山东大学化工原理课件03气体吸收

1、 第 4 章 气体吸收 Gas Absorption主要内容1 概述2 吸收相平衡3 传质机理与传质速率3.1分子扩散3.2气相中稳态分子扩散3.3传质机理3.4 吸收速率式八月 222主要内容4 吸收塔的计算4.1 物料衡算4.2 吸收用量的确定4.3填料层高度的计算4.4吸收塔理论板数的计算5 吸收系数6 脱吸及其它条件的吸收八月 2234.1概述4.1.1基本概念一、吸收过程若使混合气体与适当的溶剂接触，气体中一个或几个组分便溶解于液体中形成溶液，而不溶解的组分则留在气相中，从而实现其分离。 吸收依据是混合气体中各组分在同一溶剂中溶解度的不同。汽液接触方式同精馏相同吸收塔(absorpt

2、ion tower)板式吸收塔、填料吸收塔(packing absorption tower)逆流吸收(counter-current absorption)。 八月 224基本概念解吸(desorption)将被溶解于液相的气体组分释放出来的操作。解吸是吸收的逆过程，目的是实现溶剂与被溶解组分的分离，回收溶剂（溶剂再生）常用解吸方法吹气、减压、加热吸收解吸一般是并存的，互相影响。若吸收的目的为制取某种溶液，则无须解吸八月 225吸收-脱吸流程-用洗油吸收焦炉煤气中的苯例：从焦炉煤气中回收粗苯。煤气由塔底进入吸收塔，其中的粗苯蒸气被塔顶淋下的洗油吸收后，由塔顶送出。富含粗苯的溶液经升温后从解吸

3、塔的塔顶进入，塔底直接通入过热蒸汽气，将溶液中的粗苯逐出，并带出塔顶，一道进入冷凝器，冷凝后的水和粗苯经分层后分别引出；解吸塔底的洗油含苯量已很低，经冷却后再送往吸收塔塔顶循环使用。 八月 226二、吸收分类吸收的分类按溶剂溶质是否反应分化学吸收与 物理吸收按能溶解组分数分单组分吸收和多组分吸收按液相温度是否变化 等温吸收（低浓度吸收）和 变温吸收化工原理讲的是单组分、等温、物理吸收八月 227三、吸收设备-填料吸收塔填料吸收塔为一圆形筒体，筒内分层装有一定高度的填料。自塔上部进入的液体通过分布器均匀喷洒于塔截面上。在填料层内沿填料表面呈膜状流下。各层填料之间设有液体再分布器，将液体重新均匀分

4、布于塔截面上，再进入下层填料。气体自塔下部进入，通过填料缝隙中自由空间，从塔上部排出。离开填料层的气体可能夹带少量雾状液滴，因此有时需要在塔顶安装除沫器。气液两相在填料层内进行传质。 八月 228填料类型拉西环填料鲍尔环填料阶梯环填料矩鞍环填料规整填料等 规整填料： TUGRID格栅 组合式板网 金属（孔）板波纹 组片式波纹填料八月 2210四、吸收在工业生产中的应用吸收目的净化或精制气体为除去原料气中所含的杂质，吸收是最常用的方法。如用乙醇胺液脱出石油裂解气或天然气中的硫化氢；用于合成氨生产的氮氢混合气中的CO2和CO的净化；在接触法生产硫酸中二氧化硫的干燥等。分离气体混合物用以得到目的产物

5、或回收其中一些组分，如石油裂解气的油吸收，将C2以上的组分与甲烷、氢分开；用N甲基吡咯烷酮作溶剂，将天然气部分氧化所得裂解气中的乙炔分离出来；焦炉气的油吸收以回收苯等。八月 2211工业生产中的吸收过程将最终气态产品制成溶液或中间产品将气体中需用的组分以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品，如用水吸收氯化氢气体制成盐酸；在甲醇蒸汽氧化后用水吸收甲醛蒸汽制甲醛溶液；用水吸收丙烯腈作为中间产物等。废气治理 很多工业废气中SO2 、NOx （主要是NO及NO2 ），汞蒸汽等有害成分，虽然浓度一般很低，但对人体和环境的危害甚大，而必须进行治理，例如:烟道气除去SO2的净化；液氯冷凝后的废气除去氯

6、气的净化以及工业放空尾气中的氯化氢等各种有害气体。八月 2212六、吸收剂的选择 溶解度大；选择性好；再生性能好；具有良好的物理性质；具有良好的化学稳定性和热稳定性；对金属设备腐蚀性小；廉价、易得。八月 22131.2 吸收与精馏的比较原理不同。 吸收是根据各组分溶解度不同分离气体混合物的。 精馏利用组分间相对挥发度不同分离液体混合物。设备通用，但塔式不同。 精馏有简单塔和复杂塔。 最简单的吸收为精馏中的复杂精馏，即两股进料，两股出料。 八月 2214精馏与吸收传质形式不同。吸收是单向传质，精馏是双向传质。在精馏操作中，汽液两相接触，汽相中的较重组分向液相中传质（冷凝），液相中的较轻组分向汽相

