化工分离过程第4章第一讲吸收

第三章吸收分别工程吸收过程的设计传质速率与传质系数传质实际气液相平衡吸收过程概述化学吸收与加强因子目录吸收过程的运用气体的净化3回收有价值的组分4原料气的净化a尾气的净化b获得液相产品1气体混合物的分别2SO3+H2O〔H2SO4〕H2SO4〔浓硫酸〕HCHO+H2O福尔马林(NH4)2CO3+CO2+H2O2NH4HCO3原料CA溶剂典型工艺流程吸收剂无需再生的流程运用对象：主要用于制备液相产品。流程特点：吸收剂不再生，循环操作。运用实例：运用对象：主要用于制备液相产品。流程特点：吸收剂不再生，循环操作。运用实例：①减压冷再生②气提冷再生③间接蒸汽热再生典型工艺流程吸收剂需求再生的流程运用对象：气体的净化或回收。流程特点：至少有两个塔〔吸收塔和再生塔〕。运用实例：再生气Ⅰ再生气Ⅱ净化气再生气Ⅲ进气减压冷再生流程吸收剂需求再生流程运用实例原理：经过改动P，改动相平衡，使溶质解吸。实例：以碳酸丙烯酯为溶剂，脱除合成氨原料气中CO2的过程。工艺对气体净化度要求是过程经济性的关键吸收剂需求再生流程运用实例气提冷再生流程原理：用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸。适用：溶质不用回收的场所或稀释溶质在气相的含量。问题：二次污染，资源的再利用。净化气气体蒸汽废气惰性气体泡沫吸收剂需求再生流程运用实例减压冷再生流程原理：利用间接蒸汽升高温度，改动液面上活性组分的平衡分压，加速解吸速率。实例：化学吸收〔可逆反响〕热钾碱法吸收CO2；柠檬酸钠法吸收SO2。过程能耗是考核的关键目的。采用化学再生，转化为其他产品，或与其他工业过程有机结合是降低能耗的有效方法之一。吸收操作的分类根据吸收的机理可分成物理吸收〔水、甲醇-CO2〕极限：溶解平衡=f(T,P)到达平衡的速率：过程是可逆的，且热效应较小。化学吸收〔K2CO3-CO2〕极限：相平衡=f(T,P,反响组分B)到达平衡的速率：由于有化学反响，过程热效应较大，必需热再生。物理化学吸收〔甲醇-有机胺〕吸收过程的特点吸收与精馏操作的一样点：平衡分别过程热、质同传过程，由MESH方程求解吸收与精馏的不同点：吸收过程精馏过程液相〔L〕冷凝进入汽相(V)汽化进入吸收操作的特点溶解平衡过程，相际传质速率和传质面积等成为重要的影响要素；传质过程同时遭到平衡和分散的控制，化学吸收过程反响与分别耦合；气体热容小，液体热容大，溶质浓度较低，且存在溶剂汽化冷凝，过程的温度变化较小；吸收操作多采用延续逆流接触式设备〔如填料塔〕；研讨的实际和方法--微分实际。SG,y1L,x1dhL,x2G,y2yy+dy微分实际气液相平衡相平衡时:物理溶解时相平衡低浓度理想溶液〔Hi为亨利系数〕亨利定理变形：

或者关于H系数的几点阐明高浓度非理想溶液当气液平衡时，

两组分溶解的气液平衡关系可用以下方程：伴有化学反响时的相平衡

化学平衡：

〔1〕溶解平衡：〔2〕物料衡算式：〔3〕PX1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，求得相平衡时的关系式：分几种情况讨论产物不离解系统(NH3-H2O)溶液中A的初始浓度：化学平衡：

溶解平衡：

当时，由此可见：物理吸收：化学吸收：产物离解系统(Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O)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设B组分的平衡转化率为R，有：

化学平衡：(1)相平衡：(2)由〔1〕式得，代入〔2〕得：令根据吸收组分在相平衡时的溶解才干为：

当物理溶解量可以忽略不计时，

相平衡曲线及其比较相平衡曲线物理吸收：化学吸收：

阐明：，而不能超越。—代表溶剂B对溶质A的最大吸收才干；—代表吸收时气体所能到达的极限净化度。物理吸收化学吸收物理吸收与化学吸收的比较物理吸收，～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)化学吸收，↑有极限，；适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程；当，化学吸收优于物理吸收；当，物理吸收优于化学吸收。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

