化工原理 吸收综述

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1、化学与环境工程学院：路平 第2章 吸收 2.l 气体吸收的相平衡 2.2 传质机理与吸收速率 2.3 吸收塔的计算 2.4 吸收系数 2.5 其他吸收 05-07-211吸收 化学与环境工程学院：路平 概 述 吸收：根据混合物各组分在某种溶剂中溶解度的不同而达 到分离的目的。 目的：回收或捕获 气体混合物中的有用 物质，以制取产品。 除去工艺 气体中的有害成分， 使气体净化，以便进 一步加工处理；或除 去工业放空尾气中的 有害物，以免污染大 气 05-07-212吸收 化学与环境工程学院：路平 概 述 分离需要解决的问题： 选择合适的溶剂：使能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分。 提供适当的

2、传质设备以实现气液两相的接触：使被分离组分得以自气 相转移至液相（吸收）或相反（解吸）。 溶剂的再生：即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。 吸收分类 减压 非等温多组分化学吸收解吸常压 等温双组分物理吸收吸收加压 名称 温度变化组分吸收机理吸收方向操作压强分类依据 05-07-213吸收 化学与环境工程学院：路平 概 述 吸收操作的经济性 气、液两相流经吸收设备的能量消耗； 溶剂的挥发损失和变质损失； 溶剂的再生费用，即解吸操作费。 三者中以再生费用所占比例最大。 吸收过程中气、液两相的 接触方式 定态和非定态操作 本章所作的基本假定： （l）气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在

3、溶剂中的 溶解度极低而可忽略不计，因而可视为一个情性组分。 （2）溶剂的蒸气压很低，其挥发损失可以忽略，即气体中不含溶 剂蒸气。 05-07-214吸收 化学与环境工程学院：路平 概 述 本章主要讨论内容 气液平衡 传质速率方程及传质理论 物料衡算 操作线方程 低浓度吸收填料层高度计算 05-07-215吸收 化学与环境工程学院：路平 2.1 气体吸收的相平衡 2.1.1 气体的溶解度 溶解度：气液两相处于平衡状态时，溶质在液 相中的含量。它与温度、溶质在气相中的分压 有关。 T溶解度； 分压溶解度 2.1.2 亨利定律 表达形式 p*i=Exi；E亨利系数，与物系和温度有关 p*i=c/Hi

4、；H溶解度系数 y*i=mxi；m相平衡系数 Y*i=MXi；M相平衡系数 系数关系： H=+ci(Ms-MA)/EMs/EMs m=E/P； 例2-1、2-2（P83 ） 05-07-216吸收 化学与环境工程学院：路平 2.1 气体吸收的相平衡 2.1.3 吸收剂的选择 （l）溶解度：溶剂对溶质有较大的溶解度；对其它组 分的溶解度要小； （2）选择性：溶剂对溶质有较大的吸收；对其它组分 基本不吸收； （3）挥发性：溶剂的蒸气压要低； （4）黏性：溶剂应有较低的粘度、不易生泡； （5）其他：溶剂应尽可能价廉、易得、无毒、不易燃 烧等经济和安全条件，具有化学稳定性； 05-07-217吸收 化

5、学与环境工程学院：路平 2.1 气体吸收的相平衡 2.1.4 相平衡的应用 1. 过程方向 3.过程极限 2.过程推动力 05-07-218吸收 化学与环境工程学院：路平 2.2 吸收机理与吸收速率 本节将讨论吸收过程的速率。 分子的传质过程速率主要由分子扩散和对流传质的快慢控制。 分子扩散：因浓度差而造成的分子扩散速率。 对流传质：流体的宏观流动导致的物质传递 2.2.1 双组分混合物的分子扩散与菲克定律 分子扩散： 菲克定律： 2.2.2 气体中的稳态分子扩散 分子扩散与主体流动： 等分子反向扩散速率方程： 一组分通过另一停滞组分的扩散（单向扩散）： 05-07-219吸收 化学与环境工程

