化工分离工程：第4章 气体吸收

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1、第四章第四章 气体吸收气体吸收1FLGC概述概述吸收是用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分吸收是用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液相中溶解度的不同，而达到分离目的的传质过程。在液相中溶解度的不同，而达到分离目的的传质过程。分类：分类：1. 从被吸收的组分数分。（单、多组分吸收）从被吸收的组分数分。（单、多组分吸收）2. 从过程是否发生化学反应分。（物理、化学吸收）从过程是否发生化学反应分。（物理、化学吸收）3. 从从过过程程是是否否发发生生的的明明显显温温度度变变化化分分。（等等温温、非非等等温温吸收）吸收）工业吸收过程（表工业吸收过程（表4-1，P171） FLGC吸收

2、操作与精馏的原理不同，精馏是基于组分间吸收操作与精馏的原理不同，精馏是基于组分间挥发挥发度度的不同来分离物系，而吸收是基于气相溶质在溶剂的不同来分离物系，而吸收是基于气相溶质在溶剂中的中的溶解度溶解度的大小进行分离，溶解度愈大，吸收愈容的大小进行分离，溶解度愈大，吸收愈容易。因此，气体吸收的平衡关系是指气体在液体中的易。因此，气体吸收的平衡关系是指气体在液体中的溶解度。溶解度。吸收的热力学基础吸收的热力学基础FLGC低压下，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中： p2 溶质在气相中的平衡分压， x2 溶质的溶解度（在液相中的摩尔分数）；

3、 H 溶解度系数。 亨利定律H由溶剂和溶质的性质以及系统的温度所决定由溶剂和溶质的性质以及系统的温度所决定；4.1.1 物理吸收的相平衡物理吸收的相平衡4.1 汽液相平衡汽液相平衡FLGC普遍化的亨利定律普遍化的亨利定律（克利切夫斯基公式）（克利切夫斯基公式）Hp除与溶剂和溶质的性质以及系统的温度有关，还与系统总压除与溶剂和溶质的性质以及系统的温度有关，还与系统总压有关有关根据气液平衡关系根据气液平衡关系是是p、T及组成的函数，当及组成的函数，当T一定，对一定，对 全微分全微分（4-2）（4-3）（4-4）由式（由式（4-2）和（）和（4-3）得到）得到（4-5）FLGC依据热力学定律依据热力

4、学定律（4-6）将式（将式（4-5）和式（）和式（4-6）代入式（）代入式（4-4）得）得整理得整理得为溶质在溶液中的偏摩尔体积，假定它与为溶质在溶液中的偏摩尔体积，假定它与p和组成无关，取为常数和组成无关，取为常数从温度从温度T的纯溶剂蒸汽压的纯溶剂蒸汽压 （即（即 ）到总压）到总压p对上式积分，并对上式积分，并以式（以式（4-3）代入得）代入得FLGC式中式中 是溶质是溶质2在在 条件下的亨利系数条件下的亨利系数若令若令（4-8）式（式（4-8）变形为）变形为（4-9）式中式中H为为p=0时的亨利系数，即低压下的亨利系数。由上式时的亨利系数，即低压下的亨利系数。由上式即可得到高压下气体溶解

5、度和亨利系数、偏摩尔体积的换即可得到高压下气体溶解度和亨利系数、偏摩尔体积的换算。算。FLGC气体的溶解度常用半经验式计算气体的溶解度常用半经验式计算手手册册查查到到的的气气体体溶溶解解度度数数据据大大部部分分是是298.15K，101.3kPa下下的的测测定定值，通过该温度下的亨利系数可换算其他温度下的亨利系数值，通过该温度下的亨利系数可换算其他温度下的亨利系数H0是是T0（298.15K）时的亨利系数）时的亨利系数FLGC例例4-1 试试计计算算40，60MPa时时C2H6在在水水中中的的溶溶解解度。已知亨利系数关系式度。已知亨利系数关系式40时时C2H6 在水中的偏摩尔体积在水中的偏摩尔

6、体积P 173FLGC4.1.2 有化学效应的气体溶解度有化学效应的气体溶解度当当溶溶质质在在溶溶剂剂中中发发生生离离解解、缔缔合合或或化化学学反反应应时时，溶溶质质在在液相中总的含量与平衡分压的关系不再符合亨利定律液相中总的含量与平衡分压的关系不再符合亨利定律（如如果果亨亨利利定定律律仍仍适适用用，则则它它只只反反映映气气相相溶溶质质分分压压与与液液相中未反应的溶质浓度的关系。如氯气在水中的溶解）相中未反应的溶质浓度的关系。如氯气在水中的溶解）有有化化学学反反应应的的情情况况下下，溶溶质质的的溶溶解解度度既既服服从从汽汽液液平平衡衡关关系，又服从化学平衡关系系，又服从化学平衡关系FLGC假设

7、溶质假设溶质A与溶质与溶质B发生反应，汽液平衡和反应平衡表示为发生反应，汽液平衡和反应平衡表示为Ka反应平衡常数为反应平衡常数为（4-12）令令其值在理想溶液时等于其值在理想溶液时等于1，则，则FLGC当相平衡服从亨利定律时，当相平衡服从亨利定律时，由由于于反反应应消消耗耗了了一一定定的的溶溶质质A，所所以以在在相相同同压压力力下下，伴伴有化学反应的溶质溶解度必定大于物理溶解时的溶解度有化学反应的溶质溶解度必定大于物理溶解时的溶解度FLGC例4-2 用Na2CO3溶液吸收CO2，已知溶液中阳离子浓度 ， CO2与Na2CO3的化学平衡常数 ，溶解过程的亨利系数为 ，求气相中CO2分压为pCO2

