{能源化工管理}化工分离过程第4章第一讲吸收

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1、第三章 吸 收,分离工程,吸收过程的设计,传质速率与传质系数,传质理论,气液相平衡,吸收过程概述,化学吸收与增强因子,目 录,吸收过程的应用,气体的净化,3,回收有价值的组分,4,原料气的净化,a,尾气的净化,b,获得液相产品,1,气体混合物的分离,2,SO3+H2O（H2SO4） H2SO4（浓硫酸） HCHO+H2O 福尔马林 (NH4)2CO3+CO2+H2O 2 NH4HCO3,典型工艺流程,吸收剂无需再生的流程,使用对象：主要用于制备液相产品。 流程特点：吸收剂不再生，循环操作。 应用实例：,使用对象：主要用于制备液相产品。 流程特点：吸收剂不再生，循环操作。 应用实例：,减压冷再生

2、 气提冷再生 间接蒸汽热再生,典型工艺流程,吸收剂需要再生的流程,使用对象：气体的净化或回收。 流程特点：至少有两个塔（吸收塔和再生塔）。 应用实例：,减压冷再生流程,吸收剂需要再生流程应用实例,原理：通过改变P，改变相平衡， 使溶质解吸。 实例：以碳酸丙烯酯为溶剂，脱除合成氨原料气中CO2的过程。 工艺对气体净化度要求是过程经济性的关键,吸收剂需要再生流程应用实例,气提冷再生流程,原理：用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸。 适用：溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的含量。 问题：二次污染，资源的再利用。,吸收剂需要再生流程应用实例,减压冷再生流程,原理：利用间接蒸汽升高温度，改变液面上活

3、性组分的平衡分压，加速解吸速率。 实例：化学吸收（可逆反应） 热钾碱法吸收CO2； 柠檬酸钠法吸收SO2。 过程能耗是考核的关键指标 。 采用化学再生，转化为其他产品，或与其他工业过程有机结合是降低能耗的有效方法之一。,吸收操作的分类,依据吸收的机理可分成 物理吸收（水、甲醇-CO2） 极限：溶解平衡=f(T, P) 达到平衡的速率： 过程是可逆的，且热效应较小。 化学吸收（K2CO3-CO2） 极限：相平衡= f (T,P,反应组分B) 达到平衡的速率： 由于有化学反应，过程热效应较大，必须热再生。 物理化学吸收（甲醇-有机胺）,吸收过程的特点,吸收与精馏操作的相同点： 平衡分离过程 热、质

4、同传过程，由MESH方程求解 吸收与精馏的不同点： 吸收过程 精馏过程,吸收操作的特点,溶解平衡过程，相际传质速率和传质面积等成为重要的影响因素； 传质过程同时受到平衡和扩散的控制，化学吸收过程反应与分离耦合； 气体热容小，液体热容大，溶质浓度较低，且存在溶剂汽化冷凝，过程的温度变化较小； 吸收操作多采用连续逆流接触式设备（如填料塔）； 研究的理论和方法-微分理论。,微分理论,气液相平衡,相平衡时: 物理溶解时相平衡 低浓度理想溶液 （Hi为亨利系数） 亨利定理变形： 或者,关于H系数的几点说明,高浓度非理想溶液 当气液平衡时， 两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程：,伴有化学反应时的相平衡,

5、化学平衡： （1） 溶解平衡： （2） 物料衡算式： （3）,平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定 （即Ci同时满足化学平衡和溶解平衡） 由化学平衡式（1、2、3式）求得Ci，带入Pi=HCi， 求得相平衡时 的关系式： 分几种情况讨论,产物不离解系统(NH3-H2O),溶液中A的初始浓度 ： 化学平衡： 溶解平衡： 当 时， 由此可见： 物理吸收： 化学吸收：,产物离解系统 (Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O),离解平衡常数： 忽略溶液中水的离解: 化学平衡常数: 物料衡算: 溶液中A的起始浓度:,上式整理成CA的一元二次方程，并求解可得： 式中 溶解平衡：,被吸收组分与溶剂中

