化工原理-吸收

1、第六章 吸收,6.1 概述 6.2 气液相平衡 6.3 传质机理与吸收速率方程式 6.4 吸收塔的计算 6.5 解吸 6.6 吸收设备,本章主要内容,6.1 概述,一、吸收原理 溶解度 溶质/载体/吸收剂,二、吸收的目的与作用,回收或捕获气体混合物中的有用组分，制取产品； 净化气体混合物，除去工艺气体中有害组分或达到环保目的。,三、吸收分类,单组分吸收、多组分吸收； 化学吸收、物理吸收； 等温吸收、非等温吸收,低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。,四、吸收设备与流程,煤气化,气体净化,合成,拷胶液脱硫 CO转化 碳丙液脱除CO2 铜氨液脱除微量CO、O2 、H2S,半水煤气,H2 38.1%

2、 N2 21.7% CO 30.8% CO2 8.1% CH4 0.4% O2 0.4% H2S 1000 mg/m3 1500mg/m3,合成氨工艺,闪蒸塔,吸收塔,洗涤塔,解吸塔,净化气,碳酸丙烯酯,变换气,冷却器,CO2,洗涤塔,溶剂的选择,较高的溶解度 较好的选择性 较低的蒸汽压 较好的化学稳定性 容易再生,A+B,B(A),S(A),S+A,?,A能否全部转移到溶剂S中？,一、相组成的表示法 1. 摩尔浓度,2.摩尔比,3.摩尔分率,6.2气液相平衡,二、气体在液相中的溶解度,1. 溶解度的定义： T，p一定时，气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的含量称为溶解度。,2. 平衡浓度（

3、饱和浓度）/平衡分压（饱和分压）,3.溶解度曲线,加压降温利于吸收，减压升温利于解吸,三、亨利定律,1. 内容： 一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成正比。,2. 表达式：,4. E、H、m的关系,3. 其它形式,四、相平衡与吸收过程关系,1. 判别吸收过程的方向,y=0.1,x=0.05,y,x,o,y*=f(x),P,y,x,y*,x*,吸收,y,x,o,y*=f(x),Q(x,y),y,x,y*,x*,解吸,x2,y2min=y*=mx2,x1max=x*=y1/m,y1,x1,y2,2. 判别吸收过程的极限,x2,y1,x1,y2,3. 计算吸收过程的推动

4、力,y,x,y,x,o,y*=f(x),P,y,x,y*,x*,吸收,6.3传质机理与吸收速率方程式,气相主体,两相界面,两相界面,液相主体,传质,溶解,传质,分子扩散：依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或 层流流体中。,涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要发生在湍流流体中。,物质在单相中的传递,6.3.1双组分混合物中的分子扩散一、分子扩散与Fick定律,在一相内部存在浓度差的情况下，由于分子的无规则运动而导致的物质传递现象。,Fick定律,气相主体, pA,Z,界面, pAi,组分A通过静止组分B的扩散,等分子反向扩散,二、 等分子反向扩散,（组分A通过静止组分B的扩散）

5、,分子扩散 总体流动 漂流因子,三、单向扩散,液相中的稳定分子扩散,四、分子扩散系数,物性常数 影响因素 获取途径 实验测得； 手册查得； 采用经验半经验公式估算。,6.3.2 对流传质,对流传质 有效层流膜层,6.3.3 吸收机理 双膜理论,相界面两侧分别存在有效层流膜层； 相界面上气液两相互成平衡； 浓度梯度全部集中在两个膜层内。,6.3.4 吸收速率方程吸收速率：单位时间内在单位面积上被吸收的溶质量。吸收速率方程：吸收速率与吸收推动力关系的数学式。,1. 气相传质速率方程式,2. 液相传质速率方程式,3. 界面浓度,吸收过程的总推动力可采用一相主体浓度与另一相平衡浓度的差值来表示。,(1