8、=104Pa时，液相中CO2的溶解度。P175FLGC4.2 吸收和解吸过程吸收和解吸过程4.2.1 吸收和解吸过程流程吸收和解吸过程流程新新鲜鲜的的或或再再生生的的吸吸收收剂剂从从塔塔顶顶进进，与与塔塔中中上上升升气气流流逆逆流流接接触触，气气相相中中的的溶溶质质被被吸吸收收剂剂吸吸收收。吸吸收收剂剂与与被被吸吸收收的的易易溶溶组组分分一一起起从从吸吸收收塔塔底底排排出出后后一一般般要要把把吸吸收收剂剂与与易易溶溶组组分分分分离离开开，即即解解吸吸过过程程，分分离离后后易易溶溶组组分分单单独独作作为为一一种种气气体体产产品品送送出出，而而吸收吸收剂则剂则再送回吸收塔内循再送回吸收塔内循环环使

9、用。使用。FLGC一、单纯吸收工艺流程一、单纯吸收工艺流程FLGC二、吸收二、吸收解吸法解吸法该该法法用用于于气气体体混混合合物物通通过过吸吸收收方方法法将将其其分分离离为为惰惰性性气气体体和和易溶气体两部分的情况。易溶气体两部分的情况。常常用用方方法法是是使使溶溶液液升升温温，以以减减小小气气体体溶溶质质的的溶溶解解度度，可可用用直直接接蒸蒸汽汽和和再再沸沸器器的的形形式式，解解吸吸塔塔底底的的吸吸收收剂剂经经冷冷却却再再送送往吸收塔循环使用。往吸收塔循环使用。解解吸吸塔塔也也可可采采用用精精馏馏塔塔，可可起起到到提提高高蒸蒸出出溶溶质质的的纯纯度度和和回回收吸收剂的作用。收吸收剂的作用。F

10、LGCFLGC三、吸收蒸出塔三、吸收蒸出塔当当吸吸收收尾尾气气中中某某些些组组分分在在吸吸收收剂剂中中有有一一定定的的溶溶解解度度，为为保保证证关关键键组组分分的的纯纯度度采采用用吸吸收收蒸蒸出出塔塔，即即将将吸吸收收塔塔与与精精馏馏塔塔的的提提馏馏段段组组合合在在一一起起，原原料料气气从从塔塔中中部部进进入入，进进料料口口上上面面为为吸吸收收段，下部为蒸出段。段，下部为蒸出段。FLGC当当吸吸收收液液（含含有有关关键键组组分分和和其其它它组组分分的的溶溶质质）与与塔塔釜釜再再沸沸器器蒸蒸发发上上来来的的温温度度较较高高的的蒸蒸汽汽相相接接触触，使使其其它它组组分分从从吸吸收收液液中中蒸蒸出出

11、，塔塔釜釜的的吸吸收收液液部部分分从从再再沸沸器器中中加加热热蒸蒸发发以以提提供供蒸蒸出出段段必必须须的的热热量量，大大部部分分则则进进入入蒸蒸出出塔塔内内部部使使易易溶溶组组分分与与吸吸收收剂剂分分离离开开，吸吸收收剂剂经经冷却后再送入吸收塔循环使用。冷却后再送入吸收塔循环使用。只适用关键组分为重组分的场合只适用关键组分为重组分的场合FLGC4.2.2 多组分吸收和解吸过程分析多组分吸收和解吸过程分析（1）设计变量数）设计变量数按按照照设设计计变变量量的的确确定定原原则则，吸吸收收塔塔和和解解析析塔塔的的可可调调设设计计变变量数量数1因此，多组分吸收和解吸只能有一个关键组分因此，多组分吸收和

12、解吸只能有一个关键组分一一旦旦规规定定了了关关键键组组分分的的分分离离要要求求，由由于于各各组组分分在在同同一一塔塔内内操操作作，塔塔板板数数相相同同，液液气气比比一一样样，非非关关键键组组分分的的吸吸收收率率和和解吸率由它们各自的内在关系决定。解吸率由它们各自的内在关系决定。 FLGC设设计计型型计计算算：已已知知入入塔塔原原料料气气的的组组成成、温温度度、压压力力、流流率率，吸吸收收剂剂的的组组成成、温温度度、压压力力、流流率率，吸吸收收塔塔操操作作压压力力以以及及对对关关键键组组分分的的分分离离要要求求，计计算算完完成成该该吸吸收收操操作作所所需需的的理理论论板板数数，塔塔顶顶尾尾气气量

13、量和和组组成成，塔塔底底吸吸收收液液的的量量和和组成；组成；操操作作型型计计算算：已已知知入入塔塔原原料料气气的的组组成成、温温度度、压压力力、流流量量，吸吸收收剂剂的的组组成成、压压力力和和温温度度，吸吸收收塔塔操操作作压压力力，对对关关键键组组分分的的分分离离要要求求和和理理论论板板数数，计计算算塔塔顶顶加加入入的的吸吸收收剂量，塔顶尾气量和组成，塔底吸收液量和组成。剂量，塔顶尾气量和组成，塔底吸收液量和组成。 FLGC(2)传质形式传质形式吸收是单向传质，精馏是双向传质。吸收是单向传质，精馏是双向传质。在在精精馏馏操操作作中中，汽汽液液两两相相接接触触，汽汽相相中中的的较较重重组组分分向