7、中传质（汽化），所以传质过程是在两相中交替进行。对于吸收系统，一般吸收剂是不易挥发的液体，气相中的某些组分不断溶解到不易挥发的吸收剂中，属于单向传质。 八月 2215精馏与吸收温度范围、变化不同。在精馏过程中，由于气化潜热与冷凝潜热相互利用，在整个塔内的温度变化范围不是很大，而且从塔顶向下，温度逐渐升高。每块板上由于组成改变而引起的温度变化，可用泡露点方程定出。吸收过程由于气相中易溶组分溶解到溶剂中，会放出溶解热，这一热效应会使液相和气相的温度都升高，温度升高又影响相平衡关系，因而气相中各组分沿塔高的溶解量分布不均衡，这就导致了溶解热的大小以至吸收温度变化是不均匀的，所以不能用精馏中常用的泡露

8、点方程来确定吸收塔中温度沿塔高的分布，通常要采用热量衡算来确定温度的分布。八月 22164.2 物理吸收的相平衡 气体混合物中的组分不易冷凝成液体，然而它们可溶解于适当的溶剂中。因此气体的溶解度即为吸收和解吸的相平衡。一、气体的溶解度1）温度、压力对气体溶解度的影响加压、降温溶解度增大；升温，降压，溶解度减小对工程有何指导意义？在吸收过程中，为何常采用加压操作？而解吸常采用加热、减压措施？八月 2217吸收相平衡2）相平衡与吸收过程的关系传质的方向趋于相平衡传质的推动力实际浓度与平衡浓度的差值传质的极限相平衡八月 2218二、亨利定律(Henrys law）1）低压下的平衡关系 HenryLa

9、w 是稀溶液的性质HenryLaw具有多种形式p*=Exp* 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亨利系数，其值随物系而异，Kpa亨利常数 E=f(T)。温度升高，E增大八月 2219二、亨利定律2）高压下的平衡关系HP 不仅与溶剂的和溶质的性质、系统的温度有关，还与系统的总压有关。八月 2220亨利定律y* = mxy*与液相成平衡的气相中溶质摩尔分率x液相中溶质的摩尔分率m相平衡常数，无因次m随物系、温度、压强而变化。m和E的关系：m=E/P对不同气体，m大者，难则溶解度八月 2221亨利定律P* = C/H 溶解度系数H=/(E Ms)P*溶质在气相中的平衡分压，

10、KpaC单位体积溶液中溶质的摩尔数（摩尔浓度）mol /m3H溶解度系数,Kmol/KN m对不同气体，H大者，则易溶因为浓度表示方法不同，亨利定律有多种表达形式，都表示平衡时气相与液相组成之间的平衡关系。八月 2222亨利定律Y* =m X (低浓度下成立） Y*与液相成平衡的气相中溶质的摩尔比X液相中溶质的摩尔比m相平衡常数八月 2223三、 相平衡与吸收过程的关系1、 判别过程的方向当气相实际浓度大于平衡浓度时，传质方向是气相到液相，为吸收；反之为解吸，当液相实际浓度大于平衡浓度时，传质方向为液相到气相，为解吸；反之为吸收。八月 22242 、指明过程的极限八月 2225 3、计算过程的

11、推动力推动力：实际浓度与平衡浓度的偏离程度浓度表示法：摩尔浓度、摩尔分数、分压等八月 2226传质推动力 吸收推动力解吸推动力八月 22273 传质机理与传质速率质量传递中，气液接触方式不同，处理方法也不同，本章主要以微分接触为例。传质与传热有类似性吸收中的传质步骤：1）气相主体中的物质扩散；2）气液界面上的扩散；3）液相主体的物质扩散。八月 2228传质机理传质机理分子扩散靠分子热运动传质。涡流扩散依靠质点相对位移的产生传递物质。对流扩散分子扩散与涡流扩散的总和。总过程速率取决于单相传质速率。分析思路先讨论分子扩散的机理，再讨论对流扩散机理，并写出相应的传质速率式八月 2229单相中物质的分

12、子扩散什么是分子扩散？ 在一相内部有浓度差存在时，由于分子无规则的热运动引起的物质传递，简称扩散。扩散的快慢用扩散通量表示扩散通量在单位时间内单位截面积上扩散传递的物质量；kmol/m2 s ，用 J表示。菲克定律（Ficks Law）当A在AB中扩散时，任一点的扩散通量与该位置上的浓度梯度成正比。对于一维扩散：八月 2230（1）分子扩散-菲克定律 只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达如下 ： 浓度梯度 指向浓度增加的方向，而扩散向浓度降低的方 向进行，故式中加负号。DAB 为组分A在双组分混合物A、B中的扩散系数。 八月 2231双组分混

13、合物中的分子扩散 对双组分混合物，在总浓度（对气相也可说总压）各处相等及 常数的前提下，也有 (前提为 常数，对气压为总压 不变) A、B两组分的分子扩散速率大小相等，方向相反，否则就不能保证总浓度 （或总压 ）不变。 八月 2232扩散系数D物性常数 D = f (物质种类，温度，压强，浓度）来源 1）实验测定 2）常用物质扩散系数可查相关手册、文献 3）经验或半经验公式计算1）气体扩散系数 气体扩散系数 D T3/2/P （Maxwell-Gilliland 公式）温克尔曼法（Winkelmann s Method)测定气体扩散系数原理（例题） 液体物质表面汽化穿过空气层的扩散是单向扩散八

