华南理工大学化工原理课件 第六章 吸收.ppt

化工原理 第六章 吸 收 第一节 概 述 一、吸收综述 吸收就是分离气体混合物的单元操作,即是用适当的液体吸收剂处理 气体混合物,利用混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的不同而分离气体 混合物的操作,其实质是一种典型的气、液相扩散传质过程。 吸收系统包括气、液两个相,气相由可溶于吸收剂的气体组分(称为吸 收质或溶质)和不溶或难溶于吸收剂的惰性组分(称为惰性气或载体)组成 ，液相则是液体吸收剂(或称为溶剂)；吸收操作所得到的溶液称为吸收液 ,其成分为吸收剂和溶解于其中的吸收质；排除的气体称为吸收尾气,其主 要成分应为惰性组分和残余的溶质。 吸收的原理：就是利用混气中,各组分在吸收剂中有不同的溶解度的 特点,选择适宜的吸收剂对混合气中组分进行选择性吸收，以达到从混合 气中分离或提纯组分之目的。 与吸收操作相反,使吸收质从吸收剂中分离出来的操作称为解吸或脱 吸。其目的是循环使用吸收剂或回收溶质,实际生产中吸收过程和解吸过 程往往联合使用。 吸收和蒸馏一样也牵涉到气、液两相间的质量传递,但蒸馏是依据混 液中各组分挥发度的不同而得以分离；吸收则基于混气中各组分在吸收剂 中的溶解度不同而得以分离；蒸馏属双向传质，吸收为单相传质。 第一节 概 述 二、吸收在化工生产中的应用 吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法,是传质过程中的一 种重要形式,在化工生产中已被广泛应用： 1.制取液体产品。如用水吸收HCl制取盐酸,用水吸收NO2制取硝酸 ，用硫酸（98.3%）吸收SO3制取发烟酸等。 2. 回收混合气体中有用组分和分离气体混合物。如焦化厂用洗油 从炼焦炉气中回收苯，如图6-1所示；由乙烯直接氧化制环氧乙烷时用 水吸收反应后的气体中的环氧乙烷；用液态烃吸收石油裂解气中的乙 烯和丙烯等。 3.吸收气体中有害物质以净化气体。如合成氨工业中用水或乙醇 吸收除去原料气中的CO2；用铜氨液吸收除去原料气体中的CO。 4.作为环境保护和职业保健重要手段。如硫酸厂用吸收除去废气 中SO2,过磷酸钙厂用吸收除去废气中含氟气体,硝酸厂中用吸收除去尾 气中NOx。 第一节 概 述 图6-1 吸收与解吸流程图图6-2 两类气液传质设备 第一节 概 述 三、吸收过程的分类 1.物理吸收与化学吸收 对于CO2气体的吸收, 用水做吸收剂而主要发生物理溶解过程, 用 碱液做吸收剂而主要发生化学反应过程。前者的本质是吸收质与吸收剂 间无化学反应,或者只有微弱的化学反应，吸收主要依靠吸收质在吸收 剂中的物理溶解度。后者是吸收质与吸收剂之间发生了明显的化学反应 ,由此将吸收分为物理吸收与化学吸收。二者的特点如下： (1)物理吸收:是可逆的,其逆过程就是解吸过程；吸收的极限是吸收 质的溶解度；吸收速率为吸收质的扩散速率；热效应小；外加条件的影 响是加压有利于吸收,减压有利于解吸；降温可增大吸收质溶解度, 有利于吸收,但扩散速率减慢,有可能降低速率,故温度要适中。 (2)化学吸收：其吸收平衡取决于化学平衡；吸收速率取决于扩散速 率或反应速率中最慢的一步；热效应大；既有可逆的又有不可逆的。 2.单组分吸收与多组分吸收:若混气中只有一个组分进入液相而被 吸收,则称为单组分吸收,否则为多组分吸收。 3.等温吸收与非等温吸收:吸收操作的温度不发生变化的称为等温吸 收,否则称为非等温吸收。 本章重点学习单组分等温的物理吸收过程。 第一节 概 述 四、吸收剂的选择 吸收的分离程度用吸收率来表征，其好坏与吸收剂用量关系很大， 而吸收剂用量又随吸收剂的种类而变。可见，选择吸收剂是吸收操作的 重要环节，通常从以下几个方面考虑： 1.溶解度：吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度，这样可以加 快吸收过程并减少吸收剂本身的消耗量。 2.选择性：吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混气 中其他组分却能吸收甚微，否则不能实现有效的分离。 