14、向液液相相中中传传质质，液液相相中中的的较较轻轻组组分分向向汽汽相相中中传传质质，所所以以传传质质过过程程是是在在两两相相中中交交替替进进行行。当当轻轻、重重组组分分的的分分子子汽汽化化潜潜热热相相近近时时，塔塔内内可可以以近似看作恒摩尔流，计算比较简单。近似看作恒摩尔流，计算比较简单。而而对对于于吸吸收收系系统统，一一般般吸吸收收剂剂是是不不易易挥挥发发的的液液体体，气气相相中中的的某某些些组组分分不不断断溶溶解解到到不不易易挥挥发发的的吸吸收收剂剂中中，属属于于单单向向传传质质。在在吸吸收收过过程程中中，气气相相的的量量是是不不断断减减少少，而而液液相相的的量量在在不不断断的的增增加加，除

15、除非非是是贫贫气气吸吸收收，气气液液相相流流量量在在塔塔内内不不能能视视为为常常数数，不不能能用用恒恒摩尔流的假设，从而就增加了吸收计算的复杂性。摩尔流的假设，从而就增加了吸收计算的复杂性。FLGC（3）吸收塔内流量、温度和组成变化：）吸收塔内流量、温度和组成变化：1）总总流流量量：单单向向传传质质，单单调调变变化化（塔塔中中气气相相和和液液相相的的总总流率都是向下增大的）流率都是向下增大的） 2）液体温度：吸收属于放热反应（沿塔向下温度升高）液体温度：吸收属于放热反应（沿塔向下温度升高） 3）组成：不同组分在不同塔段的吸收程度不同。）组成：不同组分在不同塔段的吸收程度不同。 关键组分：全塔范

16、围内均有吸收。关键组分：全塔范围内均有吸收。 轻组分：靠近塔顶的几级被吸收（难溶）。轻组分：靠近塔顶的几级被吸收（难溶）。 重组分：主要在塔底附近吸收（易溶）。重组分：主要在塔底附近吸收（易溶）。 FLGC（4） 吸收过程的热效应吸收过程的热效应(a) 溶质的吸收热，包括冷凝潜热，混合热，化学吸收中还有反应热，这些都使液相温度提高； (b) 溶剂部分气化的气化潜热，可使液体的温度降低； (c) 气液两相互相接触而直接传热，使液相和气相的温差趋于减小； (d) 体系与环境间传热。吸吸收收过过程程最最一一般般的的情情况况：溶溶质质从从气气相相传传入入液液相相的的相相变变释释放放了了吸吸收收热热，通

17、通常常该该热热量量用用以以增增加加液液体体的的显显热热，因因而而导导致致温温度沿塔向下增高。度沿塔向下增高。FLGC吸吸收收过过程程释释放放的的热热量量在在液液体体和和气气体体中中的的最最终终分分配配很很大大程程度度上取决于气液两股物流热容量的相对大小：上取决于气液两股物流热容量的相对大小：1) 如如果果在在塔塔顶顶液液相相物物流流热热容容量量明明显显大大于于气气相相物物流流热热容容量量，则则上上升升气气体体的的热热量量传传给给吸吸收收剂剂，使使离离开开塔塔的的尾尾气气温温度度与与进进塔塔吸吸收收剂剂的的温温度度相相近近，此此时时，吸吸收收所所释释放放的的全全部部热热量量提提高高了了吸吸收收液

18、液的的温温度度，从从塔塔底底移移出出。在在接接近近塔塔底底的的塔塔段段，高高温温吸吸收收液液加加热热进进塔塔气气体体，使使部部分分热热量量返返回回塔塔中中，引引起起温温度度分分布上出现极大值布上出现极大值。 FLGC2) 如如果果气气体体的的热热容容量量比比吸吸收收剂剂明明显显地地高高，则则大大部部分分热热量量被被气气体体带带出出。因因此此当当吸吸收收剂剂沿沿塔塔下下流流时时，它它被被气气体体冷冷却却，在在接接近近于于原原料料气气温温度度的的条条件件下下出出塔塔。吸吸收收所所释释放放的全部热量以尾气显热的形式带出。的全部热量以尾气显热的形式带出。 3) 如如果果液液相相物物流流热热容容量量和和

19、气气相相物物流流热热容容量量近近似似相相等等，且且有有明明显显的的热热效效应应，则则出出塔塔尾尾气气和和吸吸收收液液的的温温度度将将超超过过它它们们的的进进口口温温度度。此此时时，热热量量在在液液体体和和气气体体之之间间的的分分配取决于塔中不同位置因吸收而放热的情况。配取决于塔中不同位置因吸收而放热的情况。FLGC4）如如果果液液体体吸吸收收剂剂有有明明显显的的挥挥发发性性，它它可可能能在在塔塔下下部部的的几几级级中中部部分分气气化化，使使该该气气化化的的吸吸收收剂剂在在进进气气中中的的含含量量趋趋于于平平衡衡组组成成，因因吸吸收收而而加加热热液液体体和和因因吸吸收收剂剂气气化化而而冷冷却却液

20、液体的相反作用，会在沿塔的中部出现温度的极大值。体的相反作用，会在沿塔的中部出现温度的极大值。吸吸收收过过程程中中，一一方方面面因因为为相相平平衡衡常常数数不不仅仅是是液液相相浓浓度度的的函函数数，也也是是液液相相温温度度的的函函数数，吸吸收收放放热热使使液液体体温温度度升升高高，相相平平衡衡常常数数增增大大，过过程程推推动动力力减减小小；另另一一方方面面，由由于于吸吸收收放放热热，气气体体和和液液体体之之间间产产生生温温差差，使使得得相相间间传传质质的的同同时时发发生生相间传热相间传热 FLGC（5） 多组分吸收过程参数分析多组分吸收过程参数分析1) 操作压力的影响操作压力的影响提提高高吸吸

