化工原理课件9 吸收.ppt

1、9 吸收,9.1.1 吸收的应用（目的）,9.1 概述,1. 原料气的净化：煤气中H2S的净化 2. 有用组分回收：合成氨厂放空气中氨回收、DMF回收 3. 某些产品的制取： HCL、NOx、SO3气体制酸 4. 废气的治理 ：工业废气SO2吸收,1. 根据溶质与溶剂是否反应：物理吸收和化学吸收 2. 根据热效应：非等温吸收和等温吸收 3. 根据被吸收溶质的数目：单组分吸收和多组分吸收 4. 根据操作压力：常压吸收和加压吸收 5. 根据溶质的浓度不同：低浓度吸收和高浓度吸收,本章主要研究：常压、等温、填料塔中单组分、低浓度物理吸收,9.1.2 吸收操作分类,9.1.3 吸收的流程,1.气液流向

2、,2.多塔吸收,9.1.3 吸收的流程,2.多塔吸收,3.加压吸收：p，有利于吸收； p ，有利于解吸,4.关于脱吸（解吸）,9.1.3 吸收的流程,吸收剂应具有的特点：溶解度：大敏感性：好选择性：好蒸汽压：低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）粘 度：低（利于传质及输送）比 热：小（再生时耗热量小）发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积）腐蚀性：低（减少设备费和维修费）安全性：好（避免易燃易爆）经济性：易得到易再生,T 、p， ，有利于吸收； T 、 p ，有利于解吸,9.1.4 溶剂选择,单组分物理吸收，变量：p、T、 pA、 cA 三个组分：溶质A、溶剂S、惰性气体B

3、 两个相：气相、液相 自由度数：F =C - +2 = 3-2+2 = 3,9.2 吸收基本理论,溶解度曲线,图9-3 293K下几种气体在水中的溶解度曲线,（1） T、 pA相同时，不同气体溶解度区别很大：难溶气体：O2、CO2易溶气体：NH3中等溶解度：SO2,（2）在低浓度范围内，可将溶解度曲线看作直线：,9.2.1 吸收相平衡关系,2、亨利定律（Henry law）适用稀溶液,H ，E ，越易溶。 E= f ( T ),p ，H ，E ，有利于吸收 T ， H ， E H = f ( T )：一般 p 的影响可忽略 E= f ( T,c ): E= c/H m = f ( T,p,c

4、): m = E/p= c/(H p),9.2.1 吸收相平衡关系,摩尔比表示相平衡关系,若 m =1或稀溶液，XA很小，则,9.2.1 吸收相平衡关系,3、应用 （1）判断传质方向: y*=mx x*= y/m若 y y*，吸收过程 若 x x*，解吸过程 y = y*，平衡过程 x = x*，平衡过程y y*，解吸过程 x x*，吸收过程,（2）传质推动力 吸收： y - y* 0 y x（不是传质推动力，因为不同相)x* - x 0 , pA- pA* 0， cA* - cA 0 解吸： y* - y 0 ， x - x* 0 ， pA* - pA 0， cA - cA* 0,（3）确定

5、传质过程极限y - y* 0为吸收过程， x ，当x x* 时，达到最大,9.2.1 吸收相平衡关系,例9.1：已知在总压101.3kPa及温度20下，液相中氨的摩尔浓度为0.582kmol/m3，气相中氨的平衡分压为800Pa，若在此浓度范围内的相平衡关系符合亨利定律，试求其H、E、m之值。,例9.3：在总压1200kPa、温度303K下，含CO25%（体积分数）的气体与含CO2为1.0g/L的水溶液相遇，问：会发生吸收还是脱吸？以分压差表示的推动力有多大？若要改变其传质方向可采取哪些措施？,9.2.1 吸收相平衡关系,双膜理论的三个基本要点： （two film theory）,（1）气液

6、两相传质阻力集中在一定厚度的膜内； （2）在膜内只有分子扩散，没有涡流扩散； （3）相界面处pi 、ci符合相平衡关系，即相界面的传质阻力为零。,9.2.2气体吸收传质速率方程,稳态下：,9.2.2气体吸收传质速率方程,9.2.2气体吸收传质速率方程,1、以pG- pL* 为推动力表示的总传质速率方程,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,2、以cG* - cL 为推动力表示的总传质速率方程,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,掌握：上式适用条件（稀溶液、双膜理论的3个要点）,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,3、以摩尔分率表示气、液

