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1、第四章 气体吸收,吸收与解吸Absorption and Desorption,主要内容及要求：学习并掌握吸收的原理、分类、过程分析和简捷计算。,4.1 汽液相平衡4.2 多组分吸收和解吸过程4.3 多组分吸收和解吸的简捷计算法4.4 化学吸收,了解,掌握,自学,掌握,吸收的定义,气体吸收:气体混合物一种或多种组分从气相转移到液相的过程.,吸收剂:吸收操作中加入的液体溶剂;吸收质:能被吸收剂吸收的组分 吸收液:吸收了吸收质的液体溶剂;尾气:被吸收剂处理后的气体.,解吸:溶质从液相中分离出来转移到气相的过程,即吸收的逆过程.,分类:,溶 质 数,e.g.乙醇胺溶液吸收CO2,e.g.NaOH溶液
2、吸收CO2；硫酸吸收氨气生成硫酸氨,吸收温度,溶质与溶剂的相互作用,按吸收量的多少（1）贫气吸收（2）富气吸收,吸收量不大 恒摩尔流 恒温操作,吸收量大,获得产品：将气体中的有效组分吸收下来得到成品。吸收剂无需解吸。e.g.,吸收应用,气体混合物的分离：选择性地吸收气体中的某个组分达到分离目的。吸收剂需解吸 e.g.用DMF从裂解气中分离提纯乙炔。,气体净化：原料气的净化或尾气、废气的净化。吸收剂需解吸。原料气：调节配比，去除使催化剂中毒或会产 生副反应的杂质。eg.合成氨原料气脱CO2，脱CO，脱H2S。尾气：脱除有毒有害物质，减小/消除污染。eg.燃煤锅炉烟气脱除SO2；硝酸尾气中脱NOx
3、。,吸收与精馏操比较,相同点：平衡分离过程 热、质同传过程，由MESH方程求解,不同点：,塔式不同,原理不同,传质形式不同,组分分布不同,4.1 汽液相平衡,4.1.1 物理吸收的相平衡4.1.2 有化学效应的气体溶解度,物理吸收的热力学基础是气体混合物中的各个组分在某液体吸收剂中的溶解度不同，根据溶解度差异实现分离。吸收推动力是气相中溶质的实际分压与溶液中溶质的平衡蒸汽压力之差。,吸收原理,吸收过程气液平衡关系：物理吸收：相平衡亨利定律 化学吸收：相平衡亨利定律；化学平衡化学平衡关系式,（1）物理吸收的气液相平衡关系,（1）物理吸收的气液相平衡关系,1)低压下（low pressure）气体
4、在液体中的溶解度用Henry定律表示：或 溶质在液相中的溶解度（摩尔分数）溶质在气相中的分压 Henry系数，由溶质和溶剂的性质及温度决定。,亨利定律的其它形式,（2）、T、p对 H、m 的影响。,TH m 溶解度PH m 溶解度,在吸收过程中，低温、高压有利于气体的吸收 高温、低压有利于气体的解吸,溶质气体的分压为常压 难溶气体或低浓度的易溶气体 化学平衡时，未反应的溶质（稀溶液）,(3)Henry定律适用范围：,2)高压下（high pressure）：克利切夫斯基公式 达平衡时：是温度、压力和组成的函数，在T一定的条件下，对 进行全微分：（1）第一项变形，再由热力学定律可得：溶质在溶液中
5、的偏摩尔体积，假定是常数。,Hp不但与溶剂和溶质的性质、系统温度有关，而且与系统的总压有关。,第二项：将上两式代入（1）得：整理可得：（T一定）从纯溶剂蒸汽压（即）到总压 积分上式：溶质在 条件下的Henry系数。,令：,（T一定）,H p=0，即低压下的Henry系数。,整理可得：,Henry系数随温度的变化可通过半经验关系式求：手册中大部分给出的是298.15K，101.3kPa下测定的Henry系数，其他温度下的Henry系数可通过下式求：H0 298.15K下的Henry系数。,4.1.2 有化学效应的气体溶解度,特点：（1）当溶质在溶剂中发生离解、缔合或化学反应时，溶质在液相中的总含
