化工原理 第六章 吸收

第六章吸收第一节吸收概述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称为吸收。溶质A惰性组分B吸收剂S一、什么是吸收？AA+BS（气体）（液体）1．制取产品例如，用98%的硫酸吸收SO3气体制取98%硫酸，用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸，用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。2．从气体中回收有用的组分例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。3．除去有害组分以净化气体主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。二．吸收目的多组分吸收单组分吸收非等温吸收等温吸收化学吸收物理吸收三．吸收分类填料塔板式塔吸收剂吸收尾气吸收塔混合气吸收液逆流吸收操作示意图气体溶剂1n被吸收气体板式塔气体溶剂填料被吸收气体填料塔1、吸收设备-----塔设备四．吸收设备、流程吸收剂再循环流程吸解收吸塔塔吸收-解吸流程（3）吸收剂在吸收塔内再循环流程（4）吸收-解吸流程五．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，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微，3．挥发性应不易挥发4．粘性粘度要低5．其它无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。AA+BS（气体）（液体）第二节气液相平衡AA+BS（气体）（液体）根据相律可知，相平衡时自由度数2CF3223所有独立变量：温度、总压、气相组成、溶解度等AApPTfC,,在几个大气压以内、温度一定条件下，AApfC或AACgp一．溶解度AC气液达到相平衡时，液相中的溶质浓度称为溶解度AC(对双组分气体)•吸收剂、温度T、P一定时，不同物质的溶解度不同。•温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。•对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。•对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。•加压和降温对吸收操作有利。1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1pA，atmO2CO2pA=723CApA=25.5CASO2NH3pA=0.36CApA=0.0136CA0123456789101110nCA，kmol/m3O2n=3，CO2n=2，SO2n=1，NH3n=0几种气体在20℃水中的溶解度曲线不同气体的溶解度差异很大AApHC溶解度系数，kmol/(m3Pa)对于稀溶液，有亨利定律是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。H越大，表明溶解度越大，越易溶H随温度变化而变化，一般地，T，H或kmol/m3·atm二亨利定律1）用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的亨利定律CCHCpAAAEx亨利系数，PaE越大，表明溶解度越小；E随温度变化而变化，T，E，2)用亨利系数表示的亨利定律3)气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律AAAxPEPpyAmx相平衡常数，无因次m越大，表明溶解度越小；m随温度、总压变化而变化，T，m，P，mAApHCm与E的关系：PEm即：P：系统的总压kpa或者payPp由分压定律知：Ppy*xEp*由亨利定律：xPEyH与E的关系EMssH4）用摩尔比Y和X分别表示气液两相组成的亨利定律液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数Xxx1数气相中惰性组分的摩尔气相中溶质的摩尔数Yyy1YYyXXx1,1由,*得mxy**X11XYmY*X1(1)XmYm当溶液浓度很低时，X≈0，分母约等于1.上式简化为：mXY*亨利定律的几种表达形式也可改写为HPcEPx**,mYXmyx**,例：在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）解：由亨利定律表达式知：xpE*18/10017/5.017/5.0x00527.0∴亨利系数为xpE00527.0400Pa41059.7又mxy*，而Ppy*51001.140000395.0∴相平衡常数00527.000395.0m75.0Hcp*10001005.017/5.0c3/293.0mkmol∴溶解度系数为：400293.0HPamkmol34/1033.7或由各系数间的关系求出其它系数ssEMH181059.710004Pamkmol34/1032.7PEm341033.1011059.7749.0三、用气液平衡关系分析吸收过程1、判断过程的方向例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为：xy94.0*，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成05.0Ax的氨水接触,确定过程的方向。解：用相平衡关系确定与实际气相组成094.0y成平衡的液相组成94.0/*yx1.0将其与实际组成比较：1.005.0*xx∴气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成xy94.0*05.094.0047.0将其与实际组成比较：047.0094.0*yy∴氨从气相转入液相，发生吸收过程。练习：若含氨0.02摩尔分数的混合气和x=0.05的氨水接触，则*0.94yx021.005.0*xx气液相接触时，氨由液相转入气相，发生解吸过程。此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向具体方法：已知相互接触的气液相的实际组成y和x，在x-y坐标图中确定状态点，若点在平衡曲线上方，则发生吸收过程；若点在平衡曲线下方，则发生解吸过程。021.094.0/02.094.0/*yx2、计算过程的推动力当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动力可表示为：：*yy以气相组成差表示的吸收推动力；：xx*以液相组成差表示的吸收推动力。