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1、 一、吸收的概述l惰性组分B:不被吸收的组分称为惰性组分。利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物的操作称为吸收。 l吸收质(溶质)A:被溶解吸收的组分称为吸收质。l吸收剂 S:吸收操作所用的液体称为吸收剂。工业生产中的吸收过程通常包括吸收与解吸两部分。如用炼焦过程的副产物煤焦油(洗油)回收焦炉煤气内含有的少量苯、甲苯类低碳氢化合物，如图所示。1制取产品例如：用98%的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸；用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸；用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。 2从气体中回收有用的组分例如：用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。 二、吸收目的3除
2、去有害组分以净化气体例如:用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳， 燃煤锅 炉烟气、冶炼废气等、脱SO2等。主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。三、吸收分类等温吸收:气体溶于液体中常伴随热效应,若热效应很小,或被吸收的组分在气相中的浓度很低,而吸收剂用量很大,液相的温度变化不显著,则可认为是等温吸收。非等温吸收:若吸收过程中发生化学反应,其反应热很大,液相的温度明显变化,则该吸收过程为非等到温吸收过程。单组分吸收:在吸收过程中,若混合气体中只有一个组分被吸收,其余组分可认为不溶于吸收剂,则称之为单组分吸收。 多组分吸收:如果混合气体中有两个或多个组分进入液相,则称为多组分吸收。物理
3、吸收：吸收过程中，吸收质与吸收剂不发生明显化学反 应的吸收称为物理吸收。化学吸收：吸收过程中，吸收质与吸收剂发生化学反应的吸 收称为化学吸收。四、吸收设备和流程1.吸收设备-塔设备板式塔 填料塔气体入口液体出口气体出口液体出口支承栅板液体再分布器塔壳填料填料压网液体分布装置填料塔 结构如图所示,圆筒形,内装填料液体由上往下流动时，由于塔壁处阻力较 小而向塔壁偏流，使填料不能全部润湿，导 致气液接触不良，影响传质效果，称之为塔 壁效应下图是几种填料的形状2.板式塔塔板上的气液两相流动有错、逆流之分，如图所示。塔板的结构 板式塔的壳体为圆筒形，里面装有若干块水平的塔板。塔板的结构型式：a泡罩塔板
4、构造如图示。泡罩塔板有较好的操作弹性，结构复杂、造价高，尤其是气体流径曲折，塔板压降大、液泛气速低、生产能力小。浮阀塔板b浮阀塔板 浮阀塔板是泡罩塔的改进型，如图。浮阀塔生产能力与操作弹性大、板效率高、塔板阻力小、结构简单、造价低等优点，但浮阀对材料的抗腐蚀性要较高，采用不锈钢制造。 c筛孔塔板（sieve tray ） 结构简单、造价低廉、气体压降小、生产能力较大；缺点是操作弹性范围较窄，小孔筛板易堵塞。d导向筛板 板式塔上流体力学状况 塔板形式多样，下面介绍塔板上气液接触状态、漏液、雾沫夹 带、液泛等流体力学规律。a.气液接触状态 孔速较低时,气体以鼓泡形式通过液层，板上气 液两相呈鼓泡接
5、触，图(a). 随孔速的增大气泡的数量而增加,气泡 表面连成一片发生合并与破裂,板上液体以泡沫形式存在于气泡之 中,但液体为连续相,气体为分散相,图5(b).孔速继续增大,气体从 孔口喷出,液体由连续相变为分散相,气体则由分散相变为连续相, 图.d液泛 气速增大，气体通过塔板的压降也增大，降液管内的液面相应地升高；板上液体将无法顺利流下，造成淹塔，即液泛。b漏液 气体通过筛孔的速度较小时，气体通过筛孔的动压不足以阻止板上液体的流下，液体会直接从孔口落下，这种现象称为漏液。正常操作时，一般控制漏液量不大于液体流量的10。c雾沫夹带 板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象称为雾沫夹带。雾沫夹带量主
