化工原理 第八章 吸收

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①原料气的净化。②尾气、废气的净化以保护环境。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8.2.1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+2＝3－2+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①在相同的温度和分压下，不同气体溶解度有很大的差别。②O2、CO2，溶解度很小，称难溶气体；③NH3，溶解度很大，称易溶气体；④介乎两者之间SO2称溶解度适中气体。⑤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*=ExAE为亨利系数单位PacA*=HpAH为溶解度系数单位kmol/（m3·Pa）y*=mxm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/Hm=E/P8.2.2亨利定律亨利定律AApHC*AAymxH：溶解度常数，kmol/(m3Pa)1）H越大，溶解度越大2）T越大，H越小AApExE：亨利常数，Pa1）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）E＝C/Hm=E/P难溶气体易溶气体EHmEHm8.2.2亨利定律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、xi1.气相与界面的对流传质；NA=kG(pG－pi)=ky(y－yi)3.界面与液相的对流传质；NA=kL(ci－cL)=kx(xi－x)2.溶质在界面上的溶解；yi=f(xi)采用yi=mxi双膜模型：(y－yi)代表气相传质推动力，(xi－x)代表液相传质推动力，穿过界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(pG－pi)=ky(y－yi)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Gk1yk1iGPPiyy一、分传质速率方程NA=kG(pG－pi)=ky(y－yi)气相侧分传质速率方程NA=kL(ci－cL)=kx(xi－x)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Lk1xk1LiCCxxi一、分传质速率方程气相与界面的对流传质：NA=kG(pG－pi)=ky(y－yi)。界面与液相的对流传质：NA=kL(ci－cL)=kx(xi－x)溶质在界面上的溶解：yi=mxixxyiiyiyiyxyiixixixiyiAKxxkmkxxxxmkxxmkmyyKyymkkyyyymkyymkmxxkxxkyyN111)()(11)(111)()(11)(11******一、总传质速率方程3、总传质速率方程NA=KG(pG－pL*)=Ky(y－y*)LGGHkkK111xyykmkK111）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/Hy-y*=y-mx一、总传质速率方程NA=KL(cG*－cL)=Kx(x*－x)GLLkHkK11yxxmkkK111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-CLx*-x=y/m-x一、总传质速率方程Ky和Kx的关系：mKy=KxKy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、总传质速率方程气膜液膜pG气相主体浓度pi气体界面浓度液体界面浓度Ci液相主体浓度CLAN()()GGiyikppkyyALN(C)()iLxikCkxx**AGL**N(p)(C)()()GLGLyxKpKCKyyKxx**yiiiimxCpH一、总传质速率方程)()()(*)(***AALAAAGAxAyACCKNppKNxxKNyyKN)()()()(AiLAiAGAixAiyACCkNppkNxxkNyykNxyxxyyLGLLGGkmkKmkkKkkHKHkkK11111111111yGyGxLxLxyGLkPkKPKkCkKCKKKmKKH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aAbc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关系：yi＝mxi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/ky＞＞m/kx，则1/Ky≈1/ky，此时传质阻力集中于气相。气膜控制的条件：(1)ky＜＜kx。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/mky＜＜1/kx，则1/Kx≈1/kx。此时传质阻力集中于液相。液膜控制的条件：(1)ky＞＞kx。直线ab平坦。(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。xyxkmkK111三、传质阻力分析ky∝G0.7；ky∝L0.7对于气膜控制，增加气体流率，可有效增加总传质系数Ky≈ky，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Kx≈kx，加快吸收过程。三、传质阻力分析板式塔吸收填料塔（本章采用填料塔分析和讨论吸收过程）并流吸收逆流（通常采用逆流操作，因为逆流的传质推动力大）已知（给定任务）：1、处理的气流量G2、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①全塔物料衡算：GB(Yb-Ya)=LS(Xb-Xa)吸收率η：＝被吸收的溶质/进塔气中的溶质＝(Ya－Yb)/Yb＝1－Ya/Yb8.4.1物料衡算和操作线方程②对塔顶与任意截面间作物料衡算：GB(Y-Ya)=LS(X-Xa)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Ya8.4.1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）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，实际液气比是最小液气比的1.1～2.0倍。即：Ls/GB＝1.1～2.0(Ls/GB)min8.4.2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min))(0.2~1.1(BsBsGLGL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，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270kmol/(m3·h)，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