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1、第五章 吸收, 第一节 概述, 第二节 气液相平衡, 第三节 吸收过程的传质速率, 第四节 吸收塔的计算, 第五节 填料塔层高度的计算,第一节 概述 一.吸收操作的应用 吸收:是根据气体中各组分在液体中溶解度的不同来分离气体混合物的单元操作。,A：易吸收气体，溶 质，吸收质，NH3 B：难吸收气体， 惰性 气体 N2 S：溶剂，吸收剂H2O,例：NH3、 N2用H2O吸收,（1）制取液体产品。例：水吸收二氧化氮制造硝酸。 （2）回收混合气体中的有用物质。 例：硫酸处理焦炉气以回收其中的氨。 （3）除去工艺气体中有害组分。例：水 和碱液脱除合成氨原料气中二氧化碳。 （4）除去工业放空尾气中有害组
2、分。例： 电厂的锅炉尾气含二氧化硫。,二.吸收设备,三.吸收过程的分类 （1）物理吸收和化学吸收 （2）单组分吸收和多组分吸收 （3）非等温吸收和等温吸收 本章只着重讨论单组分、等温的物理吸收过程。,四.吸收剂的选择 （1）溶剂应对被分离组分有较大的溶解度。 （2）吸收剂应有较高的选择性 （3）吸收后的溶剂应易于再生 （4）溶剂的蒸气压要低，减少溶剂的挥发 （5）溶剂应有较低的黏度 （6）溶剂化学稳定性好、价廉、无腐蚀性、无毒、不易燃,第二节 气液相平衡 一.气体在液体中的溶解度,氨在水中的溶解度,加压和降温可以提高气体的溶解 度，故加压和降温有利于吸收操作。 反之，升温和减压则有利于解吸 过
3、程。,二.亨利定律 1.亨利定律 在一定温度下，稀溶液上方气相中溶 质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成 正比。,t ，E ，难溶气体E大，易溶气体E 小。,pA*：溶质在气相中的平衡分压 kPa E：亨利系数， kPa x：溶质在液相中的摩尔分数。,（1） p*A=cA/H cA：溶质的物质的量浓度，kmol/m3 H：溶解度系数，kmol/(kPa.m3),（2）y* = mx m：相平衡常数 y：气相A的摩尔分数,其他3种表达式,（3） Y* = mX Y：气相A的摩尔比 X：液相A的摩尔比,2.亨利定律各系数之间的关系,(1).E和m的关系,对稀溶液来说，cA很小,(2).H和E的关系
4、,例3-1 总压为101.325kPa，温度为 20时，1000kg水中溶解 15kgNH3，此时溶液上方气相 中NH3的平衡分压为1.2kPa。试 求此时的溶解度系数H，亨利系 数E，相平衡常数m。,三.气液相平衡在吸收中的应用,y* = mx,出塔气体组成y2逐渐减小，最小为与液相x2平衡的组成。,出塔溶液浓度x1逐渐增大，最大为与气相y1平衡的浓度。,第三节 吸收过程的传质速率 一.分子扩散与费克定律 1.分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，则因微观的分子热运动使组分从浓度高处扩散到浓度低处。 层流和静止流体,2.费克定律：单位时间内垂直通过单位面 积扩散的物质量与该组分在该方向上
5、的浓 度梯度成正比。,JA:组分A的分子扩散速率，kmol/(m2s) CA:组分A的摩尔浓度，kmol/m3 Z:扩散方向上的距离，m dcA/dz:组分A沿扩散方向z上的浓度梯度kmol/m4 DAB:比例系数，称为分子扩散系数，m2/s。,1.等摩尔 逆向扩散,2.单方向扩散,二.分子扩散系数,组分在气相中的扩散系数与温度T(K)的1.5次方成正比，与压力P成反比 组分在液相中的扩散系数与温度T(K)成正比，与黏度m成反比。 气体扩散系数一般在0.11.0cm2/s，液体扩散系数110-5510-5cm2/s,三.单相内的对流传质 1.单相内对流传质的有效模型 四.两相间传质的双膜理论,
6、（1）当气液两相接触时，两相之间有一个相界面，在相界面两侧分别存在着呈层流流动的稳定膜层，即有效层流膜层。溶质必须以分子扩散方式连续通过这两个膜层。 （2）在相界面上气液两相互成平衡。 （3）在膜层以外的主体，由于充分的湍动，溶质的浓度基本上是均匀的，即认为主体中没有浓度梯度存在，换句话说，浓度梯度全部集中在两个膜层内。这两薄膜构成了吸收过程的主要阻力，溶质以一定的分压差及浓度差克服两膜层的阻力。,1.双膜理论,五.总传质速率方程 1.总传质速率方程,气相 液相 两相间 两相间,传质总阻力与双膜传质阻力的关系,(2)当溶质的溶解度很小，即m很大时，传质阻力主要在液膜，称为液膜阻力控制传质过程或
7、液膜控制。,(1)当溶质的溶解度很大，即m很小时，传质阻力主要在气膜，称为气膜阻力控制或气膜控制。,2.气膜控制与液膜控制,例3-2 含氨极少的空气与101.3 kPa， 20下被水吸收。已知气膜传质系 数kG=3.1510-6kmol/(m2.s.kPa)，液 膜传质系数kL=1.8110-4 kmol/(m2.s.kmol/m3) 溶解度系数 H=0.72 kmol/(m3.kPa)。气液相平衡关 系服从亨利定律。求气相总传质系数 KG、KY ；气相总传质系数KL、KX。,第四节 吸收塔的计算 一.物料衡算与操作线方程,二.吸收剂的用量与最小液气比,吸收率h,1.最小液气比,例3-3 由矿