3.挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减 少吸收过程中吸收剂的损失。 4.腐蚀性：吸收剂若无腐蚀性，则对设备材质无过高要求，可以减 少设备费用。 5.黏性：吸收剂的黏度要尽量低，这样可以改善吸收塔内的流动状 况从而提高吸收速率，且有助于降低输送能耗，还能减小传热阻力。 6.其他：吸收剂还应具有较好的化学稳定性，不易产生泡沫，无毒 性，不易燃，凝固点低，价廉易得等经济和安全条件。 实际生产中，满足上述全部条件的吸收剂是很难找到的，往往要对可 供选择的吸收剂进行全面的评价以做出经济合理的选择。 第一节 概 述 五、吸收操作条件 吸收就是气液两相间传递过程,为了提高吸收 效率,应选择如下条件： 1.采用连续操作,有利于稳定性生产及调节操作 的条件。 2.气液间逆流吸收,象传热一样,有利于吸收完 全并获得较大推动力。 3.尽可能增大气、液接触面积,因为传递速率与 传质接触面成正比。 4.增大相际间湍流程度,以降低传质阻力。 第二节 吸收中的气液相平衡 一、吸收中常用的相组成表示法 在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进 行而改变，但惰性气体和吸收剂的量始终保持不变。因此 ，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩尔分数表示 较为方便。 1.比质量分数与比摩尔分数 1.1比质量分数 混合物中某两个组分的质量之比称为比质量分数，用 符号WA表示。即： (6-1） 第二节 吸收中的气液相平衡 1.2比摩尔分数：混合物中某两个组分的摩尔数之比称 为比摩尔分数，用符号XA（或）YA表示。即： kmolA/kmolB (液相混合物) (6-2a) kmolA/kmolB (气相混合物) (6-2b) 1.3比质量分数与比摩尔分数的换算关系 (6-3) 在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在 操作中不转移到另一相的组分作为B组分。在吸收中，B组 分是指吸收剂或惰性气，A组分是指吸收质。 第二节 吸收中的气液相平衡 2.质量浓度与物质的量浓度 质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质 量。对于混合液体中的A组分有： （6-4） 物质的量浓度是指单位体积混合物内所含物质 的量（用千摩尔数表示）。如对于气体混合物，在 压强不太高、温度不太低的情况下，可视为理想气 体，则混气中的A组分有： （6-5） 第二节 吸收中的气液相平衡 二、气液相平衡关系 气液相平衡关系是指气液两相达到平衡时，被吸收的 组分（吸收质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸收剂 中的平衡溶解度。 1.气体在液体中的溶解度 在恒定的压力和温度下，用一定量的溶剂与混合气体 在一密闭容器中相接触，混合气中的溶质便向液相内转移 ，而溶于液相内的溶质又会从溶剂中逸出返回气相。随着 溶质在液相中的溶解量增多，溶质返回气相的量也在逐渐 增大，直到吸收速率与解吸速率相等时，溶质在气液两相 中的浓度不再发生变化，此时气液两相达到了动态平衡。 平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压，用符号 表 示；溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度，简称溶解度； 它们之间的关系称为相平衡关系。 第二节 吸收中的气液相平衡 相平衡关系随物系的性质、温度和压力而异，通常由 实验确定。图6-3是由实验得到的SO2和NH3在水中的溶解度 曲线，也称为相平衡曲线。图中横坐标为溶质组分(SO2、 NH3)在液相中的摩尔分数 ，纵坐标为溶质组分在气相中 的分压 。从图中可见：在相同的温度和分压条件下， 不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度不同，溶解度很大的 气体称为易溶气体，溶解度很小的气体称为难溶气体；同 一个物系，在相同温度下，分压越高，则溶解度越大；而 分压一定，温度越低，则溶解度越大。