21、收收塔塔的的操操作作压压力力将将增增加加气气相相中中溶溶质质的的分分压压，提提高高吸吸收收过过程程的的传传质质推推动动力力，因因而而增增加加了了吸吸收收速速率率。提提高高操操作压力还可以减小塔径及相关设备、配管的尺寸等。作压力还可以减小塔径及相关设备、配管的尺寸等。但但压压力力过过高高使使塔塔设设备备的的投投资资及及压压缩缩气气体体的的操操作作费费用用增增加加；操操作作压压力力提提高高使使惰惰气气组组分分或或不不希希望望回回收收的的组组分分吸吸收收量量增增加加，给给后后续续操操作作带带来来麻麻烦烦。应应考考虑虑吸吸收收塔塔前前后后工工艺艺的的操操作压力恰当选择，一般不宜采用过高的操作压力。作压

22、力恰当选择，一般不宜采用过高的操作压力。FLGC2) 操作温度的影响操作温度的影响 降降低低吸吸收收塔塔的的操操作作温温度度，则则各各组组分分的的亨亨利利常常数数或或气气液液相相平平衡衡常常数数减减小小，增增加加吸吸收收过过程程的的传传质质推推动动力力，因因而而增增加加了了吸吸收收速速率率。降降低低吸吸收收塔塔的的操操作作温温度度使使气气体体溶溶解度增大，有利于吸收的进行。解度增大，有利于吸收的进行。但应避免采用冷冻操作以减少动力消耗。但应避免采用冷冻操作以减少动力消耗。FLGC3) 液气比的影响液气比的影响 增大液气比将使各组分的吸收因子增加。增大液气比将使各组分的吸收因子增加。但但随随着着

23、液液气气比比的的增增大大，相相应应要要增增大大吸吸收收剂剂的的循循环环量量和和回回收收吸收剂的费用，一般取液气比为最小液气比的吸收剂的费用，一般取液气比为最小液气比的 1.22.0 倍。倍。 4) 塔板数的影响塔板数的影响 随随着着吸吸收收塔塔理理论论板板数数的的增增加加，各各组组分分的的吸吸收收率率增增加加，但但在在不不同同板板数数范范围围，吸吸收收率率增增加加的的幅幅度度不不同同。当当板板数数较较少少时时，增增加加一一块块板板对对提提高高吸吸收收率率的的影影响响比比较较明明显显，而而当当理理论论板板为为十多块时，再增加板数，吸收率的增加幅度很小。十多块时，再增加板数，吸收率的增加幅度很小。

24、FLGC（6）吸收过程与精馏过程的比较）吸收过程与精馏过程的比较1）原理不同：）原理不同： 吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。 精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。2）塔式不同：）塔式不同：最最简简单单的的吸吸收收为为精精馏馏中中的的复复杂杂精精馏馏，即即两两股股进进料料，两两股股出出料料。被被分分离离的的气气体体混混合合物物均均是是从从吸吸收收塔塔的的下下部部进进入入，在在塔塔内内自自下下而而上上与与从从塔塔顶顶喷喷淋淋下下来来的的液液体体吸吸收收剂剂接接触触，溶溶解解度度较较低低的的气气体体不不被被吸吸收

25、收而而从从吸吸收收塔塔顶顶部部排排出出，吸吸收收剂剂在在与与气气体体混混合合物物的的接接触触过过程程中中不不断断吸吸收收易易溶溶解解的的组组分分，最最后后与与被被吸吸收收的易溶组分一起从吸收塔底排出。的易溶组分一起从吸收塔底排出。FLGC3）温度范围变化不同）温度范围变化不同在在精精馏馏过过程程中中沸沸点点范范围围相相对对窄窄，而而多多组组分分吸吸收收中中，各各溶溶质质组组分分的的沸沸点点范范围围很很宽宽，有有的的在在操操作作条条件件下下已已接接近近或或超超过过其其临临界界状状态态（不不能能冷冷凝凝），所所以以多多组组分分吸吸收收不不能能视视为为理想系统来处理。理想系统来处理。在在精精馏馏过过

26、程程中中，由由于于气气化化潜潜热热与与冷冷凝凝潜潜热热相相互互利利用用，在在整整个个塔塔内内的的温温度度变变化化范范围围不不是是很很大大，而而且且从从塔塔顶顶向向下下，温温度度逐逐渐渐升升高高。每每块块板板上上由由于于组组成成改改变变而而引引起起的的温温度度变变化，可用泡露点方程定出。化，可用泡露点方程定出。FLGC而而吸吸收收过过程程由由于于气气相相中中易易溶溶组组分分溶溶解解到到溶溶剂剂中中，会会放放出出溶溶解解热热，这这一一热热效效应应会会使使液液相相和和气气相相的的温温度度都都升升高高，而而温温度度升升高高又又将将影影响响到到溶溶解解的的量量，因因而而气气相相中中各各组组分分沿沿塔塔高

