化工原理第九章吸收

1、22.4.9第九章第九章 吸收吸收一、吸收的有关概念一、吸收的有关概念二、吸收在工业上的应用二、吸收在工业上的应用三、吸收的分类三、吸收的分类四、吸收的流程和溶剂四、吸收的流程和溶剂五、相组成表示方法五、相组成表示方法第一节第一节 概述概述22.4.9传质过程：物质在相际间的转移传质过程：物质在相际间的转移物质传递过程物质传递过程传质过程的依据：混合物中各组分在两相间传质过程的依据：混合物中各组分在两相间平衡分配不同平衡分配不同。以传质过程为特征的单元操作在化工升中应用甚广。如：以传质过程为特征的单元操作在化工升中应用甚广。如：(1)气体吸收气体吸收：依据气体组分在液相中的：依据气体组分在液相

2、中的溶解度差别溶解度差别来处理气来处理气体混合物。体混合物。(2)液体蒸馏液体蒸馏: 加热液体混合物，利用混合物不同组分加热液体混合物，利用混合物不同组分挥发性挥发性的差异的差异，使得液体混合物得以分离。，使得液体混合物得以分离。(3)液液萃取液液萃取：液体组分在溶剂中的：液体组分在溶剂中的溶解度差别溶解度差别来分离液体混来分离液体混合物。合物。(4)固体干燥固体干燥：对含有一定湿份（液体）的固体提供一定的热：对含有一定湿份（液体）的固体提供一定的热量，使之汽化，从固体的表面或内部转入气相。量，使之汽化，从固体的表面或内部转入气相。一、吸收的有关概念一、吸收的有关概念22.4.9 混合气体与适

3、当的液体接触，气体中的一个混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分溶解在该液体内形成溶液，不能够溶或几个组分溶解在该液体内形成溶液，不能够溶解的组分则保留在气相中，这样使得原混合气体解的组分则保留在气相中，这样使得原混合气体得以分离。这种利用各组分溶解度不同而分离气得以分离。这种利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的操作称为体混合物的操作称为吸收吸收。 混合气体中能溶解的组分称为溶质，以混合气体中能溶解的组分称为溶质，以A表示；表示； 不被吸收的组分称为惰性组分，不被吸收的组分称为惰性组分， 以以B表示；表示； 吸收操作所用的溶剂称为吸收剂，吸收操作所用的溶剂称为吸收剂， 以以S表示。

4、表示。 22.4.9二、吸收在工业上的应用二、吸收在工业上的应用1.分离混合气体以获得一定的组分分离混合气体以获得一定的组分;（液态烃处理（液态烃处理裂解气回收其中的乙烯、丙烯等）裂解气回收其中的乙烯、丙烯等） 2.除去有害组分以净化或精制气体除去有害组分以净化或精制气体;（用水或碱液（用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳）脱除合成氨原料气中的二氧化碳）3.制备某种气体的溶液制备某种气体的溶液; （用水吸收氯化氢制取盐（用水吸收氯化氢制取盐酸、用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等）酸、用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等）4.工业废气的治理。（工业废气中含有的工业废气的治理。（工业废气中含有的SO2

5、、NOx等有害成分需在排放前进行处理）等有害成分需在排放前进行处理）22.4.9三、吸收的分类三、吸收的分类1.物理吸收物理吸收和化学吸收；和化学吸收； 溶质与溶剂是否有明显的化学反应发生溶质与溶剂是否有明显的化学反应发生2.单组分吸收单组分吸收和多组分吸收；和多组分吸收； 被吸收的组分的数目被吸收的组分的数目3.等温吸收等温吸收和非等温吸收；和非等温吸收； 热效应是否显著或设备散热状况热效应是否显著或设备散热状况4.高浓度吸收和高浓度吸收和低浓度吸收低浓度吸收。 混合物中气体的浓度混合物中气体的浓度22.4.9四、吸收的流程、溶剂的选择四、吸收的流程、溶剂的选择吸收与解吸流程吸收与解吸流程含

6、苯煤气含苯煤气脱苯煤气脱苯煤气洗油洗油苯苯水水过热蒸汽过热蒸汽加热器加热器冷却器冷却器22.4.91.溶解度：对溶质组分应具有较大的溶解度溶解度：对溶质组分应具有较大的溶解度2.选择性高：对混合气体中的其他组分基本不吸收选择性高：对混合气体中的其他组分基本不吸收3.挥发性小：减少溶剂的用量，避免引入新杂质挥发性小：减少溶剂的用量，避免引入新杂质 4.黏度低：便于运输；比热小：再生时节能；发泡黏度低：便于运输；比热小：再生时节能；发泡性低：减少设备的尺寸。性低：减少设备的尺寸。5.腐蚀性低：减少设备费用。腐蚀性低：减少设备费用。6.化学稳定性高；化学稳定性高；7.无毒、无害、价廉、易于再生等。无

