化工原理第六章吸收

1、第二章 吸收1 气体吸收的相平衡关系2 传质机理与吸收速率3 吸收塔的计算4 吸收系数5 脱吸及其他条件下的吸收概述1、定义吸收：利用混合气体各组分在液体中溶解度 差异，使某些易溶组分进入液相形成 溶液，不溶或难溶组分仍留在气相， 实现混合气体分离。解吸：也称为脱吸，与吸收相反的过程，即 溶质从液相中分离而转移到气相的过程。混合气中某些组分在气液相界面溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。1.1.定义：定义： 气相气相 液相液相2.2.依据：依据：溶解度不同溶解度不同 NH3: 气相气相 液相液相吸收质吸收质( (溶质溶质) )：A A尾气：尾气：B+(A)B+(A)惰性组分惰性组分(

2、(载体载体) )：B B吸收剂：吸收剂：S S吸收液：吸收液：S+AS+A2、吸收分离操作的目的与任务制取液体产品：如盐酸、硝酸，碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨等。分离混合气体吸收获得某些组分：如用液态烃吸收裂解气中的乙烯、丙烯等。气体净化除去混合气体中杂质：如合成氨原料气脱CO2等；尾气处理和废气净化：脱SO2、NOx等分离基础：各组分溶解度的差异3、吸收分离操作的分类物理吸收与化学吸收： H2O吸收CO2 NaOH溶液吸收CO2单组分吸收与多组分吸收： H2O吸收乙醇 液态烃吸收气态烃等温吸收与非等温吸收： H2O吸收丙酮 H2O吸收SO3低浓度吸收与高浓度吸收：溶质在气液两相摩尔分数均10

3、%4、 吸收与蒸馏的差别分离基础不同：挥发度与溶解度；引入新相的方式不同：改变状态参数（加热、冷却）与外界引入；产品获得的直接程度不同：精馏可直接获得较纯的组分，而吸收不能直接获得较纯的组分。传质不同：精馏中进行双向传质，而吸收中进行单向传质2 气体吸收的相平衡关系吸收过程与蒸馏一样，涉及相际传质过程。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，从宏观上观察传质已不再进行。吸收中的相平衡关系描述的是溶解度的影响因素，是处理吸收问题的关键。2.1.1 气体的溶解度一定操作温度和压力下，平衡状态下溶质在气相中的分压称为平衡分压或饱和分压，相应的液

4、相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。定义：气体在指定液体（溶剂）中的饱和浓度常用单位：kg(A)/kg(S)或kg(A)/m3(S)。它决定了吸收的极限（终点）；推动力：偏离平衡状态的程度过程速率。*AC2.影响因素：温度、压力、溶质在气相中的浓度。对于单组分物理吸收：自由度=3-2+2=3总压不高（5atm）理想气体溶解度气相分压，可以认为与总压无关。恒温：),(),(AAAAyPTfxPPTfC),(),(AAAAyTfxPTfC)(),(AAAAyfxPfC3、溶解度曲线与溶解性：加压和降温对吸收操作有利。吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。 温度、溶液的浓度一定时，

5、溶液上方分压越大的物质越难溶。易溶（NH3）；中等（SO2）；）；难溶（O2）对于同一种气体，分压一定，温度T越高，溶解度越小对于同一种气体，温度T一定，分压P越大，溶解度越大2.1.2 亨利定律体系：单组分、低浓、恒温、物理吸收。总压总压P0: z = 0，cA=cAi；z0，形成浓度分布； ，界面附近浓度梯度逐渐减小； =时，cA=cAi 溶质渗透速度正比于界面处的浓度梯度，梯度，速度；接触伊始速度最大。3.表面更新理论： 液面由无数微元流体组成，但液面上每个微元与气相接触的时间不同，其服从某个分布函数，各种年龄（接触时间）的微元被置换下去的机率与年龄无关，而与该年龄的微元数成正比。s 表

6、面更新率，常数，实验测定。 虽然溶质渗透理论和表面更新理论比双膜理论更接近实验结果，但还不能用于设计计算，所以吸收设备的设计仍以双膜理论为基础。2.2.7 吸收速率方程 确定设备尺寸及核算吸收程度。 吸收速率=推动力/阻力=吸收系数推动力 稳定操作：两膜中的传质速率相同，可用任一有效膜中的传质速率代表气膜或液膜吸收速率方程式，相应的吸收系数即为膜系数或分系数，以k 表示。与传热中的相当。1. 气膜吸收速率方程： 溶质由气相主体到相界面的对流传质速率 气相有效滞流膜内：以气相分压差为推动力 zG 与流体流动状态有关，不易确定，但传质条件（物系、P、T）一定时可认为kG不变。)(iBmGABApp

