化工原理 第八章 吸收

《化工原理 第八章 吸收》由会员分享，可在线阅读，更多相关《化工原理 第八章 吸收（90页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、8.1 概述,吸收：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。 溶质A（吸收质）：能溶于液体的组分 惰性组分B：不能溶于液体的组分 吸收剂S：吸收操作所用的溶剂 吸收液（溶液）：溶有溶质的溶液 吸收尾气：排出的气体，主要成分为惰性气体，还含有残余溶质,8.1 概述,吸收在化工中的应用： 1制取化工产品 将气体中需要的成分用指定的溶剂吸收出来，成为液态产品。如：用水吸收HCl、NO2制取工业盐酸和硝酸。 2分离气体混合物 工业上利用吸收分离气体混合物。热甲碱法吸收二氧化碳。 3从气体中回收有用组分 用洗油回收粗苯或二氯乙烷。 4气体净化 原料气的净化。 尾气、废气的净

2、化以保护环境。 5生化工程 菌体在发酵罐中培养。发酵罐中要给予大量的空气以维持微生物的正常代谢，要应用空气中的氧在水中吸收这一过程。,吸收过程分类,8.1 概述,8.1 概述,1、吸收设备塔设备（板式塔、填料塔）,2、吸收流程,（1）单一吸收流程,（2）多塔吸收流程,8.1 概述,3）吸收剂在吸收塔内再循环流程,4）吸收解吸流程,8.1 概述,3、吸收剂的选择 （1）溶解度 对溶质组分有较大的溶解度 （2）选择性 对溶质组分有良好的选择性 对其它组分基本不吸收或吸收甚微 （3）挥发性 不易挥发 （4）黏性 粘度要低 （5）其它 无毒，无腐蚀性，不易燃烧，不发泡。 价廉易得，化学稳定性等,8.2

3、.1 气液相平衡关系,一、汽液溶解平衡 气液溶解相平衡：气体混合物与溶剂接触，溶质气体向液相转移，使溶液中溶质(A)的浓度cA增加，直到达到饱和，浓度不再发生变化，这种状态称为汽液溶解平衡。 平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压pA*，液相中的溶质浓度称为平衡浓度cA*，简称为溶解度。,二、相律 自由度F 组分数相数+2 单组分物系（1个溶质）： 组分数3个(溶质、惰性气体和溶剂)，相数2个(气、液) F 组分数相数+232+2 = 3 即在温度、总压和气、液组成四个变量中，三个是自变量。将溶解度cA*表示成温度t、总压P和气相组成的函数，即cA*f( t、P、气相组成)，这个关系式称为相平

4、衡关系。 在总压不很高的情况下，认为溶解度cA*与总压无关，则 cA*f( t、pA) ； pA*f( t、cA),8.2.1 气液相平衡关系,在相同的温度和分压下，不同气体溶解度有很大的差别。 O2、CO2，溶解度很小，称难溶气体； NH3，溶解度很大，称易溶气体； 介乎两者之间SO2称溶解度适中气体。 加压和降温可以提高气体溶解度，cA*f( t、pA) ，对吸收有利。,8.2.1 气液相平衡关系,8.2.2 亨利定律,平衡关系：pA*f( t、cA) 一、亨利定律： 稀溶液、低压和一定温度下，气、液达到溶解相平衡 pA*ExA,二、亨利定律三种表达式 pA*=ExA E为亨利系数 单位

5、Pa cA*=HpA H为溶解度系数 单位 kmol/（m3Pa） y*=mx m为相平衡常数 单位 无因次,三、亨利系数,亨利系数由实验确定，它随物性和温度而变化。 对于一定气体溶于一定溶剂，温度升高，E增大。,8.2.2 亨利定律,四、三个系数间的关系 E=C/H m=E/P,8.2.2 亨利定律,亨利定律,H：溶解度常数，kmol/(m3Pa) 1）H越大，溶解度越大 2）T越大，H越小,E：亨利常数，Pa 1）E越大，溶解度越小 2）T越大，E越大,m：相平衡常数，无因次 1）m越大，溶解度越小 2）T越大，m越大 P越大，m越小,（适用于稀溶液）,EC/H,m=E/P,8.2.2 亨