27、高的的溶溶解解量量分分布布不不均均衡衡，这这就就导导致致了了溶溶解解热热的的大大小小以以至至吸吸收收温温度度变变化化是是不不均均匀匀的的，所所以以不不能能用用精精馏馏中中常常用用的的泡泡露露点点方方程程来来确确定定吸吸收收塔塔中中温温度度沿沿塔塔高高的的分分布布，通通常常要要采采用热量衡算来确定温度的分布。用热量衡算来确定温度的分布。FLGC4.3 多组分吸收和解吸的计算多组分吸收和解吸的计算吸收过程有以下三个特点：吸收过程有以下三个特点： 1) 单向传质单向传质； 2) 气液相流量不断变化；气液相流量不断变化； 3) 溶解热导致温度不断上升。溶解热导致温度不断上升。FLGC吸收过程工艺计算的

28、基本概念吸收过程工艺计算的基本概念1、吸收、解吸发生的条件：相平衡2、吸收过程的限度进料气体混合物中易溶组分i的组成为 ，出塔吸收液中 组分含量为显然： 。从塔顶加入的吸收剂中i组分含量为 ，离开塔顶气相中 组分的含量为 ，显然： 。FLGC由由此此规规定定了了设设计计吸吸收收塔塔的的限限度度， 在在设设计计时时要要将将吸吸收收和和解解吸吸一一起起考考虑虑。一一般般按按照照规规定定的的分分离离要要求求先先确确定定吸吸收收塔塔的的气气体体组组成成，根根据据已已知知选选定定的的出出塔塔气气体体组组成成再再考考虑虑气气液液相相平平衡衡数据来确定吸收剂在解吸后易溶组分的含量。数据来确定吸收剂在解吸后易

29、溶组分的含量。对对吸吸收收而而言言，因因为为各各个个组组分分的的溶溶解解度度不不同同，所所以以吸吸收收量量不不同同，吸吸收收量量的的多多少少由由各各自自的的平平衡衡常常数数决决定定，相相互互之之间间存存在在一一定定的的关关系系，所所以以不不能能对对所所有有的的组组分分规规定定分分离离要要求求，而而只只能能指指定定某某一一个个组组分分的的分分离离要要求求，这这个个首首先先被被指指定定的的组组分分通通常是选取在吸收操作中起关键作用的组分。常是选取在吸收操作中起关键作用的组分。FLGC 关键组分的确定关键组分的确定只能指定某一个组分的分离要求，据此分离要求计算出所只能指定某一个组分的分离要求，据此分

30、离要求计算出所需的理论板数，然后再据此理论板数反算出其它组分的分需的理论板数，然后再据此理论板数反算出其它组分的分离程度离程度关键组分通常是选取在吸收操作中起关键作用的组分，关键组分通常是选取在吸收操作中起关键作用的组分，也就是必须控制其分离要求的组分。也就是必须控制其分离要求的组分。FLGC多组分吸收的模型多组分吸收的模型(1) (1) 塔塔板板编编号号由由上上至至下下，最最上上一一板为第板为第1 1板，最下一板为第板，最下一板为第N板。板。(2) (2) 下标为离开板的板号。下标为离开板的板号。(3) (3) 图中所示塔板为理论板图中所示塔板为理论板。yi,1xi,0xi,Nyi,N+1F

31、LGC4.3.1 吸收因子法吸收因子法1 1. . 吸收因子吸收因子的定义的定义(1) (1) 吸吸收收因因子子是是由由液液气气比比L/V（总总流流量量）与与平平衡衡常常数数K的的倒倒数数组组成成的的无无因因次次数数群群，它它综综合合考考虑虑了了塔塔内内气气液液两两相相流流率率和和平平衡关系。衡关系。(2) (2) 上上式式是是吸吸收收因因子子的的简简化化表表达达式式，假假如如按按第第一一下下标标 i 代代表表组分数，第二下标组分数，第二下标 j 代表塔板数的惯例，上式可改为：代表塔板数的惯例，上式可改为：FLGC Lj、Vj塔板塔板j上的液、气总流量；上的液、气总流量； Kij塔板塔板j上上

32、i组分的气液平衡常数；组分的气液平衡常数； Aij塔板塔板j上上i组分的吸收因子组分的吸收因子(3) L/V值值大大，K值值小小都都有有利利于于组组分分从从气气相相转转入入液液相相，A值值的的大大小小可可以以说说明明吸吸收收过过程程进进行行的的难难易易程程度度。A值值大大，吸吸收收过过程程进进行行得得越越容容易易，完完成成同同样样分分离离任任务务所所需需的的理理论论板板数数就就少少，反反之之就就多。多。FLGC即即(4-16)利用气液平衡关系和吸收因子的定利用气液平衡关系和吸收因子的定义义，对对气液流率作如下整理：气液流率作如下整理：设设：vi 气相流股中气相流股中i组组分的流率，分的流率，k

33、mol/h； li 液相流股中液相流股中i组组分的流率，分的流率，kmol/h。由汽液平衡关系由汽液平衡关系FLGCyi,1xi,0xi,Nyi,N+1 对第对第n块塔板块塔板 i 组分组分进行物料衡算，有进行物料衡算，有:用吸收因子代入消去用吸收因子代入消去n=1时时FLGC用用代入上式可得代入上式可得n=2n=N对全塔作物料衡算对全塔作物料衡算（4-21）FLGC由式由式代入上式，得代入上式，得（4-22）所以，由式（所以，由式（4-21）和（）和（4-22）整理，得）整理，得该式关联了吸收率、吸收因子和理论板数，该式关联了吸收率、吸收因子和理论板数，称为哈顿称为哈顿富兰克林方程富兰克林方

