化工原理 第八章 气体吸收.ppt

第八章气体吸收GasAbsorption,8.1概述（Introduction）,利用混合气体中各组分(component)在某液体溶剂中的溶解度(solubility)的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gasphase)，从而实现混合气体的分离。,气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。,吸收剂,气体,y,x,界面,气相主体,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,yi,xi,吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inertgas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液(strongliquor)：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(dilutegas)：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。吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。,一、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，用水吸收氯化氢制盐酸等。(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。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来。(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CO2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，硝酸尾气脱除NO2等。,1.根据溶质与溶剂是否反应：物理吸收和化学吸收2.根据热效应：非等温吸收和等温吸收3.根据被吸收溶质的数目：单组分吸收和多组分吸收4.根据操作压力：常压吸收和加压吸收5.根据溶质的浓度不同：低浓度吸收和高浓度吸收,二、吸收操作分类,物理吸收(physicalabsorption)：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收(chemicalabsorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。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。低浓度吸收：溶质在气液两相中的摩尔分数不超过0.1。,本章主要研究：常压、等温、单组分、低浓度物理吸收,三、吸收的流程,从合成氨原料气中回收CO2的流程,必须解决问题：1、选择合适的吸收剂（溶剂）；2、提供合适的气液传质设备；3、吸收剂的再生循环使用。,工业吸收过程,吸收剂应具有的特点：溶解度：大敏感性：好选择性：好蒸汽压：低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）粘度：低（利于传质及输送）比热：小（再生时耗热量小）发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积）腐蚀性：低（减少设备费和维修费）安全性：好（避免易燃易爆）经济性：易得到易再生,T、p，有利于吸收；T、p，有利于解吸,四、溶剂选择,8.2吸收过程的相平衡关系,气体吸收是一种典型的相际间的传质过程，气液相平衡关系是研究气体吸收过程的基础，该关系通常用气体在液体中的溶解度及亨利定律表示。,8.2.1气体在液体中的溶解度,气体溶解示意图,如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。,气体的溶解度,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。平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解度增高。,气体的溶解度,1.对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度升高而减小；2.对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。加压和降温有利于吸收操作，反之，减压和升温有利于解吸操作。,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。,溶解度/g(NH3)/1000g(H2O),1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,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)。,8.2.2亨利定律（Henryslaw）,当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。