7、组成的传质速率方程,y、yi 气相主体中及相界面上的溶质摩尔分率；ky 以摩尔分率差为推动力的气相分传质系数，kmol/(m2.s),（9-25）,（9-27）,x、xi液相主体及相界面上的溶质摩尔分率；kx 以摩尔分率差为推动力的液相分传质系数，kmol /(m2.s),9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,y* 与液相组成x呈平衡的气相组成，摩尔分率；x* 与气相组成y呈平衡的液相组成，摩尔分率； Ky、Kx以气相、液相摩尔分率差为推动力的总传质系数， kmol/(m2.s)。,（9-29）,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,（9-31）,（9-32

8、）,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,4、总传质速率方程的分析,掌握：1.线段PL、PG意义2. P、P点位置意义,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,（1）易溶气体（气膜控制）,H ，1/（ H kL），1/kG 1/（ H kL）， KGkG,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,（2）难溶气体（液膜控制）,H ， H /kG ，H /kG 1/kL， KLkL,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程,（3）中等溶解度气体（双膜控制）,（4）解吸的传质速率方程,9.2.2.1 相平衡关系符合亨利定律的总传质速率方程

9、,（1）易溶气体（气膜控制）,（2）难溶气体（液膜控制）,9.2.2.2 相平衡关系不符合亨利定律的总传质速率方程,传质速率方程的表达形式很多，要注意传质阻力与传质推动力的对应关系：（1）传质系数与传质推动力表示方式之间必须对应；（2）各传质系数的单位和对应的基准；（3）传质阻力的表达形式必须与传质推动力的对应。,9.2.2.3 传质速率方程小结,例9-4：已知p=310kPa， ky=1.0710-2 kmol/m2.h， ky=22 kmol/m2.h，p =10.67 103 x ( 相平衡关系） 求：（1）Ky、 Kx、 KG 、 KL。（2）以气相摩尔分率差作为推动力的总传质阻力、气

10、相分传质阻力、液相分传质阻力；以液相摩尔分率差作为推动力的总传质阻力、气相分传质阻力、液相分传质阻力。（3）总传质速率，液相主体浓度0.005 kmol/m3，气相分压60kPa。,例 题,已知：处理气量及初、终浓度、相平衡 关系 求：（1）溶剂的用量及吸收液浓度（2）填料塔的填料层高度（3）吸收塔塔径,9.3 吸收（或解吸）塔的计算,9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程,（9-35）,（9-36）,全塔物料衡算：,（9-37）,9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程,（9-38）,塔顶与任一截面间的物料衡算：,塔底与任一截面间的物料衡算：,（9-39）,9.3.1 吸收塔的物料衡算与操

11、作线方程,9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程,用摩尔比表示的传质速率方程：,当为低浓度吸收时，GBG，LSL，Yy，Xx ，式（9-38）与（9-38a）可改写成,（9-42）,9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程,并流操作的吸收塔,9.3.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程,最小液汽比（Limiting gas-liquid ratio）,图9-9 摩尔比坐标系中的操作线和平衡线,9.3.2 吸收剂用量的确定,总费用=设备费+操作费,（LS/ GB），操作线斜率，传质推动力 ，塔高（填料层高度），操作费用，设备费用；,（LS/ GB） ，操作线斜率，传质推动力 ，塔高（填料层高度）

12、，操作费用 ，设备费用 ；,9.3.2 吸收剂用量的确定,讨论：,1、相平衡关系符合亨利定律时，Xb*= Yb/m,2、若为低浓度气体吸收（如无特别说明以后均为低浓度气体吸收）,9.3.2 吸收剂用量的确定,定义： 吸收因子（因数）：A=L/（mG）或 A=LS/（mGB）几何意义：操作线斜率与平衡线斜率之比 解吸因子（因数）：S= mG / L 或 S= mGB/ LS,（1）A1，则L/G m若要求ya ，则吸收率 =（yb- ya）/yb ，h0 。在塔底达到平衡xb*， =max,若xa=0， xb*= yb/m，max=A,9.3.3 填料层无穷高的吸收塔,（2）A1，则L/G my