34、程（4-23）FLGC讨论：讨论：式的左端，式的左端， 式式的的右右端端，包包括括了了各各塔塔板板数数的的相相平平衡衡常常数数，液液气气比比和和塔塔板板数数，也也就就是是说说HortonFranklin方方程程关关联联了了吸吸收收率率、吸吸收因子和理论板数。收因子和理论板数。 在在推推导导上上式式时时，没没作作任任何何简简化化，但但要要求求出出通通过过吸吸收收塔塔后后任任一一组组分分被被吸吸收收量量较较困困难难，因因为为每每块块板板上上的的A值值视视该该板板的的 比比值值以以及及相相平平衡衡常常数数K而而定定，然然而而 比比值值和和K又又因因吸吸收收量量的的大大小小而而异异，可可是是求求吸吸收

35、收量量又又要要用用到到A，这这几几个个因因素相互联系，又相互牵制，显然必须用试差法求解。素相互联系，又相互牵制，显然必须用试差法求解。FLGC步骤：1）设设：各各板板的的温温度度（ ） 各各板板上上各各组分组分 各各板板上上的的气气相相流流率率（ ） 各各板板上上的的液相流率液相流率 由由 得得 2）由）由 求求 3）校校核核 ： ；热热量量衡衡算算各各板板温温度度 如果不符，则要重新设值再进行计算。FLGC(1) 平均吸收因子平均吸收因子假设假设：对组分：对组分i，有有A1=A2=AN-1=AN，即全塔各板的即全塔各板的A值值均相等。（但不同组分的均相等。（但不同组分的A仍不同）仍不同）式（

36、式（4-23）简化为：）简化为：根据平衡关系计算的该组分最大可能吸收量根据平衡关系计算的该组分最大可能吸收量气体中某组分通过吸收塔后被吸收的量气体中某组分通过吸收塔后被吸收的量相对吸收率相对吸收率当吸收剂不含溶质时，即当吸收剂不含溶质时，即 ，相对吸收率等于吸收率，相对吸收率等于吸收率（4-24）FLGC求解可得求解可得克克雷雷姆姆塞塞尔尔等等把把式式（4-24）绘绘制制成成图图，由由关关键键组组分分的的吸吸收率和关键组分的吸收因子可查得理论板数收率和关键组分的吸收因子可查得理论板数FLGCFLGC利用吸收因子图，可作如下计算：利用吸收因子图，可作如下计算：1) 1) 当已知当已知、A(t,

37、L/V)时，可查得理论板数时，可查得理论板数N；2) 当已知当已知和和N时，可求得时，可求得A，从而求出从而求出L/V；3) 当已知当已知A、N时，可求出时，可求出 。吸吸收收因因子子图图计计算算简简单单，特特别别适适宜宜于于粗粗略略计计算算，但但由由于于其其假假设（各板设（各板A相等）与实际有一定差距，因此其精度仍欠佳。相等）与实际有一定差距，因此其精度仍欠佳。FLGC关键组分吸收因子的求法关键组分吸收因子的求法一般取全塔的平均温度和压力下的数值一般取全塔的平均温度和压力下的数值最最小小液液气气比比L/V：在在无无穷穷多多塔塔板板的的条条件件下下，达达到到规规定定分分离离要要求求时时，1km

38、ol的进料气所需吸收剂的的进料气所需吸收剂的kmol数数当当由图可看到由图可看到故故适宜的吸收剂比用量适宜的吸收剂比用量FLGC已知：已知： ；求：；求： 确定关键组分的吸收率。确定关键组分的吸收率。在在多多组组分分精精馏馏塔塔设设计计计计算算时时，根根据据分分离离要要求求确确定定轻轻重重关关键键组组分分，其其它它组组分分在在塔塔顶顶、塔塔釜釜的的分分配配是是根根据据轻轻重重关关键键组组分分在塔顶、塔釜的分配以及各组分的相对挥发度而决定的。在塔顶、塔釜的分配以及各组分的相对挥发度而决定的。在在多多组组分分吸吸收收过过程程中中，设设计计吸吸收收塔塔时时，只只能能确确定定一一个个对对分分离离起起关

39、关键键作作用用的的组组分分，由由关关键键组组分分的的分分离离要要求求，求求吸吸收收分分率率 ，而其它组分的吸收分率就随之被确定。，而其它组分的吸收分率就随之被确定。FLGC由 求N：1）由 确定 。 ， ； 由全塔的平均温度、压力确定。2）实际 ； FLGC3）由）由 查图或用公式计算查图或用公式计算 。由由克克雷雷姆姆塞塞尔尔图图横横轴轴上上的的 引引一一垂垂线线和和引引自自纵纵轴轴上上的的 值值水平相交，交点即为所求的水平相交，交点即为所求的N 。 或或 其它组分吸收率的确定其它组分吸收率的确定各各组组分分在在同同一一塔塔内内吸吸收收，非非关关键键组组分分具具有有相相同同的的理理论论板板数

40、数和和液液气气比比。 ；FLGC 为为其其它它任任意意组组分分的的吸吸收收因因子子及及相相平平衡衡常常数数，在在图图上上由由某某一一组组分分的的 引引垂垂线线与与板板数数N 相相交交，交交点点的的纵纵坐坐标便是标便是 或或求尾气的组成及量。求尾气的组成及量。当当 时，时， FLGC吸收液的量及组成以及应加入的吸收剂量吸收液的量及组成以及应加入的吸收剂量 （A） 气体的平均流率气体的平均流率 ； （B）求解思路：求解思路： FLGC例例4-3 已知原料气组成为：已知原料气组成为：拟拟用用不不挥挥发发的的烃烃类类液液体体为为吸吸收收剂剂在在板板式式吸吸收收塔塔中中进进行行吸吸收收，平平均均吸吸收收