传质实际吸收过程，溶质A由气相传到液相。传质实际(较成熟)双膜论Whitaman,1923浸透论Higbie,1935外表更新论Danckwerts,1951界面液相气相NA传质主体(气,液相)界面分子分散对流湍流混合界面湍动界面阻力双膜论特点：是稳态的物理模型，模型直观，用起来方便。要点：流动方式：界面两侧有滞流传质膜，滞流传质膜≠滞流边境层传送方式：膜内呈分子分散传送，主体浓度均一，传质阻力集中在界面两侧的双膜内界面无阻力，，模型参数是膜的厚度δlxixAyi液相主体δlδgyA气相主体界面由单向分散速率积分式可得：讨论：稳定的边境滞流传质膜？传质过程是稳态的？界面无阻力？K∝D〔大量实测到的K∝D0.5〕双膜论的弱点：没有反响出K与D的0.5次方的关系。浸透论要点：传质方式：膜内是非稳态的传质；传送方式：膜内呈分子分散传送，传质模型：随着旋涡的产生，溶质有时在主体，有时在界面；微元在界面停留时间te是一样的；界面无阻力，；由非定态分子分散可求得：此结论与实验相符合，但te无法测定，且外表还是固定膜。界面tte微团CA0〔主体〕外表更新论要点：传质是非稳态的界面上的每一微元具有不同的暴露时间，被另一微元置换的时机均等微元被旋涡携带的过程在气、液相均会发生，外表不断更新微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律缺陷：外表更新率S无法确定，但该实际最完善。

界面微团CA0液相气相传质速率与传质系数物理吸收传质速率化学吸收传质速率与加强因子传质系数关联式123物理吸收传质速率由双膜论知，A由气相到液相的传质速率可表示为：根据相平衡方程式或可以写出传质速率的多种方式〔见表3-5〕。xiCixACAlyiPai液相主体δlδgyAPA气相主体界面①当A从气相进入液相时，;②由于是随的添加而添加，由此可得：由传质总系数与传质分系数的关系式可知：当很大，即A是难溶气体当很小，即A是易溶气体时，结论：气膜控制的条件是：液膜控制的条件是：化学吸收的传质速率与加强因子物理吸收A在液膜中的溶解速率服从费克定律，即:在图中CA为DE直线，斜率为浓度梯度有化学反响时A在膜中边分散边反响，CA为曲线DE。在D处(x=0)，分散速率为：A的分散量=膜内分散量+膜内反响量在x=δ处，A向液相主体分散速率为：当界面处DL一样，△C一样，那么DD’线斜率—对应化学吸收的速率DE线斜率—对应物理吸收的速率定义加强因子ββ＞1

将化学吸收速率看作物理吸收速率的β倍。那么有：思索：β对传质总系数的影响如何？化学反响的存在，能否只对液膜传质有影响，而对气膜传质无影响？传质系数关联式液膜传质系数关联式〔Norman〕:适用于公称尺寸10-50mm的拉西环和公称尺寸13-38mm的鞍型填料。金属拉西环填料气膜传质系数关联式(Charpentier):适用于公称尺寸大于15cm的填料。恩田等(3-92~95)的传质系数与传质单元高度关联式。当工业设备的填料尺寸与文献值一致，计算可以有一定的精度，否那么就有较大的误差。对于化学吸收的传质系数值，那么以物理吸收为根底，全力求出β值。可以从商家或计算软件中获得常见体系的传质单元高度，再求取特定体系的传质单元数。化学吸收与加强因子化学吸收的特点、分类及其判别化学吸收中液相传质速率的研讨步骤研讨思绪分散-反响微分方程物理吸收速率化学吸收速率化学吸收加强因子的求取化学吸收的特点传质和反响耦合反响发生在液相，化学反响仅改动液膜传质阻力！传质速率：两个重要参数及物理意义：加强因子β(化学反响的影响)：化学吸收无因次准数M〔反响类型判别的根据〕：引入化学反响对传质过程产生的影响〔与物理吸收的差别〕加大了推进力—改动了系统的相平衡，可提高脱除气的净化度。实例：化学吸收〔可逆反响〕CAl↓，CA*↑；PA*↓在低压、低浓度条件下提高了溶剂的吸收容量，可降低吸收剂的用量。降低了液相传质阻力，提高了传质速率。化学吸收的分类与判别化学反响可忽略的物理吸收过程液相中的总反响量<<分散传送量令：当CALCAipAipA界面液流主体中进展慢反响的吸收过程液膜中反响的量<<经过液膜分散的量当M<<1，M<0.2时，