6、) 以（p-p*）表示总推动力,液相吸收速率方程,NA=kL(ci-c),NA=kLH(pi-p*),气相吸收速率方程,NA=kG(p-pi),4. 总吸收速率方程,令,KG气相总吸收系数(mol/(m2sPa)。,NA=KG(p-p*),什么是“气膜控制”？,(2)以（c*-c）表示总推动力,令,代入,NA=KL(c*-c),KL液相总吸收系数（m/s）。,什么是“液膜控制” ？,(3) 以（Y-Y*）表示总推动力,分压定律：p=Py,Y=y/(1-y),y=Y/(1+Y),NA=KG(p-p*),当吸收质在气相中的浓度很小时,KY PKG,(4) 以（X*-X）表示传质总推动力,当吸收质浓

7、度在液相中很小时，,KX CKL,吸收速率方程式,单相传质速率方程式,总吸收速率方程式,单相传质系数 一相主体浓度与界面浓度差值,总吸收系数 一相主体浓度与另一相平衡浓度差值,6.4 吸收塔的计算,设计型计算 操作型计算,设计计算的主要内容与步骤:,计算依据：物料衡算、平衡关系和传质速率,(1) 吸收剂的选择及用量的计算； (2) 设备类型的选择； (3) 塔径计算； (4) 填料层高度或塔板数的计算； (5) 塔的流体力学计算及校核； (6) 塔的附件设计。,板式塔,填料塔,低浓度气体吸收,假定： （1）气液两相摩尔流率不变 （2）等温吸收 （3）传质系数为常量,V, Y2,V, Y1,L,

8、 X1,L, X2,浓端,稀端,6.4.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程,一、物料衡算,GA 吸收塔的传质负荷,分离要求：,(1)Y2,(2)回收率,二、操作线方程与操作线,V, Y2,V, Y1,L, X1,L, X2,V, Y,L, X,n,m,操作线方程与操作线,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,Y,X,X*,Y*,P,X*-X,Y-Y*,斜率L/V,斜率L/V,并流操作线方程,并流操作线？,为何一般采用逆流？,V, Y1,V, Y2,L, X1,L, X2,V, Y,L, X,n,m,三、吸收塔内流向的选择,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y

9、2,B,Y,X,X*,Y*,P,Y-Y*,X*-X,斜率-L/V,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,Y,X,X*,Y*,P,X*-X,Y-Y*,斜率L/V,类比：对流传热两流体并、逆流时传热推动力,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,A,X1,X1,max,(L/V)min,C,D,X1,A,6.4.2 吸收剂的用量与最小液气比,最小液气比(L/V )min,Y,X,o,Y*=f(X),Y1,X2,Y2,B,X1*,(L/V)min,C,(1) 平衡线为凹形,(2) 平衡线为凸形,Y,X,o,Y*=f(X),Y1,X2,Y2,B,X1*,(L/

10、V)min,C,X1,max,气液相组成符合亨利定律,吸收剂用量的确定,？,高度为 dZ 的微元填料层,一、填料层高度的基本计算式,NA取为定值,NA=KY(YY*） NA=KX(X*X）,6.4.3 填料层高度的计算,填料层高度的基本计算式,低浓度气体 沿塔高积分,KYa 及 KXa体积吸收系数(或体积传质系数), kmol/(sm3)。 物理意义：在推动力为一个单位的情况下，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质量。,二、传质单元数与传质单元高度,对气相总传质系数和推动力：,NOG 气相总传质单元数，无因次。,HOG 气相总传质单元高度（m）；,对液相总传质系数和推动力：,填料层高度传质单元

11、高度传质单元数,传质单元高度与传质单元数,令 Z=HOG,传质单元高度的大小由过程条件决定。 传质单元数反映吸收过程的难易程度。,一、图解积分法和数值积分法,传质单元数的求法,1. 脱吸因数式：,二、解析法,2. 对数平均推动力法,6.5 解 吸,解吸的定义 常用方法 气（汽）提解吸、减压解吸、加热解吸、加热减压解吸等,V, Y1,V, Y2,L, X2,L, X1,稀端,浓端,V, Y,L, X,n,m,物料衡算与操作线方程,操作线与最小气液比,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,Y*,D,1吸收因数法,填料层高度的计算,2对数平均推动力法,一、填料塔的结构及填料特性,6.6 吸收设备,内十字环,内螺旋环,填料类型 单个填料 ：,阶梯环 Cascade ring,陶瓷弧鞍 Ber