化工原理吸收.ppt

化工原理吸收化工原理吸收8.1概述概述吸收在化工中的应用：吸收在化工中的应用：1 1制取化工产品制取化工产品 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。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：用水吸收如：用水吸收HClHCl、NO2NO2制取工业盐酸和硝酸。制取工业盐酸和硝酸。2 2分离气体混合物分离气体混合物 工业上利用吸收分离气体混合物。热甲碱法吸收二氧化碳。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 3从气体中回收有用组分从气体中回收有用组分 用洗油回收粗苯或二氯乙烷。用洗油回收粗苯或二氯乙烷。4 4气体净化气体净化 原料气的净化。原料气的净化。尾气、废气的净化以保护环境。尾气、废气的净化以保护环境。5 5生化工程生化工程 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。生物的正常代谢，要应用空气中的氧在水中吸收这一过程。吸收过程分类吸收过程分类8.1概述概述8.1概述概述1、吸收设备塔设备（板式塔、填料塔）、吸收设备塔设备（板式塔、填料塔）2、吸收流程、吸收流程（1）单一吸收流程）单一吸收流程（2）多塔吸收流程）多塔吸收流程 8.1概述概述3）吸收剂在吸收塔内再循环流程）吸收剂在吸收塔内再循环流程4）吸收解吸流程）吸收解吸流程8.1概述概述3、吸收剂的选择、吸收剂的选择（1）溶解度）溶解度对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有较大的溶解度（2）选择性）选择性对溶质组分有良好的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对其它组分基本不吸收或吸收甚微（3）挥发性）挥发性不易挥发不易挥发（4）黏性）黏性粘度要低粘度要低（5）其它）其它无毒，无腐蚀性，不易燃烧，不发泡。无毒，无腐蚀性，不易燃烧，不发泡。价廉易得，化学稳定性等价廉易得，化学稳定性等8.2.1气液相平衡关系气液相平衡关系一、汽液溶解平衡一、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，使溶液中溶质转移，使溶液中溶质(A)的浓度的浓度cA增加，直到达到饱和，浓度不增加，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。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平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压pA*，液相中的，液相中的溶质浓度称为平衡浓度溶质浓度称为平衡浓度cA*，简称为溶解度。，简称为溶解度。二、相律二、相律自由度自由度F组分数相数组分数相数+2单组分物系（单组分物系（1个溶质）：个溶质）：组分数组分数3个个(溶质、惰性气体和溶剂溶质、惰性气体和溶剂)，相数，相数2个个(气、液气、液)F组分数相数组分数相数+232+2=3即在温度、总压和气、液组成四个变量中，三个是自变量。即在温度、总压和气、液组成四个变量中，三个是自变量。将溶解度将溶解度cA*表示成温度表示成温度t、总压、总压P和气相组成的函数，即和气相组成的函数，即cA*f(t、P、气相组成、气相组成)，这个关系式称为相平衡关系。，这个关系式称为相平衡关系。在总压不很高的情况下，认为溶解度在总压不很高的情况下，认为溶解度cA*与总压无关，则与总压无关，则cA*f(t、pA)；pA*f(t、cA)8.2.1气液相平衡关系气液相平衡关系在相同的温度和分压下，不同气体溶解度有很大的差别。在相同的温度和分压下，不同气体溶解度有很大的差别。O2、CO2，溶解度很小，称难溶气体；，溶解度很小，称难溶气体；NH3，溶解度很大，称易溶气体；，溶解度很大，称易溶气体；介乎两者之间介乎两者之间SO2称溶解度适中气体。称溶解度适中气体。