7、毒、无害、价廉、易于再生等。溶剂选择要求：溶剂选择要求：总的选择原则是：经济、合理。总的选择原则是：经济、合理。22.4.9五、相组成表示法五、相组成表示法1 1、质量分数与摩尔分数、质量分数与摩尔分数质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总 质量的分数。质量的分数。mmwAA摩尔分数：在混合物中某组分的摩尔数占混合摩尔分数：在混合物中某组分的摩尔数占混合 物总摩尔数的分数。物总摩尔数的分数。22.4.9气相：气相：nnyAA 液相：液相：nnxAA 质量分数与摩尔分数的关系：质量分数与摩尔分数的关系：1NBA yyy1NBA xxxNNBBAAAA

8、AA/MmwMmwMmwMmwnnx NNBBAAAA/MwMwMwMw 22.4.92 2、质量比与摩尔比、质量比与摩尔比质量比：混合物中某组分质量比：混合物中某组分A A的质量与惰性组分的质量与惰性组分B B （不参加传质的组分）的质量之比。（不参加传质的组分）的质量之比。AABmwm摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩 尔数之比。尔数之比。BAAnnY 气相：气相：BAAnnX 液相：液相：22.4.9质量分数与质量比的关系：质量分数与质量比的关系：AAA1wwwAAAA1-AABBBmmwwmwmmwwm摩尔分数与摩尔比的关系：摩尔分数与

9、摩尔比的关系：XXx 1xxX 1YYy 1yyY 122.4.93 3、质量浓度与物质的量浓度、质量浓度与物质的量浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。 -3AA (kg m )mCV物质的量物质的量浓度浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。：单位体积混合物中某组分的摩尔数。-3AA (kmol m )ncV质量浓度与质量分数的关系：质量浓度与质量分数的关系：AAAAmw mCwVV浓度浓度与摩尔分数的关系与摩尔分数的关系 (c为混合物的总浓度为混合物的总浓度)cxcAA 22.4.94 4、气体总压与理想气体中组分的分压、气体总压与理想气体中组

10、分的分压总压与某组分分压之间的关系总压与某组分分压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系摩尔比与分压之间的关系:AAApYPp摩尔浓度与分压之间的关系摩尔浓度与分压之间的关系:RTpVncAAA AApPy22.4.9第九章第九章 吸收吸收一、气体的溶解度一、气体的溶解度二、亨利定律二、亨利定律三、气液相平衡与吸收过程三、气液相平衡与吸收过程的关系的关系 第二节第二节 气液相平衡气液相平衡22.4.9一、气体的溶解度一、气体的溶解度 1、气体在液体中溶解度的概念、气体在液体中溶解度的概念气体在液相中的溶解度气体在液相中的溶解度 ： 表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。表明一定条件下吸收过程可

11、能达到的极限程度。 2、溶解度曲线、溶解度曲线 气体在液体中的饱和浓度气体在液体中的饱和浓度 *Ac对于单组分物理吸收，由相律知对于单组分物理吸收，由相律知 2fc322322.4.9*( , ,)( , ,)AAAAcf T P pxf T P y在总压不高，在总压不高，P20及及S0.75。 2221mXYmXY 22.4.9讨论：讨论：m、Y1、X2、S一定时：一定时： 122OG22YmXYNYmX(1) 的意义：的意义：反映了反映了A吸收率的高低。吸收率的高低。 (2) 参数参数S的意义：反映了吸收过程推动力的大小，的意义：反映了吸收过程推动力的大小， 其值为平衡线斜率与吸收操作线斜

12、率的比值。其值为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值。 OG2221NSmXYmXY，推动力，推动力一定，一定，2221mXYmXY 22.4.9(3) 对于一固定的吸收塔来说，当对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，已确定时，S值越小，值越小，*22*21YYYY愈大，愈能提高吸收的程度。愈大，愈能提高吸收的程度。 减小减小S增大液气比增大液气比 吸收剂用量增大，能耗吸收剂用量增大，能耗加大，吸收液浓度降低加大，吸收液浓度降低 适宜的适宜的S值：值： 8 . 07 . 0S)1ln(11*11*21AYYYYmVLmVLNOLOGOLNSN(5)(4)22.4.9b）对数平均推动力法对数平均

