吸收基本理论

1、吸收基本理论,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，是与吸收相反的过程， 即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。,吸收质或溶质：易溶解 组分（A）。 惰性气体或载体：不溶 或难溶组分(B)。 吸收剂：所用的溶剂 （S）。 吸收液：得到的溶液， 主要为A+S。 吸收尾气：吸收后排出 的气体，主要为B和 少量A。,2、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

2、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 （单纯溶解） NaOH溶液吸收CO2 单组分吸收与多组分吸收： H2O吸收乙醇（单一组分） 液态烃吸收气态烃 等温吸收与非等温吸收： H2O吸收丙酮（温度不变） 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%,4、 吸收的特征 分离基础：溶解度差异 引入新相的方式：从外界引入 产品纯度：吸收不能直接获得较纯的组分。 传质方向：吸收只进行单向传质,1气体吸收的相平衡关系,吸收过程与蒸馏

3、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。,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。,2.影响因素： 温度、压力、溶质在气相中的浓度。 对于单

4、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：,3、溶解度曲线与溶解性： （1）对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。 （2）对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。 （3）吸收剂、温度T、P一定时，不同物质的溶解度不同。 易溶（NH3）；中等（SO2）；难溶（O2）。 （4）温度、溶液的浓度一定时，难溶物质溶液上方分压大。,加压和降温对吸收操作有利。,亨利定律,体系：单组分、低浓、恒温、物理吸收。 总压P5105Pa，一定温度下溶质在液相中 的溶解度（平衡）与其在气相中的分压成正 比。,亨利系数（E

5、）： （单位与分压单位一致） 理想溶液：P不高，T恒定，亨利定律与拉乌尔定律一致，即：E=p0 非理想溶液： Ep0，但在一定浓度范围内（低浓），E=f(T)。, 一定体系，E=f(T），T，E； 易溶体系E小，难溶体系E大。 数值取得：实验测定，外推x0 （ 低浓）；查有关手册。,亨利定律的其他形式,1）p*C：,2)xy(溶质在气液两相中的组成)：,y* 与组成为x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数； m 相平衡常数（或分配系数），无因次,总压P，pA*=PyA*=ExA,3)XY（摩尔比）,吸收过程中，B、S不参与传质，摩尔流量不变，可分别作为基准来表示A的浓度。,【例1】已知10时，

6、1atm下氨水的浓度为 10gNH3/100gH2O, 其平衡气相分压 pNH3=5.57kPa ，氨水密度：1000 kg/m3 求：E、H、m。,吸收剂的选择,选择的原则： 溶解度大：溶解度，溶剂用量，传质速率 ；随工艺条件变化大；若有反应应可逆。 选择性好：对溶质的溶解度大； 不易挥发，以减少溶剂损失； 粘度低，改善流动状态，阻力小，降低能耗。 无毒、腐蚀性小、不易燃、价廉、不发泡、冰点 低、化学稳定等。,相平衡关系在吸收过程中的应用,（1）判断传质进行的方向,（2）确定传质的推动力,（3）指明传质过程进行的极限,3 吸收塔计算填料塔,板式塔：逐级接触； 填料塔：连续(微分)接触 填料中

7、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）； 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X1,2.操作线方程：塔内任意截面上的物料衡算关系,L/V：塔操作的液气比,操

8、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(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：,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率， 这是逆流操作不利的

9、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=(1.12.0)Lmin

10、,(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，总压为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。,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,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：,a:有效比表面，受填料形状、尺寸、装

11、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) 。,2、传质单元高度与传质单元数,HOG的物理意义：,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。,HOG 或HOL 表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。,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,解析法：平衡关系为直线,i) 脱吸因数法：平衡关系：Y*=mX+b,ii) 对数平均推动力法：平衡关系：Y*=mX+b,数值积分法,梯级图解(Baker)法：平衡关系为或接近于直线,2.5脱吸及其他条件下的吸收,2.5.1脱吸（desorption)：又称解吸 使溶解于吸收剂中的气体释放出来： 吸收液从脱吸塔的塔顶喷淋而下； 载气从脱吸塔底通入。 塔顶端：浓端 塔底端：稀端,1. 方法： 1）气提脱吸 通入惰性气体（无法得到纯溶质）； 适