加压和降温可以提高气体溶解度，加压和降温可以提高气体溶解度，cA*f(t、pA)，对吸收有利。，对吸收有利。8.2.1气液相平衡关系气液相平衡关系8.2.2亨利定律亨利定律平衡关系：平衡关系：pA*f(t、cA)一、亨利定律一、亨利定律：稀稀溶液、溶液、低压低压和和一定温度一定温度下，气、液达到溶解相平衡下，气、液达到溶解相平衡pA*ExA二、亨利定律三种表达式二、亨利定律三种表达式pA*=ExAE为亨利系数为亨利系数单位单位PacA*=HpAH为溶解度系数为溶解度系数单位单位kmol/（m3Pa）y*=mxm为相平衡常数为相平衡常数单位单位无因次无因次三、亨利系数三、亨利系数亨利系数由实验确定，它随物性和温度而变化。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，对于一定气体溶于一定溶剂，温度升高，E E增大。增大。8.2.2亨利定律亨利定律四、三个系数间的关系四、三个系数间的关系E=C/Hm=E/P8.2.2亨利定律亨利定律亨利定律亨利定律H：溶解度常数，：溶解度常数，kmol/(m3Pa)1）H越越大大，溶解度越，溶解度越大大2）T越越大大，H越越小小E：亨利常数，：亨利常数，Pa1）E越越大大，溶解度越，溶解度越小小2）T越越大大，E越越大大m：相平衡常数，无因次：相平衡常数，无因次1）m越越大大，溶解度越，溶解度越小小2）T越越大大，m越越大大P越越大大，m越越小小（适用于稀溶液）（适用于稀溶液）EC/Hm=E/P难难溶气体溶气体易易溶气体溶气体EHmEHm8.2.2亨利定律亨利定律8.3 8.3 吸收过程模型及传质速率方程吸收过程模型及传质速率方程 一、总传质速率方程一、总传质速率方程二、界面浓度的求取二、界面浓度的求取三、传质阻力分析三、传质阻力分析1 1、气相中的溶质传递到液相，分为三个步骤：、气相中的溶质传递到液相，分为三个步骤：1 1）气相与界面的对流传质；）气相与界面的对流传质；2 2）溶质在界面上的溶解；）溶质在界面上的溶解；3 3）界面与液相的对流传质。）界面与液相的对流传质。8.3.1双膜模型在吸收中的应用双膜模型在吸收中的应用令：界面上气液两相浓度为令：界面上气液两相浓度为yi、xi1.气相与界面的对流传质；气相与界面的对流传质；NA=kG(pGpi)=ky(yyi)3.界面与液相的对流传质；界面与液相的对流传质；NA=kL(cicL)=kx(xix)2.溶质在界面上的溶解；溶质在界面上的溶解；yi=f(xi)采用采用yi=mxi双膜模型双膜模型：(yyi)代表气相传质推动力，代表气相传质推动力，(xix)代表液相传质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。衡。一、分传质速率方程一、分传质速率方程2、分传质速率方程、分传质速率方程NA=kG(pGpi)=ky(yyi)1）气相侧）气相侧气相侧分传质速率方程气相侧分传质速率方程气相侧分传质阻力气相侧分传质阻力气相侧分传质推动力气相侧分传质推动力一、分传质速率方程一、分传质速率方程NA=kG(pGpi)=ky(yyi)气相侧分传质速率方程气相侧分传质速率方程NA=kL(cicL)=kx(xix)2）液相侧）液相侧液相侧分传质速率方程液相侧分传质速率方程液气相侧分传质阻力液气相侧分传质阻力液相侧分传质推动力液相侧分传质推动力一、分传质速率方程一、分传质速率方程气相与界面的对流传质：气相与界面的对流传质：NA=kG(pGpi)=ky(yyi)。界面与液相的对流传质：界面与液相的对流传质：NA=kL(cicL)=kx(xix)溶质在界面上的溶解：溶质在界面上的溶解：yi=mxi一、总传质速率方程一、总传质速率方程3 