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1、8.1 概述,吸收：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。溶质A（吸收质）：能溶于液体的组分惰性组分B：不能溶于液体的组分吸收剂S：吸收操作所用的溶剂吸收液（溶液）：溶有溶质的溶液吸收尾气：排出的气体，主要成分为惰性气体，还含有残余溶质,8.1 概述,吸收在化工中的应用： 1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。如：用水吸收HCl、NO2制取工业盐酸和硝酸。2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。3从气体中回收有用组分 用洗油回收粗苯或二氯乙烷。4气体净化 原料气的净化。 尾气、废气的净化以保护环境。
2、5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,8.1 概述,8.1 概述,1、吸收设备塔设备（板式塔、填料塔）,2、吸收流程,（1）单一吸收流程,（2）多塔吸收流程,8.1 概述,3）吸收剂在吸收塔内再循环流程,4）吸收解吸流程,8.1 概述,3、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 对其它组分基本不吸收或吸收甚微（3）挥发性 不易挥发（4）黏性粘度要低（5）其它 无毒，无腐蚀性，不易燃烧，不发泡。 价廉易得，化学稳定性等,8.2.1 气液相平衡关系,一、汽
3、液溶解平衡 气液溶解相平衡：气体混合物与溶剂接触，溶质气体向液相转移，使溶液中溶质(A)的浓度cA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。 平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压pA*，液相中的溶质浓度称为平衡浓度cA*，简称为溶解度。,二、相律自由度F 组分数相数+2单组分物系（1个溶质）： 组分数3个(溶质、惰性气体和溶剂)，相数2个(气、液) F 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。将溶解度cA*表示成温度t、总压P和气相组成的函数，即cA*f( t、P、气相组成)，这个关系式称为相平衡关系。 在总压不很高的情况下，
4、认为溶解度cA*与总压无关，则 cA*f( t、pA) ； pA*f( t、cA),8.2.1 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。 O2、CO2，溶解度很小，称难溶气体； NH3，溶解度很大，称易溶气体；介乎两者之间SO2称溶解度适中气体。 加压和降温可以提高气体溶解度，cA*f( t、pA) ，对吸收有利。,8.2.1 气液相平衡关系,8.2.2 亨利定律,平衡关系：pA*f( t、cA) 一、亨利定律： 稀溶液、低压和一定温度下，气、液达到溶解相平衡 pA*ExA,二、亨利定律三种表达式 pA*=ExA E为亨利系数 单位 PacA*=HpA H为溶解度系数
5、 单位 kmol/（m3Pa） y*=mx m为相平衡常数 单位 无因次,三、亨利系数,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，E增大。,8.2.2 亨利定律,四、三个系数间的关系E=C/H m=E/P,8.2.2 亨利定律,亨利定律,H：溶解度常数，kmol/(m3Pa)1）H越大，溶解度越大2）T越大，H越小,E：亨利常数，Pa1）E越大，溶解度越小2）T越大，E越大,m：相平衡常数，无因次1）m越大，溶解度越小2）T越大，m越大 P越大，m越小,（适用于稀溶液）,EC/H,m=E/P,8.2.2 亨利定律,8.3 吸收过程模型及传质速率方程,一、总
6、传质速率方程 二、界面浓度的求取三、传质阻力分析,1、气相中的溶质传递到液相，分为三个步骤： 1）气相与界面的对流传质； 2）溶质在界面上的溶解； 3）界面与液相的对流传质。,8.3.1 双膜模型在吸收中的应用,令：界面上气液两相浓度为yi、xi 1.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； NA=kL (cicL)=kx (xix) 2.溶质在界面上的溶解； yi = f (xi ) 采用 yi = mxi,双膜模型：(yyi)代表气相传质推动力，(xix)代表液相传质推动力，穿过界面的传质阻力可以忽略，气、液在界面达到平衡。,一、分传
