工业中吸收的应用

第七章

吸收第一节概述一、工业中吸收的应用1、吸收原理：与蒸馏操作相比，吸收广泛应用于气体混合物的分离。其原理是依靠气体混合物在某液体中的溶解度不同，而进行分离的。所用的液体称为吸收剂。

气体中易溶于吸收剂的组分A———溶质不易溶于吸收剂的组分B——惰性气体

2、工业中的应用

（1）原料气的净化——去除原料气中的杂质；（2）回收有用组分——合成氨生产中，用水回收氨；（3）某些产品的制取——工业中盐酸等的制取；（4）废气处理——去除废气中有害成分，如SO2等。3、吸收分类（1）按有无化学反应，分物理吸收和化学吸收。例如用NaOH吸收CO2就是化学吸收。（2）按溶质气体数目，分单组分吸收和多组分吸收。

（3）按有无明显热效应，分等温吸收与非等温吸收。二、吸收的流程和溶剂1、吸收流程如图从合成氨原料气中回收CO2。乙醇胺对CO2有较大溶解度，选乙醇胺做溶剂。溶剂要回收循环使用，又有了CO2解吸塔。吸收塔、解吸塔、锅炉构成了CO2

回收的工段或车间。进工段的是合成氨原料气，出工段的是CO2和低浓CO2的合成氨气。吸收操作流程三、学习内容和目的本章重点讨论的是单组分等温的物理吸收1、掌握气体在液体中的溶解平衡关系—亨利定律2、掌握传质速率方程3、吸收塔的计算4、了解吸收塔的结构第二节有关吸收基本理论一、气体在液体中的溶解平衡1、气体在液体中的溶解度在一定温度与压力下，溶质气体最大限度溶解于溶剂中，达到平衡时溶质在溶剂中的浓度，即为平衡溶解度。也称溶解度。2、平衡分压：达到平衡时，溶质气体在气相中的分压，称为溶质的平衡分压，用Pe表示。3、溶解度曲线——平衡曲线将平衡分压（Pe）与溶解度之间的关系作成曲线，称为溶解度曲线。有如下特点：①相同的温度和分压，不同气体的溶解度差别很大；②一般，气体溶质的溶解度随温度升高而降低，随分压增大而增加。二、亨利定律1、当总压不高（<5×105Pa）时，一定温度下，稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：

Pe---------溶质在气相中的平衡分压,kPa；X----------溶质在液相中的摩尔分率；E----------享利系数，kPaPe=E·X2、在应用时，亨利定律还有其它的表达形式：C——液相中气体溶质的摩尔浓度,kmol/m3;H——溶解度系数,kmol/m·kN;

（1）（2）上述三种表达式都反映了达到溶解平衡时，溶质在气相中的平衡分压与其在液相中的溶解度的关系。第三节传质速率方程吸收时传质过程分三个步骤：①溶质由气相扩散到气、液两相界面；②溶质穿过相界面；③溶质由相界面扩散到液相气体溶质在相内的传质主要有两种方式：①静止或作层流时——分子扩散②湍流流动时——对流传质我们将分别加以讨论一、分子扩散1、分子扩散与费克定律流体内若有两种组分A和B，且某一组分存在浓度差时，则由于分子运动使组分从浓度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。扩散时，服从费克定律。JA——A在z方向上的分子扩散通量，kmol/(m2s)dCA/dz——A的浓度梯度，kmol/m4

DAB——A在B中的分子扩散系数，m2/s负号——表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。2、气体中的稳定的分子扩散存在两种形式的扩散，两组分等分子反向扩散和一组分通过另一停滞组分的稳定的单向扩散。（1）等分子反向扩散（等摩尔相互扩散）pA1pB1pA2pB2pPAB12（2）一组分通过另一停滞组分的单向扩散在吸收中，可近似认为溶质A组分通过B组分向溶剂的扩散为单向扩散。单向扩散中，存在A、B组分向相界面的总体流动，其传质速率分别为NAM，NBM；同时存在组分A相对于组分B的分子扩散，其扩散速率为JA。则组分A向相界面的总的传质速率为总体流动中，A和B的速率与其各自在混合气体中的分压成正比，上式中，积分后得令3、液相中的稳定的分子扩散NAL——A在液相中的传递速率，kmol/m2sD——A在液相中的扩散系数，m2/sC——溶液的总浓度，C=CA+CS，kmol/m3Csm——扩散截面1到截面2溶剂的对数平均浓度，

kmol/m3二、湍流流体中的对流传质特点：内部存在着涡流流动，使得其扩散速率远大于分子扩散速率。涡流扩散速率仿照费克定律：对流传质中除了有涡流扩散外，也有分子间的扩散，因此，总扩散速率为积分，得到对流传质的总的传质速率1、气相中传质速率：式中NA——溶质A的对流传质速率，kmol/(m2s)；