13、推动力法 吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时 *YYY1212121212121122121212*()(),(*)(*)1YYXXYYVSmLXXYYYYYYYYYYSYYYY故：将上式代入将上式代入 *12*221ln(1)1OGYYNSSSYY22.4.9212121lnYYYYYYNOG12mYYY121122lnOGYYYNYYY简化可得简化可得: 其中：其中： 2121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(YYYYYYYY塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数均值，称为对塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数均值，称为对数平均推动力。

14、数平均推动力。22.4.9注意：注意：1）平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流）平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。吸收皆可。2）平衡线与操作线平行）平衡线与操作线平行时，时，OGN3）当）当 、 时，对数平均推动力可时，对数平均推动力可用算术平均推动力用算术平均推动力 。*22*11*YYYYYY *1121YYYY*2221YYYY 221 YY221 XX22.4.9mOLXXXN212*21*12*21*12121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXmimGYYYN21221122112121ln)()(lniiiiiiiiimYYYYYYYYYYYYYim

15、LXXXN21221122212121ln)()(lnXXXXXXXXXXXXXiiiiiiiiiim同理可导出如下传质单元数的计算式：同理可导出如下传质单元数的计算式：22.4.9例：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有例：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为进料混合气组成为0.04（组分的（组分的Amol分率，下同），出塔尾分率，下同），出塔尾气组成为气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下的，操作条件下的平衡关系

16、为平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比），试求：均为摩尔比），试求：1）L/V为为(L/V)min的多少倍？的多少倍？2）所需填料层高度。）所需填料层高度。3）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？，求此时所需填料层高度为若干米？ 22.4.9解：解：04. 0104. 01Y0417. 00053. 010053. 02Y00533. 00128. 010128. 01X01297. 0 1）L/V为(L/V)min的倍数2121XXYYVL001297. 000533.

17、00417. 0804. 222.4.92121min)(XmYYYVL)1 (12YYm)0417. 000533. 01 (5 . 218. 2286. 1)/()(minVLVL2）所需填料层高度脱吸因数法 )1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 804. 25 . 2892. 022.4.9892. 0000533. 000417. 0)892. 01ln(892. 011OGN11. 5OGOGNHZ11. 55 . 167. 7对数平均推动力法mOGYYYN21mY00533. 00417. 022.4.92121lnYYYYYm*22*11*22*11ln)()(

18、YYYYYYYY0053. 001297. 05 . 20417. 0ln)000533. 0()01297. 05 . 20417. 0( 007117. 0mOGYYYN21007117. 000533. 00417. 011. 522.4.93）尾气浓度下降后所需的填料层高度 尾气浓度 0033. 010033. 02Y00331. 0)1ln(1121SYYSSNOG00331. 00417. 021YY6 .12892. 06 .12)892. 01ln(892. 011OGN52. 7OGOGNHZ52. 75 . 1m28.1122.4.92）平衡线不为直线）平衡线不为直线 图解

19、积分法的图解积分法的步骤步骤如下：如下： 由平衡线和操作线求出若干个点（由平衡线和操作线求出若干个点（Y，YY*）；）；在在Y2到到Y1范围内作范围内作Y 1/（YY*）曲线；）曲线；在在Y2与与Y1之间，之间，Y 1/（YY*）曲线和横坐标所包围的面积）曲线和横坐标所包围的面积为传质单元数。为传质单元数。 当当平衡线为曲线平衡线为曲线时，传质单元数一般用图解积分法求取。时，传质单元数一般用图解积分法求取。 a）图解积分法）图解积分法2022-4-9AA*YY*X【具体方法具体方法】1、分别作出平衡线和操作线；、分别作出平衡线和操作线；2、在、在Y2和和Y1间去若干个间去若干个Y值，读出值，读

20、出相应的推动力相应的推动力Y-Y*；3、计算出个对应的、计算出个对应的1/(Y-Y*)；4、以、以Y为横坐标，为横坐标，1/(Y-Y*)为纵坐标为纵坐标作图（曲线）；作图（曲线）；5、确定由、确定由Y=Y2、Y=Y1与与1/(Y-Y*)=0及及曲线包围的面积。曲线包围的面积。1 2 3 4 5 Y Y-Y* 1/(Y-Y*)22.4.9b）近似梯级法近似梯级法Baker图解法图解法MMM1F1F22.4.9分析梯级分析梯级TF1F 11111/,FFHMFMTM *112HHHMFF在梯级在梯级 T*A*FT中，中，)(21*11*FFTTHH平均推动力平均推动力 FYYYYdY2*mFFYY

