2吸收基本理论

吸收基本理论1、定义吸收：利用混合气体各组分在液体中溶解度差异，使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，实现混合气体分离。解吸：也称为脱吸，是与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。吸收质或溶质：易溶解组分（A）。惰性气体或载体：不溶或难溶组分(B)。吸收剂：所用的溶剂（S）。吸收液：得到的溶液，主要为A+S。吸收尾气：吸收后排出的气体，主要为B和少量A。2、吸收分离操作的目的与任务制取液体产品：如盐酸、硝酸，碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨等。分离混合气体吸收获得某些组分：如用液态烃吸收裂解气中的乙烯、丙烯等。气体净化除去混合气体中杂质：如合成氨原料气脱CO2等；尾气处理和废气净化：脱SO2、NOx等分离基础：各组分溶解度的差异3、吸收分离操作的分类物理吸收与化学吸收：•H2O吸收CO2（单纯溶解）•NaOH溶液吸收CO2单组分吸收与多组分吸收：•H2O吸收乙醇（单一组分）•液态烃吸收气态烃等温吸收与非等温吸收：•H2O吸收丙酮（温度不变）•H2O吸收SO3低浓度吸收与高浓度吸收：溶质在气液两相摩尔分数均10%4、吸收的特征分离基础：溶解度差异引入新相的方式：从外界引入产品纯度：吸收不能直接获得较纯的组分。传质方向：吸收只进行单向传质§1气体吸收的相平衡关系吸收过程与蒸馏一样，涉及相际传质过程。平衡问题：物质传递的方向和限度；传质速率问题：传质推动力和阻力。相平衡：相间传质已达到动态平衡，从宏观上观察传质已不再进行。吸收中的相平衡关系描述的是溶解度的影响因素，是处理吸收问题的关键。气体的溶解度一定操作温度和压力下，平衡状态下溶质在气相中的分压称为平衡分压或饱和分压，相应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。定义：气体在指定液体（溶剂）中的饱和浓度常用单位：kg(A)/kg(S)或kg(A)/m3(S)。它决定了吸收的极限（终点）；推动力：偏离平衡状态的程度→过程速率。2.影响因素：温度、压力、溶质在气相中的浓度。对于单组分物理吸收：自由度=3-2+2=3总压不高（5atm）→理想气体→溶解度∝气相分压，可以认为与总压无关。恒温：3、溶解度曲线与溶解性：（1）对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。（2）对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。。（3）吸收剂、温度T、P一定时，不同物质的溶解度不同。易溶（NH3）；中等（SO2）；难溶（O2）。（4）温度、溶液的浓度一定时，难溶物质溶液上方分压大。加压和降温对吸收操作有利。亨利定律体系：单组分、低浓、恒温、物理吸收。总压P5×105Pa，一定温度下溶质在液相中的溶解度（平衡）与其在气相中的分压成正比。亨利系数（E）：（单位与分压单位一致）①理想溶液：P不高，T恒定，亨利定律与拉乌尔定律一致，即：E=p0②非理想溶液：E≠p0，但在一定浓度范围内（低浓），E=f(T)。③一定体系，E=f(T），T↑，E↑；易溶体系E小，难溶体系E大。④数值取得：实验测定，外推x→0（低浓）；查有关手册。亨利定律的其他形式1）p*~C：SHEM2)x~y(溶质在气液两相中的组成)：y*—与组成为x的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；m—相平衡常数（或分配系数），无因次总压P，pA*=PyA*=ExA3)X~Y（摩尔比）吸收过程中，B、S不参与传质，摩尔流量不变，可分别作为基准来表示A的浓度。【例1】已知10℃时，1atm下氨水的浓度为10gNH3/100gH2O,其平衡气相分压pNH3=5.57kPa，氨水密度：ρ≈1000kg/m3求：E、H、m。吸收剂的选择选择的原则：①溶解度大：溶解度↑，溶剂用量↓，传质速率↑；随工艺条件变化大；若有反应应可逆。②选择性好：对溶质的溶解度大；③不易挥发，以减少溶剂损失；④粘度低，改善流动状态，阻力小，降低能耗。⑤无毒、腐蚀性小、不易燃、价廉、不发泡、冰点低、化学稳定等。相平衡关系在吸收过程中的应用（1）判断传质进行的方向（2）确定传质的推动力（3）指明传质过程进行的极限§3吸收塔计算——填料塔•板式塔：逐级接触；•填料塔：连续(微分)接触•填料中很大的空隙，提供曲径→湍动↑，表面形成液膜→表面积↑；可逆流或并流操作，但一般采用逆流：提高出塔吸收液浓度和降低尾气浓度。•计算内容：吸收剂用量、塔的工艺尺寸等。吸收塔的物料衡算及操作线方程1.