第二章吸收下册

1、10.10.2020,1,本章重点：填料吸收塔的工艺计算,第2章 吸收,10.10.2020,2,吸收 ：利用气体中各组分在溶剂中溶解度的差异而分离气体混合物的操作称为吸收。 所用溶剂称为吸收剂（S）。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质（A） 。不被溶解的组分称为惰性气体或载体（B） 。 吸收操作的依据：混合气体中各组分溶解度的不同。 吸收操作的目的 （） 分离和净化原料气 （原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去）。 （）分离和吸收气体中的有用组分 。 （）制取液体产品 。 （）废气的治理 。,10.10.2020,3,吸收的分类 物理吸收： 溶质不与溶剂发生明显的化学反应 化

2、学吸收：溶质与溶剂发生明显的化学反应 单组分吸收：混合气中只有一个组分被吸收 多组分吸收：混合气体中有两个或多个组分被吸收 等温吸收：在吸收的过程中，温度变化很小 非等温吸收：吸收过程中温度发生显著地变化 本章重点：单组分等温物理吸收,吸收,吸收,吸收,10.10.2020,4,吸收操作必须解决的问题包括：选择合适的溶剂、提供气液接触的场所和溶剂的再生。,10.10.2020,5,10.10.2020,6,2-1-1 气体的溶解度 在一定温度和压力下，气液两相接触时将发生溶质气体向液相转移，使其在液相中的浓度增加，当长期充分接触后，液相中溶质浓度不再增加达到饱和，这时两相达到相平衡。此时，溶质

3、在液相中的浓度称为平衡溶解度。简称为溶解度。 溶解度随温度和溶质气体的分压不同而不同，平衡时溶质在气相中的分压称为平衡分压。溶质组分在两相中的组成服从相平衡关系。 加压和降温有利于吸收操作，反之，升温和减压对解吸有利。但加压、减压费用太高一般不采用。,2.1 气体吸收的相平衡关系,10.10.2020,7,10.10.2020,8,10.10.2020,9,2-1-2 亨利定律 （适用于稀溶液） 当总压不高（一般小于500KPa）时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系： 式中: Pi* -溶质A在气相中的平衡分压, kPa xi-溶质在液相中的摩

4、尔分率 , E亨利系数， kPa 亨利定律其它几种表达形式:,（重点）,10.10.2020,10,亨利定律各系数之间的关系: 2.1.3 吸收剂的选择：P85 .对被吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。 .要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失 要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。 腐蚀性要小,以减小设备费用和维修费。 5 吸收后的溶剂应易于再生。,10.10.2020,11,2.1.4 相平衡关系在吸收过程中的应用 1判断传质进行的方向 不平衡的气液两相接触后所发生的传质过程是吸收还是解吸，取决于相平衡关系。,吸收过程,平衡过程,解吸过程,10.10.2020,1

5、2,例题：在总压为101.3kPa，温度为30的条件下，二氧化硫组成为Y=0.1的混合空气与二氧化硫组成分别为X=0.002和X=0.003的水溶液接触，试判断过程进行的方向。已知操作条件下气、液平衡关系为Y=47.9X。,吸收,当液相组成,该过程为解吸过程。,10.10.2020,13,2确定传质的推动力 在吸收过程中，通常以实际的气、液相组成与其平衡组成的偏离程度来表示吸收过程推动力。实际组成偏离平衡组成越远，过程推动力越大，过程速率也越快。,以气相表示的吸收过程推动力,以液相表示的吸收过程推动力,10.10.2020,14,3 指明传质过程的极限 在一定的操作条件下，当气液两相达到平衡时

6、，过程即行停止，可见平衡是过程的极限 。 在工业生产的逆流填料吸收塔中，即使填料层很高，吸收剂用量很少的情况下，离开吸收塔的吸收液组成也不会无限增大，其极限是与进塔气相组成成平衡,当吸收剂用量大，气体流量小时，即使填料层很高，出塔气体组成也不会低于与吸收剂入口组成成平衡的气相组成,相平衡关系限制了吸收剂出塔时的最高浓度和气体混合物出塔时的最低浓度。,10.10.2020,15,2.2 传质机理与吸收速率 用液体吸收气体中某一组分，是该组分从气相转移到液相的传质过程。它包括： （1）该组分从气相主体传递到气、液两相的界面。 （2）在相界面上溶解而进入液相。 （3）从液相一侧界面向液相主体传递。

7、在相内（气相或液相）传质方式包括分子扩散和湍流扩散。 分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，因微观的分子热运动使组分从浓度高处传递到较低处，这种现象称为分子扩散。 湍流扩散：当流体流动或搅拌时，由于流体质点的宏观运动（湍流），使组分从浓度高处向低处移动，这种现象称为湍流扩散。在湍流状态下，流体内部产生旋涡，故又称为涡流扩散。,10.10.2020,16,2-2-1 分子扩散与费克定律,A、B分子在浓度差的作用下，向低浓区作分子 扩散。由于容器中P始终恒定，可知: 右移的A分子数=左移的B分子数。 这是一个非稳态分子扩散过程 扩散速率（扩散通量）：单位时间、单位面积通过扩散传递的物质量。,费