41、温温度度为为38 ，操操作作压压力力为为1.013MPa。要要求求i-C4H10的的回回收收率率90%。计计算算最最小小液液气气比比；操操作作液液气气比比为为最最小小液液气气比比的的1.1倍倍时时所所需需的的理理论论板板数数；各各组组分分的的吸吸收收率率和和塔塔顶顶尾尾气气的的数数量量和和组组成成；塔塔顶顶应应加加入入的的吸吸收收剂剂量量。各各组组分分在操作条件下的相平衡常数可由手册获得。在操作条件下的相平衡常数可由手册获得。组分组分CH4C2H6C3H8i-C4H10N-C4H10i-C5H12n-C5H12n-C6H14摩尔分数0.7650.0450.0350.0250.0450.0150

42、.0250.045FLGC（2）平均有效吸收因子法）平均有效吸收因子法采用平均有效吸收因子代替各板上的吸收因子，其定义采用平均有效吸收因子代替各板上的吸收因子，其定义分别为分别为式（式（4-23）变形为）变形为（4-28）FLGC若吸收剂中不含有被吸收组分，即若吸收剂中不含有被吸收组分，即L0=0，则式（，则式（4-28）简化为）简化为Edmister的的假假设设，是是考考虑虑在在一一吸吸收收塔塔中中，吸吸收收过过程程主主要要是是由由塔塔顶顶一一块块和和塔塔釜釜一一块块理理论论板板完完成成，因因此此计计算算有有效效吸吸收收因因子子时时也也只只着着眼眼于于塔塔顶顶和和塔塔釜釜两两块块板板，这这一

43、一设设想想与与马马多多克克斯斯（Maddox）通通过过一一些些多多组组分分轻轻烃烃吸吸收收过过程程逐逐板板计计算算结结果果的的研研究究得得出出吸吸收收过过程程主要是吸收塔的顶、釜两块理论板完成的结果一致主要是吸收塔的顶、釜两块理论板完成的结果一致.（4-29）（4-30）FLGC若若已已知知进进料料的的流流率率、组组成成和和温温度度；进进塔塔吸吸收收剂剂的的流流率率、组组成成和和温温度度，塔塔的的操操作作压压力力和和理理论论板板数数，按按平平均均有有效效因因子子法法确确定定塔顶尾气和出口吸收液的流率与组成的计算步骤如下：塔顶尾气和出口吸收液的流率与组成的计算步骤如下：1. 用用平平均均吸吸收收

44、因因子子法法估估计计各各组组分分的的的的尾尾气气量量v1和和塔塔底底的的吸吸收收液液量量ln2. 假假设设尾尾气气温温度度T1，通通过过全全塔塔热热量量衡衡算算确确定定塔塔底底吸吸收收液液的的温温度度TNH，h分别为气相和液相的摩尔焓分别为气相和液相的摩尔焓Q为吸收塔移出的热量为吸收塔移出的热量FLGC3. 估计离开顶板的液体流率估计离开顶板的液体流率L1和从底板上升的气体流率和从底板上升的气体流率VN4. 计算每一组分在顶板和底板条件下的吸收因子计算每一组分在顶板和底板条件下的吸收因子5.用式（用式（4-29）和式（）和式（4-30）计算有效吸收因子）计算有效吸收因子6.用吸收因子图确定吸收

45、率用吸收因子图确定吸收率7.作组分物料衡算，计算尾气和出口吸收液的组成作组分物料衡算，计算尾气和出口吸收液的组成8.校核全部假设校核全部假设（4-34）（4-33）假设各板吸收率相同假设各板吸收率相同假设塔内温度变化与吸收量成正比假设塔内温度变化与吸收量成正比FLGC对解吸塔，可利用类似的方法推导出： 相对解吸率 可用吸收因子图，只是塔板编号顺序相反FLGC4.4 化学吸收化学吸收化学吸收化学吸收：溶质A被吸收剂吸收后，能与其中活性组分B发生化学反应的操作。如 用NaOH水溶液吸收CO2 同一溶质分压，溶解度吸收容量； 相同吸收剂用量，吸收过程推动力。4.4.1 化学吸收的特点化学吸收的特点特

46、点：特点： 气相侧的传递过程与物理吸收完全相同；FLGC增增强强因因子子：与与相相同同条条件件下下的的物物理理吸吸收收比比较较，由由于于化化学学反反应使传质系数增加的倍数应使传质系数增加的倍数说明：增强因子的大小与具体的化学反应类型有关。说明：增强因子的大小与具体的化学反应类型有关。一般情况下，一般情况下， E 1。 增强因子随化学反应速度的增大而增大。增强因子随化学反应速度的增大而增大。对于极慢的化学反应增强因子近似为对于极慢的化学反应增强因子近似为1。 增强因子的数值常表示为两个无因次参数的函数化学吸收的液相分传质系数，化学吸收的液相分传质系数，m/s无化学反应的液相分传质系数无化学反应的

47、液相分传质系数FLGC1）八田数）八田数HaM为化学吸收参数为化学吸收参数，表示反应与扩散两者作用的相对大小，表示反应与扩散两者作用的相对大小若反应为溶质若反应为溶质A的一级不可逆反应的一级不可逆反应式中：式中：k1为溶质为溶质A的一级反应速率常数，的一级反应速率常数，s-1； DA为溶质为溶质A在液相中的扩散系数在液相中的扩散系数,m2/s若反应为溶质若反应为溶质A与溶剂中活性组分与溶剂中活性组分B的二级不可逆反应的二级不可逆反应cBL为液相主体中为液相主体中B的浓度；的浓度；k2为为A与与B的二级反应速率常数，的二级反应速率常数，s-1FLGC2）浓度）浓度-扩散参数：扩散参数：表表示示液