7、PPRTZDNGBmGABkRTPZPD令令)(iGAppkN 气膜吸收速率方程式气膜吸收速率方程式Gk气膜吸收系数， kmol/(m2.s.kPa)。 也可写成： GiAkppN1 以气相摩尔分率为推动力： y 主体中A的摩尔分率 yi界面处A的摩尔分率()AyiNkyy2. 液膜吸收速率方程：界面液相主体 液相有效滞流膜内：以液相浓度差为推动力)(ccczCDNismLA令 LsmLkcZCD)(cckNiLA或 LiAkccN1液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程 以液相摩尔分率表示：四个分传质系数，各有相应的阻力和推动力。)(xxkNixA3.界面组成的确定：气液平衡+稳定传质)()(cc

8、kppkNiLiGAGLiikkccpp当已知两相组成的平衡关系，如 *( )iipf c和上式联立便可 求出 iicp,4.总吸收系数及相应的吸收速率方程： 界面浓度难求，与传热处理壁温一样，可采用总推动力避开。即采用两相主体浓度的某种差值为推动力，相应引入总吸收系数(K)及总阻力(1/K)。 吸收推动力形式与传热的差别：表示方法不同，不能直接相减，即使转换成同一形式，其差值也并不能代表推动力。是否有推动力要与平衡浓度比较。相等不一定平衡。 推动力形式：主体浓度与另一相对应的平衡浓度的差值。 以(p-p*)为总推动力p*与液相主体浓度平衡GK 以以 p为推动力的气相总吸收系数，为推动力的气相

9、总吸收系数，kmol/(m2.s.Pa) *p与液相主体浓度与液相主体浓度c成平衡的气相分压，成平衡的气相分压，Pa。 易溶气体：H 很大，若kG、kL数量级接近，则 对于气膜阻力控制的吸收过程：平衡线斜率小，欲提高传质速率，在选择设备形式及确定操作条件时需设法提 ，即减小气膜阻力，这类似于对流传热时为提高传热传热速率需设法提高小的 Gk易溶气体溶解度大，其吸收过程往往是气膜阻力控制，如用水吸收氨或氯化氢，用浓硫酸吸收水蒸汽等均为气膜控制。 以(c*-c)为总推动力c*与气相分压p平衡KL 液相总吸收系数，m/s 难溶气体：H 很小，若kG、kL数量级接近，液膜控制液膜控制 对于液膜阻力控制的

10、吸收过程：平衡线斜率大，欲提高传质速率，在选择设备形式及确定操作条件时需设法提高 。 难溶气体溶解度小，其吸收过程往往是液膜阻力控制，如用水吸收氧气，氢气或二氧化碳等均为液膜控制。 用水吸收二氧化硫及丙酮蒸汽，气膜阻力和液膜阻力各占一定比例，此时应同时设法减小气膜阻力和液膜阻力，传质速率才会有明显提高，我们称这种情况为“双膜控制”。 Lk 以(Y-Y *)为总推动力Y *与液相组成X平衡据分压定律ApPyYYy11AYpPY*1*AYpPY代入 (*)AGAANKpp*)(*)1)(1 (YYYYPKNGA令 YGKYYPK*)1)(1 (*)(YYKNYAYK以 Y为推动力的气相总吸收系数，

11、kmol/(m2.s) 以(X *-X)为总推动力X *与气相组成Y平衡)*(XXKNXA小结小结 ：吸收速率方程吸收速率方程 与膜系数相对应的吸收速率式与膜系数相对应的吸收速率式与总系数对应的速率式与总系数对应的速率式 用一相主体与界面的浓用一相主体与界面的浓度差表示推动力度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力浓度之差表示推动力 【例7】低浓吸收，平衡关系符合亨利定律，kG= 2.7410-7 kmol/(m2skPa)， kL= 6.9410-5 m/s，H=1.5。求KG，并分析吸收过程的控制因素。2.3 吸收塔计算填料塔 板式塔：逐级接触；填料

12、塔：连续(微分)接触 填料中很大的空隙，提供曲径湍动，表面形成液膜表面积；可逆流或并流操作，但一般采用逆流：提高出塔吸收液浓度和降低尾气浓度。 计算内容：吸收剂用量、塔的工艺尺寸等。吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：吸收塔的设计计算，一般的已知条件是： 1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s) 2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系； 3）出塔的气体组成 需要计算：需要计算：1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度2.3.1 吸收塔的物料衡算及操作线方程1.物料衡算 稳定、逆流下标“1” 塔底（浓端）；下标“2” 塔顶（稀端）