6、要与气速和板间距有关，其随气速的增大和板间距的减小而增加。应控制夹带量不超过0.1kg(液体)/kg(干气体)。吸收操作一般用填料塔；精馏操作采用板式塔。填料塔结构简单,直径小,气体通过阻力小,处理有腐蚀性的 物料好,在压降小的真空蒸馏系统和液气比大的方面操作有优 势；板式塔生产能力和操作弹性大,塔效率稳定利于放大. 对塔设备的要求：气液负荷大，即单位塔截面处理物料量大 ，生产能力大；传质效率高，达到规定分离要求的塔高较低 ；操作稳定，物料量在相当范围内变化时不致引起传质效率 显著变动；气体通过塔时阻力小，以适应减压操作或节省动 力；结构简单，易加工制造，维修方便，耐腐蚀，不堵塞。3.填料塔与
7、板式塔的比较2吸收流程 (1)单一吸收塔流程(2)多塔吸收流程(3) 吸收剂在吸收塔内再循环流程(4) 吸收-解吸流程即在温度T，总压P和气、液相组成共四个 变量中，有三个自变量，另一个是它们的函数：六、 吸收过程的相平衡关系 1溶解度气液达到相平衡时，液相中的溶质浓度称为溶解度。根据相律可知，自由度数=3-2+2=3在几个大气压以内、温度一定条件下在一定压力和温度下，使一定量的吸 收剂 与混合气体充分接触，气相中 的溶质便向液相溶剂中转移或液相中 的溶质向气相中转移，经长时间充分 接触之后，液相中溶质的组分的浓度 不再增加或减少，此时，气液两相达 到平衡。在液相中的组成称平衡浓度或 平衡溶解
8、度，简称溶解度。平衡状态:平衡浓度：2、溶解度曲线平衡分压：气液平衡时，气相中溶质的分压为平衡分 压相平衡关系：平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关 系为相平衡关系。溶解度曲线：气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系 曲线称为溶解度曲线由图5-2可见，在一定的温度下，气相中溶质组成Y不变， 当总压p增加时，在同一溶剂中溶质的溶解度x随之增加， 这将有利于吸收，故吸收操作通常在加压条件下进行。由图5-4可知，当总压P、气相中溶质Y一定时，吸收温度下降 ，溶解度大幅度提高，吸收剂常常经冷却后进入吸收塔。结论：加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和 升温则有利于解吸操作过程。吸收操作处理的气体为低浓度气体
9、(10%),形成 的是稀溶液。当总压不太高时(0.5MPa)，稀溶液的相平衡关系服从亨利定律：P* = E x 七、亨利定律与稀溶液相 平衡的吸收质气 相平衡分压亨利系数 Pa吸收质在溶液 中的摩尔分数吸收质在稀溶液上方的气相平衡分压与其在液相中的摩尔 分数呈正比，比例系数为E。 E 的大小与吸收质和吸收剂的种类及吸收温度有关。 不同吸收质，E越大，越难溶解； 同一吸收质，温度升高，E增大，溶解度下降。 故E的大小能够反映气体溶解的难易程度。l只有溶质在气相中和液相中的分子状态相同时，亨利定律才能适用。 l若溶质分子在溶液中有离解、缔合等，表示式中的xA（或 mA、CA等）应是指与气相中分子状
10、态相同的那一部分的含 量。l在总压力不大时，若多种气体同时溶于同一个液体中，亨利定律可分别适用于其中的任一种气体。 l一般来说，溶液越稀,亨利定律愈准确，在xA0时溶质能严格服从亨利定律。亨利定律适用范围说明：(1) 不同气体的溶解度差异很大(2) 对于稀溶液，有H 是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。H 随温度变化而变化，一般地，T，H。H 越大，表明溶解度越大，越易溶。亨利定律溶解度系数， kmol/(m3Pa)m越大，表明溶解度越小，m随温度变化而变化，亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度越小，E随温度变化而变化,T，E 。亨利系数，Pa相平衡常数，无因次T p m 溶解度亨利
