化工原理第九章(hg)四川大学

1、,第九章 气 体 吸 收,Gas Absorption,概述,概述（Introduction）,概述（Introduction）,什么是吸收？,利用气体混合物中各组分 在液体溶剂中溶解度的差异-推动力 分离气体混合物（目的）的操作称为吸收。,工业应用示例.,用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳， 燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等,1制取产品,98%硫酸 31%工业盐酸等,2从气体中回收有用的组分,用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺 用洗油从煤气中回收粗苯等,3除去有害组分以净化气体 (原料气净化和尾气、废气的净化）,吸收分类:,概述（Introduction）,吸收目的,A+B+C+.混合流体,

2、A,C,B,推动力-C,过程-传质与分离,结果-分离,过程阻力,传质阻力,传质与分离,强化过程的措施： 设备？ 工艺？,吸收理论的应用,吸收技术、设备发展方向,方向?-提高? 降低?-传递阻力? 能否提高浓度梯度 -工艺条件?,本课程本章的目的?,概述,吸收设备,吸收塔,吸 收 塔,A+B,A 溶质气体,B 惰性气体,S+少量A或S 吸收剂,A+S,少量A+B,吸收尾气(dilute gas),吸收液(strong liquor),富气,(absorbent),(inert gas),(solute),概述,吸收设备,概述,JCPT塔板,浮阀塔板,级式接触(阶梯接触式)，气、液两相逐级接触传质

3、，两相的组成呈阶跃变化,板式塔,?,概述,散装填料 塑料鲍尔 环填料,规整填料 塑料丝网波 纹填料,填料塔,连续接触（也称微分接触），气、液两相的浓度呈连续变化。,方向?,规整填料 塑料丝网波纹填料,散装填料 塑料鲍尔环填料,DJ 塔盘,新型塔板、填料,JCV浮阀 （改进 型双流喷射浮阀）,普通型JCV浮阀,与塔板固定方法,强化过程的措施： 设备？ 工艺？,概述,吸收流程,概述,吸收流程,（3）吸收剂在吸收塔内再循环流程,（4）吸收-解吸流程,解吸或脱吸(desorption)：与吸收相反的过程，即溶质液相中分离而转移到气相的过程。,(1)选择合适的吸收剂;(2)提供适当的设备;(3)溶剂再生

4、。,吸收技术、设备发展方向,方向?-提高? 降低?-传递阻力? 能否提高浓度梯度 -工艺条件?,本课程本章的目的?,气液相平衡,吸收的终点?,解吸的终点?,传递方向,对流传热(流体与壁面间的传热)的热阻主要存在于层流内层,液相主体,气相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,yi,xi,液相主体,溶解,吸收过程可分为三个步骤： （1）溶质由气相主体扩散至气、液两相界面的气相一侧，即气相内传质； （2）溶质在界面上溶解，即通过界面的传质； （3）溶质由相界面的液相一侧扩散至液相主体，即液相内传质。,气相主体,液相主体,相界面,pi = ci / H,p,1,2,pi,ci,c,气 膜,液 膜,两相之间

5、的传质速率方程？,气液相平衡,吸收的终点?,吸收与传热的比较,解吸的终点?,原因：气液相平衡不同于冷热流体之间的热平衡,热量,物质,温差,不是直接浓度差,温度相等,不是两相浓度相等,吸收过程-过程因素:,方向,终点,阻力,推动力,平衡,相平衡,(1)传质的方向;(2)传质的限度;(3) 传质的速率及推动力。,对单组分物理吸收： 相数 = 2，组分数 = 3,相律 F=-N+2 自由度 = 3,气液相平衡,气体在液体中的溶解度,气体在液体中的溶解度,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,

6、40,60,80,100,120,pNH3/kPa,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。,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,T,P对溶解度曲线的影响,用水作吸收剂时,O2为难溶气体。,NH3 为易溶气体;,SO2为中等溶解气体;,T,P对溶解度曲线的影响:,亨利定律,亨利定律（Henrys law）,若液相为理想溶液,气相为理想气体,则气液平衡关系服从亨利定律。表达式为:,式中：

7、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；,是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。,E 越大，表明溶解度越小，越难溶,E 随温度变化而变化，一般地，T，E, 亨利定律,亨利系数，kPa,亨利定律,亨利定律（Henrys law）,几种气体溶于水时的亨利系数,亨利定律的其它形式,式中：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； H 溶解度系数；kmol/(m3kPa)；,1. y x形式,2. p c关系式,亨利定律的其它形式,亨利定律的其它形式,亨利定律的其它形式,三个比例系数之

8、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。,m越大，表明溶解度越小； m随温度变化而变化， T，m，P，m,H?,亨利定律的其它形式,式中： X 溶质在液相中的比摩尔分数； Y* 与组成为 X 的 液相呈平衡的 气相中溶质的比摩尔分数。,亨利定律的其它形式,3.Y X形式,由,得:,当 m 趋近 1 或当 X 很小时,方向、限度,气液相际传质过程的方向、限度及推动力,传质过程的方向 ？,以气相浓 度为基准,如果: yy* 吸收 y=y* 平衡 yx 吸收 x* =x 平衡 x