CBlCALCAipAiPA界面在液膜中进展快反响的吸收过程液膜中能够的最大反响量>>经过液膜分散传送的量中速反响液膜中反响量≈膜内分散量

PACBlCAL=0CAipAi反响在膜内完成，属边分散边反响界面PACBlCALCAipAi瞬间反响假设是不可逆反响，反响在膜内某个面瞬时完成；假设是可逆反响，那么在膜内到达平衡。反响面δLδ界面PACBlCAipAi化学吸收中液相传质速率的研讨步骤研讨思绪建立液相微元的分散-反响微分方程；求得液相传质速率式；根椐所获得的数学模型，求取模型参数β。方法：分散-反响方程在dt时间内，对微元体Fdx作物料衡算：分散进入量-分散流出量-反响量=积累量其中,分散量服从费克定律：Mx：

Mx+dx：MR：Ma：

代入整理得分散-反响微分方程：定态传质过程有了分散反响方程，那么在不同的边境条件，不同的传质机理，不同的反响特征下求解，得到物理吸收解微分方程得代入边境条件：得求：代入速率方程，得：CALCAipAipA界面化学吸收由双膜论:从分散反响方程出发寻求化学吸收的，进一步求化学吸收速率：∴寻求化学吸收速率的问题转化为求解β的问题。思绪：化学吸收加强因子β的求取一级不可逆反响β的求取不可逆瞬时化学反响β的求取二级不可逆反响β的求取123一级不可逆反响β的求取用双膜论处置一级〔拟一级〕不可逆反响

边境条件

组分A向主体分散的量=A在主体中反响的量

0δCALCAi界面CBPAiPA将分散-反响方程、边境条件无因次化令：得:解微分方程，得：代入边境条件：得的表达式：

求单位面积组分A的吸收速率NA(kmol/m2s)与物理吸收速率相比较，那么:将的表达式对求导，并代入的边境条件，得：瞬间反响：快反响：中速反响：慢反响：0.010.10.20.512345.0099996.0997.1974.4621.7616.9640.9951.9993.999911.01.00331.01331.08201.31302.07463.01484.00285.00045各类一级不可逆反响β的求取快反响中速反响慢反响：慢反响又可分成两种情况：假设很大，那么仍可使或很小。

显示了液相反响速率与液膜传质速率的相对大小。∴如假设也很小，此时属极慢反响，由反响工程研讨。∴如吸收速率将由液相主体的缓慢化学反响所决议。(CAl>0)讨论:〔如何强化传质过程？〕一级快反响：一级中速反响：都是有利的；一级慢反响：

，改善化学反响条件，提高积液量采用鼓泡塔才是有效的。调查不同的M取值对β的影响(P.,图3-16):不可逆瞬时化学反响β的求取反响面上：瞬间反响：A：〔1〕B：〔2〕〔3〕〔4〕〔5〕反响计量关系：界面反响面解：由〔1〕得：将边境条件〔3和4〕代入上式得：代入速率方程：〔6〕

∵∴∴〔但如何确定？〕由〔2〕得：将边境条件〔4和5〕代入上式得：

〔7〕再利用整理得：(但如何求？)讨论1：假设当，，

当液膜无阻力，属气膜控制。气膜界面反响面液膜的求取：当CBL>CcBL反响面与界面重合：利用解得：假设那么气膜控制假设那么双膜控制假设双膜控制，未知，那么的求解方法：利用①②式①+②得：

∴③又∵∴由此得

讨论2：〔瞬间反响如何强化传质？〕〔反响速度，反响级数〕无关；假设，，加强气相的湍动，。假设均可强化传质。xCBiCAiCALCBL界面液膜分散－反响微分方程：边境条件：二级不可逆反响β的求取当很大，可作拟一级反响处置；当有限，在的情况下，可求得β近似解：