6、利定律,8.3 吸收过程模型及传质速率方程,一、总传质速率方程 二、界面浓度的求取 三、传质阻力分析,1、气相中的溶质传递到液相，分为三个步骤： 1）气相与界面的对流传质； 2）溶质在界面上的溶解； 3）界面与液相的对流传质。,8.3.1 双膜模型在吸收中的应用,令：界面上气液两相浓度为yi、xi 1.气相与界面的对流传质； NA=kG (pGpi) =ky (yyi) 3.界面与液相的对流传质； NA=kL (cicL)=kx (xix) 2.溶质在界面上的溶解； yi = f (xi ) 采用 yi = mxi,双膜模型：(yyi)代表气相传质推动力，(xix) 代表液相传质推动力，穿过界

7、面的传质阻力可以忽略，气、液在界面达到平衡。,一、分传质速率方程,2、分传质速率方程,NA=kG (pGpi) =ky (yyi),1）气相侧,气相侧分传质速率方程,气相侧分传质阻力,气相侧分传质推动力,一、分传质速率方程,NA=kG (pGpi) =ky (yyi),气相侧分传质速率方程,NA=kL (cicL)=kx (xix),2）液相侧,液相侧分传质速率方程,液气相侧分传质阻力,液相侧分传质推动力,一、分传质速率方程,气相与界面的对流传质：NA=kG (pGpi) =ky (yyi)。 界面与液相的对流传质：NA=kL (cicL)=kx (xix) 溶质在界面上的溶解： yi = m

8、xi,一、总传质速率方程,3、总传质速率方程,NA=KG (pGpL*) =Ky (yy*),1）以气相浓度表示,气相总传质速率方程,气相总传质阻力,气相总传质推动力,PG-PL*=PG-CL/H,y-y*=y-mx,一、总传质速率方程,NA=KL (cG*cL)=Kx (x*x),2）以液相浓度表示,液相总传质速率方程,液气相总传质阻力,液气相总传质推动力,CG*-CL=HPG-CL,x * -x=y/m-x,一、总传质速率方程,Ky 和Kx 的关系： mKy =Kx Ky 和Kx 的单位：Ky: kmol/(m2.s.y) Kx : kmol/(m2.s.x),一、总传质速率方程,一、总传

9、质速率方程 用总传质系数表示的速率方程,一、总传质速率方程,一、总传质速率方程,分传质速率方程,总传质速率方程,总传质系数与分传质系数的关系,各传质系数之间的关系,一、总传质速率方程,一、总传质速率方程 用总传质系数表示的速率方程,讨论一：各推动力的图示,1、 吸收：操作点在平衡线上方 解吸：操作点在平衡线下方 2、 气相分传质推动力：线ab 气相总传质推动力：线aB 液相分传质推动力：线ac 液相总传质推动力：线aA,b,c,点a（x，y）：操作点，表示吸收塔某横截面上气相浓度y和液相浓度x。 点p（xi，yi）：表示吸收塔某横截面上气、液两相相界面上的浓度。,讨论二：界面浓度的求取,相平衡

10、关系：yimxi,联立方程求解（xi，yi）,方法一：,方法二：,从a(x,y)出发，作斜率为-kx/ky的一条直线，此直线与平衡线的交点即为界面浓度(xi,yi)。,讨论三：传质阻力分析,气相阻力控制(气膜控制)： 1/kym/kx，则 1/Ky1/ky，此时传质阻力集中于气相。,气膜控制的条件：,(1) kykx。直线ab的斜率 kx/ky。直线ab很陡。 (2) m很小，相平衡线OE平坦，表明溶质在吸收剂中的溶解度很大，如水吸收NH3、HCl。,液相阻力控制(液膜控制)：当 1/mky1/kx，则 1/Kx1/kx。此时传质阻力集中于液相。,液膜控制的条件： (1) kykx。直线ab平

11、坦。 (2) m很大，相平衡线OE很陡，表明溶质在吸收剂中的溶解度很小，如以水吸收O2、CO2 。,三、传质阻力分析,kyG0.7；kyL0.7 对于气膜控制，增加气体流率，可有效增加总传质系数Kyky，加快吸收过程。 对于液膜控制，增加液体流率，可有效增加总传质系数Kxkx，加快吸收过程。,三、传质阻力分析,已知（给定任务）： 1、处理的气流量G 2、气体混合物的初(yb)、终浓度(ya) 3、选定吸收剂 4、吸收剂的入塔浓度 5、相平衡关系,吸收塔的主要计算项目： 1、吸收剂用量 2、溶液的出塔浓度 3、所需填料层高度。,吸收塔计算：,8.4 吸收塔计算：,8.4.1 物料衡算和操作线方程