6、学院：路平 2.2 吸收机理与吸收速率 2.2.3 液相中的稳态分子扩散 同理 2.2.4 扩散系数 一般通过实验测定。常见物质的扩散系数可在手册中查到，某 些也可用半经验公式估算扩散系数。 例2-5（P96） 2-6(P98) 2.2.5 对流传质 涡流扩散： 对流传质 气相： 液相： 05-07-2110吸收 化学与环境工程学院：路平 2.2 吸收机理与吸收速率 2.2.6 吸收过程的机理 双膜理论：其假设 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递； 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解 过程； 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。 溶质渗透理论：

7、表面更新理论： 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： 界面组成： 05-07-2111吸收 化学与环境工程学院：路平 2.2 吸收机理与吸收速率 2.2.7 吸收速率方程式 总吸收系数及其相应的吸收速率方程式： 以pA-p*A为总推动力 KG气相总吸收系数；1/KG总阻力 以c*A-cA为推动力 同理： KL液相总吸收系数；1/KL总阻力 气相阻力控制(气膜控制)：KG=kG 液相阻力控制(液膜控制)：KL=kL 05-07-2112吸收 化学与环境工程学院：路平 2.2 吸收机理与吸收速率 2.2.7 吸收速率方程式 同理其他膜吸收速率方程式为： 同理其他总

8、吸收速率方程式为： 例2-7（P109） 05-07-2113吸收 化学与环境工程学院：路平 例 题 总压为101.3kPa、温度为303K下用水吸收混合气中的氨，操作条件下 的气液平衡关系为 y=1.20 x。已知气相传质系数ky=5.3110-4 kmol (sm2)，液相传质系数kx为5.3310-3 kmol(sm2)，并在塔的某一截面上 测得氨的气相摩尔分数y为0.05，液相摩尔分数x为0.012。试求该截面上 的传质速率及气液界面上两相的摩尔分数。 05-07-2114吸收 化学与环境工程学院：路平 2.3 吸收塔的计算 吸收塔：板式塔和填料塔。 流动方式：逆流和并流，注意并、逆流

9、动形式。 主要计算内容：填料层高度或理论板层数。 2.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程 假设：V、L为常量；吸收过程是等温过程；传质系数为常量。 全塔物料衡算：V(Y1-Y2)=L(X1-X2) 吸收率A=（Y1-Y2）/Y1， Y2=Y1(1-A) 操作线方程 逆流 并流 05-07-2115吸收 化学与环境工程学院：路平 2.3 吸收塔的计算 2.3.2 吸收剂用量的确定 L/V减小，操作费减小，X1增大，操作线浓端向平衡线靠拢，传质推 动力减小，设备费增大。故L/V有适宜区间，一般为： 最小液气比 例2-8（P113） 2.3.3 塔径的计算 Vs操作条件下混合气体积流量，m3/s;

10、 u空塔气速，m/s 05-07-2116吸收 化学与环境工程学院：路平 2.3 吸收塔的计算 2.3.4 填料层高度的计算 填料层高度的基本计算式 条件： 微元塔段dz作物料衡算：NAdz=VdY=LdX 相际传质速率方程：NA=KY(Y-Y*)=KX(X*-X) 传质速率积分式(填料层高度的基本计算式)： 传质单元数和传质单元高度 传质单元数： 传质单元高度： 05-07-2117吸收 化学与环境工程学院：路平 2.3 吸收塔的计算 2.3.4 填料层高度的计算 传质单元数的求法 1. 解析法(条件：平衡线为直线) 脱吸因数法： S称吸收因数：为平衡线与操作线斜率之比。SNOGH 对数平均

