化工原理 吸收

第六章吸收6.1概述6.2气液相平衡6.3传质机理与吸收速率方程式6.4吸收塔的计算6.5解吸6.6吸收设备本章主要6.1概述一、吸收原理溶解度溶质/载体/吸收剂二、吸收的目的与作用回收或捕获气体混合物中的有用组分，制取产品；净化气体混合物，除去工艺气体中有害组分或达到环保目的。三、吸收分类单组分吸收、多组分吸收；化学吸收、物理吸收；等温吸收、非等温吸收低浓度气体混合物的单组分等温物理吸收。四、吸收设备与流程煤气化气体净化合成拷胶液脱硫CO转化碳丙液脱除CO2铜氨液脱除微量CO、O2、H2S半水煤气H238.1%N221.7%CO30.8%CO28.1%CH40.4%O2<0.4%H2S1000mg/m3~1500mg/m3合成氨工艺闪蒸塔吸收塔洗涤塔解吸塔净化气碳酸丙烯酯变换气冷却器CO2洗涤塔溶剂的选择较高的溶解度较好的选择性较低的蒸汽压较好的化学稳定性容易再生A+BB(A)S(A)S+A?A能否全部转移到溶剂S中？一、相组成的示法1.摩尔浓度2.摩尔比3.摩尔分率6.2气液相平衡二、气体在液相中的溶解度1.溶解度的定义：T，p一定时，气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的含量称为溶解度。2.平衡浓度（饱和浓度）/平衡分压（饱和分压）3.溶解度曲线加压降温利于吸收，减压升温利于解吸三、亨利定律1.内容：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。2.表达式：4.E、H、m的关系3.其它形式四、相平衡与吸收过程关系1.判别吸收过程的方向y=0.1x=0.05yxoy*=f(x)Pyxy*x*吸收yxoy*=f(x)Q(x,y)yxy*x*解吸x2y2min=y*=mx2x1max=x*=y1/my1x1y22.判别吸收过程的极限x2y1x1y23.计算吸收过程的推动力yxyxoy*=f(x)Pyxy*x*吸收6.3传质机理与吸收速率方程式气相主体两相界面两相界面液相主体传质溶解传质界面气相主体组分组分液相主体分子扩散：依靠分子的无规则热运动，主要发生在静止或层流流体中。涡流扩散：依靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质，主要发生在湍流流体中。物质在单相中的传递ABABABAB6.3.1双组分混合物中的分子扩散一、分子扩散与Fick定律在一相内部存在浓度差的情况下，由于分子的无规则运动而导致的物质传递现象。Fick定律气相主体,pAZ界面,pAi组分A通过静止组分B的扩散等分子反向扩散二、等分子反向扩散PpA1pB1Z1PpB2pA2Z2（组分A通过静止组分B的扩散）P总压P界面pB,i气相主体液相NBMNAMJBJA0pA,ipBpAZ分子扩散总体流动漂流因子三、单向扩散液相中的稳定分子扩散四、分子扩散系数物性常数影响因素获取途径实验测得；手册查得；采用经验半经验公式估算。6.3.2对流传质对流传质有效层流膜层6.3.3吸收机理双膜理论相界面两侧分别存在有效层流膜层；相界面上气液两相互成平衡；浓度梯度全部集中在两个膜层内。6.3.4吸收速率方程吸收速率：单位时间内在单位面积上被吸收的溶质量。吸收速率方程：吸收速率与吸收推动力关系的数学式。1.气相传质速率方程式2.液相传质速率方程式0cci液相浓度D(c,p)(ci,pi)p=f(c)ppi气相分压3.界面浓度吸收过程的总推动力可采用一相主体浓度与另一相平衡浓度的差值来表示。(1)以（p-p*）表示总推动力pi=ci/Hp*=c/H液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-p*)气相吸收速率方程NA=kG(p-pi)4.总吸收速率方程令KG——气相总吸收系数(mol/(m2•s•Pa))。NA=KG(p-p*)什么是“气膜控制”？(2)以（c*-c）表示总推动力令代入NA=KL(c*-c)KL——液相总吸收系数（m/s）。什么是“液膜控制”？(3)以（Y-Y*）表示总推动力分压定律：p=PyY=y/(1-y)y=Y/(1+Y)同理NA=KG(p-p*)当吸收质在气相中的浓度很小时KY≈PKG(4)以（X*-X）表示传质总推动力当吸收质浓度在液相中很小时，令KX≈CKL吸收速率方程式单相传质速率方程式总吸收速率方程式单相传质系数一相主体浓度与界面浓度差值总吸收系数一相主体浓度与另一相平衡浓度差值6.4吸收塔的计算设计型计算操作型计算设计计算的主要内容与步骤:计算依据：物料衡算、平衡关系和传质速率(1)吸收剂的选择及用量的计算；(2)设备类型的选择；(3)塔径计算；(4)填料层高度或塔板数的计算；(5)塔的流体力学计算及校核；(6)塔的附件设计。板式塔填料塔低浓度气体吸收假定：（1）气液两相摩尔流率不变（2）等温吸收（3）传质系数为常量V,Y2V,Y1L,X1L,X2浓端稀端6.4.1吸收塔的物料衡算与操作线方程一、物料衡算GA—吸收塔的传质负荷分离要求：(1)Y2(2)回收率η二、操作线方程与操作线V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,Xnm操作线方程与操作线YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PX*-XY-Y*斜率L/V斜率L/V并流操作线方程并流操作线？为何一般采用逆流？V,Y1V,Y2L,X1L,X2V,YL,Xnm三、吸收塔内流向的选择YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X斜率-L/VYXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PX*-XY-Y*斜率L/V类比：对流传热两流体并、逆流时传热推动力YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BA''X1''X1,max(L/V)minCDX1'A'6.4.2吸收剂的用量与最小液气比最小液气比(L/V)minYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minC(1)平衡线为凹形(2)平衡线为凸形YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max气液相组成符合亨利定律吸收剂用量的确定？高度为dZ的微元填料层一、填料层高度的基本计算式NA取为定值NA=KY(Y－Y*）NA=KX(X*－X）6.4.3填料层高度的计算填料层高度的基本计算式低浓度气体沿塔高积分KYa及KXa－体积吸收系数(或体积传质系数),kmol/(s·m3)。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。二、传质单元数与传质单元高度对气相总传质系数和推动力：NOG—气相总传质单元数，无因次。HOG—气相总传质单元高度（m）；对液相总传质系数和推动力：填料层高度＝传质单元高度×传质单元数传质单元高度与传质单元数令Z=HOG传质单元高度的大小由过程条件决定。传质单元数反映吸收过程的难易程度。一、图解积分法和数值积分法传质单元数的求法Y1Y21.脱吸因数式：二、解析法2.对数平均推动力法6.5解吸解吸的定义常用方法气（汽）提解吸、减压解吸、加热解吸、加热—减压解吸等V,Y1V,Y2L,X2L,X1稀端浓端V,YL,Xnm物料衡算与操作线方程操作线与最小气液比YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BY*D1．吸收因数法填料层高度的计算2．对数平均推动力法一、填料塔的结构及填料特性6.6吸收设备内十字环内螺旋环填料类型单个填料：阶梯环Cascadering陶瓷弧鞍Berlsaddle矩鞍Intaloxsaddlering金属鞍环Intaloxsaddlering塑料花环rosttering多面空心球BallPacking海尔环Hillisring规整填料波纹填料金属孔板波纹填料陶瓷孔板波纹填料格栅填料（格利希填料）GridPacking二、气体通过填料层的压力降