以为参数，作图，图〔3-21〕，假设知和值就可直接求取β值。分散反响方程图〔3-21〕的规律：当时，；二级反响可处置为拟一级快反响；阐明：B在液膜中的分散量>>反响耗费量恒定不变，当时：二级反响加强因子与瞬间反应加强因子相等；阐明：反响速度常数很大或传质系数较小。在其它区域：β应查图求取。先计算：但不知道，计算中先假定：以后再迭代校正。方法：

优点：吸收速度快、选择性好；〔速率角度〕气相平衡分压低、可得高净化度；溶解量大、吸收才干强；〔平衡角度〕化学吸收的开发余地很大。缺乏处:能耗大〔可经过过程耦合降低能耗〕；对设备有腐蚀性〔采用非金属资料〕；溶液的稳定性问题。化学吸收的优缺陷吸收过程的设计计算塔径的计算a塔高的计算b气量、吸收率吸收量a最小液体流率、吸收流程确定b工艺确实定1工程计算2设计工艺参数气量Q(m3/h)、气浓y1(v/v%,ppm)、净化度(y2，吸收率)操作压力P、温度T〔取决于工艺条件〕吸收液的性质()、吸收容量(C1,C2)和范围(反响转化率)吸收量的计算最小吸收液流量的估算〔平衡分压〕L,C1G,y1L,C2G,y2塔径的计算对于逆流操作吸收塔，以液泛速度为基准，采用Eckort关联图(图3-40〕计算。横坐标A：纵坐标B：塔径计算：普通情况：填料尺寸↑，填料因子↓，↑。不同填料液泛线AB例题1某合成氨厂，每小时消费6吨合成氨，用水洗法脱除变换气中的CO2。现水洗塔采用填料塔，充填50504.5瓷质鲍尔环填料。进气量为3640m3(STP)/(tNH3)，用水量为2580m3/h，操作压强为1.9MPa，操作温度为30℃。知操作条件下规范情况下。计算塔径。解：由表3-12查得Dg50的鲍尔环瓷质填料运用Eckert图(图3-40)，横坐标为

外推法查得纵坐标为:液泛速度:取操作速度〔设计空塔速度〕操作条件下塔直径圆整取塔径4米。塔高的计算低浓度气体吸收时的填料高度特点：G，L是常量；吸收过程是等温的；传质系数为常量。

高浓度气体吸收时的填料高度气体浓度(>10%)时，可看成高浓度气体吸收特点：G，L沿塔高是变化的；吸收过程是非等温的；传质系数与浓度有关。总填料高度的普通式：

化学吸收时填料高度的计算假定：低浓度吸收G,L都是常量。对Sdh的微元进展衡算，得：取积分：关键是NA的求取：物理吸收：化学吸收：SG,y1L,CB1dhL,CB2G,y2yy+dy拟一级快反响：∴瞬间不可逆反响：

先计算

判别当，，全塔气膜控制当，全塔双膜控制。式中的浓度在塔内是变化的(逐渐降低)，可由物料衡算求得CBL=f(PA)，再代入上式计算。例题：在填料塔中，用吸收剂与某一尾气逆流接触，将尾气中的有害组分从0.1%的含量降低到0.02%。知该填料吸收塔：kGa=0.32kmol.(h.m3.kPa)-1kLa=0.1h-1；H’=12.5kPa.m3.kmol-1气体摩尔流率GGm100kmol.h-1.m-2；总压p=100kPa,液体摩尔流率LLm700kmol.h-1.m-2；液体总摩尔浓度CT=56kmol.m-3计算以下情况下，填料塔的高度，进展分析比较：(1)用纯水吸收；(2)用含有活性组分B的水溶液吸收，CB=0.8kmol.m-3，反响为瞬间不可逆反响，A〔G〕+B(L)Q(L)；(3)活性组分B的浓度为CB=0.032kmol.m-3；(4)活性组分B的浓度为CB=0.128kmol.m-3。PA2=0.02kPaPA1=0.1kPaCA2,CB2CA1,CB1解：被吸收组分为浓度低，因此Gm=G；LmL如图对全塔被吸收组分作物料衡算：Gm(Y1-Y2)=Lm(X1-X2)〔1〕〔2〕(1)纯水吸收，CB2=CB1=CA2=0；低浓度y1Y1，y2Y2pA1=py1=1000.001=0.1kPapA2=py2=1000.0002=0.02kPa513m(2)用高浓度的活性组分B来吸收，A(G)+B(L)Q(L)由物料衡算式(1)得分开吸收塔活性组分的浓度CB1

