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1、,分 离 工 程,吸收,分离工程,第七节 复杂精馏塔的计算,华东理工大学化工学院分离工程教学组,2007年11月,吸收,分离工程,分离工程,第三章 吸收,吸收,分离工程,目 录,31 吸收过程概述,1. 吸收操作的应用及工艺流程2. 吸收操作的分类,3. 吸收过程的特点及微分接触理论,33 气液相平衡,331物理溶解时的相平衡,332伴有化学反应的吸收相平衡333相平衡曲线及其比较,吸收,分离工程,34传质理论,35传质速率与传质系数351物理吸收传质速率,352化学吸收传质速率与增强因子353传质系数关联式36化学吸收与增强因子1化学吸收的分类及其判别,2化学吸收中液相传质速率的研究步骤3化
2、学吸收增强因子的求取4. 化学吸收与物理吸收的比较,吸收,分离工程,3.7 吸收过程的设计（A） 工艺的确定,1. 气量、吸收率（净化度） 吸收量2. 最小液体流率，吸收流程的确定（B）工程计算1. 塔径的计算2. 塔高的计算,1. 低浓度气体吸收时的填料高度2. 高浓度气体吸收时的填料高度3. 化学吸收时的填料高度的计算,4. 多组分逆流吸收的填料高度吸收因子法,5. 吸收过程的模拟计算,吸收,分离工程,31吸收过程概述,1. 吸收过程的应用及典型工艺流程,化工生产中吸收过程的应用：,1）获得液相产品,2）气体混合物的分离3）气体的净化原料气的净化尾气的净化,4）回收有价值的组分,分离工程,
3、吸收典型工艺流程（1）吸收剂无需再生的流程,使用对象：主要用于制备液相产品。流程特点：吸收剂不再生，循环操作。应用实例：,SO3+H2O（H2SO4）HCHO+H2O,H2SO4（浓硫酸）福尔马林,（NH4）2CO3+CO2+H2O,2 NH4HCO3,原料,CA,溶剂,进,吸收（2）吸收再生流程使用对象：气体的净化或回收；流程特点：至少有两个塔（吸收塔和再生塔）。,再生气,再生气,净化气,再生气, 减压冷再生流程原理：通过改变P，改变相平衡，,使,溶质解吸。实例：以碳酸丙烯酯为溶剂，脱除合成氨 气,原料气中CO2的过程。工艺对气体净化度要求是过程经济性的关键分离工程,减压冷再生气提冷再生间接
4、蒸汽热再生,吸收,分离工程, 气提冷再生流程,原理：用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸；适用：溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的含量。问题：二次污染，资源的再利用。,净化气,气体,蒸汽,废气,惰性气体,泡沫,吸收,分离工程, 间接蒸汽热再生流程,原理：利用间接蒸汽升高温度，,改变液面上活性组分的平衡分压，加速解吸速率；,实例：化学吸收（可逆反应）,热钾碱法吸收CO2；柠檬酸钠法吸收SO2。,过程能耗是考核的关键指标 。,采用化学再生，转化为其他产品，或与其他工业过程有机结合是降低能耗的有效方法之一。,物理吸收的特点：,吸收2吸收操作的分类物理吸收（水、甲醇-CO2）依据吸收的机理可分成
5、化学吸收（K2CO3- CO2）物理化学吸收 （甲醇-有机胺）,极限：溶解平衡= f (T,P)达到平衡的速率：N A = f (C, K G )过程是可逆的，且热效应较小。 化学吸收的特点：极限：相平衡= f (T,P,反应组分B)达到平衡的速率：N A = f (C, KG , Kr)由于有化学反应，过程热效应较大，必须热再生。 物理化学吸收的特点分离工程,气相( g ) 液相(l ),吸收3.吸收过程的特点及微分接触理论吸收与精馏操作的相同点： 平衡分离过程 热、质同传过程，由MESH方程求解吸收与精馏的不同点：吸收过程,精馏过程,进,T (G) TC,汽相 (V),冷凝进入汽化进入,液
6、相（L） T (V ) TC分离工程,吸收,分离工程,吸收操作的特点：, 溶解平衡过程，相际传质速率和传质,面积等成为重要的影响因素；, 传质过程同时受到平衡和扩散的控制，化学吸收过程反应与分离耦合； 气体热容小，液体热容大，溶质浓度较低，且存在溶剂汽化冷凝，过程的温度变化较小；, 吸收操作多采用连续逆流接触式设备,（如填料塔）；, 研究的理论和方法不同微分理论。,=,分离工程,= ( K y a)( y ye )dh,吸收d (Gy) = d ( Lx) = NASdh= ( K x a)( xe x)Sdh,S,G,y1,L,x1,dh,L,x2,G,y2,y,y+dy,x 2x 1,h0
