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1、第八章 吸收,第一节 概述,使混合气体与选择的某种液体相接触时,利用混合气体中各组分在该液体中溶解度的差异,有选择的使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液,其它未溶解的组分仍保留在气相中,以达到从混合气体中分离出某些组分的目的。,吸收定义,依据：利用混合气体中各组分在液体中溶解程度的差 异,溶解程度大的被吸收,难溶的则被留下了。 作用：（1）原料气的净化。 （2）有用组分回收。 （3）制备有用溶液。 （4）废气治理。,吸收的依据和目的,必须解决问题：1、选择合适的吸收剂；2、提供合适的气液传质设备；3、吸收剂的再生循环使用。,工业吸收过程,从合成氨原料气中回收CO2的流程,1、板式塔2
2、、填料塔,吸收设备中气液两相接触方式,吸收剂的选择1 溶解度 溶解度越大，吸收速率越大,吸收剂用量越越少。2 选择性 吸收剂要对溶质组分有良好的吸收能力,对其它组分基本上不吸收,或吸收甚微,否则不能实现有效的分离。3 挥发度 挥发度越大,则溶剂损失量越大,分离后气体中含溶剂量也越大。4 粘度 粘度越小,流动性越好,吸收速率越大,泵的功耗越小,且传质阻力减小。5 其它 要求无毒,无腐蚀性,不易燃,不发泡,冰点底,价廉易得,具有化学稳定性。,按是否有化学反应分:物理吸收、化学吸收按有无明显温度变化分:等温吸收、非等温吸收按组分数分:单组分吸收、多组分吸收按浓度分:低浓度气体吸收、 高浓度气体吸收本
3、章主要讨论:低浓度单组分等温的物理吸收。,吸收操作的分类,相组成表示法,气相组成表示y，Y，p, P，CM液相组成表示x，X,，CA，CM,1.摩尔浓度单位体积混合物中所含溶质的kmol数,CA=, kmol/m3, kmol/m3,CM=,2.摩尔分数,xA=,(液相中),yA=,(气相中),3.比摩尔分数,(液相中),(气相中),第二节 吸收相平衡关系,气体的溶解度,在一定温度与压力下，溶质气体最大限度溶解于溶剂中的量，即溶解度。,气体溶解示意图,溶解度曲线平衡曲线,若固定温度、压力不变，测得某动平衡下，溶液上方氨的分压为 ，此时溶于水的氨的浓度为 ，将这 个点，标绘在图上，即得在一定温度
4、、压力下的溶解度曲线。,由此图可知，要得到一定浓度的溶液，易溶气体所需分压低，难溶气体所需分压高，即p*O2p*SO2p*NH3，溶解程度NH3SO2O2,当总压不高时,在一定温度下,稀溶液上方气体溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比,这就是亨利定律。 其表达式为: p*=ExE:亨利系数,由实验测定，单位与压强单位一致。T E 溶解度 在同一溶剂中，难溶气体的E值很大，易溶气体的E值则很小。,亨利定律,亨利定律示意图,相平衡关系在吸收过程中的应用,x=0.05 y=0.1 y*=0.94x y*=0.940.05=0.047 y 吸收 x*=0.1/0.94=0.106 x 吸收 x
5、=0.1 y=0.05 y*=0.10.94=0.094 y 解吸 x*=0.05/0.94=0.053 x 解吸,1.判断过程进行方向,2、计算过程推动力,(X,Y),X*-X,Y-Y*,(X,Y),X,3、判断过程进行极限,设塔足够高：L减小，X1增大，X1max=X1*=Y1/m;L增大, Y2减小,Y2min=Y2*=mX2,吸收机理,（对比传热过程）1 溶质由气相主体传递到相界面气相一 侧（气相内物质传递）2 溶质跨越相界面溶解而进入液相3 溶质由界面液相一侧转移到液相主体（液相内物质传递）,分子扩散：在一相内部有浓度差的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。,菲克定律
6、 DAB:扩散系数,m2/s； dCA/dz:物质A的浓度梯度,kmol/m4; JA:分子扩散通量，kmol/(m2 s),分子扩散和菲克定律,气相中的稳定分子扩散,1、等分子反向扩散,2、一组分通过另一停滞组分的扩散,液相中的稳定分子扩散 液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散速度，而且发生等分子反向扩散的机会很少，一组分通过另一停滞组分的较多见。,扩散系数 均由实验测定。,1、涡流扩散凭藉流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。,2、对流传质 发生在流动着的流体与相界面之间的传质过程。在滞流内层主要是分子扩散。在过渡层既有分子扩散,也有对流扩散。在湍流主体中主要是对流扩散,阻力很小,可以忽略
7、,即认为浓度一致。,对流传质,两相间传质的双膜理论,双膜理论,基本论点：1.当气液两相接触时，两相之间有一稳定的相界面。在界面两侧各有一很薄的有效层流膜层，吸收质以分子扩散方式通过此两膜层。2.在相界面上，气液两相成平衡。3.在膜层外的主体中，由于充分湍动，溶质的浓度基本上是均匀的。即两相主体浓度中浓度梯度为零换句话说，浓度梯度全部集中在两膜层内膜层内包括了吸收的全部阻力，膜外不存在阻力。,第三节 吸收塔的计算,吸收塔分板式塔和填料塔,本章主要讨论填料塔。主要计算任务:（1） 吸收剂用量的计算（2） 塔底排除液浓度的计算（3） 塔高度的计算（4） 塔径的计算,吸收塔的物料衡算和操作线方程,1、