假定DAL=DBL，那么塔底:塔顶:全塔CBL>(CcBL)，气膜控制，塔高5m〔3〕(3)运用低浓度活性组分B吸收，CB2=0.032kmol.m-3，由物料衡算式(2)得：比较(CcBL)1=0.32kmol.m-3；(CcBL)2=0.064kmol.m-3全塔CcBL<(CcBL)，气膜和液膜共同控制，塔高〔4〕

＝22.4m(4)运用中等浓度活性组分B吸收，CB2=0.128kmol.m-3，比较塔底(CcBL)1=0.32kmol.m-3，CBL<(CcBL)1；塔顶(CcBL)2=0.064kmol.m-3CBL>(CcBL)2塔中某一截面：代入物料衡算式：求得:双膜控制气膜控制pA=0.04kPaPA2=0.02kPaPA1=0.1kPaCA2,CB2CA1,CB1PA*=0.04kPa0.04kPa<pA<0.1kPa，CBL<(CcBL),过程为双膜控制，由式(4)计算塔高Z1；0.02kPa<pA<0.04kPa，CBL(CcBL),过程为气膜控制，由式(3)计算塔高Z2Z=Z1+Z2=4.61+2.17=6.78m多组分逆流吸收塔的填料高度(吸收因子法)吸收因子法推导设有一个具有N块绝热塔板的吸收塔，用吸收剂吸收混合气中的某些组分。在第N块板与塔顶间对i组分物料衡算：〔1〕N板上任一组分i的相平衡关系为：

〔2〕其中称为吸收因子。沿塔L，G是在变化的，所以AN也在变化。将(1)和(2)联立求解，消去gN，那么：(３)同理，在N-1板与塔顶间对i作衡算，并与N-1板相平衡关系联立求解，可得：N-1板：〔4〕j板：〔5〕3板：〔6〕2板：〔7〕1板：〔8〕从第１板起，逐板将向上一板迭代，消去所有内流率，直至第N块板式〔3〕为止。那么有第1板：第2板：第3板：依次类推：第N板：(9)将代入(9)式消去得：

此式即Horton-Franklin方程。(10)Kremser平均吸收因子法假定：a)

低温吸收；b)

m近似常数；c)

用全塔的平均吸收因子替代各板上的吸收因子即公式〔10〕简化整理得：定义未吸收率因子：〔3-294〕(气体中未被吸收的溶质所占的分率，表示吸收的不完善程度。)定义解吸因子Se：未解吸率因子：〔3-298〕〔溶剂中未被解吸溶质所占的分率。〕由式〔3-294〕可得：

〔3-295〕对已定分别要求可计算实际塔板数。这两公式将相关联，如下图(图3-42〕，其中，η=(yN+1-y1)/(yN+1-y1e)为吸收率。此图的功能在于：规定：规定：利用公式可导出N的计算公式；∴关键组分吸收率：由分别要求决议；关键组分吸收因子AK：讨论：当假定A=Ae后，L、G都不变，m是常数。当N一定，A>1，有利于降低，但A>3以后，那么获益不大∴普通取1.2＜A＜2.0，常取A=1.4左右当，将限制气体中溶质的脱除率。如当A=0.2，无论N为多少，l0=0,但是g1中仍残存80%的溶质。吸收塔的计算设计型计算的命题：知：关键组分的分别要求〔或者〕；入塔气体量及组成〔〕；吸收剂的入塔情况：操作条件：T，P相平衡关系，m。求：实际板数N及等板高度；出塔气体量和组成；溶剂循环量和组成。计算步骤:求N：a．最小液气比b.操作液气比：c．求AK：

d.求N：由相平衡关系确定mK，由分别要求给出求尾气的量与组成，

当时，Kmol/h当时，塔顶尾气量出塔吸收剂量出塔组成溶剂循环量：L0低浓度吸收：高浓度吸收：，

∴L/G前面已算出，进一步可解出L0(kmol/h)。

操作型计算的命题〔塔的核算〕

知：；核算：出塔气液两相的组成、。根本计算式：物料衡算吸收因子，采用Edmister建议：