7、,d ( Lx )K x aS ( x e x ),dh =,H =,y 1y 2,h0,d ( Gy )K y aS ( y y e ),dh =,H =,x 2 dxx1 x e xdyy y e,LK x aSL y 1K y aS y 2,H = H OL N OL= H OG N OG =,分离工程,吸收3.3 吸收相平衡,相平衡时,f fi i,T G = T L , PG = P L G = L (i = 1, c),亨利定理变形：,或者,3. 3. 1. 物理溶解时相平衡1）低浓度理想溶液Pi = H i xi （Hi为亨利系数）,Pi = Pyi,H iP,xi yi = m
8、i xi,yi =,H iP,mi =,H iC M,Ci Pi = H iCi,Pi =,H iC M,H i =,分离工程,吸收关于H系数的几点说明：,一般情况,3） 化学平衡时，,2） 低浓度的易溶气体;,难溶气体；,1),4、H i与溶液的组成、5、H i的适用范围：,Ai,Ai 越小；,i 越大，C,2、p i一定，H,P 0.1MPa。, 稀溶液。,;,3、T ，H ，但C,未反应的溶质,总压无关；,溶质性质）,1、 H i = f(T、溶剂性质、,分离工程,两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程：,吸收2）高浓度非理想溶液当气液平衡时，fi G = Pyi iGfi L = fi
9、0 L xi i = Hi xi i*,yixi,H i i*P iG,=,mi =,ln,ART,fi Lxi,(1 x02 ),= ln H i ,aA ( l ) + bB ( l ) mM + nN,aM aN M N M N,C C,K a = = a b,aA aB A B A B,C C,C A = C A + CM a m,分离工程,化学平衡：,K ,n m n mb a b,CMm CNnCAaCBb,KaKr,=,K =,溶解平衡： PA = H A C A物料衡算式：C A0 = C A + CM 0,( a = m )( a m ),P,X1,吸收3. 3. 2. 伴有
10、化学反应时的相平衡A ( g ) H A,(1),(2),(3),CMm CNn 1 a,K CB,),分别几种情况讨论：分离工程,b,PA = H ACA = H A (,吸收平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定（即Ci同时满足化学平衡和溶解平衡）由化学平衡式（1、2、3式）求得Ci，带入Pi=HCi，求得相平衡时 PA = f (ci ) 的关系式：,溶液中A的初始浓度 ：,C,A ( l ) + B ( l ) M ( l ),C A C B,C =,1 + K C B,分离工程,化学平衡：,溶解平衡：,（3-26）,当,由此可见：,物理吸收：,吸收 产物不离解（NH3H2O系统） A
11、( g ) H A,K ,0AC A0 = C A* + C M*,C M* *,C A0 C A*C A* C B*,=,K =,*A,CA01+ K CB*,),*,C A0,= H A (,H AC *A,PA =,C B C A 时， C B* C B0,PA = H AC A*,H AC A01 + K CB0,化学吸收： PA =,A ( l ) + B ( l ) M ( l ) K,离解平衡常数： K 1 =,化学平衡常数:,物料衡算:,溶液中A的起始浓度,（3-30）,+,+ A ,吸收 产物离解（Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O系统）A ( g ) H A,K
12、 K 1C K + C A C M忽略溶液中水的离解: C K + = C A,CA = K1CM,C MC B C A,K =,CM = K CACB,C A0 = C A + CM + CA,C0A = C A + K C A C B + K1KC A C B分离工程,分离工程,吸收上式整理成CA的一元二次方程，并求解可得：,（3-31）,式中,（3-32）,溶解平衡：,(2C 0A + K a ) K a (4C 0A + K a )2(1 + K C B ),C*A =,K K1C B1 + KC B,K a =,( 2C 0A + K a ) K a (4C 0A + K a ) ,