6、量（各种形式含量的总和），与平衡分压的关系不再符合亨利定律。（2）亨利定律只反应气相溶质分压与液相中未反应的溶质浓度.（3）溶质的溶解度：即服从汽液平衡关系，又服从化学反应平衡关系。,（2）有化学效应的气体溶解度,假定有这样一个化学吸收过程：假定是理想溶液：当相平衡关系服从Henry定律时，,由于产物的生成消耗了一定量的溶质A，所以相同压力下，有化学反应的溶质溶解度必定大于物理溶解时的溶解度。,吸收流程可分为两类：（I）吸收质不需解吸，吸收剂不需再生和循环；（II）吸收质需要解吸，吸收剂需要再生和循环。,（1）吸收和解吸流程,4.2吸收与解吸过程,（I）无解吸的吸收塔,（I）无解吸的吸收塔,带
7、吸收剂再循环的吸收流程,适用于：（1）对于制取液态产品的吸收操作，为获得较高含量的液态产品，采用吸收液部分再循环操作。,（I）无解吸的吸收塔,适用于：（2）热效应显著的吸收过程，部分吸收液再循环可降低吸收塔内温度，当平衡关系变化的幅度比操作关系变化幅度大时，吸收液的循环不但不减少反而可能提高传质平均推动力，有利于吸收操作。,（I）无解吸的吸收塔,适用于：（3）对于按物料衡算估算所需吸收剂用量过少，不能满足最小液体喷淋密度要求的情况，部分吸收液再循环尽管会使传质推动力有所降低，但可由传质系数的显著增大而得以补偿。,（I）无解吸的吸收塔,当原料气处理量较大，溶质组分含量较低或溶解度较低或要求完全吸
8、收时，常采用多塔吸收流程。,（II）吸收解吸的双塔流程,An absorber is frequently coupled with strippers to permit regeneration(or recovery)and recycling of the absorbent.,4.2.2 多组分吸收和解吸过程分析一、设计变量数和关键组分,Na的指定：操作型计算：指定 N，要求计算吸收剂量、塔顶尾气量和组成、塔底吸收液量和组成。,据设计变量的原则可知:吸收塔和解吸塔中可调设计变量Na=1,因此，只能规定一个关键组分。与多组分精馏塔不同,设计型计算：指定 一个关键组分分离要求，要求计算所
9、需的理论板数、塔顶尾气量和组成、塔底吸收液量和组成。,二、传质过程 精馏过程：吸收过程：,不能视为恒摩尔流（图44 a）,双相传质过程,单相传质过程,三、吸收塔内组分分布分布曲线(图44c、d)：从物系挥发度看：,顶,底,C1、C2最大，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化。,C5、C4最小，进塔立即吸收，上部几乎不变。,C3适中，上段吸收快，在塔某板出现最大值。,4）热效应（吸收塔内温度分布）,吸收放热使液体温度升高，相平衡常数（K=f（T，P，x）增大，过程的推动力减小；吸收放热使气体和液体产生温差，在相间传质的同时发生相间传热。,由于吸收过程热效应的影响，吸收塔内温度分布变得复杂。,吸收过程中
10、的热效应包括：,a)溶质的吸收热：冷凝潜热、混合热、化学吸收中的反应热-放热过程,c)气液两相互相接触而直接传热,b)溶剂部分气化的汽化潜热,d)流体体系与环境之间传热,使液相温度提高。,气、液两相温差减小。,使液相温度降低。,一般情况，由于吸收是放热过程，溶质从气相传入液相的相变释放吸收热，该热量用于增加液体的显热，因而导致温度由塔顶到塔底是增高的。但也有例外。,吸收放热在液体和气体中的最终分配很大程度上取决于两股物流热容量。,1.如果在塔顶LMCp,L明显大于GMCp,V 上升气体热量传给吸收剂，吸收放出热量全部由LM带走，尾气出口温度与进塔吸收剂温度相近，在塔釜温度分布出现极大值。,2.