7、质速率方程,2、分传质速率方程,NA=kG (pGpi) =ky (yyi),1）气相侧,气相侧分传质速率方程,气相侧分传质阻力,气相侧分传质推动力,一、分传质速率方程,NA=kG (pGpi) =ky (yyi),气相侧分传质速率方程,NA=kL (cicL)=kx (xix),2）液相侧,液相侧分传质速率方程,液气相侧分传质阻力,液相侧分传质推动力,一、分传质速率方程,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：NA=kL (cicL)=kx (xix)溶质在界面上的溶解： yi = mxi,一、总传质速率方程,3、总传质速率方程,NA=KG
8、(pGpL*) =Ky (yy*),1）以气相浓度表示,气相总传质速率方程,气相总传质阻力,气相总传质推动力,PG-PL*=PG-CL/H,y-y*=y-mx,一、总传质速率方程,NA=KL (cG*cL)=Kx (x*x),2）以液相浓度表示,液相总传质速率方程,液气相总传质阻力,液气相总传质推动力,CG*-CL=HPG-CL,x * -x=y/m-x,一、总传质速率方程,Ky 和Kx 的关系： mKy =Kx Ky 和Kx 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 用总传质系数表示的速率方程,一、总传质速率方程,一
9、、总传质速率方程,分传质速率方程,总传质速率方程,总传质系数与分传质系数的关系,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 用总传质系数表示的速率方程,讨论一：各推动力的图示,1、吸收：操作点在平衡线上方解吸：操作点在平衡线下方2、气相分传质推动力：线ab气相总传质推动力：线aB液相分传质推动力：线ac液相总传质推动力：线aA,b,c,点a（x，y）：操作点，表示吸收塔某横截面上气相浓度y和液相浓度x。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。,讨论二：界面浓度的求取,相平衡关系：yimxi,联立方程求解（xi，yi）,方法一：,方法二：,从a(x,y
10、)出发，作斜率为-kx/ky的一条直线，此直线与平衡线的交点即为界面浓度(xi,yi)。,讨论三：传质阻力分析,气相阻力控制(气膜控制)： 1/kym/kx，则 1/Ky1/ky，此时传质阻力集中于气相。,气膜控制的条件：,(1)kykx。直线ab的斜率 kx/ky。直线ab很陡。(2)m很小，相平衡线OE平坦，表明溶质在吸收剂中的溶解度很大，如水吸收NH3、HCl。,液相阻力控制(液膜控制)：当 1/mky1/kx，则 1/Kx1/kx。此时传质阻力集中于液相。,液膜控制的条件：(1)kykx。直线ab平坦。(2)m很大，相平衡线OE很陡，表明溶质在吸收剂中的溶解度很小，如以水吸收O2、CO
11、2 。,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Kyky，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Kxkx，加快吸收过程。,三、传质阻力分析,已知（给定任务）：1、处理的气流量G2、气体混合物的初(yb)、终浓度(ya)3、选定吸收剂4、吸收剂的入塔浓度5、相平衡关系,吸收塔的主要计算项目：1、吸收剂用量2、溶液的出塔浓度3、所需填料层高度。,吸收塔计算：,8.4 吸收塔计算：,8.4.1 物料衡算和操作线方程,一、全塔物料衡算吸收塔内气、液流率和组成如图所示，下标a代表塔顶，b代表塔底。,气体：混合气体的总流量G变化，
12、惰性气体B的流率GB不变 液体：溶液的总流量L变化，溶剂(吸收剂)S的流率Ls不变,GB = G(1-y)，Ls = L(1-x)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A，气相的减少液相的增加,全塔物料衡算： GB (Yb-Ya) = LS (Xb-Xa),吸收率： 被吸收的溶质/进塔气中的溶质(YaYb)/Yb1Ya/Yb,8.4.1 物料衡算和操作线方程,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：,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。(2)吸收的目的是