3、总传质速率方程、总传质速率方程NA=KG(pGpL*)=Ky(yy*)1）以气相浓度表示）以气相浓度表示气相总传质速率方程气相总传质速率方程气相总传质阻力气相总传质阻力气相总传质推动力气相总传质推动力PG-PL*=PG-CL/Hy-y*=y-mx一、总传质速率方程一、总传质速率方程NA=KL(cG*cL)=Kx(x*x)2）以液相浓度表示）以液相浓度表示液相总传质速率方程液相总传质速率方程液气相总传质阻力液气相总传质阻力液气相总传质推动力液气相总传质推动力CG*-CL=HPG-CLx*-x=y/m-x一、总传质速率方程一、总传质速率方程Ky和和Kx的关系的关系：mKy=KxKy和和Kx的单位的单位：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用总传质系数表示的速率方程一、总传质速率方程一、总传质速率方程气膜气膜液膜液膜pG气相主体浓度气相主体浓度pi气体界面浓度气体界面浓度液体界面浓度液体界面浓度Ci液相主体浓度液相主体浓度CL一、总传质速率方程一、总传质速率方程分传质速率方程分传质速率方程总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总传质系数与分传质系数的关系各传质系数之间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用总传质系数表示的速率方程讨论一：各推动力的图示讨论一：各推动力的图示1、吸收：操作点在平衡线上方吸收：操作点在平衡线上方解吸：操作点在平衡线下方解吸：操作点在平衡线下方2、气相分传质推动力：线气相分传质推动力：线ab气相总传质推动力：线气相总传质推动力：线aB液相分传质推动力：线液相分传质推动力：线ac液相总传质推动力：线液相总传质推动力：线aAbc点点a（x，y）：操作点，表示吸收塔某横截面上气相浓度）：操作点，表示吸收塔某横截面上气相浓度y和液相浓度和液相浓度x。点点p（xi，yi）：表示吸收塔某横截面上气、液两相相界面上的浓度。）：表示吸收塔某横截面上气、液两相相界面上的浓度。讨论二：界面浓度的求取讨论二：界面浓度的求取 相平衡关系：相平衡关系：yimxi联立方程求解（联立方程求解（xi，yi）方法一：方法一：方法二：方法二：从从a(x,y)出发，作斜率为出发，作斜率为-kx/ky的一条直线，此直线与平衡线的一条直线，此直线与平衡线的交点即为界面浓度的交点即为界面浓度(xi,yi)。讨论三：传质阻力分析讨论三：传质阻力分析 气相阻力控制气相阻力控制(气膜控制气膜控制)：1/kym/kx，则则1/Ky1/ky，此时传质阻力集中于气相。，此时传质阻力集中于气相。气膜控制的条件气膜控制的条件：(1)kykx。直线。直线ab的斜率的斜率kx/ky。直线。直线ab很陡。很陡。(2)m很小，相平衡线很小，相平衡线OE平坦，表明平坦，表明溶质在吸收剂中的溶解度很大，如溶质在吸收剂中的溶解度很大，如水吸收水吸收NH3、HCl。液相阻力控制液相阻力控制(液膜控制液膜控制)：当：当1/mky1/kx，则，则1/Kx1/kx。此时传质阻力集中于液相。此时传质阻力集中于液相。液膜控制的条件液膜控制的条件：(1)kykx。直线。直线ab平坦。平坦。(2)m很大，相平衡线很大，相平衡线OE很陡，很陡，表明溶质在吸收剂中的溶解度很表明溶质在吸收剂中的溶解度很小，如以水吸收小，如以水吸收O2、CO2。三、传质阻力分析三、传质阻力分析 kyG0.7；kyL0.7对于气膜控制，增加气体流率，可有效增加总传质系数对于气膜控制，增加气体流率，可有效增加总传质系数Kyky，加快吸收过程。，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对于液膜控制，增加液体流率，可有效增加总传质系数Kxkx，加快吸收过程。，加快吸收过程。三、传质阻力分析三、传质阻力分析 板式塔板式塔吸收吸收填料塔（本章采用填料塔（本章采用填料塔填料塔分析和讨论吸收过程）分析和讨论吸收过程）并流并流吸收吸收逆流（通常采用逆流（通常采用逆流逆流操作，因为逆流的操作，因为逆流的传质推动力大传质推动力大）已知（给定任务）已知（给定任务）：1、处理的气流量、处理的气流量G2、气体混合物的初、气体混合物的初(yb)、终浓度、终浓度(ya)3、选定吸收剂、选定吸收剂4、吸收剂的入塔浓度、吸收剂的入塔浓度5、相平衡关系、相平衡关系吸收塔的主要计算项目吸收塔的主要计算项目：1 1、吸收剂用量、吸收剂用量2 2、溶液的出塔浓度、溶液的出塔浓度3 3、所需填料层高度。、所需填料层高度。