21、Y2*1HHFF1 211112*FFFYYYYYYYYdYYYdYYYdY 11OGN22.4.9【例例】在一塔径为在一塔径为0.8m的填料塔内，用清水逆流的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为99.5%。已。已知空气和氨的混合气质量流量为知空气和氨的混合气质量流量为1400kg/h，气体，气体总压为总压为101.3kPa，其中氨的分压为，其中氨的分压为1.333 kPa。若。若实际吸收剂用量为最小用量的实际吸收剂用量为最小用量的1.4倍，操作温度倍，操作温度（293K）下的气液相平衡关系为）下的气液相平衡关系为Y*=0.75X，气相，气相总体

22、积吸收系数为总体积吸收系数为0.088kmol/(m3s)，试求，试求（1）每小时用水量；）每小时用水量；（2）用平均推动力法求出所需填料层高度。）用平均推动力法求出所需填料层高度。 22.4.90132. 03 .101333. 111总ppy0134. 00132. 010132. 01111yyY0000669. 0)995. 01 (0134. 0)1 (12YY（清水）02Xkg/kmol29M）（kmol/h7 .47)0132. 01 (291400G)(5 . 08 . 044222mD【解解】（1）依题意知：）依题意知：因混合气中氨含量很少，故2022-4-92121minX

23、mYYYGLkmol/h)(6 .35075. 00134. 0)0000669. 00134. 0(7 .47)(2121minXmYYYGL据 实际吸收剂用量实际吸收剂用量 L=1.4Lmin=1.435.6=49.8（kmol/h）（2） 据物料衡算物料衡算式：G（Y1Y2）=L（X1X2）0128. 08 .49)0000669. 00134. 0(7 .470)(2121LYYGXX00953. 00128. 075. 075. 01*1XY2022-4-9075. 02*2XY00387. 000953. 00134. 0*111YYY0000669. 000000669. 0*2

24、22YYY000936. 00000669. 000387. 0ln0000669. 000387. 0ln2121mYYYYY24.14000936. 00000669. 00134. 021OGmYYYN)(30. 05 . 0088. 036007 .47OGmaKGHY)(27. 430. 024.14OGOGmHNZ22.4.9（一）问题的提出（一）问题的提出吸收塔操作型计算的典型提法是：吸收塔操作型计算的典型提法是：（1）对一给定吸收塔，在一组工艺条件下，计算该）对一给定吸收塔，在一组工艺条件下，计算该吸收塔的气、液相出口浓度吸收塔的气、液相出口浓度 核算与预测核算与预测（2）或者

25、对一给定吸收塔，寻求改善吸收效果的途）或者对一给定吸收塔，寻求改善吸收效果的途径径调节问题调节问题12XY 、五、吸收的操作型计算五、吸收的操作型计算 22.4.9 前一种提法是吸收结果核算或预测问题，后前一种提法是吸收结果核算或预测问题，后一种提法是吸收塔的调节问题。二者都属于操作一种提法是吸收塔的调节问题。二者都属于操作型计算问题。这种计算的依据仍然是上一讲开始型计算问题。这种计算的依据仍然是上一讲开始提到的方程组，即：提到的方程组，即：)(XfY 12YYyYYdYaKVH22)(XYYLVX操作线方程：操作线方程：相平衡关系：相平衡关系：填料层高度基本方程：填料层高度基本方程：（1）（

26、2）（3）22.4.9 操作型计算属于定解问题，原则上可通过联立操作型计算属于定解问题，原则上可通过联立求解上面方程组得到气、液相出塔浓度求解上面方程组得到气、液相出塔浓度 和和 。但往往由于变量间的非线性关系，难以直接求解，但往往由于变量间的非线性关系，难以直接求解，而采用试差或迭代法求解。对上述第一种提法的问而采用试差或迭代法求解。对上述第一种提法的问题可以按下面的步骤试差或迭代求解。题可以按下面的步骤试差或迭代求解。1X2Y22.4.912YYYYYNOG求H计算2Y重设初值设2Y）用式（11X计算图解或数值法）用式（3比较与已知H合适结束不合适12)()(22YYyYYdYaKVHXf

27、YXYYLVX（1）（2）（3）当然，在有些情况下，由于关系式比较简单，可以直接求解而无需试差。当然，在有些情况下，由于关系式比较简单，可以直接求解而无需试差。22.4.9（二）吸收塔的调节（二）吸收塔的调节 吸收塔的调节是通过改变或保持某些参数，达到改变或吸收塔的调节是通过改变或保持某些参数，达到改变或维持吸收效果的目的。吸收效果往往以吸收率或气相出口浓维持吸收效果的目的。吸收效果往往以吸收率或气相出口浓度表征。度表征。 吸收操作中的气体入塔条件由工艺要求给定，这样为保吸收操作中的气体入塔条件由工艺要求给定，这样为保证气体出口质量（证气体出口质量（ ）要求，只能通过调节入塔吸收剂的有关）要求