13、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Ya,8.4.1 物料衡算和操作线方程,操作线方程:,1、直线斜率：Ls/GB（称为液气比）2、过A（塔顶、Xa,Ya）、B（塔底、Xb,Yb）两点3、A点（塔顶、Xa,Ya）在B点（塔底、Xb,Yb）的左下方。 4、直线AB上任一点P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(X*-X)，PQ代表气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。,8.4.1 物料衡算和操作线方程,8.4.2 吸收剂用量的确定,设计时：由吸收任务和要求可以确定GB、Yb、Ya
14、。由工艺条件可知道Xa。因此，点A(Xa，Ya)(表示塔顶状态)固定，GB也固定。点B(Xb，Yb)(表示塔底状态)Yb固定，B点在水平线上移动，由斜率确定，即由Ls确定。 若Ls减小，B点向C点靠近，Xb增大，即出塔液体浓度增大，推动力减少。,最小液气比当B点到达C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。这在实际上行不通。 B点到达C点，表示一种极限情况，即最小液气比(Ls/GB)min的情况。根据生产经验，实际液气比是最小液气比的1.12.0倍。即： Ls/GB1.12.0(Ls/GB)min,8.4.2 吸收剂用量的确定,最小液气比用图解法
15、求出。即,8.4.2 吸收剂用量的确定,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。实际液气比的选定，是操作费用和设备费用的权衡。,思考： 若实际操作时的液气比小于或等于最小液气比，吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？,8.4.2 吸收剂用量的确定,拟设计一常压填料吸收塔，用清水处理3000m3/h、含NH35%(体积)的空气，要求NH3的回收率为99%，取塔底空塔气速为1.1m/s，实际用水量为最小水量的1.5倍。已知塔内操作温度为25，平衡关系为y=1.3x，气相体积
16、总传质系数Kya为270 kmol/(m3h)，试求：(1)用水量和出塔溶液浓度；(2)填料层高度；(3)若水中已含氨0.1%(摩尔分率)，所需填料层高度可随意增加，能否达到99%的回收率？(说明理由)。,例 题 1,解(1)：,(L/G)min=(yb-ya)/(xb*-xa),xa=0,yb=0.05,(低浓度气体吸收）,xb*=yb/m=0.05/1.30.03846,=(yb-ya)/yb=0.99,(0.05-0.0005)/(0.038460）1.287,G=PV/RT=1.0131053000/(8.31298.15)122.6kmol/h,L/G=1.5(L/G)min,1.9
17、305,解2：,例 题 1,对数平均推动力法,吸收因素法,解3：,L/G不变，L/G=1.9305,任务不变：,回收率不变, 0.99,yb不变, yb=0.05,操作条件：,Xa0.001,L/G=(yb-ya)/(xb-xa),ya不变， ya0.0005,xb(yb-ya)(G/L)+xa=0.02664,xb*=yb/m=0.05/1.30.03846,xbxb*,可以,ya,yb,xa,xb,xb*,8.4.3 低浓度气体吸收时的填料层高度,对于低浓气体（通常yb10%）：(1)气、液流率视为常数 G Ga Gb GB，L La Lb LS，(2)以摩尔分率y、x代替摩尔比Y、X Y
18、 y，X x (3)传质系数kx和ky在全塔各截面处不变(4)等温吸收,1）操作线方程： 2）最小液气比变为：,8.4.3 低浓度气体吸收时的填料层高度,最大回收率,思考题：如果填料层高度可以无限高，在液汽比一定的情况下，填料塔能够达到的最大回收率可以到多少？,最大回收率,L/Gm,最大回收率：汽液两相在塔顶达到平衡；,最大回收率,L/Gm,最大回收率：汽液两相在塔底达到平衡；,低浓度气体的吸收涉及下列几个方面： 一、填料层高度的计算二、传质单元数与传质单元高度三、传质单元数的计算,8.4.3 低浓度气体吸收时的填料层高度,一、低浓气体吸收时填料层高度,物料衡算式,气相中溶质A的减少速率,液相