11、推动力法： 注意：当1/2Y1/Y22或1/2X1/X22时，可用算术平均值代 替对数平均值。 例2-9（P121） 05-07-2118吸收 化学与环境工程学院：路平 2.3 吸收塔的计算 2.3.4 填料层高度的计算 传质单元数的求法 2. 数值积分法 也可用近似公式计算 如：P122式2-74 3. 图解法 步骤： 作平衡线和操作线的中点连线MN； 从T点作水平线TF，使TF=FF； 从F点作垂线交操作线与A点； 重复步骤，到垂线与操作线无交点止。梯级数为NOG。 05-07-2119吸收 化学与环境工程学院：路平 2.3 吸收塔的计算 2.3.5 理论板层数的计算 梯级图解法求理论板层

12、数NT 步骤：直接从操作线的一端开始，在操作线和平衡线间画梯级，梯级 数即为理论板层数NT。 解析法求求理论板层数NT A=1/S，称吸收因数。 注意：求NT与求NOG的异同处。 例2-12（P128） 05-07-2120吸收 化学与环境工程学院：路平 2.4 吸收系数 吸收系数分气、液膜吸收系数和气、液总吸收系数；k膜吸收系数 ；K总吸收系数；G、y、Y气相；L、x、X液相。各系数是有 区别的。 2.4.1 吸收系数的测定 2.4.2 吸收系数的经验公式 用水吸收氨（易溶，气膜控制） 常压用水吸收二氧化碳（难溶，液膜控制） 用水吸收二氧化硫（在两者控制间） 2.4.3 吸收系数的准数关联式

13、 注意：它们的使用范围 05-07-2121吸收 化学与环境工程学院：路平 2.5 脱吸及其他条件下的吸收 2.5.1 脱吸 脱吸分： 气提脱吸（载气脱吸）： 减压脱吸： 加热脱吸： 加热减压脱吸： 脱吸与吸收的异同 塔的浓端和稀端与吸收相反。 操作线：位于平衡线下方。 推动力：Y*-Y或X-X*与吸收相反。 NOL的计算式与吸收相同。 理论板求法也与吸收相同。 05-07-2122吸收 化学与环境工程学院：路平 2.5 脱吸及其他条件下的吸收 2.5.2 高组成气体吸收 气液总流量沿塔高是变化。 平衡线不为直线（不符合亨利定律 ）。 NOG或NOL要用积分计算。 2.5.3 非等温吸收 平衡

14、线由不同温度组合绘制。如图 2.5.4 多组分吸收 确定关键组分，计算NT，再由NT 计算其他组分。 方法可用图解法或解析法。 2.5.5 化学吸收 传质推动力的增大。 05-07-2123吸收 化学与环境工程学院：路平 小 结 气液平衡 亨利定理的四种表达形式（注意仅对低浓度） 全塔物料衡算 V(Y1-Y2)=L(X1-X2) (仅对低浓度) 吸收操作线 Y=LX/V-Y2+LX2/V (逆流) ，并流斜率为负值。 吸收操作线在平衡线上方，脱吸在下方。 吸收剂用量由最小吸收剂用量定。 填料层高度计算 Z=HOGNOG=HOLNOL 关键在NOG和NOL的计算上，方法有解吸法（平衡线为直线）；

15、图 解法（平衡线为近似直线）；数值积分法（平衡线任意）。 05-07-2124吸收 化学与环境工程学院：路平 习题与讨论 07004 在低浓度溶质系统逆流吸收塔操作 中，其平衡线与操作线如下图，若气液 摩尔流量和入口组成（摩尔分率）不变 ，但操作压力降低。此时气相出口组成 ya将而液相出口组成xb将 。 07006 操作中的吸收塔，若吸收剂入塔浓 度2降低，其它操作条件不变，吸收结 果将使吸收率，出口气体 浓度。 07007 含SO2为10（体积）的气体混合物 与浓度为0.020 Kmol/m3的SO2水溶液 在一个大气压下相接触。操作条件下两 相的平衡关系为p*1.62C（大气压） ，则SO2将从相向相转移。 增加 减少 增大 降低 气相液相 05-07-2125吸收 化学与环境工程学院：路平 习题与讨论 07011 当项可忽