9、* y* 吸收 y=y* 平衡 yX*，所以解吸操作线位于平衡线下方。 对逆流解吸塔的虚线框作物料衡算，得到的操作线方程与吸收操作线方程在形式完全相同，只是解吸塔的稀端（X2、Y2）在塔底。 当溶液的处理量 L、进出塔浓度 X1、X2 以及解吸气进塔组成 Y2 确定后，气体用量 V 与气体出塔浓度 Y1 直接相关。,Y,X,o,Y*=f(X),Y1,X2,Y2,B,X1,(L/V)max,A,Y,X,o,Y*=f(X),Y1,X2,Y2,B,(L/V)max,C,X1,Y1*,C,A,解吸塔的最小气液比,当解吸用气量 V 减小时，气体出塔浓度 Y1 增大，操作线的 A 点向平衡线靠拢，传质推动

10、力下降。 当操作线与平衡线相交或相切时，解吸操作线斜率（液气比）最大，即气液比最小，这是达到一定解吸程度气液比操作的最低极限值。 对操作线与平衡线相交的情况，塔顶处两相传质平衡，有,对操作线与平衡线相切（平衡线呈上凹形状），最小气液比由过 B 点所作的操作线与平衡线的切线斜率确定。实际气液比应大于最小气液比。,填料层高度计算式,解吸塔填料层高度计算式的推导，可采用与吸收塔完全相同的方法，但需注意式中涉及到的推动力（浓度差）的前后项要调换。 若用传质单元高度与传质单元数计算填料层高度 Z，无论吸收与解吸，传质单元高度的计算方法都是一样的，但传质单元数定义中的传质推动力项，以液相总传质推动力为例，

11、吸收为（X* - X），解吸则为（ X - X * ）。,当平衡关系可用Y* = MX 表达时，可推得与吸收过程 NOL 计算式完全类似的解吸过程的 NOL 计算式：,式中 A=L/(MV) 为吸收因子。,传质系数,任何一个化工单元操作，过程进行的速率是决定该单元设备大小的关键因素。过程速率的普遍化规律是正比于过程推动力，反比于过程阻力。 对气、液传质过程，可将各传质速率表达式概括为,吸收塔填料层高度计算式中的传质系数（如 ky，KY 等）正是体现了与吸收速率的正比关系，因此它们在吸收计算中具有十分重要的意义。 传质系数包含了传质过程速率计算中一切复杂的、不易确定的影响因素，其数值的大小主要取

12、决于物系的性质、操作条件及设备的性能（填料特性）三个方面。由于影响因素十分复杂，传质系数的计算难以通过理论模型解决，迄今为止也尚无通用的计算方法可循。 传质系数的获取途径：（1）实验测定；（2）针对特定体系的经验公式；（3）适用范围更广的准数关联式。,传质系数的实验测定,对实际操作的物系，若相平衡关系为直线，则填料层高度计算式为,上式也可写为高度为 Z 的填料段的平均传质速率方程,式中 F=Za 为传质面积，Vp= Z 为填料装填体积。,当填料和填料装填方式一定，对一定塔径的吸收或解吸塔，在稳定操作状况下测得进、出塔气、液流量和测量段 Z 两端处的气、液浓度后，根据物料衡算及平衡关系即可算出传

13、质负荷 GA 和平均传质推动力。 填料的几何特征和测试设备的尺寸已知，由上两式可计算出以气相为基准的总传质系数 KY 或总体积传质系数 KYa。 注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计计算时，设计体系的物性、操作条件及设备性能应与实验测定时的情况相同或相近。,传质系数的经验公式,实际上很难对每一具体设计条件下的传质系数都直接进行实验测定。为此，不少研究者针对某些典型的系统和条件进行研究，在所测定的大量数据基础上提出了对一定的物系在一定条件范围内的传质系数经验公式。下面举例说明。,用水吸收二氧化硫,适用条件： （1）气体的空塔质量流速 G 为 3204150kg/(m2h)，液体的空塔质量

14、流速 W 为 440058500 kg/(m2h)； （2）直径为25mm的环形填料。,用水吸收 SO2 属中等溶解度的气体吸收。计算气、液相体积传质系数的经验公式分别为,传质系数的经验公式,用水吸收氨,用水吸收氨属易溶气体的吸收，吸收阻力主要在气膜侧。用填充 12.5mm 陶瓷环形填料塔实测数据得出的计算气相传质系数经验公式为,式中：kga 气相传质系数，kmol/(m3.h.kPa)； kca 液相传质系数， kmol/(m3.h.kmol/m3)； G 气相空塔质量流速，kg/(m2.h)； W 液相空塔质量流速，kg/(m2.h)； 与温度有关的常数，其值列于下表。,传质系数的经验公式