8、石焙烧炉出来的气体进入填料吸收 塔中用水洗涤以除去其中的SO2。炉气量为 1000m3/h，炉气温度为20。炉气中含9%（体 积分数）SO2。其余可视为惰性气体（其性质认 为与空气相同）。要求SO2的回收率为90%。吸 收剂用量为最小量的1.3倍。已知操作压力为 101.33kPa温度20。在此条件下SO2在水中的 溶解度如附图所示。X*1=0.0032。求(1)吸收剂 入塔组成X2=0.0003吸收剂用量kg/h及出塔溶液 组成X1。(2)清水X2=0，回收率不变出塔溶液组 成X1，此时吸收剂用量比（1）的用量大还是小。,五.填料层高度的计算 1.填料层高度的基本计算式,填料层高度= 传质单
9、元高度传质单元数,气相传质单元高度 气相传质单元数 液相传质单元高度 液相传质单元数,气相总传质单元数 气相总传质单元高度 液相总传质单元数 液相总传质单元高度,2.传质单元高度 3.传质单元数 (1).平均推动力法 气相,液相,(2).吸收因数法 气相,液相,(3).图解积分法,例3-4 将空气和氨的混合气体通入直径为 0.8m填料吸收塔中，用清水吸收其中的氨。 已知送入的空气量为1390kg/h，混合气体 中氨的分1.33kPa，吸收后混合气体中 99.5%的氨被吸收。操作温度为20，压 力为101.33kPa。在操作条件下，平衡关系 Y*=0.75X。若吸收剂水的用量52kmol/h,已
10、 知氨的气相体积吸收总系数KYa=314kmol/ (m3.h)。试求所需的填料层高度。,4.吸收塔的操作计算 例3-5 在例3-4 的基础上，若吸收剂 改为含NH3 0.1%（摩尔分数）的水 溶液，在该吸收塔中吸收气相中的 NH3 ，试求NH3的回收率，并与原来 的回收率比较。,习题1.空气和CO2的混合气体中， CO2的体积分数 20% ，求其摩尔分 数y和摩尔比Y各位多少？,2.1000克水中含18.7克NH3，试求 NH3 在溶液中的组成摩尔分数x、 浓度c及和摩尔比X各位多少？,6.用清水吸收混合气中的NH3，进入 常压吸收塔的气体含NH3体积分数为 6%，吸收后气体含NH3体积分数
11、为 0.4%，出口溶液的摩尔比为 0.012kmolNH3/kmol水。此物系的 平衡关系Y*=2.52X。气液逆向流动， 试求塔顶，塔底处气相推动力各为多 少？,7. CO2分压50kPa的混合气体，分别与CO2 浓度为 0.01kmol /m3的水溶液和CO2浓度 为 0.01kmol /m3的水溶液接触。物系温度 均为20，气液平衡关系 p*A=1.662105xkPa。试求上述两种情况 下两相的推动力 (分别以气相压力差和液 相浓度差表示) ，并说明CO2在两种情况下 是吸收还是解吸。,11.总压为101.3kPa，温度为20的吸收 塔中，用清水吸收H2S。入塔时H2S浓度 为2% （
12、体积），要求在处理后的气体 中H2S含量不超过0.1%（体积）。在 101.3kPa和20时，服从亨利定律，亨 利系数E=5451.013105Pa。水的用量 为最小用量的浓度1.2倍。试求液气比和 出塔溶液的浓度。若操作总压 101.013105Pa，而其他条件不变， 再求L/V及X1。,12.填料吸收塔中，用清水处理含的SO2 混合气体。逆流操作，进塔气中含SO2 0.09（摩尔分率）其余为惰性气体。吸 收95%的SO2 ，混合气体的平均分子量 取28，水的用量为最小用量的1.2倍。要 求每小时处理1000 m3（10，100kPa） 操作条件下气液平衡关系 Y*=37.4X，计算每小时用
13、水量为多少？,13.用洗油吸收焦炉气中芳烃。吸收塔 27 ，100kPa），焦炉气流量为 850m3/h，其中所含芳烃的物质的量分数 0.02，要求回收率不低于95%.进入吸收塔 顶的洗油芳烃的物质的量分数0.005，溶剂 的用量为最小用量的1.5倍。求每小时送入 吸收塔塔顶的洗油量及塔底流出的吸收液 的浓度。操作条件下气液平衡关系 Y*=0.12X。,14. 用煤油从苯蒸气与空气的混合物中回收 苯要求回收率为99%。入塔的煤油中含苯 0.02%(摩尔分数)。溶剂的用量为最小用量 的1.5倍，操作温度为50，总压为 100kPa，相平衡关系Y*=0.36X，气相总传 质系数KYa=0.015kmol/(m3.s)。入塔混合气 单位塔截面上的流量为0.015kmol/(m2.s)。 试求填料塔的填料层高度。气相总传质单 元数用对数平均推动力法及吸收因数法的 计算式计算。,15.混合气含10%CO2，其余为空气。在 303K ，2*103kPa分下用纯水吸收，使 CO2的浓度降到0.5%，溶液出口浓度 x1=0.06% (以上均为摩尔分数)，混合气体 处理量为2240 m3 /h (标准状况的体积)， 亨利系数E=2*105kPa，液相体积总传质系 数KX.a=2780kmol/(m3.h) 。试求(1)每小时 用水量(2)填料层高度为多少米？(塔径 1.5m)。,