13、H A2(1 + K C B ),PA = H A C *A =, C B = C B (1 R ),C M* = C B0 R,A(ag ) + B(ag ) M (ag ),C A C B,C A C B (1 R),分离工程,吸收被吸收组分与溶剂中的活性组分的作用,A( g ) H A,K a,(1),相平衡：,(2),设B组分的平衡转化率为R，有： C A* = C A0 C M* 0化学平衡：,* 0,K,C B0 R,C M* *,RC A* (1 R),=,=, =,PA = H AC A*,C = C,= C R = C,分离工程,令,根据吸收组分在相平衡时的溶解能力为：,当物
14、理溶解量可以忽略不计时，,*,吸收由（1）式得 C A ，代入（2）得：,H A RK (1 R),PA =,A,A,p,R =,=,K H A, =, p A1 + p,R (1 R ),C,0A,+ C B0 R,PAH A,=,PA1 + PA,0B,0B,*M,0A,(3 3 6 ),(3 37),相平衡曲线,物理吸收：,化学吸收 ：,*A,p A = H A C,p*A1 + p*A,C A0 = CM* = CB0,说明： p*A , C A0 CB0 ，而不能超过 CB0 。,CB0 代表溶剂B对溶质A的最大吸收能力；p *A 代表吸收时气体所能达到的极限净化度。分离工程,物理吸
15、,收,化学吸收,pCO2,pAC,CCO2,CB0,吸收3. 3. 3. 相平衡曲线及其比较, 当 pA pAC,分离工程,，物理吸收优于化学吸收。, 溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数(H），降低净化度,吸收物理吸收与化学吸收的比较* 0（适宜高压或高浓度气体的脱除）* 0 0净化度的吸收过程；*,*,mimi 0,ln,= bi I b Ci,吸收34传质理论吸收过程，溶质A由气相传到液相。,传质理论(较成熟),双膜论Whitaman,1923,渗透论Higbie,1935,表面更新论Danckwerts,1951分离工程,界面,液相,气相,NA,传质,主体(气,液相),界面,分子
16、扩散对流,湍流混合,界面湍动界面阻力,分离工程,xi,xA,yi,液相主体,l,g,yA,气相主体,界面,吸收1双膜论特点：是稳态的物理模型，模型直观，用起来方便。要点：, 流动方式：界面两侧有滞流传质膜滞流传质膜滞流边界层 传递方式：膜内呈分子扩散传递，,主体浓度均一，传质阻力集中在界面两侧的双膜内；,模型参数是膜的厚度l 。,y, 界面无阻力， i = K i x i 。,(C Ai CAL ),D CMl C BM,N A =,吸收由单向扩散速率积分式可得：,讨论：1. 稳定的边界滞流传质膜？2. 传质过程是稳态的？3. 界面无阻力？4. KD （大量实测到的K D0.5 ）双膜论的弱点
17、：没有反应出K与D的0.5次方的关系。分离工程,吸收2渗透论要点： 传质方式：膜内是非稳态的传质；,由非定态分子扩散可求得：,此结论 与实验相符合，但te无法测定，且表面还是固定膜。分离工程,),AL,Ai,A,( C,N, C,= 2,D te,N A = const,N A ,t t,N A max,t = 0,t dC / d L = const,dC / d L , 传质模型：随着旋涡的产生，溶质有时在主体，有时在界面；微元在界面停留时间te是相同的； 界面无阻力，yi = K i xi ；,界面,t,te,微团,CA0（主体）,微团,吸收3表面更新论要点：传质是非稳态的； 界面上的每
18、一微元具有不同的暴露时间，被另一微元置换的,机会均等； 微元被旋涡携带的过程在气、液相均会发生，表面,不断更新。 微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律；,S = f ( 界面湍动参数）, (t ) = Se st,N A = DS (C Ai C AL )缺点：表面更新率S无法确定，但该理论最完善。分离工程,界面,CA0,液相,气相,分离工程,可以写出传质速率的多种形式（见表3-5）。,= kg (pA pAi) = KG(pA pAe)NA = kx (xi x) = Kx (xe x),= kl (CAi CAl) = KL(CAe CAl)根据相平衡方程式y = mx + a 或 PA