11、GMCp,V明显大于LMCp,L 吸收剂沿塔下流时，被气体冷却，塔釜处吸收液在接近于原料气温度的条件下出塔。吸收所释放的全部热量以尾气显热的形式带出。,尾气和吸收液温度超过其进口温度。热量在液体和气体间的分配取决于塔内不同位置因吸收而放热的情况。,Case 3.气相热容量与液相热容量相近，且热效应明显,1.若吸收剂挥发性明显，在塔釜几块板上部分汽化，使该汽化的吸收剂与进料气中吸收剂的含量趋于平衡。于是有一个相反作用：吸收放出热量加热液体吸收剂汽化冷却液体 塔中部出现温度极大值,2.溶解热的影响 溶解热大，温度变化大，对吸收率影响大 a、温度升高，相平衡常数大，吸收推动力小。b、由于吸收过程要放
12、热，使汽液温差大，除发生传热过程外，还有传质过程发生。复杂性大,热效应的处理方式：,（1）热效应忽略不计 当溶质浓度低、液气比大、溶解量小时，可视为等温吸收，以吸收剂进塔温度作为全塔温度。,（2）仅考虑吸收热 当液气比较大时，可视为简单绝热吸收，全部吸收热用于增加提高溶液的显热，提高溶液的温度。,热效应的处理方式：,（3）热效应不可忽略 吸收量大、液气比不是很大时，四项热效应均应考虑。特别注意塔内出现的热点。,热效应较大时可采取的措施：,（1）冷却 设置冷却器，降低操作温度，改善吸收平衡关系。,（2）提高液气比 提高液气比，改善操作关系，弥补由于温升而对吸收平衡造成的不利影响。,（3）降低原料
13、气进塔温度 减缓塔底部温度的升高。,Summary吸收塔内流量、温度及组成分析,总流量：单向传质，单调变化 塔顶 塔底，总流量 吸收剂温度：吸收属于放热反应 一般而言，塔顶 塔底，T 组成：不同组分在不同塔段的吸收程度不同 关键组分：全塔范围内均有吸收。轻组分：靠近塔顶的几级被吸收（难溶）。重组分：主要在塔底附近吸收（易溶）。,Summary,多组分吸收的特点：,只能规定一个组分的吸收率,不能按恒摩尔流处理,温度分布复杂,至少有两股进料,4.3 多组分吸收和解吸的简捷计算法Approximate Methods for Multicomponent Absorption and Desorpt
14、ion,吸收量不大,吸收量较大,（1）热效应引起的温度变化不能忽略，,要得到精确解，必须用严格计算,（2）气液相流率也不能看作恒定。,假设（1）等温过程（2）气相和液相流率恒定，计算大为简化。,图解梯级法求理论板层数,简捷计算主要应用场合：（1）设计的初始阶段，为严格计算提供初值；（2）对操作进行粗略分析。,简捷计算法的常见类型：（1）平均吸收因子法（掌握）（2）平均有效吸收因子法（了解）（3）蒸出（解吸）因子法（了解）,重点介绍并掌握平均吸收因子法,一、吸收因子法 1.吸收因子 吸收过程定义：A=L/KV i组分的吸收因子或因素（省i）a、无因次数群；b、L/V，K A，有利 于吸收；c、分
15、离要求一定：A，N N一定：A，吸收程度 A的大小说明 吸收难易。,用A、S表示平衡关系：,2.HortonFrankli 方程（哈顿富兰克林）,n 板物料衡算：,用（417）表示各组分在各板汽相量；,同理，n=3时,n=4时,？,依次类推；n=N时,讨论（423）：1.计算吸收率的普遍式；2.式中K=f（T、P、组成），而组成不知。计算难3.采用如下简化形式作简捷计算。,关联了吸收率、吸收因子和理论板数,1.平均吸收因子法,Horton-Franklin方程可简化为：,（4-24）,分子(vN+1-v1)表示气体中某组分通过吸收塔后被吸收的量；,分母(vN+1-v0)表示根据平衡关系计算的最
16、大可能吸收量。,相对吸收率,当吸收剂中不含溶质时，相对吸收率等于吸收率。,表达了相对吸收率、平均吸收因子和理论板数之间的关系。,NOTE1:随着吸收因子Ai数值增大，各组分吸收率i增加；但当吸收因子Ai超过某一数值（与板数有关）后，继续增大吸收因子对吸收率的影响不明显；一般来讲，当吸收因子Ai大于2.0以后其影响显著减小。,NOTE2:随着塔板数N增加，各组分吸收率增加；当塔板数较少时，增加一块理论板数对吸收率增加明显；当N大于10以后，增加塔板数对吸收率影响不明显。,NOTE3:吸收因子Ai数值不得小于所规定的吸收率i；当Ai=i时需要无穷多块塔板数。,理论板数的直接求解Algebraic
17、method for determining the Number of Equilibrium Stages,已知关键组分的吸收率，再求出关键组分的吸收因子，则可由上式直接计算理论板数。,关键组分的吸收因子A关：,K关一般取全塔平均温度和压力下的数值。,关键在于确定液气比,确定最小液气比（L/V)min,在无穷多塔板的条件下，达到规定分离要求时，1kmol的进料气所需吸收剂的kmol数。,实际中：,N=,确定最小液气比（L/V)min,非关键组分的吸收率,有了液气比，可求关键组分的平均吸收因子，进而求出理论板数。,非关键组分的吸收率,由关键组分求出液气比和理论板数后，可求出非关键组分的吸收因
18、子和吸收率。,例44,计算：,解：查P=1.013MPa，t=38时Ki,线，查出,交,1,1,48,.,9,.,3,i,i,i,i,i,N,A,y,v,j,j,=,2.平均有效因子法（了解）,A,对于（423）：,当吸收过程有N块理论板时，由于吸收过程主要由塔顶和塔底两板完成，Edmister认为，以AN代替上式中的A2，可得计算有效吸收因子的Ae及Ae,Edmister的这一假设和马多克思（Maddox）等人研究结果基本吻合。马多克思通过对一些多组分轻烃吸收过程的逐板计算得出吸收过程主要在塔的顶、底两板完成的结论。如下表：,因此，通常吸收塔的理论板数不是很多，因为大量的增加理论板数不能显著