28、，只能通过调节入塔吸收剂的有关参数，如流量、温度或浓度等来达到。由于一个完整的吸收参数，如流量、温度或浓度等来达到。由于一个完整的吸收过程往往包括吸收与解吸操作，因而进入吸收塔吸收剂的各过程往往包括吸收与解吸操作，因而进入吸收塔吸收剂的各参数调节是一个需要综合考虑的问题。参数调节是一个需要综合考虑的问题。2Y22.4.9例：某吸收塔在例：某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空气下用清水逆流吸收丙酮空气混合物中的丙酮，操作液气比为混合物中的丙酮，操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达时，丙酮回收率可达95%。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为。已知物系的浓度较低，丙酮

29、在两相间的平衡关系为y=1.18x，吸收过程为气膜控制，总传质系数吸收过程为气膜控制，总传质系数Kya与气体流率的与气体流率的0.8次次方成正比，方成正比，1）今气体流率增加）今气体流率增加20%，而流体及气液进出口组成不变，而流体及气液进出口组成不变，试求：试求：a）丙酮的回收率有何变化？丙酮的回收率有何变化？ b）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？22.4.92）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来95%的提高至的提高至98%，吸收剂用

30、量应增加到原用量的多少倍？吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？思路：思路：1）已知）已知L/V、m、吸收率吸收率脱吸因数法脱吸因数法求求NOGV改变改变HOG变变塔高不变塔高不变求求NOG脱吸因数法脱吸因数法求改变后的吸收率求改变后的吸收率2）V不变不变脱吸因数法脱吸因数法求改变后的求改变后的S求求LNOG不变不变Z不变不变22.4.9解：解：求原有条件下的传质单元数求原有条件下的传质单元数 NOG)1ln(112221SmxymxySSNOG其中：其中： LmVS 1 . 218. 1562. 02221mxymxy21yy)1 (11AyyA1122.4.9当当 %95A时，时， 2095.

31、 0112221mxymxy562. 020)562. 01ln(562. 011OGN097. 51）气体流量增加）气体流量增加20%时的操作效果时的操作效果 aKVHyOGaKVVVVVy8 . 0)/()/(OGHVV2 . 0)(22.4.9OGOGHH04. 12 . 12 . 0OGOGOGOGHNHNOGOGHH04. 1091. 59 . 4VLmS/2 . 1/1 . 228. 1731. 0731. 011)731. 01ln(731. 019 . 4A%91A22.4.9在单位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为：在单位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为： )()(2

32、. 12121yyGyyG)95. 01 ()91. 01 ( 2 . 11111yyyy149. 1 2）当吸收率由）当吸收率由95%提高至提高至98%，由于气体流率没变，因，由于气体流率没变，因此对于气膜控制的吸收过程此对于气膜控制的吸收过程HOG不变，塔高是一定的，故不变，塔高是一定的，故NOG仍为仍为5.097 11)1ln(11097. 5SSSA 22.4.998. 011)1ln(11SSS 用试差法求解用试差法求解 301. 0 S故液气比应提高到：故液气比应提高到： 92. 3301. 018. 1 VL吸收剂用量应增至：吸收剂用量应增至： 1 . 292. 3 LL87.

33、122.4.9六、吸收过程的强化六、吸收过程的强化吸收阻力吸收阻力吸收推动力吸收推动力 AN 提高吸收过程的推动力；提高吸收过程的推动力；目标目标 降低吸收过程的阻力。降低吸收过程的阻力。 22.4.9（2 2）提高吸收剂的流量；）提高吸收剂的流量；2. 2. 降低吸收过程的传质阻力降低吸收过程的传质阻力（1 1）提高流体流动的湍动程度；）提高流体流动的湍动程度；（2 2）改善填料的性能。）改善填料的性能。 （3 3）吸收过程为气膜控制时，降低吸收剂入口温度；）吸收过程为气膜控制时，降低吸收剂入口温度； （4 4）降低吸收剂入口溶质的浓度；）降低吸收剂入口溶质的浓度；（5 5）吸收过程为气膜控制时，提高吸收的压力。）吸收过程为气膜控制时，提高吸收的压力。1. 1. 提高吸收过程的推动力提高吸收过程的推动力（1 1）逆流操作比并流操作的推动力大；）逆流操作比并流操作的推动力大；22.4.9第五章第五章 吸收吸收一、流程一、流程二、计算二、计算第六节第六节 脱吸脱吸22.4.91、流程、流程吸