3、确定过程的极限所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的最大可能性。组成为y1的混合气增加塔高减少吸收剂用量塔底x1增加极限myxx1*1max1组成为：组成为y1的混合气增加塔高增加吸收剂用量塔顶y2降低极限组成为：2*2min2mxyy第三节吸收塔的计算一总吸收速率方程式1）以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式a）以△p为推动力的吸收速率方程*)(ppKNGAGK—以p为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s.Pa)*p—与液相主体浓度c成平衡的气相分压，Pa。吸收速率的单位：kmol/(m2.s.单位推动力))(*yyKNyAb）以△y为推动力的吸收速率方程2）以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式yK—以△y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。yKa）以△c为推动力的吸收速率方程)*(ccKNLALK—以△c为推动力的液相总吸收系数，m/sb）以△x为推动力的吸收速率方程)(*xxKNxAxK—以△x为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s)3）用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式适用条件：溶质浓度很低时a）以*)(YY表示总推动力的总吸收速率方程式*)(YYKNYAYK—以Y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)b）以)*(XX表示总推动力的吸收速率方程式)*(XXKNXAXK—以X为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s)二操作线方程吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/s2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；3）出塔的气体组成需要计算：1）吸收剂的用量kmol/s；2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度)()(2121XXLYYV2211XVLYXVLY吸收率A混合气中溶质A被吸收的百分率)1(12AYY2、吸收塔的操作线方程式与操作线在m—n截面与塔底截面之间作组分A的衡算LXVYLXVY11)(11XVLYXVLY——逆流吸收塔操作线方程在m—n截面与塔顶截面之间作组分A的衡算LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY——逆流吸收塔操作线方程表明：塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。吸收操作线总是位于平衡线的上方，操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程。并流吸收塔的操作线：)(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY二、吸收剂用量与最小液汽比液气比Y1L/VBB*min)(VL最小液气比min))(0.2~1.1(VLVL最小液气比的求法图解法•正常的平衡线2*121min)(XXYYVL2*121minXXYYVL•平衡线为上凸形时2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL计算法适用条件：平衡线符合亨利定律，可用mXY*表示2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL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。溶液浓度(gNH3/100gH2O)22.53分压Pa160020002427分析：求水量吸收剂用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常数1）平衡关系***1yyY**1pp333106.11033.101106.101604.018/10017/2X0212.0XYm*0212.001604.0757.0XY757.0:平衡关系为2）最小吸收剂用量：2121minXmYYYVL其中：291000Vhkmol/5.34空气333.133.101333.11Y0133.012)99.01(YY0133.001.0000133.002X757.0m2121min)(XmYYYVL0757.00133.0)000133.00133.0(5.34hkmol/8.253）每小时用水量Lmin2L8.252hkmol/6.51hkg/8.928三、填料层高度的计算1、填料层高度的基本计算式对组分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：LdXVdYdGASAAdGNd(A)ANadZ微元填料层内的吸收速率方程式为：)()(**XXKNYYKNXAYA及*()AAYdGKYYadz*()AAXdGKXXadz*()AYVdYKYYadz*()AXLdXKXXadz*AYKadYdZYYV*AXKadXdZXXL12*0AYZYYKadYdZYYV12*0AXZXXKadXdZXXL低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为12*AYYYVdYZKaYY12*AXXXLdXZKaXX及aKaKXY,气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数物理意义：在推动力为一个单位的情况下，单位时间单位体积填料层内吸收的溶质量。2、传质单元高度与传质单元数1）传质单元高度与传质单元数的概念AYVKa的单位]][/[]/[23msmkmolskmol][m称为“气相总传质单元高度”（HTU）用OGH表示AOGYVHKa12*YYOGYYdYN——气相总传质单元数OGOGNHZOLOLNHZOLH—液相总传质单元高度，m；AOLxLHKaOLN—液相总传质单元数，无因次；12*XXOLXXdXN依此类推，可以写出通式