19、改善吸收效果，相反却使设备费用大幅度上升。,各板的吸收率相同，则任意相邻两板的气相流率：,n=1时：,二、解吸因子法,特点:与吸收相反,模型塔：图(4-9),计算同于吸收,S=KV/L=1/A i组分的解吸因子或因素,为提高计算的准确性，用有效解析因子Se和Se代替平均解析因子：,Attention:吸收塔与解析塔的塔板序号正好相反。,（五）吸收过程操作参数分析,操作压力 Operating Pressure操作温度 Operating Temperature液气比（吸收剂用量）Absorbent Flow Rate 塔板数 Number of Stages,1）操作压力 Operating
20、Pressure,操作压力提高，气相溶质分压增大，传质推动力提高，吸收速率和吸收率增大。,压力提高，各组分的K值减小。当L/V一定时，吸收因子A增大。当NT一定时，A增大，各组分的吸收率增大；当关键组分的吸收率已被规定时，A增大，所需NT减少。提高操作压力还可以减小塔径及相关设备、配管的尺寸等。,但压力过高会使塔设备的投资及压缩气体的操作费用增加；同时提高操作压力使惰气组分或不希望回收的组分吸收量也增加，后续分离变得复杂。,应考虑吸收塔前后工艺的操作压力恰当选择，一般不宜采用过高的操作压力。,2）操作温度 Operating Temperature,操作温度降低，各组分的H或K减小，吸收的传质
21、推动力增大，吸收速率增大。,降低温度和提高压力具有相同的影响。,虽然吸收适于在低温下操作，但应避免采用冷冻操作以减少动力消耗。,3）液气比 Absorbent Flow Rate,液气比（L/V）与吸收剂用量直接相关，表示处理单位原料气所需要的吸收剂量。液气比大则吸收剂用量多。,液气比对吸收操作的影响与回流比对精馏操作的影响相似。增大液气比将使各组分吸收因子增加，因此增大液气比和增加操作压力或降低操作温度有相同的效果。但随着液气比的增大，相应要增大吸收剂的循环量和回收吸收剂的费用。,一般取液气比为最小液气比的1.22.0倍。,4）塔板数 Number of Stages,理论板数增加，各组分吸
22、收率增加。但在不同板数范围，吸收率增加的幅度不同。当板数较少时，增加一块板对提高吸收率的影响比较明显，而当理论板为十多块时，再增加板数，吸收率的增加幅度很小。,六、吸收剂的选择 Choice of Absorbents,(1)have a high solubility and selectivity for the solute(s)to minimize the need for absorbent 溶解度大，选择性好(2)have a low volatility to reduce the loss of absorbent and facilitate separation of a
23、bsorbent from solute(s)挥发度小，易再生(3)be stable to maximize absorbent life and reduce absorbent makeup requirement 稳定性高(4)be noncorrosive to permit use of common materials of construction 腐蚀性小,六、吸收剂的选择 Choice of Absorbents,(5)have a low viscosity to provide low pressure drop and high mass and heat trans
24、fer rates 粘度低(6)be nonfoaming when contacted with the gas so as to make it unnecessary to increase absorber dimensions 无泡沫(7)be nontoxic and nonflammable to facilitate its safe use 无毒，不易燃(8)be available,if possible,within the process,to make it unnecessary to provide an absorbent from external sourc
25、es,or be inexpensive 易得，价廉,常用吸收剂：water hydrocarbon oils aqueous solutions of acids and bases常用解吸剂：water vapor air inert gases hydrocarbon gases,本章重点：多组分吸收,吸收过程分类、特点及过程分析,简捷计算：平均吸收因子法,补充作业某厂裂解气组成（摩尔%）如下：13.2%氢、37.18%甲烷、30.2乙烯、9.7%乙烷、8.4%丙烯、1.32异丁烷、所用的吸收剂中不含所吸收组分。要求乙烯的回收率达到99%。该吸收塔处理的气体量为100kmo1/h，操作条件下各组分的相平衡常数如下：氢 甲烷 乙烯 乙烷 丙烷 异丁烷 3.1 0.72 0.52 0.15 0.058 操作液气化为最小液气比的1.5倍 试求:(1)最小液气化;(2)所需理论板数;(3)各组份的吸收因子、吸收率(4)塔顶尾气的组成及数量；(5)塔顶应加入的吸收剂量,