6、的活性组分的作用,设B组分的平衡转化率为R，有： 化学平衡： (1) 相平衡： (2),由（1）式得 ，代入（2）得： 令 根据吸收组分在相平衡时的溶解能力为： 当物理溶解量可以忽略不计时，,相平衡曲线及其比较,相平衡曲线 物理吸收： 化学吸收 ： 说明： ，而不能超过 。 代表溶剂B对溶质A的最大吸收能力； 代表吸收时气体所能达到的极限净化度。,物理吸收与化学吸收的比较,物理吸收， 呈线形关系，不存在浓度界限； (适宜高压或高浓度气体的脱除) 化学吸收， 有极限， ；适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程； 当 ，化学吸收优于物理吸收； 当 ，物理吸收优于化学吸收。 溶质浓度过高会降低气体在

7、溶液中的溶解度常数(H），降低净化度,传质理论,吸收过程，溶质A由气相传到液相。,双膜论,特点： 是稳态的物理模型，模型直观，用起来方便。 要点： 流动方式：界面两侧有滞流传质膜， 滞流传质膜滞流边界层 传递方式：膜内呈分子扩散传递， 主体浓度均一，传质阻力集中在 界面两侧的双膜内 界面无阻力， ， 模型参数是膜的厚度l,由单向扩散速率积分式可得： 讨论： 稳定的边界滞流传质膜？ 传质过程是稳态的？ 界面无阻力？ KD（大量实测到的KD0.5 ） 双膜论的弱点： 没有反应出K与D的0.5次方的关系。,渗透论,要点： 传质方式：膜内是非稳态的传质；传递方式：膜内呈分子扩散传递， 传质模型：随着旋

8、涡的产生，溶质有时在主体，有时在界面；微元在界面停留时间te是相同的； 界面无阻力， ； 由非定态分子扩散可求得： 此结论 与实验相符合，但te无法测定， 且表面还是固定膜。,表面更新论,要点：传质是非稳态的 界面上的每一微元具有不同的暴露时间，被另一微元置换的机会均等 微元被旋涡携带的过程 在气、液相均会发生， 表面不断更新 微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律 缺点：表面更新率S无法确定，但该理论最完善。,传质速率与传质系数,物理吸收传质速率,化学吸收传质速率 与增强因子,传质系数关联式,1,2,3,物理吸收传质速率,由双膜论知，A由气相到液相的传质速率可表示为： 根据相平衡方程式 或

9、可以写出传质速率的多种形式 （见表3-5）。, 当A从气相进入液相时， ; 由于 是随 的增加而增加， 由此可得：,由传质总系数与传质分系数的关系式可知：,当 很大，即A是难溶气体 当 很小，即A是易溶气体时， 结论： 气膜控制的条件是： 液膜控制的条件是：,化学吸收的传质速率与增强因子,物理吸收 A在液膜中的溶解速率服从费克定律，即: 在图中CA为DE直线，斜率为浓度梯度 有化学反应时 A在膜中边扩散边反应， CA为曲线DE。 在D处(x=0) ，扩散速率为：,A的扩散量 = 膜内扩散量 + 膜内反应量 在 x=处，A向液相主体扩散速率为： 当界面处DL相同，C相同，则 DD 线斜率对应化学

10、吸收的速率 DE 线斜率对应物理吸收的速率 定义增强因子 1,将化学吸收速率看作物理吸收速率的倍。则有：,思考： 对传质总系数的影响如何？ 化学反应的存在，是否只对液膜传质有影响，而对气膜传质无影响？,传质系数关联式,液膜传质系数关联式（Norman）:,适用于公称尺寸10-50mm的拉西环 和公称尺寸13-38mm的鞍型填料。,金属拉西环填料,气膜传质系数关联式(Charpentier):,适用于公称尺寸大于15cm的填料。,恩田等(3-9295)的传质系数与传质单元高度关联式。 当工业设备的填料尺寸与文献值一致，计算可以有一定的精度，否则就有较大的误差。 对于化学吸收的传质系数值，则以物理