11、定律有不同的数学表达形式： y*=mx c 液相中吸收质物质的量浓度， H 溶解度系数， y* 与X相平衡的吸收质在气相中的摩尔分数； m 相平衡常数，量纲为1。 工程上采用在吸收过程中数量不发生变化的气相中的惰性组分和液相中的纯吸收剂为基准。若以比摩尔分数表示吸收质在气、液两相的浓度，则代入：得：对于稀溶液，有：kmol吸收质/ kmol吸收剂kmol吸收质/ kmol惰性气体对稀溶液, X 值很小，上式化简为 Y*mX Y*为与X相平衡的气相摩尔比。 单位体积溶液中吸收质和吸收剂的物质的量之和。单位为 溶液的密度Mr溶液的平均摩尔质量MA吸收质的平均摩尔质量Ms吸收剂的平均摩尔质量溶液的总
12、浓度(c0 )对稀溶液，s MrMs 有可得EH的关系亦可得Em的关系由道尔顿分压定律例5-1 在操作温度为为30，总压为总压为 101.3 kPa的条件下，含 SO2的混合气与水接触，试试求与平衡的液相中SO2的平衡浓浓度为为多少(该浓该浓 度范围围气-液相平衡关系符合亨利定律。的混合气呈) 。= 0.0115=10.1 0.01150.1165 解：根据亨利定律pA为气相中SO2的实际分压，由道尔顿分压定律= 101.30.1=10.1kPa查表知30下SO2的亨利系数 E = 4.85 103kPa 溶解度系数为稳定操作下，气、液相传质速率相等。由于考察范围及推动力表示形式不同，将吸收速
13、率方程分为两类。（3）吸收速率方程单相吸收速率方程液相气相kG气相传质系数, kmolm-2s-1Pa-1kL液相传质系数,ms-1对一定物系DAB为定值，在定态操作条件下p、T、C、pBm、cBm均为定值，但由于虚拟膜层的厚度无法直接计算或测出，还需通过实验确定kG和kL.其特征数关联式为： Sh舍伍德（Sherwood）数，Sh=kd/DAB； k为kG或kL ； d为特性尺寸， m可以是塔径、填料直径等； Re雷诺数，Sc施米特(Schmit)数。总吸收速率方程系统分压差和气相摩尔比差表示吸收总推动力时，总吸收速率方程为:KG以系统分压差(p-p*)为总推动力时的总传质系数， kmolm
14、-2s-1Pa-1 KY以气相摩尔比差(Y-Y*)为总推动力时的总传质系数， kmolm-2s-1p吸收质在气相中的分压，Pa；p*与液相浓度相平衡的气相平衡分压，Pa Y吸收质在气相中的摩尔比；Y*与液相摩尔比相平衡的气相摩尔比。当用系统液相浓度差和液相摩尔比差表示总推动力，总速率吸收方程为KL以系统浓度差（c*-c）为总推动力时的总传质系数C 吸收质在液相中的浓度；c*与液相浓度相平衡的液相平衡浓度；KX以液相摩尔比差（X*一X）为总推动力时的总传质系数; X吸收质在液相中的摩尔比；X*与气相摩尔比相平衡的液相摩尔比。根据双膜理论，相界面上气液两相浓度达到平衡，服从亨利定律，则当吸收质在气
15、、液相中浓度很低时,X*和X都很小，则 吸收总阻力为气相阻力和液相阻力两者之和。 整理有 气膜控制与液膜控制当气体容易溶解时，溶解度系数H较大，液相阻 力非常小， KGkG 即易溶气体的吸收阻力主要集中在气膜内，称为气膜控制。当气体难于溶解时，溶解度系数小，气膜阻力 非常小， KL kL即难溶气体的吸收阻力主要集中在液膜内，称为液膜控制。4低浓度气体吸收过程的计算 研究的主要内容：（1）吸收剂用量的确定（2）填料层高度的设计计算（3）影响吸收过程的有关因素4低浓度气体吸收过程的计算 （一）低浓度气体吸收特点：1、被吸收的溶质含量低，可以忽略溶解热的影响，吸收过程可作为等温处理2、流过全塔的混合
16、气体量与液体量变化小，因此全塔范围内传质系数可视为常数4填料吸收塔的计算 填料吸收塔计算包括设计计算和操作计算。设计计算主要是获得达到指定分离要求所需要的塔的基本尺寸：填料层高度和塔径。操作计算则要求算出给定的吸收塔的气液相出口浓度等参数。a气相中的惰性组分与液相中吸收剂的摩尔流量不变；b塔内的温度始终相同；c传质总系数在整个塔内为常量。吸收操作一般多采用逆流。为计算方便，对塔内的吸收过程作如下假设：(1)物料衡算与吸收操作线方程如图，取塔底至塔截面MM间的塔段作为衡算范围，对吸收质作物料衡算： qn,VY+ qn,LX1 = qn,VY1+ qn,LX经整理 得吸收操作线方程。qn，V惰性组分的摩尔流量， mols-1qn，L吸收剂的摩尔流量， mols-1 Y1，Y分别为吸收塔底及截面M上