8、克定律 :,JA-组分A在Z方向上的扩散速率，kmol/(m2.s) 式中负号表示扩散沿着组分浓度降低的方向进行 在等分子反方向扩散时，有：JA=-JB,10.10.2020,17,2-2-2 气相中的稳定分子扩散 1、等分子反向扩散,传质速率N：单位时间、单位传质面积上通过的物质量”。在只有等分子反方向扩散的传质过程中，传质速率=扩散通量,在由A、B两组分组成的混合气体中，无论A在B中扩散或反之，扩散系数相等。,10.10.2020,18,等分子反向扩散,等摩尔反向扩散的主要例子是精馏过程中两组分的反向扩散。,2、一组分通过另一停滞组分的扩散（单向扩散） 对于A、B形成的均相气体混合物，A溶

9、解B不溶解，液相中不存在B组分。因此，吸收过程是A组分通过“静止”B组分的单向扩散。,10.10.2020,19,称为漂流因数，反映总体移动对传质速率的影响。其值恒大于1,值越大，总体移动使组分A的传质速率增加得越快，越有利于传质。,10.10.2020,20,2-2-3 液相中的稳定分子扩散 由于对液体的分子运动规律远不及对于气体的研究，因此只能仿效气相中的扩散速率关系式写出液相中的相应关系式。,2-2-4 扩散系数分子扩散系数简称扩散系数是物质的特性常数之一，是介质种类、T、P及浓度的函数。,10.10.2020,21,获取途径：（1）查手册、资料等。P94表2-2、2-3列出了某些组分在

10、空气和水中分子扩散系数。 （2）实测 （3）估算P94 通常组分在气体中的扩散，浓度的影响可以忽略。在液体中的扩散，浓度的影响不可忽略，而压力的影响不显著。 2-2-5 对流传质 对流传质包括分子扩散和湍流扩散（也称涡流扩散）。将全部分压差集中在ZG中，假设其内只有层流。即，全部扩散(D+DE)都集中在该ZG层中以分子扩散的形式传质。,10.10.2020,22,吸收时，气侧“对流传质”的传质速率：,液侧：,2-2-6 吸收过程的机理P101 双膜理论 相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一层很薄的层流膜，溶质A以分子扩散的方式通两层膜，由气相进入液相主体。 在相界面处，气

11、液两相互成平衡。 在气液两相的主体中，由于流动充分湍动，物质浓度均匀。,10.10.2020,23,该理论把气液相际间的传质过程转化为通过两个膜层的分子扩散过程。,2-2-7 吸收速率方程式,气膜吸收速率方程式,液膜吸收速率方程式,10.10.2020,24,以气相总传质系数表示的吸收速率方程式,对于易溶气体,其溶解度H很大,易溶气体的吸收速率主要由气相一方即气膜作用来控制,这种情况称为“气膜控制”。因此要提高吸收速率，关键是降低气膜层的厚度 ,即增大气相的湍动程度。用水吸收氨可视为气膜控制的吸收过程。,10.10.2020,25,以液相总传质系数表示的吸收速率方程式,对于难溶气体,H值较小,

12、难溶气体的吸收速率主要由液相一方即液膜作用来控制,这种情况称为“液膜控制”。因此要提高吸收速率，关键是降低液膜层的厚度 ,即增大液相的湍动程度。用水吸收氧气可视为气膜控制的吸收过程。,10.10.2020,26,2.3 吸收塔的计算（本章重点）,已知：V-惰性气体的摩尔流量, kmol/S Y1 -进塔气体中溶质摩尔比 Y2 - 离 塔气体中溶质摩尔比 X2 - 进塔吸收液中溶质的摩尔比,求：(1)完成分离任务所需吸收剂的用量L (2)出塔液体中溶质的摩尔比X1 (3)所需的填料层高度Z (4)填料塔塔径D,10.10.2020,27,2.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程,出塔气体摩尔比Y

13、2 的给出形式（1） 如果溶质是有害气体，一般直接规定Y2的值。（2）如果吸收的目的是回收有用物质，则以回收率的形式给出,（重要）,10.10.2020,28,2.3.2 吸收剂的用量的决定,（重要）,若平衡关系可用,（重点）,10.10.2020,29,吸收剂用量的大小从设备费和操作费两方面影响生产过程的经济效益，应权衡利弊，选择适宜液气比，使总费用为最小。一般情况下,（重要）,10.10.2020,30,例1 在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收塔压强为105kPa ，温度为27 ，焦炉气流量为1000m3/h ，其中所含芳烃组成为0.02（摩尔分数,下同），吸收率为95%，进塔