19、 = HACA + b,CAl,yixi PaiCi,液相主体xA,l,g,yAPA,气相主体,界面,吸收3. 5 传质速率与传质系数3. 5. 1物理吸收传质速率由双膜论知，A由气相到液相的传质速率可表示为：NA = ky (y yi ) = Ky (y ye ), 由于 pAe 是随由此可得：,C Al,的增加而增加， p Ae p Ai,p A p Ae p A p AiCAe CAl CAi CAe, KG k g K L k l,由传质总系数与传质分系数的关系式可知：,H Akl,+,=,1k g,1KG,+,=,1k g H A,1kl,1K L,K L = H A K G分离工程
20、,吸收N A = kg ( pA pAi ) = KG ( pA pAe )N A = kl (CAi CAl ) = K L (CAe CAl ) 当A从气相进入液相时， C Ai C Al;,吸收当 HA 很大，即A是难溶气体, 属液膜控制,K L k l,k lH A,K G ,1H A k g,1k L,1k g,H Ak l,当 HA 很小，即A是易溶气体时，, 属气膜控制,K G k g,1k l,1H A k g,H Ak l,1k g,K L H A k g结论：,H A 很小（易溶气体）H A 很大（难溶气体）分离工程,气膜控制的条件是：KG k g k g kl, x =,
21、 CA =CAL,分离工程,即:,),dC Adx,N A = DAL (, x =0, CA =CAi,在图中CA为DE直线，斜率为浓度梯度,。,有化学反应时A在膜中边扩散边反应， CA为曲线DE。在D处(x=0) ，扩散速率为：,dC Adx,dC Adx,) DD,N A = DAL (,吸收3. 5. 2 化学吸收的传质速率与增强因子物理吸收A在液膜中的溶解速率服从费克定律，, A在膜内的反应量 = DAL (,) EE ,分离工程,吸收A的扩散量 = 膜内扩散量 + 膜内反应量在 x=处，A向液相主体扩散速率为：,dCAdx,) EE,N A = DAL (,dCAdx, dCA d
22、x,) DD (,当界面处D 相同，LC相同，则DD 线斜率对应化学吸收的速率DE 线斜率对应物理吸收的速率,定义增强因子,1,D D斜率DE斜率, =,吸收将化学吸收速率看作物理吸收速率的倍。则有：N A = k g ( PAg PAi ) = kl (C Ai C Al )= K G ( PAg PAe ) = K L (C Ae C Al ),H k l,+,=,1k g,1K G,+,=,1k g H ,1K L,1 k l,问：、对传质总系数的影响如何？、化学反应的存在，是否只对液膜传质有影响，而对气膜传质无影响？分离工程,Vl l n, l,h = H OG N OG = H OL
23、 N OL,= H L N L,h = H G N G,Gk y a,H G =,Lk x a,H L =,GKya,HOG=,LKxa,HOL =,液膜传质系数关联式（Norman）:,) (,) 0.5 20%,k l aDl, l l Dl,= (,适用于公称尺寸10-50mm的拉西环,和公称尺寸13-38mm的鞍型填料。,金属拉西环填料分离工程,吸收3. 5. 3传质系数关联式,吸收气膜传质系数关联式（Charpentier）:,适用于公称尺寸大于15cm的填料。,(,),(,)0.5 30%,0.3,1.7,= 5.3(ad ),k g pG, g g Dg,Gd g,恩田等（3-9
24、295）的传质系数与传质单元高度关联式。当工业设备的填料尺寸与文献值一致，计算可以有一定的精度，否则就有教大的误差。对于化学吸收的传质系数值，则以物理吸收为基础，全力求出值。可以从商家或计算软件中获得常见体系的传质单元高度，再求取特定体系的传质单元数。分离工程,金属孔板波纹填料,吸收,分离工程,3. 6 化学吸收与增强因子,1化学吸收的特点、分类及其判别,2化学吸收中液相传质速率的研究步骤,（1）研究思路,（2） 扩散反应微分方程（3） 物理吸收速率（4） 化学吸收速率3化学吸收增强因子的求取,分离工程,N A = k g (p A p Ai ) = k l (C Ai C Al ) = RA
25、,吸收化学吸收的特点传质和反应耦合反应发生在液相，化学反应仅改变液膜传质阻,力！传质速率：,D l k *lk l2,=,=,=, l k *lk l, l k *lC Aik l C Ai,液膜中最大反应量通过液膜的最大传递量,M =,化学吸收速率化学吸收无因次准数M（反应类型判断的依据）：,化学吸收速率纯物理吸收速率, 10 2 (或更大),吸收引入化学反应对传质过程产生的影响（与物理吸收的差异）1加大了推动力改变了系统的相平衡，可提高脱除气的净化度。CAl，CA* ；PA*2在低压、低浓度条件下提高了溶剂的吸收容量，可降低吸收剂的用量。3. 降低了液相传质阻力，提高了传质速率。kl ,化