,式中：p*溶质在气相中的平衡分压，kPa；x溶质在液相中的摩尔分数；E亨利系数，kPa。,亨利定律,亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E值一般随温度的上升而增大；E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；E的单位与气相分压的压强单位一致。,亨利定律其它表示方法,当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有,y*与组成为x的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；c溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；m相平衡常数，m值越大，表明该气体的溶解度越小；H溶解度系数；kmol/(m3kPa)，随温度升高而减小，易溶气体的H值很大，而难溶气体的H值很小。,三个比例系数之间的关系：,式中cm为溶液的总浓度（kmol/m3）。对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此cm=/Ms，其中为溶液的密度，Ms为溶剂的摩尔质量。,亨利定律,在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比Y（或X）表示组成。,以摩尔比表示组成的相平衡关系,X溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当m趋近1或当X很小时,8.2.3吸收过程相平衡关系应用（1）判断传质方向:y*=mxx*=y/m若yy*，吸收过程若xx*，解吸过程y=y*，平衡过程x=x*，平衡过程y0,pA-pA*0，cA*-cA0解吸：y*-y0，x-x*0，pA*-pA0，cA-cA*0,（3）确定传质过程极限y-y*0为吸收过程，x，当xx*时，达到最大,例：在总压101.3kPa、温度303K下，含SO2为0.105（摩尔分数）的气体与含SO2为0.002的水溶液相遇，已知平衡关系为y*=46.5x。问：会发生吸收还是脱吸？,解：从气相分析y*=46.5x=46.5X0.02=0.093x=0.02结论同上。,8.3吸收传质机理与吸收速率,平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面，再从气液界面扩散到液相主体的传质过程。,8.3.1气液相际传质理论,相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和(xy*)，溶质A由气相向液相转移。,一、传质过程的方向,气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：,y,x,o,y*=f(x),P,y,x,y*,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。,x*,释放溶质,吸收溶质,相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(xx*)，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(y1/（HkL），KGkG,（2）难溶气体（液膜控制）,H，H/kG，H/kG1/kL，KLkL,（3）中等溶解度气体（双膜控制）,（4）解吸的传质速率方程,传质速率方程的表达形式很多，要注意传质阻力与传质推动力的对应关系：（1）传质系数与传质推动力表示方式之间必须对应；（2）各传质系数的单位和对应的基准；（3）传质阻力的表达形式必须与传质推动力的对应。,6传质速率方程小结,8.4低浓度气体吸收塔的计算,化工单元设备的计算，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。,两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔的设计型计算，而操作型计算则通过习题加以训练。吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需的吸收塔。,已知：处理气量及初、终浓度、相平衡关系求：（1）溶剂的用量及吸收液浓度（2）填料塔的填料层高度（3）吸收塔塔径,吸收（或解吸）塔的计算,8.4.1吸收塔的物料衡算与操作线方程,全塔物料衡算：,一、吸收塔的物料衡算与操作线方程,塔顶与任一截面间的物料衡算：,塔底与任一截面间的物料衡算：,吸收塔的物料衡算与操作线方程,用摩尔比表示的传质速率方程：,当为低浓度吸收时，GBG，LSL，Yy，Xx，,吸收塔的物料衡算与操作线方程,并流操作的吸收塔,吸收塔的物料衡算与操作线方程,8.4.2吸收剂用量的决定,吸收剂用量Ls或液气比Ls/GB在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要的参数。吸收塔的设计计算中，气体处理量G，以及进、出塔组成Yb、Ya由设计任务给定，吸收剂入塔组成Xa则是由工艺条件决定或设计人员选定。,可知吸收剂出塔浓度X1与吸收剂用量L是相互制约的。