制;

传质单元数的图解积分法;

吸收塔的操作型 分析;

解吸特点及计算. § 了解的内容: "三传"之间的联系;

分子扩散系数及其影响因 素;

填料塔和板式塔的结构及操作原理;

塔高计 算基本方程的推导;

高浓气体的填料层高度计 算;

其它类型的吸收操作. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 8.1 8.1 概述 概述 8.1.1 吸收分离操作定义: 利用混合气体中各组分在溶剂中溶解度的差异实现混合气 体的分离.气体吸收是包括气相内的物质传递、气液相界 面上的溶解过程和液相内的物质传递三个步骤的由浓度差 推动的相际传质过程. 气相主体 液相主体 相界面 气相扩散 液相扩散 yi xi yA xA PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 吸收过程基本概念: 溶质:混合气体中的溶解组分,以A表示. 惰性气体:不溶或难溶组分,以B表示. 溶剂:吸收操作中所用的溶剂,以S表示. 吸收液:吸收操作后得到的溶液,主要成分为溶剂S和溶质 A. 吸收尾气:吸收后排出的气体,主要成分为惰性气体B和少 量的溶质A. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 8.1.2 吸收操作的用途 (1) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品. 如:硫酸吸收SO3制浓硫酸,水吸收甲醛制福尔马林 液,氨水溶液吸收CO2制碳酸氢氨等. (2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分 以达到分离目的.如:从焦炉气或城市煤气中分离苯, 从乙醇催化裂解气中分离丁二烯,从合成氨厂排放气中 回收氨等. (3) 气体净化 一类是原料气的净化,即除去混合气体中 的杂质,如合成氨原料气脱H2S、脱CO

2、脱CO等;

另一 类是尾气处理和废气净化以保护环境,如燃煤锅炉烟 气,冶炼废气等脱除SO2,天然气、石油气和焦炉气的 脱除H2S以及硝酸尾气脱除NO2等. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 8.1.3 吸收过程分类: 物理吸收:吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应. 如用水吸收CO

2、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收 芳烃等. 化学吸收:溶质与溶剂有显著的化学反应发生.如用碱 类液体(NaOH、Na2CO

3、NH

3、胺类溶液)吸收酸性气体 (CO

2、H2S、SO2等)、用稀硫酸吸收氨以及水吸收NOx制HNO3等. 单组分吸收:混合气体中只有单一组分被液相吸收,其 余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计. 多组分吸收:有两个或两个以上组分被吸收. 非等温吸收:体系温度发生明显变化的吸收过程. 等温吸收: 体系温度变化不显著的吸收过程. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 8.1.4 吸收剂的选择依据 (1)溶解度大;

高浓度吸收:溶质组分的摩尔分数大于0.1 低浓度吸收:溶质组分的摩尔分数小于0.1 . (2)选择性高;

(3)溶解度对操作条件的敏感性;

(4)挥发性小;

(5)粘度低;

(6)化学稳定性高;

(7)腐蚀性低;

(8)其它:无毒、无害、价廉等. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 吸收与解吸流程 含苯煤气 脱苯煤气 洗油 苯水过热蒸汽 加热器冷却器8.1.5 工业吸收过程

1 从焦炉煤气中回收粗苯的流程 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

2 乙醇胺水溶液吸收二氧化碳气体 水蒸气 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 8.1.6 8.1.6 吸收设备简介 吸收设备简介

1 连续接触(也称微分接触): 气、液两相的浓度呈连续变化 ,如 :填料塔. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn

2 级式接触: 气、液两相逐级接触传质,两 相的组成呈阶跃变化. 如板 式塔. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 8.2 8.2 气液相平衡关系 气液相平衡关系 8.2.1 气体在液体中的溶解度: 气体吸收涉及到相际传质过程. 对单组分物理吸收:由相律 f=C-φ+2知: 自由度f = 3,即在温度、压力和气、液相组成四个变量中,有三个独 立变量. 在温度和压力一定的条件下,平衡时的气、液相组成具有 一一对应关系. 平衡分压(饱和分压):平衡状态下溶质在气相中的分压. 溶解度(饱和浓度):平衡状态下的液相浓度. 包括:平衡问题:物质传递的方向和限度 传质速率问题:传质推动力和阻力 相平衡:相间传质已达到动态平衡 PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 溶解度曲线:在一定温度、压力下,平衡时溶质在气相和液 相中的浓度的关系曲线.如下图: 溶解度 /[g(NH

3 )/1000g(H

2 O)]

1000 500

0 20

40 60

80 100

120 pNH3 /kPa

50 oC

40 oC

30 oC

20 oC

10 oC

0 oC

120 溶解度 /[g(SO

2 )/1000g(H

2 O)]

250 200

0 20

40 60

80 100 pSO2 /kPa

150 100

50 120

50 oC

40 oC

30 oC

20 oC

10 oC

0 oC 在相同条件下,NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多. 用水作吸收剂时,称NH3 为易溶气体,SO2为中等溶解气 体,溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在30℃ 和溶质 的分压为 40kPa 的条件下,1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g). PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 亨利定律: 亨利定律:当总压不太高(通常x*),故液相有释放 溶质 A 的能力. 相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(y

1 1

1 8.4.3 总传质阻力分析: PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn (2)对难溶气体,平衡常数 m 值大,平衡线很陡,这时: x x x x y x k K k K mk k ≈ ? ≈ ? >>

1 1

1 1 传质阻力主要集中在液相,此类过程称为液相阻力控制过 程,或液膜控制过程. 分析气、液两相中传质阻力所占的比例,对于强化传质 过程,提高传质速率有重要的指导意义.例如,以气相阻 力为主的吸收操作,增加气体流速,可减小界面处气膜层 的厚度,从而降低气相传质阻力,有效地提高吸收速率;

而增加液体流速吸速率则不会有明显改变. PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 吸收传质速率方程汇总表 吸收传质速率方程汇总表 相际或不同基准传质系数换算 相内或同基准的传质系数换算 总传质系数 吸收传质速率 方程 相平衡方程 a mx y + = b mX Y + = b Hc p + = ( ) ( ) ( ) ( ) x x K y y K x x k y y k N x y i x i y A ? = ? = ? = ? = * * ( ) ( ) ( ) ( ) X X K Y Y K X X k Y Y k N X Y i X i Y A ? = ? = ? = ? = * * ( ) ( ) ( ) ( ) c c K p p K c c k p p k N L G i L i G A ? = ? = ? = ? = * * ( ) x y y k m k K + =

1 1 ( ) x y x k m k K

1 ) (

1 1 + = ( ) X Y Y k m k K + =

1 1 ( ) L G G k H k K /

1 1 + = ( ) L G L k Hk K

1 1

1 + = ( ) X Y X k m k K

1 ) (

1 1 + = ( )( ) [ ] i y Y G y Y Y k k Pk k + + = =

1 1 ( )( ) [ ] i x X L m x X X k k k c k + + = =

1 1 ( )( ) [ ] *

1 1 Y Y K K PK K y Y G y + + = = ( )( ) [ ] *

1 1 X X K K K c K x X L m x + + = = m K K m k k x y x y = = m K K m k k X Y X Y = = L G L G K HK k Hk = = PDF 文件使用 "pdfFactory Pro" 试用版本创建 www.fineprint.cn 8.5 8.5 低含量气体吸收的计算 低含量气体吸收的计算 吸收过程计算,按给定条件、任务和要求的不同,一般可 分为设计型计算和操作型(校核型)计算两大类. 设计型计算:按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任 务要求的单元设备. 操作型计算:根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能 完成的任务. 8.5.1 低浓度气体吸收的( y