26、 kl ,物,塑料阶梯环分离工程,Vk C A Q(C A C A0 ),k1* 1 C A0 C A,=,分离工程,1化学反应可忽略的物理吸收过程液相中的总反应量扩散传递量,令：当,*1,V ,Q 1,C A 0 = 0,k1* 1,CAL,CAi,pAi,pA,界面,吸收3. 6. 1化学吸收的分类与判别,D l k 1*, l k1*, l k1* C Ai,吸收2液流主体中进行慢反应的吸收过程,*,C AlC Ai, 1 , l k 1*k l,液膜中反应的量通过液膜扩散的量 l k 1 C Ai k l ( C Ai C Al ),C AlC AiDl k1*kl2, 1 kl,k
27、l2M = =,液膜中最大的化学反应量通过液面最大的扩散传质量,=,kl C Ai,M =,当M1，M0.2时，N A = f (膜内扩散 + 主体反应)分离工程,CBl,CAL,CAi,pAi,PA,界面,kl,吸收3在液膜中进行快反应的吸收过程液膜中可能的最大反应量通过液膜扩散传递的量, 1,Dl k1*2,M =,M 9 10M 3N A = f (膜内扩散+ 膜内反应),PA,CBl,CAL=0,CAi,pAi,反应在膜内完成，属边扩散边反应分离工程,kl,吸收4中速反应,液膜中反应量膜内扩散量, 1,Dl k1*2,M =,N A = f (膜内反应 + 膜内扩散 + 主体反应 ),
28、界面,PA,CBl,CAi,pAi,CAL改性鲍尔环分离工程,kl,分离工程,吸收5瞬间反应,则在膜内达到平衡。, ,Dl k1*2,M =, L,PA,CBl,反界 应面 面pAiCAi,A + B Q 若是不可逆反应，反应在膜内某个面瞬时完成； 若是可逆反应，,从扩散反应方程 膜内C A = f ( x) , N A = DAL, N A = kl (C Ai C Al ),分离工程,吸收化学吸收中液相传质速率的研究步骤（1） 研究思路1) 建立液相微元的扩散-反应微分方程；2) 求得液相传质速率式；3) 根椐所获得的数学模型，求取模型参数。方法：,dC Adx,dC Adx,x =0,x
29、 =0,理,得,求 求,N A =,= D AL (, x,M x + dx = M x +,= DAL (,x,分离工程,Mx+dx：,),x = 0,dC Adx,其中：扩散量服从费克定律：N A = D AL (Mx： M x C A)Fdt x = 0,Fdt,M,x,),x = 0, C A x,= D AL (,) Fdtdx, 2C A2,dx) Fdt DAL (,M xxC Ax,吸收（2）扩散反应方程在dt时间内，对微元体Fdx作物料衡算：扩散进入量 - 扩散流出量 - 反应量 = 积累量M x M x + dx M R = M a,M a = (,dx,吸收,MR：,Ma
30、：,代入,M R= rFdxdt,（定态）（非定态）,) Fdxdt,M a = 0C At,整理得扩散-反应微分方程： D定态传质过程,AL,C At, r =, 2C Ax 2,= 0,Ct,DAL,= r,d 2 C A2,有了扩散反应方程，则在不同的边界条件，不同的传质机理，不同的反应特征下求解，得到 C A = f ( x) 。分离工程,M x M x + dx M R = M a,N A = D AL,=,(C Ai C Al ),吸收,分离工程,求：,代入速率方程，得：,= 0,d 2 C Adx 2,D AL,（3）物理吸收时 r = 0C A = ax + b解微分方程得,代
31、入边界条件： x = 0, C A = C Aix = l , C A = C Al,x,C Al C Ai l,得 C A = C Ai +,dC Adx,C Al C Ai l,=,x =0,dC A D ALdx x = 0 l= kl (C Ai C Al ) = k g ( p A p Ai )= K L (C A* C Al ) = K G ( p A p *A ),多面空心球填料,CAL,CAi,pAi,pA,界面,= r,dx,从扩散反应方程 膜内C A = f ( x) , N A = DAL, N A = kl (C Ai C Al ),吸收,分离工程,（4）化学吸收时,由
