化工分离工程4.的知识

第4章气体吸收4.1吸收过程特点与流程4.2多组分吸收和解吸过程分析4.3多组分吸收和解吸的简捷计算法4.4化学吸收主要内容主要内容待吸收气体吸收液未吸收气体吸收剂复杂塔T、X顶、釜预分配难吸收剂组成与解吸有关一、操作目的净化和精制气体分离气体混合物制备溶液或中间产品二、吸收过程吸收目的产物的同时也吸收了其他组分

——多组分吸收端点条件：吸收过程概述物系

平衡态：汽相:组分沸点差大，有些组分接近于临界点

——非理想气体液相:吸收剂量大

——稀溶液

平衡关系表达式：流量

L从上向下↑；V从下向上↓

——不恒定每板温度Tn

由于溶解热大，Tn与溶解吸收量有关，难预测，不能用泡、露点方法计算Tn，要用热量衡算求Tn。平衡数据、溶解热数据、动力学数据等研究的不充分。逆过程为解吸。三、分类物理吸收无化学反应。——进行了大量研究化学吸收

1.可逆反应的化学吸收过程难点：汽液平衡，化学反应速率

2.不可逆反应的化学吸收过程难点：连串反应、不是瞬时完成的反应。化学反应吸收温度单组分吸收多组分吸收相对溶解度吸收量汽液接触方式吸收过程分类物理吸收化学吸收喷淋吸收鼓泡吸收降膜吸收等温吸收非等温吸收贫气吸收富气吸收恒摩尔流恒温操作相平衡时4.1.吸收汽液相平衡4.1.1.物理溶解时相平衡1）低浓度理想溶液（Hi为亨利系数）亨利定理变形：或者关于H系数的几点说明：2）高浓度非理想溶液当气液平衡时，两元组分溶解的气液平衡关系可由下方程表示：4.1.2.伴有化学反应时的相平衡化学平衡：（1）（2）溶解平衡：物料衡算式：（3）平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定（即Ci同时满足化学平衡和溶解平衡）由化学平衡式（1、2、3式）求得Ci，带入Pi=H’Ci求得相平衡时PA=f(ci)的关系式：分几种情况讨论：①产物不离解（NH3—H2O系统）溶液中A的初始浓度CA0：化学平衡：溶解平衡：当CB>>CA时,CB*≈CB0由此可见：物理吸收：化学吸收：②产物离解（Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O系统）离解平衡常数：忽略溶液中水的离解:化学平衡常数:物料衡算:溶液中A的起始浓度上式整理成CA的一元二次方程，并求解可得：式中溶解平衡：被吸收组分与溶剂中的活性组分的作用化学平衡：相平衡：(1)(2)设B组分的平衡转化率为R，有：由（1）式得CA*，代入（2）得：令根据吸收组分在相平衡时的溶解能力为：当物理溶解量可以忽略不计时，物理吸收化学吸收4.1.3.相平衡曲线及其比较相平衡曲线物理吸收：化学吸收：说明：pA*→∞，CA0→CB0，而不能超过CB0。

CB0—代表溶剂B对溶质A的最大吸收能力；

pA*—代表吸收时气体所能达到的极限净化度。

物理吸收与化学吸收的比较①物理吸收，pA*~CA0呈线形关系，不存在浓度界限；（适宜高压或高浓度气体的脱除）②化学吸收，pA*↑有极限，CA0

→CB0；适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程；③当pA*<pAC，化学吸收优于物理吸收；④当pA*>pAC，化学吸收优于物理吸收；⑤溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数(H’↑），降低净化度4.2多组分吸收和解吸过程4.2.1吸收和解吸过程流程用蒸汽或惰性气体的解吸塔用再沸器的解吸塔用一般精馏的解吸塔流程形式一二三吸收塔解吸塔进口气体解吸用的气体（水蒸汽或其他惰性气体）循环吸收剂补加吸收剂用蒸汽或惰性气体的解吸塔流程(一)吸收塔再沸解吸塔进口气体循环吸收剂补加吸收剂用再沸器的解吸塔流程(二)吸收塔再沸解吸塔进口气体循环吸收剂补加吸收剂用一般精馏的解吸塔流程(三)Na的指定：

操作型计算：指定N

设计型计算：指定一个关键组分分离要求吸收塔Nx：吸收剂C’+2原料气C+2压力等级数N

总和C+C’+4+NNa：串级单元数1解吸塔Nx：解吸剂C’+2吸收液C+2压力等级数N

总和C+C’+4+NNa：串级单元数14.2.2多组分吸收和解吸过程分析

一、设计变量数和关键组分二、单相传质过程

精馏过程：双相传质过程

吸收过程：单相传质过程

——不能视为恒摩尔流（图4-4a）三、吸收塔内组分分布图4-4c、d分布曲线：

从物系挥发度看

C1、C2最大，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化。

C5、C4最小，进塔立即吸收，上部几乎不变。

C3适中，上段吸收快，在塔某板出现最大值。一般情况：

1.不同组分在不同段吸收程度不同2.难溶组分（LNK），一般只在靠近塔顶几级被吸收，其他级吸收较小；易溶组分（HNK），一般只在靠近塔釜几级被吸收。

3.关键组分在全塔范围内被吸收。四、溶解热

取决于LMCp,L与GMCp,V的相对大小1.如果在塔顶LMCp,L明显大于GMCp,V

上升气体热量传给吸收剂，吸收放出热量全部由LM带走，尾气出口温度与进塔吸收剂温度相近，在塔釜温度分布出现极大值。2.GMCp,V明显大于LMCp,L

下降液体热量传给上升气体，吸收放出热量大部分由GM带走，吸收液在下降中被气体冷却，接近于原料气入口温度条件下出塔。3.LMCp,L与GMCp,V相近，热效应明显

出塔气体与吸收液温度超过入口，热量分配取决于不同位置因吸收而放热情况。另：1.若吸收剂挥发性明显，在塔釜几块板上部分汽化，使该汽化的吸收剂与进料气中吸收剂的含量趋于平衡。