13、a ， ，h0 。在塔顶达到平衡xa*，若xa=0 , max =1,（3）A=1，则L/G = m塔高无穷大时，全塔处处平衡， max =1,9.3.3 填料层无穷高的吸收塔,a 单位体积填料的有效传质面积，m2/m3； h 填料层高度，m； 塔截面积（即填料层截面），m2； D 塔直径，m,9.3.4 有限高吸收塔填料层高度计算,微元体积：,相界面面积：,气相传入液相的溶质=气相所失溶质=液相所得溶质,9.3.4 有限高吸收塔填料层高度计算,（1）,9.3.4 有限高吸收塔填料层高度计算,9.3.4 有限高吸收塔填料层高度计算,9.3.4 有限高吸收塔填料层高度计算,（3）,（4）,（2）

14、,（1）,9.3.4 有限高吸收塔填料层高度计算,1、平衡线为直线,9.3.4.1 传质单元数的确定,9.3.4 有限高吸收塔填料层高度计算,（1） 平均推动力法,1、平衡线为直线,令 y = y - y*,9.3.4.1 传质单元数的确定,9.3.4.1 传质单元数的确定,同理：,9.3.4.1 传质单元数的确定,（2）吸收因数法,平衡线为通过原点的直线 ，服从亨利定律：,（9-55a）,9.3.4.1 传质单元数的确定,9.3.4.1 传质单元数的确定,S1, 若平衡线为：,讨论： 相平衡关系不符合亨利定律,9.3.4.1 传质单元数的确定, Ky,9.3.4.1 传质单元数的确定, 相平

15、衡关系符合y*=mx，且为纯溶剂吸收xa=0,（S1）,又已知：,9.3.4.1 传质单元数的确定, 当S=1或A=1时，操作线与相平衡线平行对数平均推动力法和吸收因数法均不成立，此时NOG、NOL如何求？,9.3.4.1 传质单元数的确定,讨论：A、S大小对吸收影响,（3） NOG ,的意义：反映了吸收率的高低。,9.3.4.1 传质单元数的确定,2、平衡线为曲线 图解积分法或数值积分法,（1）气膜控制时（易溶气体）,9.3.4.1 传质单元数的确定,（2）液膜控制时（难溶气体）,（3）双膜控制时,（4）图解积分,9.3.4.1 传质单元数的确定, 传质单元数（NOG、NOL）的大小反映吸收

16、过程进行的难易程度，它与吸收塔的结构因素以及气液流动状况无关。 传质单元高度可理解为一个传质单元所需的填料层高度，是吸收设备效能高低的反映。,9.3.4.2 传质单元数、传质单元高度的物理意义,1、解吸过程的特点 解吸是吸收的逆过程，推动力与吸收相反。气相推动力： y = y* - y液相推动力： x = x x* 解吸塔的浓端与稀端与吸收塔相反，塔顶为浓端，塔底为稀端。 操作线位于平衡线下方。,9.3.5 解吸塔计算（低浓度气体逆流解吸）,2、常见的解吸方法 通入惰性气体 通入直接水蒸气 降低压力,3、解吸塔的物料衡算与操作线方程全塔物料衡算：G（ya - yb）=L(xa - xb)操作线

17、方程：以塔的任一截面与塔顶作物料衡算可得,同样以塔的任一截面与塔底作物料衡算可得,定义：解吸率,9.3.5 解吸塔计算（低浓度气体逆流解吸）,4、最小气液比解吸L一定，G，L/G，C点,工程上的气液比,9.3.5 解吸塔计算（低浓度气体逆流解吸）,5、填料层高度的计算,9.3.5 解吸塔计算（低浓度气体逆流解吸）,基本关系式：全塔物料衡算式：G（ya - yb）= L（xa - xb）相平衡方程式：y* = f ( x ) (本章多是 y* = m x 或 y*= m x + b )吸收过程基本方程式,9.4.1 定量计算方法及例题,1、设计型计算给定条件： yb、G、分离要求（ ya 或吸收

18、率）设计要求：h0,9.4 吸收（解吸）定量计算与定性分析,例15-1在一填料塔中，用含苯0.00015（摩尔分率，下同）的洗油逆流吸收混合气体中的苯。已知混合气体的流量为1600m3/h，进塔气体中含苯0.05，要求苯的吸收率为90%，操作温度为25，操作压强为101.3kPa，塔径D=0.6m，相平衡关系Y*=26X，操作液气比为最小液气比的1.3倍， KYa=0.045 kmol/(m3.s)，洗油分子量为170kg/kmol。试求： （1）吸收剂用量LS（kg/h）； （2）出塔洗油中苯的含量xb ； （3）所需的填料层高度； （4）每小时回收苯的量（kg/h）； （5）欲提高苯的吸收