19、中溶质A的增加速率,溶质从气相到液相的传质速率,传质速率方程,一、低浓气体吸收时填料层高度,a也可视为常数： a与填料形状、尺寸及填充状况有关， 而且还受流体物性和流动状况的影响。,Kya、Kxa也可视为常数-气相、液相总体积传质系数,二低浓气体吸收时,G、L为常数,二低浓气体吸收,一、低浓气体吸收时填料层高度,思考：影响传质单元高度HTU的因素？,物系、填料特性、流动状况和操作条件,二、传质单元数与传质单元高度,什么是传质单元？,二、传质单元数与传质单元高度,二、传质单元数与传质单元高度,传质单元高度的物理意义？,常用吸收设备的HOG约为0.15 1.5m，,思考：HOG越大越好，还是越小越
20、好？,HOG：一个传质单元的填料层高度,HOG与设备的形式有关，是吸收设备效能高低的反应。,HOG越小，传质效果越好。,二、传质单元数与传质单元高度,影响传质单元的因素（HOG或HTU）的因素：,填料特性（大小、形状、均匀性）、填充情况物系形状（密度、粘度、与填料的润湿情况）流动状况操作条件（气、液两相流量等）,二、传质单元数与传质单元高度,传质单元数的物理意义？,二、传质单元数与传质单元高度,NOG只与相平衡以及进出口的浓度有关，而与设备的形式无关。,如果NOG太大，说明吸收剂性能太差，或说明分离要求过高。,影响传质单元的因素（HOG或HTU）的因素：,二、传质单元数与传质单元高度,三、传质
21、单元数的计算,1）对数平均推动力法,相平衡线为直线，即 y* = mx,采用对数平均推动力法，需要知道4个浓度：xa，xb，ya和yb,令 S = mG/L，S为脱吸因素，是相平衡线斜率m与操作线斜率L/G的比值。 NOG可以用变量S和(yb-mxa)/(ya-mxa)来表示，见课本368页图8-13。 当xa=0，且已知吸收率= 1-ya/yb，公式则变为： 非常简单。 当S=1，公式则变为：,2）吸收因数法,相平衡线为直线，即 y* = mx,令 S = mG/L，S为脱吸因素，是相平衡线斜率m与操作线斜率L/G的比值。,NOG可以用变量S和(yb-mxa)/(ya-mxa)来表示,三、传
22、质单元数的计算,当S=1，公式则变为：,当xa=0，且已知吸收率= 1-ya/yb，公式则变为：,三、传质单元数的计算,8.4.5 高浓气体吸收时填料层高度计算,特点： (1)气相流率G沿塔高有明显变化。操作线不为直线 。(2)气相传质系数在全塔范围内不再为一常数。平衡线可能不为直线。 (3)热效应对相平衡关系的影响不可忽略。 溶解热导致液相温度升高，相平衡常数增大，不利于吸收。,8.4.5 高浓气体吸收时填料层高度计算,GGB，L Ls，Y y，X xG，L，m，kya，kxa，Kya，Kxa沿塔高不是一个常数,吸收,填料塔,板式塔,气、液相浓度沿塔高呈阶跃式变化,气、液相浓度沿塔高呈连续式
23、变化,填料层高度传质单元高度传质单元数,塔高 板间距 塔板数,理论塔板数/全塔效率,理论板：汽液两相在这种塔板上相遇时， 因接触良好、传质充分， 以至两相在离开塔板时已达到平衡,等板高度HETP：相当于一块理论板的填料层高度。,8.4.6 塔板数,传质方向,8.4.7 解吸（脱吸）,特点：*全塔物料衡算、操作线方程、填料层高度计算式与吸收时的完全相同,*最小气液比,多组分吸收是指气体混合物中有几个组分同时被吸收的过程。如将焦炉气中的粗苯再分为苯、甲苯、二甲苯等 。,特点：在进、出塔的气体或液体中，各个组分的浓度互不相同而各有一物料衡算式，但这些衡算式在同一截面上的液气比则是相同的。,贫气吸收进
24、塔气体中各溶质组分的浓度都低于10）特点：1、液气比LG沿塔高的变化可以忽略 2、这些组分的操作线就是相互平行的直线,富气吸收进塔气体中各溶质组分的浓度高于10 特点：1、各组分的溶解平衡关系相互影响 2、塔内气液两相流率不能看作一成不变 3、气体溶解热所引起的温度变化不能忽略。,8.5.1 多组分吸收,1、对液膜控制的物系（难溶、难吸收、吸收容量小等物系），化学吸收可以减小液膜传质阻力从而减小总传质阻力。2、对气膜控制的物系（易吸收、易溶、吸收容量大等物系），液膜阻力的降低对总阻力的影响不大。,8.5.2 化学吸收,在吸收过程中总会产生溶解热，特别是伴有化学反应时常会释放更大量的反应热。,当