,由全塔物料衡算式,选取的Ls/GB，操作线斜率，操作线与平衡线的距离，塔内传质推动力，完成一定分离任务所需塔高；Ls/GB，吸收剂用量，吸收剂出塔浓度Xb，循环和再生费用；若Ls/GB，吸收剂出塔浓度Xb，塔内传质推动力，完成相同任务所需塔高，设备费用。,最小液汽比（Limitinggas-liquidratio）,摩尔比坐标系中的操作线和平衡线,8.4.2吸收剂用量的确定,塔底流出液组成与进塔混合气组成达到平衡，这是理论上吸收液所能达到的最高组成。,适宜的液气比：,总费用=设备费+操作费,（LS/GB），操作线斜率，传质推动力，塔高（填料层高度），操作费用，设备费用；,（LS/GB），操作线斜率，传质推动力，塔高（填料层高度），操作费用，设备费用；,吸收剂用量的确定,讨论：,1、相平衡关系符合亨利定律时，Xb*=Yb/m,2、若为低浓度气体吸收（如无特别说明以后均为低浓度气体吸收）,吸收剂用量的确定,定义：吸收因子（因数）：A=L/（mG）或A=LS/（mGB）几何意义：操作线斜率与平衡线斜率之比解吸因子（因数）：S=mG/L或S=mGB/LS,（1）Amya，。在塔顶达到平衡xa*，若xa=0,max=1,（3）A=1，则L/G=m塔高无穷大时，全塔处处平衡，max=1,填料层无穷高的吸收塔,a单位体积填料的有效传质面积，m2/m3；h填料层高度，m；塔截面积（即填料层截面），m2；D塔直径，m,8.4.4有限高吸收塔填料层高度计算,气相总体积传质系数,微元体积：,相界面面积：,气相传入液相的溶质=气相所失溶质=液相所得溶质,有限高吸收塔填料层高度计算,（1）,（3）,（4）,（2）,（1）,有限高吸收塔填料层高度计算,（1）平均推动力法,1、平衡线为直线,令y=y-y*,传质单元数的确定,同理：,（2）吸收因数法,平衡线为通过原点的直线，服从亨利定律：,传质单元数的确定,S1,若平衡线为：,讨论：相平衡关系不符合亨利定律,Ky,相平衡关系符合y*=mx，且为纯溶剂吸收xa=0,（S1）,又已知：,当S=1或A=1时，操作线与相平衡线平行对数平均推动力法和吸收因数法均不成立，此时NOG、NOL如何求？,讨论：A、S大小对吸收影响,（3）NOG,的意义：反映了吸收率的高低。,2、平衡线为曲线图解积分法或数值积分法,（1）气膜控制时（易溶气体）,（2）液膜控制时（难溶气体）,（3）双膜控制时,（4）图解积分,传质单元数（NOG、NOL）的大小反映吸收过程进行的难易程度，它与吸收塔的结构因素以及气液流动状况无关。传质单元高度可理解为一个传质单元所需的填料层高度，是吸收设备效能高低的反映。,8.4.4.2传质单元数、传质单元高度的物理意义,1、解吸过程的特点解吸是吸收的逆过程，推动力与吸收相反。气相推动力：y=y*-y液相推动力：x=xx*解吸塔的浓端与稀端与吸收塔相反，塔顶为浓端，塔底为稀端。操作线位于平衡线下方。,8.4.5解吸塔计算（低浓度气体逆流解吸）,2、常见的解吸方法通入惰性气体通入直接水蒸气降低压力,3、解吸塔的物料衡算与操作线方程全塔物料衡算：G（ya-yb）=L(xa-xb)操作线方程：以塔的任一截面与塔顶作物料衡算可得,同样以塔的任一截面与塔底作物料衡算可得,定义：解吸率,4、最小气液比解吸L一定，G，L/G，C点,工程上的气液比,5、填料层高度的计算,8.5塔板数,理论板：气液两相在理论板上达到平衡。离开各层理论塔板的气、液组成的点E（xi,yi)在相平衡线上，即离开各板的气液组成符合相平衡关系。1、图解法,8.5.1理论板数,相平衡方程：,第一层板下的截面至塔顶的物料衡算,2、解析法,当A=1时N=NOGA1时NNOG,回顾两个问题：（1）理论板和传质单元在概念上的区别经过一层理论板的组成变化，是使得离去的气、液两相达到平衡，它并没有涉及到传质动力学；而经过一个传质单元的组成变化是与其平均推动力相等，因而出发点是传质速率方程。（2）连续接触式设备和逐级接触式设备的计算中所用到的条件对填料层高度的计算需要应用物料衡算、气液相平衡和传质速率方程三种关系；而对理论板数的计算中，只需用到物料衡算、气液相平衡关系，传质动力学因素则包括在板效率中。,8.6.1多组分吸收,(9-83),设计吸收塔高度时，用关键组分进行设计，将其作为单组分吸收进行设计，其余组分的分离能力的计算就属于操作型计算。,8.6其他类型吸收,优点：（1）化学反应提高了吸收的选择性；（2）加快吸收速率，减小设备容积，减小设备投资费；（3）反应增加了溶质在液相的溶解度，减少吸收剂用量，减小操作费用；（4）反应降低溶质在气相的平衡分压，可较彻底地除去气相中很少量的有害气体。缺点：解吸困难，解吸能耗大。若为不可逆反应，反应剂不能循环使用，用途大受限制。,热效应对吸收的影响：（1）温度升高，平衡分压增大，平衡线上移；（2）增大溶剂蒸气压及其气化量；（3）粘度下降，扩散系数增大，液相分传质系数增大；（4）化学吸收的反应速率增大。,8.7.1传质系数关联式（1）针对具体情况的简式（2）传质单元高度关联式（3）准数关联式,8.7.2传质理论概况（1）膜模型（Whitman,1923年）（2）溶质渗透模型（Higbie,1935年）,8.7传质系数和传质理论,一、吸收过程定性分析,1低浓度逆流吸收操作中，若其他操作条件不变，仅增加入塔气量，则：气相总传质单元高度将_；气相总传质单元数将_;出塔气相组成将_；出塔液相组成将_；溶质回收率