14、洗油中所含芳烃组成为0.005。若取吸收剂用量为最小用量的1.5倍。试求进入塔顶的洗油摩尔流量及出塔吸收液组成。（操作条件下气液平衡关系为Y*=0.125X ）,10.10.2020,31,2-3-3 塔径的计算,Vs-在操作条件下混合气体的体积流量 ，m3/s u- 混合气体的空塔速度，m/s 在吸收过程中，由于溶质不断进入液相，故混合气体流量由塔底至塔顶逐渐渐小。在计算塔径时，一般应以塔底的气体流量为依据。,10.10.2020,32,塔径的大小主要取决于空塔气速，选择较小的空塔气速，则气体通过塔时的阻力小，动力消耗小，但塔径增大，设备投资大而生产能力低，且低气速不利于气液充分接触，传质效

15、率低。 若选择较高的空塔气速，则通过填料层的压降大，动力消耗大，且操作不平稳，难以控制，但塔径小，设备投资小。故塔径的确定应作多方案比较以求经济上优化。通常取泛点气速的倍。,10.10.2020,33,2.3.4 填料层高度的计算,1、填料层高度的基本计算式,10.10.2020,34,- 塔截面积； m2 a- 单位体积填料层所提供的有效传质面积；m2/m3,10.10.2020,35,2、传质单元高度与传质单元数,气相总传质单元高度,液相总传质单元高度,气相总传质单元数,液相总传质单元数,气相总体积吸收系数,液相总体积吸收系数,（重要）,10.10.2020,36,传质单元高度取决于设备型

16、式、物系的性质及操作条件，表明了过程的传质动力学性能。它能反映传质阻力的大小、填料性能的优劣及润湿情况的好坏。 传质单元数反映吸收过程进行的难易程度。生产任务所要求的气相组成变化越大，吸收过程的平均推动力越小，分离的难度越大，所需的传质单元数也就越大。 3、传质单元数的计算 1）图解积分法（了解） 图解积分法是直接根据定积分的几何意义引出的一种计算传质单元数的方法，它适合于平衡关系的各种情况，特别是用于平衡线为曲线的情况。,10.10.2020,37,2）、脱吸因数(S)法（吸收因数法A) 应用前提是：在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程 Y*=mX+b (注：b可以0或0)表示的

17、情况 。,吸收因数,脱吸因数,10.10.2020,38,X =X2 + V/L（Y-Y2）,（重点）,P118,10.10.2020,39,3）对数平均推动力法 应用前提：在吸收过程涉及的浓度范围内平衡关系可以用线性方程Y*=mX+b (注：b可以0或0)表示的情况。,（重点）,（重点）,10.10.2020,40,气相对数平均推动力。,同理，液相总传质单元数为：,或,可用算术平均值代替对数平均值。,液相对数平均推动力,10.10.2020,41,例2 空气和氨的混合气体，在直径为0.8m 的填料吸收塔中用清水吸收其中的氨。已知送入的空气量为47.93kmol/h ，混合气体中氨的分压为1.

18、34kPa ，经过吸收后混合气中有99.5%的氨被吸收下来。操作温度为20，压力为101.325kPa 。在操作条件下，平衡关系为Y*=0.75X 。若吸收剂（水）用量为52kmol/h 。已知氨的气相体积吸收总系数KYa =314kmol/(m3.h )。试求：(1) 吸收液的出塔组成； （2）所需填料层高度。（用吸收因数法）,10.10.2020,42,例3 在常压填料吸收塔中，用清水吸收废气中氨气，废气流量为2500m3/h （标准状态下），其中氨气浓度为0.02（摩尔分数），要求回收率不低于98%，若水用量为3.6m3/h ，操作条件下平衡关系为Y=1.2X（式中X ,Y 为摩尔比），

19、气相总传质单元高度为0.7m ，试求：（1）塔底、塔顶推动力及全塔对数平均推动力； （2）气相总传质单元数 ；（3）填料层高度。（水的密度可取为1000m3/h）,10.10.2020,43,例4 某混合气体中含有溶质A 3%（摩尔分数），在常压下用清水在填料塔内逆流吸收，要求回收率为0.99，混合气体的流率为0.02 kmol /（m2.s） 。采用的液气比为最小液气比的1.5倍，平衡关系为 ，气相总传质系数Kya= 0.04kmol/(m3.s)。试求：（1）出塔溶液组成；（2）所需填料层高度。 2.4 吸收系数 （自学，课堂上简要介绍）,10.10.2020,44,2.5 解吸（脱吸）操

20、作（了解） 一般除以制取液相产品为目的的吸收操作外，均需对吸收剂进行回收，以便于循环使用，降低吸收过程的操作成本。 解吸方法 常用的解吸方法有气提解吸法、减压解吸法以及升温解吸法。 1气提解吸法 气提解吸法也称载气解吸法，其过程类似于逆流吸收，只是解吸时溶质由液相传递到气相。吸收液从解吸塔的顶部喷淋而下，载气从解吸塔底部通入自下而上流动，气、液两相在逆流接触过程中，溶质不断地由液相转移至气相。与逆流吸收塔相比，解吸塔的顶部为浓端，塔底为稀端。工程上可以根据解吸工艺要求选用不同的载气，常用的载气有以下几种：,10.10.2020,45,（1）以惰性气为载气 常用的惰性气有空气、氮气和二氧化碳等气体。该法适