32、双膜论,),x=0,dC Adx,N A = DAL (,x = 0,dC Adx,化学吸收速率： N A = kl (C Ai C Al ) 寻求化学吸收速率的问题转化为求解的问题。思路：,dC Adx x = 0,dC Adx x = 0,理,得,寻求 求,从扩散反应方程出发 DAL寻求化学吸收的 C A = f ( x),d 2C A2， 进一步求,x = 0, C A = C Ai ,组分A向主体扩散的量 = A在主体中反应的量,* * *,k1*D AL,=,d 2 C Adx 2= 0,r = k1 C A (r = k2 C ACB k1 C A )边界条件dCBdxx = L
33、, C A = C Al ,dC Adx,= k1*C A (V L ), D AL,x = L,0,CA,L分离工程,CB,界面PCAi Ai,吸收3. 6. 2一级不可逆反应 的求取一、用双膜论处理一级（拟一级）不可逆反应A( g ) + B(l ) Q(l ),C A (3 133)PA,(3 137),吸收1将扩散-反应方程、边界条件无因次化,得:,C A = C A / C Ai,令： x = x / L,= MC A,d 2 C Adx 2,x =1,dC Adx, D AL,= L2 k1*C A ( L 1),),D AL k 1*k L2, L k 1*k L, L2 k 1
34、*D AL,=,=,（ M =,),V L,（ L =,代入边界条件：,M x,M x,+ C2 e ,解微分方程，得： C A = C1e,x = 0, 即x = 0, CA = CAi , 即CA = 1x = 1, 即x = L ,得 C A = f ( x ) 的表达式：,C A =,ch M (1 x ) + M ( L 1)sh M (1 x )ch M + M ( L 1)sh M,=,x =1,dC Adx,k1*C A ( L 1) = MC A ( L 1)（3-139）, L2DAL,C A,k1*D AL,d 2 C Adx 2,=,(3 135),(3 141)分离工
35、程,), = ,dx,D AL k1* 1 / 2, L = L,k L,分离工程,吸收2求单位面积组分A的吸收速率NA(kmol/m2s),得：,（3-144）,d C Ad x,d C Ad x,dC Adx, k L C Ai,= ,= D AL,N A = D AL,x = 0,x = 0,x = 0,C Ai L,与 CAL = 0 物理吸收速率相比较，则: N A = k L C Ai,x =0,dC A,将式（3-141） A 对,C,x求导，并代入 x = 0的边界条件，,=,x =0,dC Adx,M M ( L 1) + th M ( L 1) M th M + 1, =
36、, = f ( M , L ),2,M = (V L, N A = k L C Ai,吸收,分离工程,1） 瞬间反应：,2） 快反应：,3） 中速反应：,4） 慢反应：,反应膜 扩散膜,M ,CAL =0,M 3,M 1, M 10 或,CAL 0,0.3 M 3,M 1,M 0.3 CAL 0,M 1, M 0.2 或,二、各类一级不可逆反应的求取,=,x =0,dC Adx,M M ( L 1) + th M ( L 1) M th M + 1, = ,吸收,M 3 th M 1,Ai,AL,Ai,A,D,N,=,k 1* C,= k L C,0.3 M 3, = f ( L , M ),
37、当 L 1（在 10 104 ），CAL = 0,Mth M, =,k L C Ai,th,MM,N A = k L C Ai =,1快反应,2中速反应 r L,M,r 10 或 =,3慢反应：,M 0.3 th M M,M 0.2 L M L M M + 1, r L =,N A = k L C Ai分离工程, L,V L L k1*,V L k1* C Ai,吸收,显示了液相反应速率与液膜传质速率的相对大小。,如,吸收速率将由液相主体的缓慢化学反应所决定。分离工程, 如果L 很大，则仍可使 C AL 0或很小。,k L C Ai,k L,=,D AL k1*k L2,V L L,）=,（,