19、率，可采用哪些措施（定性分析）？,9.4.1 定量计算方法及例题,例 在一逆流吸收塔中，用清水吸收氨空气混合气，混合气流量0.025 kmol/ s，混合气入塔组成0.02（摩尔分率，下同），吸收率为95%，常压操作，温度为20，y=1.2x，塔径为1m，总体积传质系数Kya=0.0522 kmol/(m3.s), kya G 0.7，操作液气比为最小液气比的1.2倍，试求： （1） h0 =？ （2）气体质量增大15%， h0 =？ （3）若yb= 0.05，=95%，h0 怎么变化？若yb= 0.02，=99%，h0 怎么变化？,9.4.1 定量计算方法及例题,例15-5 用一逆流操作的填

20、料解吸塔，处理含CO2的水溶液，处理量为40t/h，使水中的CO2含量由810-5降至210-6（均为摩尔比），塔内水的喷淋密度为8000kg/(m2h)，进塔空气中含CO2量为0.1% （体积百分率），空气用量为最小空气用量的20倍，塔内操作温度为25，压力为100kPa，该操作条件下的亨利系数E=1.6 105kPa，液相体积总传质系数KXa=800kmol/ (m3h)。 试求：（1）解吸气（空气）用量为若干m3/h？（以25 计）（2）填料层高度。,9.4.1 定量计算方法及例题,2、操作型计算 （1）吸收（解吸）操作型计算命题第一类命题已知： h0（及其他有关尺寸），气液两相平衡关系

21、及流动方式， Kya或Kxa，改变一操作条件（t、p、L或LS、 G或GB、 xa或Xa、 yb或Yb ）求：操作条件的变化对吸收效果ya（或Ya）和xb（或Xb ）的影响。计算方法： 对数平均推动力法，要试差； 消元法，繁琐； 若相平衡关系符合亨利定律，吸收因数法。,9.4.1 定量计算方法及例题,第二类命题已知： h0（及其他有关尺寸），气体的流量G或GB及进出口组成（ ya 、yb 或 ）、吸收液的进口组成xa 、气液两相平衡关系及流动方式， Kya或Kxa求：吸收剂用量L或LS和吸收剂出塔组成xb（或Xb） 。计算方法： 对数平均推动力法，要试差； 若相平衡关系符合亨利定律，吸收因数法

22、，要试差。,此外，还有一类命题：其他条件不变，分离要求改变，求填料层高度 h0变为多少？或已知h0的改变值，其他操作条件不变，求 ya 或 变为多少？计算方法： 对数平均推动力法，要试差； 若相平衡关系符合亨利定律，吸收因数法。,9.4.1 定量计算方法及例题,（2）操作型问题计算例题例15-10 在逆流操作的填料塔内，用纯溶剂吸收混合气体中的可溶组分。已知：操作液气比为最小液气比的1.5倍，气相总传质单元高度HOG=1.11m操作条件下的平衡关系为Y*=mX（X、 Y均为摩尔比），吸收过程大致为气膜控制，气相体积传质分系数kyaG0.7。试求： 要求溶质组分的回收率为95%时所需的填料层高度

23、； 在上述填料塔内操作，将气体流率增加20%，而其它条件不变，溶质的回收率有何变化？ 新、旧工况下单位时间内被吸收的溶质量及吸收塔的平均推动力有何变化？结果说明什么问题？,9.4.1 定量计算方法及例题,例15-11 某逆流填料吸收塔，用纯溶剂吸收混合气体中可溶组分。入塔气体中含溶质0.05（摩尔分率，下同），混合气流量为1500Nm3/h，塔径为1m，要求吸收率为90%，操作条件下相平衡关系为y*=1.5x，操作液气比为最小液气比的1.2倍，填料层高度为3m，吸收过程为气膜控制，试求： 吸收剂用量L，kmol/(m2s)； 气相体积总传质系数Kya ，(kmol/m3s)； 若操作中由于解吸

24、不良导致进入吸收塔的吸收剂中浓度为0.001，其他条件不变，计算此时的吸收率为多少？ 在的情况下若要求保证吸收率为90%不变，所需吸收剂用量L必须增大为多少？,9.4.1 定量计算方法及例题,9.4.2 定性分析方法与典型例题 9.4.2.1 定性分析方法 1、平均推动力法 L ( x1 - x2) = G ( y1 - y2) = Kya hym = Kxa hxm 利用该式原则上可判明ya、xb的变化情况，不过通常要用反证法很繁琐。,9.4.2 定性分析方法与典型例题,2、吸收因数法,（S1）,（1）根据题给条件，确定HOG、S的变化情况；（2）利用NOG= h0/HOG，判别NOG的变化