12、,一、全塔物料衡算 吸收塔内气、液流率和组成如图所示，下标a代表塔顶，b代表塔底。,气体：混合气体的总流量G变化，惰性气体B的流率GB不变 液体：溶液的总流量L变化，溶剂(吸收剂)S的流率Ls不变,GB = G(1-y)，Ls = L(1-x) 气、液组成采用摩尔比： Y= y/1-y ， X= x/1-x,物料衡算关系：对溶质A，气相的减少液相的增加,全塔物料衡算： GB (Yb-Ya) = LS (Xb-Xa),吸收率： 被吸收的溶质/进塔气中的溶质(YaYb)/Yb1Ya/Yb,8.4.1 物料衡算和操作线方程,对塔顶与任意截面间作物料衡算： GB (Y-Ya) = LS (X-Xa)

13、操作线方程：,吸收操作时，表征吸收程度有两种方式： (1)吸收的目的是为了回收有用物质，用吸收率表示。 (2)吸收的目的是为了除去气体混合物中的有害物质，直接规定出塔气体有害物质的浓度Ya,8.4.1 物料衡算和操作线方程,操作线方程:,1、直线斜率：Ls/GB（称为液气比） 2、过A（塔顶、Xa,Ya）、B（塔底、Xb,Yb）两点 3、A点（塔顶、Xa,Ya）在B点（塔底、Xb,Yb）的左下方。 4、直线AB上任一点P代表塔内相应截面上气、液浓度Y、X。 5、PR代表液相摩尔比差表示的总推动力(X*-X)，PQ代表气相摩尔比差表示的总推动力(Y-Y*)。 6、操作线离平衡线越远，气相（或液相

14、）总推动力越大。,8.4.1 物料衡算和操作线方程,8.4.2 吸收剂用量的确定,设计时： 由吸收任务和要求可以确定GB、Yb、Ya。 由工艺条件可知道Xa。 因此，点A(Xa，Ya)(表示塔顶状态)固定，GB也固定。点B(Xb，Yb)(表示塔底状态)Yb固定，B点在水平线上移动，由斜率确定，即由Ls确定。 若Ls减小，B点向C点靠近，Xb增大，即出塔液体浓度增大，推动力减少。,最小液气比 当B点到达C点，出塔液体和入塔气体达到平衡，推动力为零。这意味着塔高要无限高才能实现指定的分离要求。这在实际上行不通。 B点到达C点，表示一种极限情况，即最小液气比(Ls/GB)min的情况。 根据生产经验

15、，实际液气比是最小液气比的1.12.0倍。即： Ls/GB1.12.0(Ls/GB)min,8.4.2 吸收剂用量的确定,最小液气比用图解法求出。即,8.4.2 吸收剂用量的确定,液气比也不是越大越好。 液气比越大，固然推动力越大，对传质有利；但吸收剂用量随之增大，因而输送、回收等操作费用增加。 液气比越小，推动力越小，对传质不利，因而设备费用增加。 实际液气比的选定，是操作费用和设备费用的权衡。,思考： 若实际操作时的液气比小于或等于最小液气比，吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？,8.4.2 吸收剂用量的确定,拟设计一常压填料吸收塔，用清水处理3000m3/h、含NH35%(体积)的空气，

16、要求NH3的回收率为99%，取塔底空塔气速为1.1m/s，实际用水量为最小水量的1.5倍。已知塔内操作温度为25，平衡关系为y=1.3x，气相体积总传质系数Kya为270 kmol/(m3h)，试求： (1)用水量和出塔溶液浓度； (2)填料层高度； (3)若水中已含氨0.1%(摩尔分率)，所需填料层高度可随意增加，能否达到99%的回收率？(说明理由)。,例 题 1,解(1)：,(L/G)min=(yb-ya)/(xb*-xa),xa=0,yb=0.05,(低浓度气体吸收）,xb*=yb/m=0.05/1.30.03846,=(yb-ya)/yb=0.99,(0.05-0.0005)/(0.038460） 1.287,G=PV/RT=1.0131053000/(8.31298.15