38、）, L M =（, 1,Ai,A,= k L C,N, = 0 .976, L M = 40 ,如 L = 4000 ,即使 M = 0 .01 , 如果 L 也很小，此时属极慢反应，由反应工程研究。, 1,N A = k L C Ai, 1,M = 0 . 01, L M = 0 . 1, L = 10 , L M L M M + 1,慢反应又可分成两种情况： =,液相化学反应速率液膜物理传质速率,(CAl0),一级中速反应：,一级慢反应：,k1* , （活性剂， T ）C BL , （ k1* = k1C BL ),k1* , VL ， k g , kl 都是有利的；,T ，改善化学反应
39、条件VL ，提高积液量采用鼓泡塔才是有效的。分离工程,Ai,AL,Ai,A,D,一级快反应： N,=,k 1* C,= k L C,Ai,Ai,A,k L C,th,MM,N,=,= k L C, L M L M M + 1, =,Ai,L,A,C,N,= k,吸收讨论：（如何强化传质过程？）, L M, L M,分离工程,吸收考察不同的M取值对 的影响：（P.137,图3-16）,M 10 = M,0.3 M 3 = f ( M , L ),M 0.2 = L M M + 1 1,M 0.2 = L M M + 1 1,d 2 C A,A：,dx 2,B：,d 2 C B,dx 2,0 x
40、1,分离工程,反应计量关系：,反应面上：C A = 0, C B = 0,瞬间反应：rA = 0D ALD BL,（1） 1 x L（2）,= 0= 0,x = 0, C A = C Ai , C B = 0 （3）x = 1 , C A = C B = 0 （4）x = L , C A = 0, C B = C BL（5）,B,A,N,N,1b,= ,A,B,C,= bC,界面 反应,面,Ap,CBL,iAp,iAC,L,1,吸收3. 6. 3不可逆瞬时化学反应的求取A ( g ) + bB ( l ) Q ( l ),吸收,解：由（1）得：C,A,= ax + b, 1代入速率方程：,C
41、Ai（6）,dC Adx,D AL 1,=,N A = D AL,x = 0, k L C Ai,C Ai =,N A =, L 1, L D AL 1 L,N A ,物 = k L ( C Ai C AL ), C AL = 0, ( C Ai C AL ) = C Ai, L 1, =,1,（但如何确定 ,？）分离工程,整理得：,吸收由（2）得： C B = a x + b,( x 1 ),C BL L 1,将边界条件（4和5）代入上式得：C B =,x = 0,C BL L 1,= D BL,dC Bdx,N B = D BL,N B,1b,再利用 N A = , L 1,C BL L
42、1,D BLb,C Ai =,D AL 1, k L C Ai =,DBL C BLD AL bC Ai,= 1 +, L 1, i =, i = 1 + d c(但如何求 C Ai ？)分离工程,(7),CBL,2当 CBL = C ，1 = 0 ，,CBL CBL,吸收,DBL CBLbDAL C Ai,= 1 +, L1,i =, 讨论1：1若 CBL , i , 1 ,CBLC Ai = 0, p Ai = 0C3当液膜无阻力，属气膜控制。N A = k g ( p A p Ai ) = k g p A,气膜 界面 反应面 液膜C,p A,CBLpAi,CAi 1 L L分离工程,C
43、BL C BL 则,C BL C BL,分离工程,利用,（3-184）,若,则,若,吸收C当CBLCcBL反应面与界面重合：,B,A,k L C BL,D BLD AL,D ALD AL,N,N,= ,= ,= k g p A,( C BL C Bi ) ,D BL L 1,B,A,N,N,1b,= ,CBL,p A,bk g DALkl DBL,解得： C,=,C,N A = k g p A 气膜控制,C,N A = i kl C Ai 双膜控制,k l,/ H A ,N H A,= i k l C = i k l p,利用,N,N A,= k, p,) ,= p, p,H A 1,式+得：
44、 N A H A + N,吸收,分离工程,又,由此得,Ai,= i p,若双膜控制，C Ai 未知，则 N A 的求解方法：AA Ai AiN A g ( p A Ai A Aik g,A,k l k g,= i p Ai + ( p A p Ai ) = p A + ( i 1 ) p Ai,G,A,N,= K,=, p A + ( i 1 ) p Ai ,p A + ( i 1 ) p Ai+k l k g,C BLC Ai,D BLbD AL, i = 1 +,A,p Ai ,C BLC Ai,D BLbD AL,N,= K G p A +,D BL H A C BLbD AL,N A