13、；V B的摩尔流率，kmol/s；L S的摩尔流率，kmol/s；Y 气相中A的摩尔比；X 液相中A的摩尔比。 V 和Y1 由吸收任务规定， 吸收剂流量L和组成X2 由工艺条件确定， 出塔气体组成Y2 由任务规定的吸收率A 求出：可算出吸收液的浓度X12.操作线方程：塔内任意截面上的物料衡算关系在在 mn截面与塔底截面之间作组分截面与塔底截面之间作组分A的衡算的衡算LXVYLXVY11逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程L/V：塔操作的液气比表明 ：塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。 操作线：在Y-X图上为以L/V为斜率，过塔进、出口气、液两相组成点B

14、(X1，Y1)和T(X2，Y2)的直线逆流：浓、稀端；操作线与平衡关系、操作条件及设备结构无关；吸收：Y Y *，操作线在平衡线上方。并流操作线方程：)(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY吸收操作线总是位于平衡线的上方，操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程。 吸收塔内流向的选择1、逆流沿塔高能保持较大推动力；并流从顶到底沿塔高推动力渐小，塔顶、底推动力相差大。2、若两相进、出塔浓度相同，逆流平均推动力大于并流，对传质速率有利。与传热时一样。3、工业吸收一般多用逆流，后面讨论中若无说明，均为逆流吸收。4、逆流时上升的气体将阻碍借重力往下流动的液体，限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流

15、率，这是逆流操作不利的一面。2.3.2 吸收剂用量的决定 吸收剂用量L 或液气比L/V 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，V、Y1、Y2 由设计任务给定，X2 则是由工艺条件决定或设计人员选定。可见，X1 与吸收剂用量L 相互制约！操作线的一个端点(X2,Y2)已定，另一端点随L不同液气比L/V不同，而在Y=Y1水平线上移动。 LL/V推动力X1；设备费 ，操作费用 ； LL/VX1推动力设备费用，操作费用。 到C点X1=X*，X1与Y1平衡，推动力=0，X1=X1,max，传质面积无限大， 设备费用无穷Lmin, (L/V)min。 一般：L=(1.

16、12.0)Lmin(L/V)min的确定：确定操作线与平衡线的交点或切点。 例：空气与氨的混合气体，总压101.33kPa，其中氨的分压为1333Pa，用20的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为99%，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡关系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试求每小时送入塔内的水量。溶液浓度溶液浓度(gNH3/100gH2O) 2 2.5 3分压分压Pa 1600 2000 2427解：解：1）平衡关系 *1yyY333106 . 11033.101106 . 101604. 018/10017/2X0212. 0XYm*0212. 001604. 07

17、57. 0XY757. 0:平衡关系为2）最小吸收剂用量： 2121minXmYYYVL其中： 其中： 291000Vhkmol/5 .34空气333. 133.101333. 11Y0133. 012)99. 01 (YY0133. 001. 0000133. 002X757. 0m2121min)(XmYYYVL0757. 00133. 0)000133. 00133. 0(5 .34hkmol/8 .253）每小时用水量 Lmin2L8 .252hkmol/6 .51hkg /8 .928【例】用洗油吸收焦炉气中的芳烃。塔温度27、压强为106.7kPa，焦炉气流量850m3/h，芳烃的

18、摩尔分率为0.02，回收率不低于95%。洗油中芳烃的摩尔分率0.005。溶剂用量为最小用量的1.5倍，求洗油流量及X1。2.3.3 塔径的计算 Vs混合气体积流量，m3/s；按塔底为准； u 混合气空塔气速，m/s；流体力学问题。2.3.4 填料层高度的计算 1.基本方法与计算式(1)Z 所需填料体积基本方法：塔截面积所需传质面积所需填料体积单位体积填料提供的有效面积2塔负荷（传质量kmol/s）所需传质面积传质速率(kmol/m s)计算式各截面浓度变传质速率变 对组分A作物料衡算 单位时间内由气相转入液相的A的物质量为：AdGVdYLdXdANdGAA)(dZaNA微元填料层内的吸收速率方

19、程式为：微元填料层内的吸收速率方程式为： *()AYNKYYdzaYYKdGYA)(*dzaYYKVdYY)(*dZVaKYYdYY*ZYYYdZVaKYYdY0*12a:有效比表面，受填料形状、尺寸、装填方式、流体物性及流动状态影响，难以确定，将之与传质系数合二为一：KYa、KXa 总体积吸收系数或总体积传质系数，kmol/(s.m3) 。低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为 2、传质单元高度与传质单元数称为“气相总传质单元高度气相总传质单元高度” ，用 OGH表示 气相总传质单元数气相总传质单元数 OGOGNHZ HOG的物理意义： HOG 或HOL 表

20、示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，代表了吸收塔传质性能的高低，是由过程条件决定的：吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。虽然(Y-Y*)为一变量，但积分值一定，总可找到一个(Y-Y*)m （常量）使积分值不变。此时填料层高度就是一个总传质单元高度。112*YYOGYYdYN 传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越大，此时所需的传质单元数越大。3、传质单元数的求法1）平衡线为直线时）平衡线为直线时a）脱吸因数法 平衡关系用直线 bmXY*表示时，12*YYOGYYdYN)(22Y