14、月 2233扩散系数例2-5 用温克尔曼法测定CCI4 蒸汽在空气中的扩散系数。竖直细管中盛有CCI4 液体，令空气在横向管中快速通过，以保证管口处CCI4 分压接近于零。已知：温度、压力，记录液面到管口的距离随时间的变化值 求： 该条件下CCI4 蒸汽在空气中的扩散系数解：竖直管内通过静止气体层的扩散为单向扩散，且为一非定态过程，但因扩散距离z的变化缓慢，故可作为拟定态处理。扩散速率可表示： 八月 2234对流传质理论1、双膜理论（又称双膜模型或双阻力理论要点： 1）汽液间有一稳定的相界面，界面两侧各有一有效滞流膜，膜内物质靠分子扩散传递； 2）汽液界面上，汽液两相满足相平衡关系； 3）汽、

15、液主体因湍流程度较高，浓度均一。八月 2235 传质速率方程的各种表达形式相平衡方程吸收传质速率方程吸收或解吸的总传质系数 八月 2236传质速率方程特别提示：速率形式多种，传质阻力与推动力表现形式应匹配各传质速率式中，任何传质系数的单位均可表示为： kmol/(m2s 单位推动力)每一公式仅适用于气液主体浓度保持不变的条件，吸收塔中不同截面上企业向浓度不同，吸收速率不同。总系数与分系数的关系成立的前提是；在涉及的浓度范围内，平衡关系为直线。传质速率=传质系数传质推动力关系式气膜控制液膜控制八月 2237总阻力与分阻力关系八月 2238气、液相浓度均用摩尔分率表示根据气膜速率式根据液膜速率式由

16、总速率式（1）与（2）式相加，与（3）式比较得： 吸收过程的阻力控制（1）气相阻力控制条件：或 m很小（溶解度很大）；易溶气体：水吸收NH3，HCl。八月 2239条件：m很大（溶解度很小）；难溶气体：水吸收CO2，O2等。或 吸收过程的阻力分析（2）液相阻力控制八月 22404 填料吸收塔的计算4.1 吸收塔的物料衡算全塔物料衡算（逆流吸收） Gy 1 +Lx 2 =Gy 2+ Lx 1式中：G气相流量 kmol/s； L液相流量 kmol /s ； x,y液气相组成摩尔分率。分离任务混合气体流量，进出口气体浓度或溶质回收率吸收剂流量、组成由设计者确定。 八月 2241吸收塔的操作线分段物料

17、恒算：对上段： Gy + Lx2 = Gy 2+ Lx对下段： Gy1 + Lx = Gy + Lx 1吸收塔的操作线为：八月 22424.2 吸收剂用量同回流比的选择吸收剂用量L增大，操作线斜率L/G增大，传质推动力增大，所需传质面积减小，设备费降低；但L增大，吸收液浓度降低，解吸负担增大，操作费用升高。最小液气比 实际液气比 L/G =（1.12.0） (L/G)min 八月 22434.3 填料层高度的计算塔高计算的命题形式： 已知：气体y1 和G、相平衡关系、分离要求(y2 或回收率) 选择：流向（逆流、并流）、溶剂进口流量L和浓度x2 等 求：完成指定分离要求所需的塔高H？如何建立各

18、物理量之间的关系八月 2244低浓度气体吸收过程的数学描述低含量气体吸收的特点 1) G，L 为常量； 2) 等温； 3)传质系数为常量。取微元控制体作物料衡算（忽略轴向的物质扩散）：八月 2245a- 填料的比表面积，m2 /m3 塔高计算积分式 式中 Ky a、Kx a分别为气、液相容积传质系数，Kmol/m2s;a 为填料的有效比表面积，m2 /m3 。八月 2246传质单元数与传质单元高度 令式中： 分别为气相、液相总传质单元高度，m； 分别为气相、液相总传质单元数，无因次。 传质单元数与传质单元高度根据上述定义： 塔高=传质单元高度传质单元数 传质单元高度和传质单元数的物理意义是什么呢？传质单元高度HOG、HOL与设备形式，操作条件有关，为完成一个传质单元所需的塔高，反映设备性能高低。传质单元数NOG、NOL与相平衡及分离要求有关，反映了分离过程的难易程度。 NOG =(Y1-Y2 )/Ym 八月 2248传质单元数与传质单元高度塔高计算式传质单元高度传质单元数八月 2249操作线为：传质单元数的计算方法两相逆流接触，如图对控制体作物料衡算：八月 22逆流吸收操作线一、平衡线为直线时八月 2251对数平均推动力法八月 2252S解吸因数，A吸收因数吸收因数法八月 2253吸收因数法该式包括 、 、 三个数群， 可将其绘制成图。由图可看