25、吸收时热效应甚，应当考虑温度变化的影响：1、改变平衡线的位置液温上升，平衡分压增大，平衡线就向上移动。 2、减小液体的粘度，增大其扩散系数，从而提高液相的传质系数。3、吸收塔内液体温度是在沿塔下流中逐渐上升的，特别流到近塔底处，气体浓度大、吸收速率快，液温的上升也最明显，使平衡曲线越来越陡。,8.5 .3非等温吸收,8.4.4 填料塔的设计型计算和操作型分析,一、填料塔的设计型计算设计型计算的特点:给定任务：进口气体的溶质浓度、进料混合气的流率、相平衡关系及分离要求（ya或）计算：吸收剂用量；出塔溶液中溶质的浓度；达到指定分离要求所需要的填料层高度,1）气、液流向的选择：气、液逆流,2）吸收剂
26、进口浓度的确定：题目会告诉，已知条件,3）根据回收率计算尾气浓度,4）计算最小液汽比,7）确定传质系数,5）吸收剂用量的确定：吸收剂用量是最小用量的*倍。,6）出塔溶液浓度的确定：全塔物料衡算,8）传质单元高度,9）传质单元数的计算,对数平均推动力法吸收因素法,例1： 在一填料吸收塔中，用煤油逆流吸收含苯5（体积百分比）的煤气，煤气的流量为41kmol/h，要求苯的回收率为92。已知塔顶进入的煤油含苯0.2（摩尔分率），煤油的耗用量是最小耗用量的1.6倍。气液平衡关系 y=0.14x，总体积传质系数Kya=0.035kmol/m3s。已知塔径0.6m，问塔高为多少？,yb=0.05， ya=(
27、1-)yb=0.004， xa=0.002,最小液气比：,气相流率 G = (41/3600)/(0.25d2) =0.04kmol/(m2s),解：,xb* = yb/m=0.05/0.14=0.3571,液相流率 L = 1.6Lmin= 1.60.040.130.0083 kmol/(m2s),平均推动力法,xb(G/L)(ybya)+xa,塔顶推动力 ya = yaya* = yamxa,塔底推动力 yb = ybyb* = ybmxb,全塔平均推动力 ym =(ybya)/ln(yb/ya）,气相总传质单元数 NOG = (ybya)/ym,气相总传质单元高度 HOG = G/Kya
28、,所需填料层高度 h = NOGHOG,= 5.67m,= 1.14m,= 4.97,= 9.2610-3,0.224,= 0.00372,= 0.01864,2. 吸收因数法,脱吸因数 S = mG/L = 0.675m,气相总传质单元数,所需填料层高度 h = NOGHOG= 5.65m,例2 用纯溶剂吸收低浓度混合气中的可溶成分，服从亨利定律，吸收剂用量为最小用量的1.3倍，HOG=0.8米。 求下列两种情况所需的填料高： 1.=0.9 2.=0.99,解：,xa=0,例3 某填料吸收塔高2.7米，在常压下用清水逆流吸收混合气中的氨，混合气入塔的摩尔流率为0.03kmol/m2s，清水的
29、喷淋密度0.018kmol/m2s，进口气体中含氨2%（体积）。已知气相总体积传质系数Kya=0.1kmol/m2s，操作条件下亨利系数为60kN/m2。试求:排出气体中氨的浓度。,解：低浓度气体吸收,m=E/P=60/101.3=0.6,S=mG/L=0.6*0.03/0.018=1,ya=0.002,例4 某吸收塔在101.3kPa、293K下用清水逆流吸收丙酮空气混合气体（可视为低浓气体）中的丙酮。当操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达95%。已知物系平衡关系为y=1.18x，吸收过程大致为气膜控制，气相总传质系数Kya G0.8。今气体流量增加20%，而液量及气液进口浓度不变，试求：(
30、1)回收率变为多少？(2)单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？,例5 某逆流吸收塔用纯溶剂吸收混合气体中易溶组分，设备高为，入塔y1=8%(体积),y*=2x。问：（1）液气比为2.5时，吸收率=？ （2）液气比为1.5时，吸收率=？,解：,L/G=1.5,m=2,L/Gm,1）填料层高度H不变2）G、L；yb、xa；温度；总压中有一个发生变化，其他不变,气体出塔浓度ya和溶液出塔浓度xa如何变化？,操作型问题定性分析,操作型定性分析举例,例1 在逆流操作的填料吸收塔中，对某一低浓气体中的溶质组分进行吸收，现因故 (1)吸收剂入塔浓度变大， (2)吸收剂用量变小，而其它操作条件均不变，试分析出塔气体、液体浓度如何变化？,可以不变,1、填料层高度H不变2、G、L；yb、xa；温度；总压中,例2 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，则：HOG NOG HOL NOL 并画出变化后的操作线。,NOG,SmG/L,不变,