物料衡算稳定、逆流下标“1”——塔底（浓端）；下标“2”——塔顶（稀端）；V——B的摩尔流率，kmol/s；L——S的摩尔流率，kmol/s；Y——气相中A的摩尔比；X——液相中A的摩尔比。•V和Y1由吸收任务规定，•吸收剂流量L和组成X2由工艺条件确定，•出塔气体组成Y2由任务规定的吸收率φA求出：•可算出吸收液的浓度X12.操作线方程：塔内任意截面上的物料衡算关系L/V：塔操作的液气比操作线：在Y-X图上为以L/V为斜率，过塔进、出口气、液两相组成点B(X1，Y1)和T(X2，Y2)的直线逆流：浓、稀端；操作线与平衡关系、操作条件及设备结构无关；吸收：YY*，操作线在平衡线上方。并流操作线方程：吸收塔内流向的选择1、逆流沿塔高能保持较大推动力；并流从顶到底沿塔高推动力渐小，塔顶、底推动力相差大。2、若两相进、出塔浓度相同，逆流平均推动力大于并流，对传质速率有利。与传热时一样。3、工业吸收一般多用逆流，后面讨论中若无说明，均为逆流吸收。4、逆流时上升的气体将阻碍借重力往下流动的液体，限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不利的一面。2.3.2吸收剂用量的决定•吸收剂用量L或液气比L/V在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要的参数。•吸收塔的设计计算中，V、Y1、Y2由设计任务给定，X2则是由工艺条件决定或设计人员选定。可见，X1与吸收剂用量L相互制约！操作线的一个端点(X2,Y2)已定，另一端点随L不同→液气比L/V不同，而在Y=Y1水平线上移动。•L↑→L/V↑→推动力↑→X1↓；设备费↓，操作费用↑；•L↓→L/V↓→X1↑→推动力↓→设备费用↑，操作费用↓。•到C点X1=X*，X1与Y1平衡，推动力=0，X1=X1,max，传质面积无限大，设备费用无穷→Lmin,→(L/V)min。•一般：L=(1.1～2.0)Lmin(L/V)min的确定：确定操作线与平衡线的交点或切点。•例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分压为1333Pa，用20℃的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为99%，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡关系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试求每小时送入塔内的水量。2.3.3塔径的计算•Vs——混合气体积流量，m3/s；按塔底为准；•u——混合气空塔气速，m/s；流体力学问题。2.3.4填料层高度的计算•1.基本方法与计算式(1)Z所需填料体积基本方法：塔截面积所需传质面积所需填料体积单位体积填料提供的有效面积2塔负荷（传质量kmol/s）所需传质面积传质速率(kmol/ms)②计算式—各截面浓度变→传质速率变•对组分A作物料衡算•单位时间内由气相转入液相的A的物质量为：a:有效比表面，受填料形状、尺寸、装填方式、流体物性及流动状态影响，难以确定，将之与传质系数合二为一：KYa、KXa——总体积吸收系数或总体积传质系数，kmol/(s.m3)。2、传质单元高度与传质单元数HOG的物理意义：虽然(Y-Y*)为一变量，但积分值一定，总可找到一个(Y-Y*)m（常量）使积分值不变。此时填料层高度就是一个总传质单元高度。HOG或HOL表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，代表了吸收塔传质性能的高低，是由过程条件决定的：吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。•传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越大，此时所需的传质单元数越大。3、传质单元数的求法①解析法：平衡关系为直线i)脱吸因数法：——平衡关系：Y*=mX+bii)对数平均推动力法：——平衡关系：Y*=mX+b②数值积分法③梯级图解(Baker)法：平衡关系为或接近于直线2.5脱吸及其他条件下的吸收2.5.1脱吸（desorption)：又称解吸使溶解于吸收剂中的气体释放出来：吸收液从脱吸塔的塔顶喷淋而下；载气从脱吸塔底通入。塔顶端：浓端塔底端：稀端1.方法：1）气提脱吸—通入惰性气体（无法得到纯溶质）；适用范围：除掉溶质，使吸收剂再生。—通入水蒸汽适用条件：溶质不溶于水—通入吸收剂蒸汽•常用于水为溶剂的吸收2）减压脱吸:降低气相主体的溶质分压3）加热脱吸例如：热力脱氧法处理锅炉用水4）加热----减压脱吸2.设计及计算方法：与吸收过程相同•区别：液相浓度气相平衡浓度。推动力：(y-y*)→(y*-y)(x*-x)→(x-x*)，操作线由平衡线上方移到下方。