45、= K G p A +,(3 187),CBL CBL ， A ，加强气相的湍动，k 。,p,C BL C BL， C BL , k g , kl ,吸收讨论2：（瞬间反应如何强化传质？）,12若,3若,均可强化传质。分离工程,DBL CBLbDAL C Ai, i = 1 +, i 与 k *1 , n （反应速度，反应级数）无关；Cg,C,dx,= (V L )k C AL CBL, DAL,dx,分离工程,D AL,d 2 C A2,= k * C A C B,= 0,dC Bdx,x = 0, C A = C Ai ,x = l , C A = C AL , CB = CBLdC A
46、*x= l,x,CBi,CAi,CAL,CBL,界面,液膜,扩散反应微分方程：,边界条件：,吸收3. 6. 4二级不可逆反应的求取k,吸收,（3-190）,当 CBL很大，可作拟一级反应处理；当 CBL有限，在 C AL = 0 的情况下，可求得 近似解：,),), 1, 1, =,th M (,M (,D AL k * C BLk l2,M =,DBL CBLDAL bCAi, = 1 +,M 图，图（3-21），,以 为参数，作 ,若已知 M 和 值就可直接求取 值。分离工程, ,A,A,AL,N,dCdx,= D,N,x = 0,A,扩散反应方程,C,A,= f ( x ),x = 0,
47、dC Adx,吸收,Ai,A,= k l C,图（3-21）的规律： N,；,M,=,1当 2 M , M 3 时，,二级反应可处理为拟一级快反应；说明： B在液膜中的扩散量反应消耗量*2 当 M 10 时： = 二级反应增强因子与瞬间反应增强因子相等；*传质系数 k l 较小。分离工程,由 , M ,分离工程,吸收3在其它区域： 应查图求取。先计算：,方法：,但 C Ai 不知道，计算中先假定：p Ai p AH A H A以后再迭代校正。, ,查N A = kl C Ai = k g ( p A p Ai )p Ai = H AC Ai,D AL k * C BLk l2,M =,DBL
48、C BLDAL bC Ai, = 1 +,吸收,分离工程,化学吸收的优缺点：,优点：.吸收速度快、选择性好；（速率角度）,.气相平衡分压低、可得高净化度；溶解量大、吸收能力强；（平衡角度）,.化学吸收的开发余地很大。,不足处: .能耗大（可通过过程耦合降低能耗）；,.对设备有腐蚀性（采用非金属材料）；.溶液的稳定性问题。,吸收,分离工程,吸收过程的设计计算,（A） 工艺的确定,1. 气量、吸收率（净化度） 吸收量2. 最小液体流率，吸收流程的确定,（B）工程计算1. 塔径的计算2. 塔高的计算, 低浓度气体吸收时的填料高度 高浓度气体吸收时的填料高度 化学吸收时的填料高度的计算, 多组分逆流吸
49、收的填料高度吸收因子法, 吸收过程的模拟计算,吸收一.设计工艺参数：1. 气量Q(m3/h)、气浓y1(v/v%,ppm)、净化度（ y2 ，吸收率）2. 操作压力P、温度T（取决于工艺条件）,最小吸收液流量的估算（平衡分压）,1,2,s,Q, Qy,); G = Q ( 1 y 1 ),y 21 y,y 11 y 1,= G（,L,C1,G,y,1分离工程,L,C2,G,y2,) = L (C 1 C 2 ),y 21 y 2,y 11 y 1,G（,3. 吸收液的性质（ l , l )、吸收容量(C1,C2)和范围（反应转化率）吸收量的计算,u ,吸收3. 9. 塔径的计算对于逆流操作吸收
50、塔，以液泛速度为基准，采用Eckort关联图(图3-40）计算。,横坐标A：,纵坐标B：,0.5,Gl gGg l,0.2,2OGg, l w , g l,塔径计算：D =,4Vs u,不同填料液泛线,A,B,u = (0.6 0.8)u f,一般情况：填料尺寸，填料因子， uOG。分离工程,L G 0.5,G L,3640 6 0 .878 995 .7,分离工程,吸收例题1 某合成氨厂，每小时生产6吨合成氨，用水洗法脱除变换气中的CO2。现水洗塔采用填料塔，充填50504.5瓷质鲍尔环填料。进气量为3640m3（STP）/（tNH3），用水量为2580m3/h，操作压强为1.9MPa，操作