15、,常压下用水吸收二氧化碳,式中 U 为液相的喷淋密度，即单位时间内喷淋在单位塔截面上的液相体积，m3/(m2h)。 适用条件： （1）直径为1032mm 陶瓷环填料塔； （2）喷淋密度 U 为 320 m3/(m2 h)； （3）气体的空塔质量速度 G 为 130580 kg/(m2 h)； （4）操作温度为2127。 在上述操作条件下，用水在常压下吸收 CO2 的液相体积传质系数 kca 的大小主要取决于液相的喷淋密度，而气体的质量流速 G 基本无影响。,用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜侧。计算液相体积传质系数的经验公式为,传质系数的准数关联式,经验公式的应用对象可以说具有

16、专一性，仍不能适应越来越广泛的应用场合与体系。 根据传递现象动力学相似基本原则推导出来并通过实验确定模型参数的准数方程则有更宽的适用范围。 常用准数：主要有修伍德数 Sh、雷诺数 Re 及施密特数 Sc 等。,计算气相传质系数的准数关联式 P49,气相修伍德准数,气体通过填料层的雷诺数,气相施密特准数,计算气相传质系数的准数关联式,适用范围: ReG = 21033.5104 ScG = 0.62.5 P = 101303 kPa(绝压),上式是由湿壁塔中汽液传质的实验数据关联得到，除了用于湿壁塔（l 为湿壁塔塔径）外，也可用于拉西环填料塔（l 为拉西环填料的外径）。,模型参数:,计算气相传质

17、系数的准数关联式,上述准数中：,D - 溶质在气相中的分子扩散系数 m2/s； P/pm - 气相漂流因子； kg - 气相传质系数 kmol/(m2skPa) ； R - 通用气体常数 kJ/ (kmolK ) ； l - 特征尺寸 m ； G - 混合气体的密度 kg/m3； T - 温度 K； G - 混合气体的粘度 Ns/m2 ； G - 气体的空塔质量速度； de - 填料层中流体通道的当量直径，de=4a/，（a 为填料的比表面 m2/m3， 为填料层的空隙率 m3/m3）； u0 - 气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔气速 m/s）；,计算液相传质系数的准数关联式,

18、液相修伍德准数,液体通过填料层的雷诺数,液相施密特准数,液相的伽利略（Callilio）准数,上述准数中： a -填料比表面积m2/m3 ； kc - 液膜传质系数，m/s； cSm/c -液相漂流因子； l - 特征尺寸，取填料直径m； G -重力加速度，m/s2； L - 液体的粘度，Ns/m2； L -液体的密度 kg/m3； D -溶质在液相中的分子扩散系数 m2/s； W -液体的空塔质量速度，kg/(m2s)。,化学吸收 (Chemical absorption),化学吸收：溶质与吸收剂之间的化学反应对吸收过程具有显著影响。 主要特点：吸收过程中溶质进入液相后在扩散路径上不断被化学

19、反 应所消耗。 例如溶质 A 与吸收剂中的化学组分 B 发生如下反应,化学反应的结果降低了液相中溶质的浓度，从相平衡的角度加大了相际传质推动力，同时还改变了溶质在等效膜中的浓度分布使之更加有利于液相传质。,式中 k*L 为反应速率常数，s-1。,如果反应速率主要由溶质 A 的浓度 cA 所控制，即可视为拟一级反应，则液相任意部位处，化学反应速率 RA (kmol/m3s) 与溶质浓度的关系为,化学吸收 (Chemical absorption),根据双膜理论，以液相为基准的吸收速率与溶质在等效膜中的浓度差成正比，由此可见，无论是化学反应速率还是吸收速率都可以通过对溶质在液相中的浓度分布曲线进行

20、定量分析。,吸收剂,气体,pA,cA,界面,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,pA,cAi,cA,pAi,气相主体,物理吸收,化学吸收,液膜中的浓度分布,对于化学反应可以忽略（RA=0）的稳定物理吸收过程的传质微分方程是齐次的。 在液相漂流因子影响忽略不计（等价于扩散方向上无总体流动）的情况下求解上式，得到膜内浓度分布为直线方程,吸收过程液相中溶质的浓度分布服从传质微分方程,以上式在气液界面上的导数值表示的吸收速率与双膜理论中的溶质通量扩散表达式是一致的（以界面上传质通量表示）,液膜中的浓度分布,边界条件为,对稳定的化学吸收过程（RA0），传质微分方程变为非齐次，等效液膜的浓度边界条件也发生相应变化。 以拟一级反应为例，求解传质（又称传质反应）微分方程（式中负号代表化学反应使溶质减少）,z= 处的边界条件表示由该处扩散进入液相主体的溶质全部被主体内的化学反应所消耗，V 代表与扩散传质面积相对应的吸收液体积（m3/m2）。 在上述条件下解微