于是有一个相反作用：

吸收放出热量→加热液体→吸收剂汽化→冷却液体

——塔中部出现温度极大值2.溶解热的影响

溶解热大，温度变化大，对吸收率影响大

a、温度升高，相平衡常数大，吸收推动力小。b、由于吸收过程要放热，使汽液温差大，除发生传热过程外，还有传质过程发生。

——复杂性大

4.3多组分吸收和蒸出的简捷计算法初始阶段设计分析操作情况提供电算初值应用1.吸收因子和解吸因子吸收过程定义：

A=L/KV——i组分的吸收因子或因数（省i）a、无因次数群；b、L/V↑，K↓——A↑，有利于吸收；c、分离要求一定：A↑，N↓N一定：A↑，吸收程度↑——A的大小说明吸收难易。4.3.1吸收因子法一、概述用A、S表示平衡关系：解吸过程定义：

S=KV/L=1/A——i组分的解吸因子或因数2.Horton—Frankli方程（哈顿—富兰克林）12n—1nn+1N-1N尾气V1吸收剂L0原料气VN+1吸收液LNn板物料衡算：用（4-17）表示各组分在各板汽相量；依次类推；n=N时i在全塔物料衡算（消去vN）：——Horton-Franklin方程（4-23）讨论4-23：计算吸收率的普遍式；式中K=f（T、P、组成），而组成不知。

——计算难采用如下简化形式作简捷计算。12平均吸收因子法平均有效吸收因子法二、平均吸收因子法代入式(4-23)(4-24)——被吸收量——最大吸收量——相对吸收率关于（4-24）的四点说明：AAA=<=>jj111有：(4-24)（1）以（4-24）作图：j-A-N关系（图4-8）(2)解（4-24）式(4-25)——用来求N(4)A的计算K——关键组分i——非关键组分(3)(L/V)min的计算例4-4计算：进料：C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5n-C6已知：

yN+1不挥发的烃类38℃1.013MPa解：查P=1.013MPa，t=38℃时Ki线上交点位于查表48.99.099.0.===NAbKj48.91lg1lg.=---=AANajj计算法：页表）（线，查出交185,1,148.9.(3)iiiiiNAyvjj=05.400=L解得0.(4)L求185页表中被吸收量三、平均有效因子法Edmister提出：利用Ae与Ae′代替每板吸收因子，且保持不变，结果颇满意。1132214332++++++++NNNNNNAAAAAAAAAAAAAALLLLLL132213221+++++++NNNNNNAAAAAAAAAAAAAALLLLLLAe′定义Ae定义对于（4-23）：Edmister指出：吸收主要发生在1、N二块板上，可将N板吸收作为2板吸收计算。由此，对式4-26，N=2——Ae的计算式同理，对式4-27，N=2——Ae′的计算式上式若不含被吸收组分：l0=0以上两式中A1，AN的求取：平均有效因子法计算步骤：A、用平均吸收因子法估计vi,1，li,NB、假设尾气温度(T1)全塔热量衡算确定吸收液温度(TN)D、计算A1，ANE、用(4-29),(4-30)计算有效吸收因子Ae，Ae′F、确定吸收率G、作组分物料衡算，计算尾气和出口吸收液组成(y1，xN)H、校核全部假设C、估计L1，VN，Edmister建议用下式预测4.3.2解吸因子法——计算同于吸收NN-1n+1nn-121蒸出气VN吸收液LN+1蒸出剂V1吸收剂L1特点；与吸收相反NN-1n+1nn-121蒸出气VN吸收液LN+1蒸出剂V1吸收剂L1特点；与吸收相反汽相主体液相主体传质方向气体界面液体4.4化学吸收双膜理论：yAi或PAixAi或CAi

被溶解组分与吸收剂中活性组分发生化学反应，溶质A在液膜中为反应所消耗，传质推动力：[CAi-CAL]特点：吸收容量大吸收率高；设备投资少解吸不完全（可逆反应）4.4.1化学吸收类型和增强因子类型瞬时反应快速反应中速反应慢速反应一、化学吸收类型AANr>>a.瞬时反应AiC反应面AiP界面气膜液膜反应在反应面上完成。b.快速反应AiCAiP界面气膜液膜反应区边扩散、边反应，反应在反应区上完成。rA>NAc.中速反应AiCAiP界面气膜液膜反应区ALC边扩散、边反应，反应在反应区上完成。d.慢速反应AiCAiP界面气膜液膜ALC通过液膜扩散时来不及反应便进入液相主体，反应主要在液相主体中进行。rA<NA二、化学吸收中的增强因子0LLkkE=增强因子:2.传质速率方程二个极端情况：a.慢速反应b.瞬时可逆反应c.对于快速和中速反应ZCA液膜CALd一、反应-扩散方程4.4.2化学吸收速率ZCA液膜CALd

注意：

目前只有对一级反应，及r为线性函数时，才能求解析解，其它场合下只能求近似解或数值解。二、一级不可逆反应代入反应-扩散方程M：无因次，表明在液膜中化学反应速率与传质速率的