11、吸收为基础，全力求出值。 可以从商家或计算软件中获得常见体系的传质单元高度，再求取特定体系的传质单元数。,化学吸收与增强因子,化学吸收的特点、分类及其判别 化学吸收中液相传质速率的研究步骤 研究思路 扩散-反应微分方程 物理吸收速率 化学吸收速率 化学吸收增强因子的求取,化学吸收的特点,传质和反应耦合 反应发生在液相，化学反应仅改变液膜传质阻力！ 传质速率： 两个重要参数及物理意义： 增强因子(化学反应的影响)： 化学吸收无因次准数M（反应类型判断的依据）：,引入化学反应对传质过程产生的影响 （与物理吸收的差异）,加大了推动力改变了系统的相平衡，可提高脱除气的净化度。实例：化学吸收（可逆反应）

12、 CAl，CA* ；PA* 在低压、低浓度条件下提高了溶剂的吸收容量，可降低吸收剂的用量。 降低了液相传质阻力，提高了传质速率。,化学吸收的分类与判别,化学反应可忽略的物理吸收过程 液相中的总反应量扩散传递量 令： 当,液流主体中进行慢反应的吸收过程 液膜中反应的量通过液膜扩散的量 当M1，M0.2时，,在液膜中进行快反应的吸收过程 液膜中可能的最大反应量通过液膜扩散传递的量 中速反应 液膜中反应量膜内扩散量,反应在膜内完成，属边扩散边反应,瞬间反应 若是不可逆反应，反应在膜内某个面瞬时完成； 若是可逆反应，则在膜内达到平衡。,化学吸收中液相传质速率的研究步骤,研究思路 建立液相微元的扩散-反

13、应微分方程； 求得液相传质速率式； 根椐所获得的数学模型，求取模型参数。 方法：,扩散-反应方程,在dt时间内，对微元体Fdx作物料衡算： 扩散进入量 - 扩散流出量 - 反应量 = 积累量 其中,扩散量服从费克定律： Mx： Mx+dx：,MR： Ma： 代入 整理得扩散-反应微分方程： 定态传质过程 有了扩散反应方程，则在不同的边界条件，不同的传质机理，不同的反应特征下求解，得到,物理吸收,解微分方程得 代入边界条件： 得 求： 代入速率方程，得：,化学吸收,由双膜论: 从扩散反应方程出发 寻求化学吸收的 ， 进一步求 化学吸收速率： 寻求化学吸收速率的问题转化为求解的问题。 思路：,化学

14、吸收增强因子的求取,一级不可逆反应 的求取,不可逆瞬时化学反应 的求取,二级不可逆反应的求取,1,2,3,一级不可逆反应 的求取,用双膜论处理一级（拟一级）不可逆反应 边界条件 组分A向主体扩散的量=A在主体中反应的量,将扩散-反应方程、边界条件无因次化 令： 得: 解微分方程，得： 代入边界条件： 得 的表达式：,求单位面积组分A的吸收速率NA(kmol/m2s) 与 物理吸收速率相比较，则: 将 的表达式 对 求导，并代入 的边界条件， 得：,瞬间反应： 快反应： 中速反应： 慢反应：,各类一级不可逆反应的求取,快反应 中速反应 慢反应：,慢反应又可分成两种情况： 如果 很大，则仍可使 或很小。 显示了液相反应速率与液膜传质速率的相对大小。 如 如果 也很小，此时属极慢反应，由反应工程研究。 如 吸收速率将由液相主体的缓慢化学反应所决定。,(CAl0),讨论:（如何强化传质过程？） 一级快反应： 一级中速反应： 都是有利的； 一级慢反应： ，改善化学反应条件 ，提高积液量采用鼓泡塔才是有效的。,考察不同的M取值对的影响 (P.137,图3-16):,不可逆瞬时化学反应的求取,反应面上： 瞬间反应： A：