吸收塔计算：吸收塔计算：8.4吸收塔计算：吸收塔计算：8.4.1物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算吸收塔内气、液流率和组成如图所示，下标吸收塔内气、液流率和组成如图所示，下标a代表塔顶，代表塔顶，b代表塔代表塔底。底。气体：混合气体的总流量气体：混合气体的总流量G变化，惰性气体变化，惰性气体B的流率的流率GB不变不变液体：溶液的总流量液体：溶液的总流量L变化，溶剂变化，溶剂(吸收剂吸收剂)S的流率的流率Ls不变不变GB=G(1-y)，Ls=L(1-x)气、液组成采用摩尔比：气、液组成采用摩尔比：Y=y/1-y，X=x/1-x物料衡算关系：对溶质物料衡算关系：对溶质A，气相的减少液相的增加，气相的减少液相的增加全塔物料衡算全塔物料衡算：GB(Yb-Ya)=LS(Xb-Xa)吸收率吸收率：被吸收的溶质被吸收的溶质/进塔气中的溶质进塔气中的溶质(YaYb)/Yb1Ya/Yb8.4.1物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程对塔顶与任意截面间作物料衡算对塔顶与任意截面间作物料衡算：GB(Y-Ya)=LS(X-Xa)操作线方程操作线方程：吸收操作时，表征吸收程度有两种方式：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。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物料衡算和操作线方程操作线方程操作线方程:1、直线斜率：、直线斜率：Ls/GB（称为液气比）（称为液气比）2、过、过A（塔顶、（塔顶、Xa,Ya）、）、B（塔底、（塔底、Xb,Yb）两点）两点3、A点（塔顶、点（塔顶、Xa,Ya）在）在B点（塔底、点（塔底、Xb,Yb）的左下方。）的左下方。4、直线直线AB上任一点上任一点P代表塔内相应截面上气、液浓度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代表液相摩尔比差表示的总推动力(X*-X)，PQ代表气代表气相摩尔比差表示的总推动力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。、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物料衡算和操作线方程8.4.2吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定设计时：设计时：由吸收任务和要求可以确定由吸收任务和要求可以确定GB、Yb、Ya。由工艺条件可知道由工艺条件可知道Xa。因此，点因此，点A(Xa，Ya)(表示塔顶状表示塔顶状态态)固定，固定，GB也固定。点也固定。点B(Xb，Yb)(表示塔底状态表示塔底状态)Yb固定，固定，B点点在水平线上移动，由斜率确定，在水平线上移动，由斜率确定，即由即由Ls确定。确定。若若Ls减小，减小，B点向点向C点靠近，点靠近，Xb增增大，即出塔液体浓度增大，推动大，即出塔液体浓度增大，推动力减少。力减少。最小液气比最小液气比当当B点到达点到达C点，出塔液体和入塔气体达到平衡，推动力为零。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。上行不通。B点到达点到达C点，表示一种极限情况，即最小液气比点，表示一种极限情况，即最小液气比(Ls/GB)min的情况。的情况。根据生产经验，实际液气比是最小液气比的根据生产经验，实际液气比是最小液气比的1.12.0倍。即：倍。即：Ls/GB1.12.0(Ls/GB)min8.4.2吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定最小液气比最小液气比用图解法求出。即用图解法求出。即8.4.2吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定液气比也不是越大越好。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。