第四节低浓度气体吸收

第四节低浓度气体吸收§5.4.1吸收过程的数学描述基本方法：物料衡算、热量衡算，列出吸收过程的速率式。一、低浓度气体吸收的特点：y≤5～10%，x亦10%(塔内吸收的A量不多)，可作假设：1．G、L为常量2．吸收过程为等温过程因吸收量少，溶解热引起的液温升高不明显，所以过程是等温的，不需要作热量衡算。3．传质系数为常量G、L为常量，所以全塔的流动状况相同，又温度不变，故G、L也不变。（kg、kL的影响因素为ρ、μ、u、d、D）二、流体流动模型是理想的1．每一截面上各点的浓度相同，只与轴向位置有关，2．流体等速平行运动，互不混合，呈均匀分布。三、物料衡算微分方程式对象：高度dH的微元填料层∴又设微元填料层内溶质的传质速率为，——提供的相间有效接触面积（相间传质面积），不同于填料的比表面。填料吸收塔中，在多数情况下，不是所有表面均被液体润湿，此外，也不是所有的润湿表面上传质活性都相同，在多数情况下，由于在液体表面上形成波纹，以及部分液体呈滴状和飞沫状，因而活性表面（相际接触面积）可超过填料的比表面。的大小一般由实验测定。∴对于气体物衡为对于液体物衡为四、相际传质速率方程式根据双膜理论，则吸收塔内任一截面上气液两相浓度变化可用下图表示：则气相传质速率方程式而P——总压对于液相传质速率方程式而——溶液摩尔浓度，其中，若物系服从亨利定律时：或现由∵=∴==令与液相浓度C相平衡的气液分压∴——与气相总吸收推动力相对应的传质系数，气相总传质系数，又===令∴——与液相总吸收推动力相对应的总传质系数，液相总传质系数同理——与气相总吸收推动力相对应的传质系数，气相总传质系——与液相总吸收推动力相对应的传质系数，液相总传质系其中而对于解吸过程，则解吸的速率方程为解吸推动力与吸收推动力恰好相反。五、传质速率方程的各种表达式=单相的总吸收（传质）推动力×总传质系数=单相的分吸收（传质）推动力×分传质系数===相平衡方程若定义摩尔比则=§5.4.2界面浓度与传质阻力分析一、界面浓度的求取∵∴或（1）～满足直线关系若已知相平衡关系，则（2）相平衡方程由（1）、（2）两式联立求解则得（，）；特别地，平衡关系满足亨利定律时，则与（1）联立很容易求得，。方法之二为作图法，即在x～y坐标中a点为塔内任一截面处的x，y坐标；b点则为界面，其坐标为，。平衡曲线方程为二、传质阻力分析——气膜阻力控制和液膜阻力控制由于——气相总传质阻力——气相分传质阻力——液相分传质阻力（的m倍）若则气膜阻力控制而由若则液膜阻力控制传质强化措施：气膜控制（易溶气体），选择吸收设备和确定操作条件时要降低增大气体流率，以降低液膜控制（难溶气体），选择吸收设备和确定操作条件时要降低增大气体流率，以降低如果，两者相当，m值界于1～100，中等溶解能力，如、丙酮蒸汽溶于水。必须同时↑或改变溶剂。§5.4.3低浓度气体吸收过程的计算一、吸收过程的积分表达式由物料衡算微分方程式用or代入上二式，则∵G、T、L一定，、为常数∴若m为常数，则、也为常数。又∵不易求得，故将与合并为一个整体来实测。——气相总体积传质系数，——液相总体积传质系数，设气相中溶质浓度变化为y1至y2，填料层高度侧从0至H，所以积分上式：同理积分二、传质单元数与传质单元高度令传质单元数，无因次；传质单元高度，m；则同理令和中所含的变量仅与物质的相平衡以及进出口的浓度条件有关，而与设备的型式和设备中的操作条件（如流速）等有关。和反映了分离任务的难易程度。如或的数值太大，或表明吸收剂性能太差，或表明分离要求过高。和与G、L及、有关，即与设备的型式、操作条件有关。它是吸收设备效能高低的反映。