这表明较高的分压 和较低的温度有利于吸收操作。在实际吸收操作过程中， 溶质在气相中的组成是一定的，可以借助于提高操作压力 P来提高其分压PA；当吸收温度较高时,则需要采取降温措 施，以增大其溶解度。 第二节 吸收中的气液相平衡 所以，加压和降温均 可以提高气体吸收质 的溶解度，对吸收操 作有利。反之，升温 和减压则有利于解吸 。对于同样浓度的溶 液,易溶气体在溶液 上方的气相平衡分压 小，难溶气体在溶液 上方的平衡分压大。 图6-3 气体溶解度曲线 第二节 吸收中的气液相平衡 2.气液平衡规律亨利（Henry）定律 2.1亨利定律:在一定的温度和压强不太高的条件下,多数气体的 溶解度和它的平衡分压成正比,其数学式表示为： （6-6） 式中:H 称为溶解度系数,kmol.m-3.Pa-1或kmol.m-3.atm-1，H值的 大小反映气体溶解的难易程度，对于易溶气体该值较大；对于难溶气 体，该值很小。 2.2注意事项 亨利定律只适用于稀溶液,如常压下难溶或少溶气体的吸收， 否则就有偏差； 只适用于与溶剂不发生化学反应的气体的吸收； 溶解度系数随温度升高而降低,即T，H； 应用于较高压强时,如5atm以上，分压应以逸度代替； 为了使用方便,亨利定律可以改写成以下形式: （6-7） 第二节 吸收中的气液相平衡 2.3亨利定律各系数间关系是： (6-8) 式中p为系统总压,c为溶液的总摩尔浓度,当为稀溶液 时有 ,表6-1列出了某些气体水溶液的亨利系数值 。 由表6-1中的数值可知：不同的物系在同一个温度下 的亨利系数E值不同；当物系一定时，亨利系数随温度升 高而增大，温度愈高，溶解度愈小。所以亨利系数值愈大 ，气体愈难溶。在同一溶剂中，难溶气体的值很大，而易 溶气体的值很小。 表6-1某些气体水溶液的亨利系数值（E10-6/kPa） 第二节 吸收中的气液相平衡 三、相平衡在吸收中的应用 1.吸收平衡线：表明吸收过程中气、液相平衡关系的 图线称吸收平衡线。在吸收操作中通常用Y-X图来表示,如 图6-4所示,曲线的函数关系就是亨利定律式(6-7)。 图6-4 吸收平衡线 第二节 吸收中的气液相平衡 2.相平衡线在吸收过程中的应用 2.1判断吸收能否进行。由于溶解平衡是吸收进行的极限,所以， 在一定温度下，吸收若能进行，则气相中溶质的实际组成 必须大 于与液相中溶质含量成平衡时的组成 ，即 。若出现 时 ，则过程反向进行，为解吸操作。图6-4中的A点为实际操作点,若A点 位于平衡线的上方，则 为吸收过程；若A点在平衡线上,YA=YA*, 体系达平衡，吸收过程停止；当A点位于平衡线的下方时,则YAYA*是吸收进行的必要条件，而差 值 YA=YA-YA* 则是吸收过程的推动力，差值YA越大，则吸收速率必 然越大。 2.3同理,若以液相为研究对象,在一定条件下,要让吸收过程能进 行,则液相中溶质的实际组成XA必须小于与实际气相中溶质含量YA成平 衡时的液相组成XA*,即XApCO2 ,故进行的是解吸。以分压差表示的 解吸总推动力为：(pCO2*-pCO2 )=77.1-60=17.1 kPa 若要改变传质方向(即变解吸为吸收),可以采取的措施是：一是 提高系统操作压力,以提高气相中C02分压；二是降低系统操作温度,以 降低E值,进而降低与液相相平衡的C02分压。 第三节 吸收速率 吸收过程就是涉及两相间的传质过程，它包括三个步骤： 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递； 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面溶解过程； 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。 通常,第步即界面上发生的溶解过程很容易快速进行,即其阻力很小 ,因为过程速率推动力/阻力,故认为相界面上的溶解推动力亦很小，甚至 为零，那么相界面上气、液组成就可认为能满足相平衡关系。