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。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。实际液气比的选定，是操作费用和设备费用的权衡。思考：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？作？将会发生什么现象？8.4.2吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定拟设计一常压填料吸收塔，用清水处理拟设计一常压填料吸收塔，用清水处理3000m3/h、含、含NH35%(体积体积)的空气，要求的空气，要求NH3的回收率为的回收率为99%，取塔底空塔气速为，取塔底空塔气速为1.1m/s，实际用水量为最小水量的，实际用水量为最小水量的1.5倍。已倍。已知塔内操作温度为知塔内操作温度为25，平衡关系为，平衡关系为y=1.3x，气相体积总传质系数，气相体积总传质系数Kya为为270kmol/(m3h)，试求：，试求：(1)用水量和出塔溶液浓度；用水量和出塔溶液浓度；(2)填料层高度；填料层高度；(3)若水中已含氨若水中已含氨0.1%(摩尔分率摩尔分率)，所需填料，所需填料层高度可随意增加，能否达到层高度可随意增加，能否达到99%的回收率的回收率？(说明理由说明理由)。例例题题1G=3000m3/hyb=0.05xb=?=0.99=0.99xa=0Ls=?解解(1)：(L/G)min=(yb-ya)/(xb*-xa)xa=0yb=0.05(低浓度气体吸收）低浓度气体吸收）xb*=yb/m=0.05/1.30.03846=(yb-ya)/yb=0.99ya=yb(1-)=0.0005(0.05-0.0005)/(0.038460）1.287G=PV/RT=1.0131053000/(8.31298.15)122.6kmol/hxyBAxayaybxbxb*L/G=1.5(L/G)min1.9305L=236.8kmol/h解解2：例例题题1对数平均推动力法对数平均推动力法吸收因素法吸收因素法解解3：L/G不变，不变，L/G=1.9305任务不变：任务不变：回收率不变回收率不变,0.99yb不变不变,yb=0.05操作条件：操作条件：Xa0.001L/G=(yb-ya)/(xb-xa)ya不变，不变，ya0.0005xb(yb-ya)(G/L)+xa=0.02664xb*=yb/m=0.05/1.30.03846xbxb*可以可以yaybxaxbxaxbxb*xaxb比较比较xbxb*？8.4.3低浓度气体吸收时的填料层高度低浓度气体吸收时的填料层高度对于低浓气体（通常对于低浓气体（通常ybm最大回收率：最大回收率：汽液两相在塔顶达到平衡；汽液两相在塔顶达到平衡；最大回收率最大回收率xayby=mxL/GmL/G=1.5m=2L/Gm1）填料层高度）填料层高度H不变不变2）G、L；yb、xa；温度；总压中有一个发生变化，其他不变；温度；总压中有一个发生变化，其他不变气体出塔浓度气体出塔浓度ya和溶液出塔浓度和溶液出塔浓度xa如何变化？如何变化？操作型问题定性分析操作型问题定性分析操作型操作型定性分析定性分析举例举例例例1在在逆逆流流操操作作的的填填料料吸吸收收塔塔中中，对对某某一一低低浓浓气气体体中中的的溶溶质组分进行吸收，现因故质组分进行吸收，现因故(1)吸收剂入塔浓度变大，吸收剂入塔浓度变大，(2)吸收剂用量变小，吸收剂用量变小，而而其其它它操操作作条条件件均均不不变变，试试分分析析出出塔塔气气体体、液液体体浓浓度度如如何何变变化？化？xa2ybxa0ya0y=mx123 4可以不变可以不变1、填料层高度、填料层高度H不变不变2、G、L；yb、xa；温度；总压中；温度；总压中例例2在逆流吸收塔中处理低浓度易溶溶质的气体混合物，在逆流吸收塔中处理低浓度易溶溶质的气体混合物，如其他条件不变，而气液流量适当增加，液气比不变，如其他条件不变，而气液流量适当增加，液气比不变，则：则：HOGNOGHOLNOL并画出变化后的操作线。并画出变化后的操作线。NOGSmG/L不变不变