21、YLVXX将代入12)(22YYOGbXYYLVmYdYNLmVS 脱吸因数。脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次。S愈大，脱吸愈易进行。 AmVLS1吸收因数吸收因数 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOG分析分析 ：横坐标 *22*21YYYY值的大小，反映了溶质吸收率的高低。 在气液进口浓度一定的情况下，吸收率愈高，吸收率愈高，Y2愈小，横愈小，横坐标的数值愈大，对应于同一坐标的数值愈大，对应于同一S值的值的NOG愈大。愈大。S反映吸收推动力的大小反映吸收推动力的大小 在气液进出口浓度及溶质吸收率已知的条件下，若增大若增大S值值，也就是减小液气比L/V，则溶液出口浓度提高

22、，塔内吸溶液出口浓度提高，塔内吸收推动力变小，收推动力变小， NOG值增大。值增大。 对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，S值越小，值越小，*22*21YYYY愈大，愈能提高吸收的程度。愈大，愈能提高吸收的程度。 减小S增大液气比 吸收剂用量增大，能耗加大，吸收液浓度降低。适宜的S值： 8 . 07 . 0S)1ln(11*11*21AYYYYmVLmVLNOLOGOLNSNii) 对数平均推动力法：平衡关系：Y*=mX+b212121lnYYYYYYNOGmYYY21mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXm 例例：某生产车间使用一填

23、料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为0.04（组分的Amol分率，下同），出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下的平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比），试求：1）L/V为(L/V)min的多少倍？2）所需填料层高度。3）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？ 解：解：04. 0104. 01Y0417. 00053. 010053. 02Y00533. 00128. 010128. 01X01297. 0 1）L/V为(L/V)min

24、的倍数2121XXYYVL001297. 000533. 00417. 0804. 22121min)(XmYYYVL)1 (12YYm)0417. 000533. 01 (5 . 218. 2286. 1)/()(minVLVL2）所需填料层高度脱吸因数法 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 804. 25 . 2892. 0892. 0000533. 000417. 0)892. 01ln(892. 011OGN11. 5OGOGNHZ11. 55 . 167. 7对数平均推动力法mOGYYYN21mY00533. 00417. 02121lnYYYYYm*22*11*

25、22*11ln)()(YYYYYYYY0053. 001297. 05 . 20417. 0ln)000533. 0()01297. 05 . 20417. 0( 007117. 0mOGYYYN21007117. 000533. 00417. 011. 53）尾气浓度下降后所需的填料层高度 尾气浓度 0033. 010033. 02Y00331. 0)1ln(1121SYYSSNOG00331. 00417. 021YY6 .12892. 06 .12)892. 01ln(892. 011OGN52. 7OGOGNHZ52. 75 . 1m28.11例：例：某吸收塔在某吸收塔在101.3kP

26、a，293K下用清水逆流吸收丙酮空气下用清水逆流吸收丙酮空气混合物中的丙酮，操作混合物中的丙酮，操作液气比为液气比为2.1时，丙酮时，丙酮回收率可达回收率可达95%。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为y=1.18x，吸收过程为气膜控制，总传质系数，吸收过程为气膜控制，总传质系数Kya与气体流率的与气体流率的0.8次次方成正比，方成正比，1）今气体流率增加）今气体流率增加20%，而流体及气液进出口组成不变，而流体及气液进出口组成不变，试求：试求：a）丙酮的回收率有何变化？丙酮的回收率有何变化？b）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？单位时间内

27、被吸收的丙酮量增加多少？2）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来95%的提高至的提高至98%，吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？思路：思路：1）已知）已知L/V、m、吸收率、吸收率脱吸因数法脱吸因数法求求NOGV改变改变HOG变变塔高不变塔高不变求求NOG脱吸因数法脱吸因数法求改变后的吸收率求改变后的吸收率2）V不变不变脱吸因数法脱吸因数法求改变后的求改变后的S求求LNOG不变不变Z不变不变解：解：求原有条件下的传质单元数 NOG)1ln(

28、112221SmxymxySSNOG其中： LmVS 1 . 218. 1562. 02221mxymxy21yy)1 (11AyyA11当 %95A时， 2095. 0112221mxymxy562. 020)562. 01ln(562. 011OGN097. 51）气体流量增加20%时的操作效果 aKVHyOGaKVVVVVy8 . 0)/()/(OGHVV2 . 0)(OGOGHH04. 12 . 12 . 0OGOGOGOGHNHNOGOGHH04. 1091. 59 . 4VLmS/2 . 1/1 . 228. 1731. 0731. 011)731. 01ln(731. 019 . 4A%91A在单位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为： 12121.2 ()()V yyV yy)95