8、物料衡算VY1+LX2=VY2+LX1或V(Y1-Y2)=L(X1-X2) Y2=Y1(1-A),2、吸收操作线,1、吸收剂用量的影响2、最小液气比和液气比,吸收剂用量的选择,塔径的计算,填料层高度的计算1、基本计算式,将两式从塔顶至塔底积分，得：,2、传质单元高度和传质单元数,气相总传质单元数,无单位。它与气相进出口浓度及平衡关系有关。反映吸收过程进行的难易程度，与吸收塔的结构以及气液流动状况无关。NoG 值大 ,吸收进行困难,为使Z减小,应选高效填料使HoG小,或改吸收剂使Y-Y*增大, NoG减小.,气相总传质单元高度,单位m,与操作条件、设备形式有关。反映吸收设备效能高低。,3、传质单
9、元数的计算,（1）解析法适用范围：平衡关系为Y*=mX,符合亨利定律将相平衡关系、操作线方程代入传质单元数式，积分得到：,称为“脱吸因数”，无因次。,反映吸收率的高低对传质单元数的影响。,当Y1,X2一定, Y2=Y1(1- ), 对于同一S, NoG,S 反映吸收推动力的大小。,当Y1 ， (Y2) , X2 , m 一定,S = mVB / Ls,即Ls/VB,X1,Y-Y*,NoG,反之S,NoG。,S大，对吸收不利，S小，则Ls大，操作费用大，一般 S=0.70.8之间。,（2）对数平均推动力法适用范围：平衡线为直线,或在吸收操作范围内近似为直线仿照传热过程，用平均推动力代替全塔推动力
10、。,（3）图解积分法适用范围：普遍适用于各种平衡关系,步骤：i 在X-Y作标系中绘出平衡线,与操作线ii 选点,列表iii 作Y1/（Y-Y*）图iv 求面积,理论板的定义:气液相接触充分,传质良好,离开时达平衡状态。1、图解法求NT:在吸收操作线与平衡线之间画梯级,Y,X,理论板数的计算,2、若交替使用相平衡方程与操作线方程，由塔顶至塔底计算，相平衡使用次数即理论板数。,A1,若 A=1,对比NOG与N:,即NOG=N,解吸塔的计算,推动力Y*-Y=X-X*,全塔物料衡算：VB(Y1-Y2)=Ls(X1-X2),操作线方程：,1、解吸气体用量的计算一般LS,X1,Y2,X2一定，VB,LS/
11、VB,Y1.,Y2,2、解吸填料层高度的计算,吸收因数法：,平均推动力法：,图解积分发：,第六节 填料塔,填料塔的结构及填料的特性,一、塔体,金属或陶瓷塔体一般均为圆柱形 大型耐酸石或耐酸砖则以砌成放形或年多角形为便,二、填料,对操作影响较大的填料特性有：1 比表面积 =s/v=m2/m3=单位体积填料层所具有的表面积 传质面积2 空隙率单位体积填料层所具有的空隙体积应尽可能大,以提高气液通过能力和减小气液阻力3 填料因子把有液体喷淋条件下实测的/2相应数值称湿填料因子,也称填料因子,单位:l/m 填料阻力 发生液泛时的气速 亦即流体力学性能好4 单位堆积体积的填料数目填料尺寸 数目 气流阻力
12、 填料造价填料尺寸 塔壁处 气流易短路,为控制气流不均匀,填料尺寸不应大于（1/10-1/8）D,填料的种类：1、实体填料,2、网状填料,三 、填料支承装置 删板填料支承 升气管式支承,四、 液体的分布装置,1 塔顶液体分布装置a 莲蓬头式喷洒器b 盘式分布器c 齿槽式分布器2 液体再分布器壁流效应:液体沿填料下流时,逐渐向塔壁汇流的现象a 截锥式液体再分布器b 升气管式支承板作液体再分布器,填料塔的流体力学特性,一 塔内气液两相的流动 当液体自塔顶向下借重力在填料表面作膜状流动时,膜内平均流速决定于流动的阻力。而此阻力来自于液膜与填料表面,及液膜与上升气流之间的摩擦。液膜厚度不仅取决于液体流
13、量,而且与气体流量有关气量 液膜厚 填料内的持液量图7-29为不同液体喷淋量下取得的填料层压力降与空塔气速的双对数关系线：线A:气体通过干填料层时,压力降与空塔气速的关系,为直线线B:有液体喷淋,液体量小线C:有液体喷淋,液体量大,以线B为例:u较低（点L以下）:线与A线大致平行。u P 液体下流与流速无关u大于uL以后:线斜率增大,上升气流开始阻碍液体顺利下流,Pu大于uF以后:P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,发生液泛。,载点（L点）:空塔气速u增大到uL以后,气速以使上升 气流与下降液体间摩擦力开始阻碍
14、液体顺利下流,使填料表面持液量增多,占去更多空隙,气体实际速度与空塔气速的比值显著提高,故压力降比以前增加的快,这种现象称载液,L点称载点。泛点F:u增大到uF以后P与u成垂直关系,表明上升气体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,塔的操作极不稳定,甚至被完全破坏,这种现象称液泛,F点称为泛点。线C的载点和泛点气速都比线B的更低 目前一般认为填料塔的正常操作状态只到泛点为止.,填料塔与板式塔的比较1 操作范围2 物料要求和清洗3 温度要求装置的安装难易4 规模5 准确可靠性6 造价7 对易气泡的物系的适用情况8 对物系的腐蚀性的适用情况9 热敏性物系10 板压降,耗能11 对气膜控制的适用,吸收过程的强化途径,1.增大吸收系数2.增大吸收推动力3.增大传质面积,