这样总过程 的速率将由步气相和步液相内的两个单相传质速率所决定。该过程构 成了吸收总过程的主要部分，其物质的单相传递是由扩散传质方式进行。 为此要理解吸收机理、解决吸收速率,就得首先探究扩散传质的方式。 一、扩散传质的基本方式 吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相 转移到液相是通过扩散进行的，因此传质过程也称为扩散过程。扩散的基 本方式有两种：分子扩散及涡流扩散，而实际传质操作中多为对流扩散。 第三节 吸收速率 1.分子扩散 流体内部某一组分存在浓度差时，则因微观的分子热运动使组分 从浓度高处扩散到浓度低处的现象称为分子扩散。分子扩散只是由于分 子热运动的结果,扩散的推动力是浓度差,扩散速率主要决定于扩散物质 和静止流体的温度及某些物理性质。该扩散主要发生在流体的层流内层 ，且传质方向总是与流体的流动方向相垂直。 分子扩散现象在我们日常生活中经常遇到。将一勺砂糖放入一杯 水之中，片刻后整杯的水就会变甜；又如在密闭的室内，酒瓶盖被打开 后，在其附近很快就可闻到酒味。这就是分子扩散的表现。 2.涡流扩散 流体被搅动或搅拌时,由于流体质点的宏观随机运动（湍流）,使 组分从浓度高出移向浓度低处的现象称为涡流扩散,又称为湍流扩散。 如将一勺砂糖放人一杯水之中,用勺搅动,则将甜得更快更均,那便是涡 流扩散的效果。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多,涡流扩散速率主 要决定于流体的流动形态。该扩散主要发生在湍流主体。 3.对流扩散 又称对流传质，是对包括湍流主体的涡流扩散和层流内层的分子 扩散的总称。 第三节 吸收速率 二、吸收机理双膜理论 综前所述，吸收过程可以理解为物质在 两相之间的扩散传质过程，但其实际过程极为 复杂。为了从理论上说明这个机理，曾提出过 多种不同的理论,其中因形象、直观而被广泛 应用的是1926年由刘易斯和惠特曼提出的“双 膜理论”,其模型如图6-5所示。 该理论认为：当气体和液体相互接触时, 流体的主体即使呈现湍流,但在气液相际的两 侧依然分别存在有稳定的气体滞流层(气膜)和 液体滞流层(液膜),吸收过程是吸收质分子从 气相主体运动到气膜面其中包括分子扩散和 涡流扩散,再以分子扩散的方式穿过气膜到达 气液相界面,在界面上吸收质被快速溶解（瞬 间平衡）,又以分子扩散方式穿过液膜,然后运 动其中包括分子扩散和涡流扩散进入液相主 体。 图6-5 双膜理论模型示意图 第三节 吸收速率 该理论基本观点可归纳如下： 1.相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面,界面 两侧各有一个很薄的有效层流膜层（和课本一样）,即气膜 和液膜层。吸收质只能以单纯的分子扩散方式通过此二膜层 。此处为吸收传质的阻力区。 2.在相界面处,吸收质的溶解由于不需要活化能而能瞬时 完成,吸收质的气、液两相在界面是处于平衡状态的。 3.在膜层以外的气、液两相主体区,由于流体充分湍动两 相主体区内浓度梯度为零,没有吸收传质阻力，只有外界推 力。 4.若气相主体中吸收质的分压为p(y、Y),界面气膜的吸 收质分压为pi(yi、Yi),则(p-pi)即为吸收过程推动力。同理, 若液相主体中吸收质的浓度为c(x、X),相界面液膜中的浓度 为ci(xi、Xi),则(ci-c)也是过程推动力,只有ppi or cic 时,吸收过程方能持续进行。否则,即为解吸。 第三节 吸收速率 通过以上假设,就把整个相际传质过程简化为经由气 、液两膜的分子扩散过程。双膜理论认为相界面上处于平 衡状态,即图6-5中的pi与ci符合平衡关系。这样，整个相 际传质过程的阻力便全部体现在两个有效膜层里。在两相 主体浓度一定的情况下,两膜的阻力便决定了吸收速率的 大小。因此,双膜理论也可称为双阻力理论。 双膜理论把复杂的相际传质过程大为简化。对于具有 固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质,双膜理 论与实际情况是相当符合的。根据这一理论的基本概念所 确定的相际传质速率关系,至今仍是传质设备设计的主要 依据,这一理论对于生产实际具有重要的指导意义。 