25、趋势；（3）根据右图，确定（yb- mxa）/（ya - mxa）的变化情况，随之确定ya的变化趋势；（4）确定xb的变化情况。xb的变化趋势较难判断，判断的方法也有多种，以下列出几种方法:,9.4.2 定性分析方法与典型例题, 利用全塔物料衡算关系L ( xb - xa) = G ( yb - ya)确定xb的变化趋势； 利用全塔物料衡算关系较难判断xb的变化趋势时，也可以联合利用对数平均推动力法判断，只是对数平均推动力法繁琐，通常需要用反证法，建议尽量不用。 利用全塔物料衡算关系较难判断xb的变化趋势时，此时可利用,来判断，其步骤与前面（1）、（2）、（3）类似，结合右图来判断即,9.4.

26、2 定性分析方法与典型例题,a 根据题给条件，确定HOL、A的变化情况；b 利用NOL= h0/HOL，判别NOL的变化趋势；c 根据图，确定（yb- mxa）/（yb - mxb）的变化情况，随之确定xb的变化趋势； 近似法：在高吸收率时，yayb ，利用L(xb - xa)=G ( yb - ya)Gyb 来判断xb的变化趋势，但此法只是一种近似法，低吸收率时ya yb不成立，因此判断结果不一定准确。,9.4.2 定性分析方法与典型例题,3、解吸操作型问题定性分析方法 4、吸收操作型问题定性分析例题例15-8 用逆流填料吸收塔处理低浓度气体混合物，已知过程为双膜控制（即气相阻力及液相阻力均

27、不能略去），试分析在入口气量适度增加的新操作条件下（其余条件不变），出口气液组成ya 、 xb的变化情况。,9.4.2 定性分析方法与典型例题,9.5 塔板数,理论板：气液两相在理论板上达到平衡。离开各层理论塔板的气、液组成的点E（xi , yi)在相平衡线上，即离开各板的气液组成符合相平衡关系。 1、图解法,9.5.1 理论板数,相平衡方程：,第一层板下的截面至塔顶的物料衡算,2、解析法,9.5.1 理论板数,9.5.1 理论板数,(9-76),9.5.1 理论板数,当 A=1时 N=NOGA1时 NNOG,(9-78),9.5.1 理论板数,9.5.2 实际塔板数Ne,回顾两个问题：（1）

28、理论板和传质单元在概念上的区别经过一层理论板的组成变化，是使得离去的气、液两相达到平衡，它并没有涉及到传质动力学；而经过一个传质单元的组成变化是与其平均推动力相等，因而出发点是传质速率方程。（2）连续接触式设备和逐级接触式设备的计算中所用到的条件对填料层高度的计算需要应用物料衡算、气液相平衡和传质速率方程三种关系；而对理论板数的计算中，只需用到物料衡算、气液相平衡关系，传质动力学因素则包括在板效率中。,9.5.2 实际塔板数Ne,9.6.1 多组分吸收,(9-83),设计吸收塔高度时，用关键组分进行设计，将其作为单组分吸收进行设计，其余组分的分离能力的计算就属于操作型计算。,9.6 其他类型吸

29、收,优点：（1）化学反应提高了吸收的选择性；（2）加快吸收速率，减小设备容积，减小设备投资费；（3）反应增加了溶质在液相的溶解度，减少吸收剂用量，减小操作费用；（4）反应降低溶质在气相的平衡分压，可较彻底地除去气相中很少量的有害气体。 缺点：解吸困难，解吸能耗大。若为不可逆反应，反应剂不能循环使用，用途大受限制。,9.6.2 化学吸收,热效应对吸收的影响： （1）温度升高，平衡分压增大，平衡线上移；（2）增大溶剂蒸气压及其气化量；（3）粘度下降，扩散系数增大，液相分传质系数增大；（4）化学吸收的反应速率增大。,9.6.2 化学吸收,9.7.1 传质系数关联式 （1）针对具体情况的简式 （2）传质单元高度关联式 （3）准数关联式,9.7.2 传质理论概况 （1）膜模型（Whitman,1923年） （2）溶质渗透模型（Higbie,1935年）,9.7 传质系数和传质理论,