zG——气相有效滞流膜层厚度,m；

kG——气膜吸收系数；

p——气相主体中溶质A的分压,kPa；

pi——相界面处溶质A的分压,kPa；

pBM——惰性组分B在气相主体中与相界面处的分压的对数平均值,kPa；二、两相间的传质基本理论——双膜理论气膜液膜1、双膜理论基本观点：①在气液两相接触的相界面两侧分别存在着以层流流动的气膜层和液膜层，传质以分子扩散方式进行；②在气液相主体中，湍流全下，可近似认为没有浓度（分压）梯度，溶质的浓度（分压）基本上是均匀的；③在相界面处，气液两相达到平衡；④传质的阻力全部集中气膜层和液膜层（双膜）中。2、总的吸收速率方程：在利用气液相传质速率方程进行吸收计算时，需确定相界面参数，难以测定，仿照总传热速率方程，利用两相主体间浓度（分压）差来进行计算。（1）以气相分压表示的总传质速率方程（2）以液相浓度表示的总传质速率方程（3）以摩尔比表示的总传质速率方程设：对于气相，可用Y表示总传质速率。根据道尔顿分压定律，气相中溶质分压p与总压P关系为：同理：对于液相，可用X-Xe表示：第四节吸收塔的计算计算内容：已知：处理气体的流量，气体的初始、终了浓度，对于给定的吸收剂，则气液相的平衡关系也已知。求：吸收剂的用量（或循环量），吸收溶液的浓度，吸收塔的主要尺寸（塔高、塔径）。一、物料衡算如图，逆流吸收塔中，V——惰性气体的摩尔流量,Kmol/SL——吸收剂摩尔流量,Kmol/SY1、Y2——入塔和出塔气体的摩尔比；X1、X2——入塔和出塔液体的摩尔比；φA——混合气体中溶质A被吸收的百分率，称为吸收率或回收率V,Y2X2,LYXV,Y1X1,L对全塔作物料衡算：在塔底与塔的任一截面之间作物料衡算：此方程称为吸收的操作线方程，稳定操作时，L,V,X1,Y1均为定值，方程为一直线。在塔顶与塔的任一截面之间作物料衡算，也可得到一个方程，也是吸收的操作线方程：在图上作出操作线，可知，过A(X2,Y2)、

B(X1,Y1)两点，分别代表塔顶和塔底的状态。0X2XX1Y1YY2AB二、吸收剂的用量与最小液气比2、液气比：上述操作线方程中，斜率为L/V，称作液气比。1、回收率η：回收率可以反映吸收操作的分离效果3、吸收剂用量及液气比对吸收操作的影响：L↑，则液气比↑，即操作线斜率↑，操作线将远离平衡线，吸收推动力↑，设备尺寸减小，投资费用降低，但溶液浓度变稀，操作费用及解吸设备费用增加。L↓，操作线斜率↓，操作线向平衡线靠近，吸收推动力↓，需增加气液接触面积，设备费用增加。当L减小到使操作线与平衡线相交或相切时，吸收推动力变为0，所需接触面积无限大。此时的L为最小，表示为Lmin。对应的液气比为（L/V）min。实际操作，选择合适液气比及吸收剂用量。一般4、最小液气比的确定0X2X1Y1Y2ABB’Xe1对于浓度很小的稀溶液，相平衡关系可近似用摩尔比表示也可通过作图，求出最小液气比三、填料层高度的确定对于低浓度气体在填料塔内进行吸收时，填料塔高度主要取决于填料层的高度。1、以气相和液相表示的填料层高度的基本计算式：2、传质单元数的确定在此只介绍对数平均推动力法对于服从亨利定律的稀溶液，其相平衡关系为图中YY1Ye1Y2Ye2OX2X1XBEA⊿Y1⊿Y2代入传质单元数积分式中，可得：例6-1在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的SO2。气体处理量为1.20m3/s

（标态），进塔气体中含SO2

为8%（体积百分数），要求SO2的吸收率为85%，在该吸收操作条件下的相平衡关系Ye=26.7X，用水量为最小用量的1.5倍。试求：（1）用水量为多少？（2）若吸收率提高至90%，用水量又为多少？解（1）已知（2）若吸收率提高至90%，则液体分布装置有莲蓬式、缺口喷淋式、弯管喷淋式、筛孔式和多孔管式等多种。

为了防止塔中部容易产生的“壁流效应”，壁流效应就是，液体不再流向填料，而是沿塔壁不经传质就流走了。所以塔中部会安装液体再分布器。液体再分布器有三种，即锥体形再分布器、槽形再分布