48、液膜膜内内B向向界界面面扩扩散散 的的速速度度与与A向向液液相相主主体体扩扩散散的的速速度的相对大小度的相对大小为化学计量比，等于与为化学计量比，等于与1mol A反应的反应的B的的mol数；数；DB：B在液相中的扩散系数，在液相中的扩散系数，m2/sFLGC4.4.2 化学吸收的计算化学吸收的计算1.反应反应-扩散方程扩散方程根据物料平衡方程根据物料平衡方程扩散进入微元液膜的速率扩散进入微元液膜的速率扩散离开微元液膜的速率扩散离开微元液膜的速率=积累速率积累速率+反应速率反应速率化简，得化简，得反应反应-扩散方程扩散方程FLGC2. 一级不可逆反应一级不可逆反应稳态时，稳态时，则则边界条件为

49、 （4-47）解式（4-47)得（4-48）FLGC化学吸收时，界面上A的扩散量包括通过液膜的传递量和与吸收剂活性组分的反应量，根据费克定律（4-49）将（4-48）代入（4-49）解得（4-50）FLGC当当Ha3时时,为为快速反快速反应应， tanh Ha1，溶，溶质质在到达液相主体在到达液相主体之前完全反之前完全反应应。这时这时，cAL=0,式（式（4-50）变为变为没有反没有反应时应时，所以所以由式（由式（4-51）可以看出，此）可以看出，此时时吸收速率只取决于吸收速率只取决于与流体力学条件无关。与流体力学条件无关。FLGC对于慢速反应对于慢速反应M1（或（或所以所以E1，吸收过程的液

50、相分传质系数与物理吸收相同，吸收过程的液相分传质系数与物理吸收相同3. 二级不可逆反应二级不可逆反应扩散反应方程为扩散反应方程为（4-54）（4-55）FLGC（1）瞬时反应）瞬时反应 推导结果为推导结果为（4-56）当当式（式（4-56）可简化为）可简化为该情况下，吸收速率与该情况下，吸收速率与cAi无关，即与溶质的界面分压无关，无关，即与溶质的界面分压无关，而由而由B向界面的扩散速率所控制向界面的扩散速率所控制FLGC（1）快快速速反反应应 在在快快速速反反应应的的边边界界条条件件下下，式式（4-54）和（和（4-55）无解析解，其近似解为）无解析解，其近似解为（4-60）（4-59）FL

51、GC对给定的对给定的E值，随值，随Ha的增加，的增加，E逐渐趋向极限值逐渐趋向极限值E如果如果即即反反应应速速率率常常数数很很大大，或或液液相相反反应应物物浓浓度度远远远远小小于于气气体体溶溶解解度度，或或液液相相分分传传质质系系数数很很小小，则则式式（4-59）与与 在在数数值值上上很很接近。接近。FLGC在这种情况下，反应是拟一级的。在这种情况下，反应是拟一级的。若满足式（若满足式（4-62），同时还满足），同时还满足（4-62）即即可近似认为可近似认为表示反应是快速拟一级反应表示反应是快速拟一级反应FLGC例例4-4 用用NaOH溶溶液液吸吸收收CO2，溶溶液液中中NaOH的的浓浓度度

52、， CO2界界面面上上的的浓浓度度 ， ， 。计计算算（1）吸吸收收速速率率（2）cAi降降低低到到何何值值时时可可视视为为拟拟一一级级反反应应，并并求求其其吸吸收收速速率率（3） cAi高高到到何何值值时时成为瞬时反应，并计算此情况下的吸收速率成为瞬时反应，并计算此情况下的吸收速率FLGC4.4.3 化学吸收和解吸计算化学吸收和解吸计算化化学学吸吸收收计计算算的的基基本本原原则则：联联解解物物料料衡衡算算式式、相相平平衡衡关关系式、传质方程式和反应动力学方程系式、传质方程式和反应动力学方程计算的任务：计算的任务：计计算算一一定定回回收收率率时时的的最最小小吸吸收收剂剂用用量量，确确定定实实际

53、际吸吸收收剂剂用量；用量；计算吸收塔的传质单元数或容积计算吸收塔的传质单元数或容积FLGC填料吸收塔的设计：填料吸收塔的设计：对于组分对于组分A，单位体积填料的气膜和液膜吸收速率方程分别为，单位体积填料的气膜和液膜吸收速率方程分别为气液平衡关系用亨利定律：气液平衡关系用亨利定律：（4-72）为气相总传质系数表示的化学吸收速率方程为气相总传质系数表示的化学吸收速率方程FLGC化学吸收气相总传质系数化学吸收气相总传质系数物理吸收气相总传质系数物理吸收气相总传质系数其中其中（4-73）（4-74）（4-75）FLGC设填料塔截面积为设填料塔截面积为S，在高度为，在高度为dZ的填料层体积内，组分的填料层体积内，组分A的吸收速率为的吸收速率为G-单位塔截面积的混合气体摩尔流率单位塔截面积的混合气体摩尔流率G-单位塔截面积的惰气摩尔流率单位塔截面积的惰气摩尔流率由式（4-72）、（4-73）和式（4-75）也可求dZ的填料层体积的填料层体积内，组分内，组分A的吸收速率的吸收速率（4-76）（4-77）FLGC联立以上两式解得填料高度物理吸收时的传质单元高度物理吸收时的传质单元高度传质单元数传质单元数