一般G↑→↑（0.6～0.7）或L↑→↑（0.6～0.7）0.2～0.3or0.2～0.3或值范围：0.15～1.5m。具体数值须由实验测定。又因NA的表达式不同，则传质单元数和单元高度的表示也不同，见下表：三、操作线与推动力的变化规律要对或积分，须找到或随y、x的变化规律。对图中虚框作物衡此方程反映的是y～x之间关系，这种关系叫操作关系，此方程称为操作线方程。=y～x直线关系当，点B塔顶，点A塔底（全塔物衡式）在y～x图上作出操作线（AB线），附上平衡线由图可见，推动力或的变化规律是由操作线与平衡线共同决定的。并且，操作线远离平衡线，则越大，越大；反之亦真。四、吸收剂再循环和返混1．再循环若循环量，则若不变，则点，推动力下降，因此，一般情况下吸收剂再循环吸收不利。但是，在下列两种情况下采用吸收剂再循环将是有利的：1）吸收过程有显著的热效应，大量吸收剂再循环不可降低吸收剂出塔温度，平衡线向下移动（如图中红线），则全塔平均推动力反而有所提高。2）吸收目的在于获得浓度x1较高的液相产物，按物料衡算所需的新鲜吸收剂量过少，以至不能保持塔内填料良好的润湿，此时采用吸收剂再循环，推动力的降低将可由容积传质系数的增加所补偿。（↓但↓）2．（轴向）返混返混是指实际传质设备内部少量流体自身由下游返回至上游的现象。产生返混的原因有多种，主要有下面两种：1）可以由流体的流动速度不均匀产生。流体流经截面的流体速度往往不均匀，存在一定的分布，不同于柱塞流，不均匀的流动速度会导致返混。2）轴向扩散导致返混现考察塔内液体局部返混对传质过程的影响。轴向返混可形象地描述如下图中：在液气比及两相进出口浓度皆相同的条件下，液体局部存在轴向返混时，使推动力下降，从而使完成同一分离任务所需的塔高增加。所以，返混对传质造成了不利了的影响。§5.4.4传质单元数的其它计算方法一、吸收因数法（解析法）以逆流操作为例操作线方程或设平衡关系则====令解吸因数吸收因数∴特别地即两直线平行，则∴同理二、传质单元数的数值积分法若平衡线为曲线，则不能用对数平均推动力法或解析法求取。的计算可采用数值积分法或图解法进行。由定积分的物理意义知，的数值积分法为：Simpson积分法为在至间作偶等分，得到然后按式中为步长，为偶数。值愈大，计算结果愈准确。三、传质单元数的梯级图解法∵塔高由个组成。现讨论气体流经一个单元高度所产生的浓度变化：∵∴由此可在y、x按以下步骤作图：（以逆流操作为例）Step1：在y～x坐标中作出平衡线OE与操作线AB；（见下图）Step2：在平衡线与操作线之间作曲线MN，使MN线恰好等分AB与OE两线间的垂直距离；Step3：自A点起作一水平线AD，此线交MN曲线于M1，且使；Step4：自D点作垂直线DF，因图中△和△ADF相似，可以证明，若将平衡线近似为直线，则又∵DF=，，DF=∵、相差不大，故∴△ADF梯级为一个传质单元，即Step5：以此类推，由A至B点作出若干个梯级，从而求得传质单元数数目。△∽△ADFDF=A1F1近似为直线，=∴△ADF梯级为一个传质单元同样，若在AB与OE之间作一曲线恰好平分其间的水平距离，仿照上述方法也可求出。§5.4.5吸收塔的设计型计算一、设计型计算的命题设计要求：计算达到指定的分离要求所需的塔高（填料层高度、塔有效高度）给定条件：，相平衡关系及分离要求分离要求的表示有：①目的是除去有害的物质，一般规定（残余浓度）②目的是回收有用物质，一般规定溶质的回收率对于低浓度气体吸收，∵，则为了要计算塔高H，须知道（）或（），、涉及吸收塔的类型及其在操作条件下的传质性能，一般由实验测得或由经验公式求得。