第三节 吸收速率 三、吸收速率方程 所谓吸收速率即指单位传质面积上在单位时间内吸收 的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式 即为吸收速率方程式。吸收速率用符号NA表示，其单位为 kmolm-2s-1。 按照双膜理论，吸收过程无论是物质传递的过程，还 是传递方向上的浓度分布情况，都类似于间壁式换热器中 冷热流体之间的传热步骤和温度分布情况。所以可用类似 于传热速率方程的形式来表达吸收速率方程。 吸收速率=过程推动力/过程阻力=吸收系数过程推动力 由于吸收的推动力可以用各种不同形式的差值来表示 ，所以，吸收速率方程也有多种形式。 第三节 吸收速率 1.气膜吸收速率方程 吸收质从气相主体通过气膜传递到相界面时的吸收速率方程可表 示为： （6-9） 式中YA、Yi分别为气相主体和相界面处吸收质的比摩尔分数；k气 为气膜吸收分系数,kmolm-2s-1,其倒数称为气膜阻力，与气膜推动 力相对应。 2.液膜吸收速率方程 吸收质从相界面处通过液膜传递进入液相主体的吸收速率方程可 表示为： (6-10) 式中XA、Xi分别为液相主体和相界面处吸收质的比摩尔分数；k液 为液膜吸收分系数,kmolm-2s-1,其倒数称为液膜阻力，与液膜推动 力相对应。 第三节 吸收速率 3.总吸收速率方程式 总观式(6-9)及(6-10),为了避开难于甚至是无法测定 的界面浓度,可以仿效传热中避开壁面温度类似的处理方法 ,同样可以采用两相主体浓度的某种差值来表示总推动力从 而写出总吸收速率方程式。其中吸收过程的总推动力应该 用任何一相主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。 3.1以（ ）表示总推动力的吸收速率方程式 或 （6-11） 其中： ,K气称为气相吸收总系数,其倒数称为 两膜的总阻力,此阻力由气膜阻力 与液膜阻力 组成。 （6-11）式即为以（ ）为推动力的总吸收速率方 程式。 第三节 吸收速率 3.2以（ ）表示总推动力的吸收速率方程式 (6-12) 其中 ， 称为液相吸收总系数，其倒数 同样为两膜的总阻力，此阻力由气膜阻力 与液膜阻力 组成。 （6-12）式即为以（ ）为总推动力的吸收速率方 程式。 由于推动力所涉及的范围不同及浓度的表示方法不同 ，吸收速率还呈现出了其它形态，应特别注意各式中吸收 系数与推动力的正确搭配及单位的一致性。 第三节 吸收速率 四、气膜控制与液膜控制 1.气体在水中溶解的难易程度,通常粗略的用相平衡系数m来区分， 当m100时可认为是难溶气体,当1L2L1。由 于填料层内的部分空隙被液体占据，使气体流动的通道截 面减小，同一气速下，喷淋密度越大，压降也越大。对于 不同的液体喷淋密度，其各线所在位置虽不相同，但其走 向是一致的，线上各有两个转折点，即图中Ai、Bi 各点， Ai（A1、A2、A3 ）点称为“截点”， Bi (B1、B2、B3 )点称为“泛点”。这两个转折点将曲线分成三个区域 ： （1）恒持液量区 这个区域位于点以下，当气速较低 时，气液两相几乎没有互相干扰，填料表面的持液量不随 气速而变。 第五节 填料塔 (2)载液区 此区域位于与点之间，当气速增加到某 一数值时，由于上升气流与下降液体间的摩擦力开始阻碍 液体顺畅下流，致使填料层中的持液量开始随气速的的增 大而增加，此种现象称为拦液现象。开始发生拦液现象时 的空塔气速称为载点气速。 (3)液泛区 此区域位于点以上，当气速继续增大到 这一点后，随着填料层内持液量的增加直至充满整个填料 层的空隙，使液体由分散相变为连续相，气相则由连续相 变为分散相，气体以鼓泡的形式通过液体，气体的压强降 骤然增大，液体将被拖住而很难下流，塔内液体迅速积累 而达到泛滥，即发生了液泛。此时对应的空塔气速称为泛 点气速或液泛气速。 第五节 填料塔 一般认为，泛点为普通填料塔的操作极限，过此点则 无法正常操作。要使塔的操作正常及压强降不致过大，气 流速度必须低于液泛气速，故经验认为实际气速通常应取 在泛点气速的5080%范围内。 2持液量 持液量小则阻