第二篇第八章吸收

第二篇第八章吸收1第1页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理2/200§8.1吸收的基本概念一、什么是吸收？第2页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理3/200二．吸收的应用吸收操作的用途：(1)制取产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨等。(2)分离混合气体吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。如从焦炉气或城市煤气中分离苯，从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。(3)气体净化一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。第3页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理4/200三．吸收分类液相温度是否明显升高溶质与吸收剂是否发生化学反应按混合气体中被吸收组分的数目分第4页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理5/200§8.2物理吸收一．物理吸收的热力学基础过程发生的方向过程发生的极限过程发生的推动力气液相平衡第5页，课件共69页，创作于2023年2月（一）气－液相平衡和亨利定律1.气－液平衡溶解挥发气相液相动态平衡时：溶质组分在气相中的分压称为平衡分压；在液相中的饱和浓度称为平衡浓度（溶解度）。溶质气、液两相组成的平衡关系如何描述？第6页，课件共69页，创作于2023年2月2.亨利定律在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分压和溶解度成正比，其相平衡曲线是一条通过原点的直线，这一关系称为亨利（henry）定律，即亨利系数，Pa溶解度系数，kmol/（m3Pa）相平衡常数，无量纲小于5×105Pa第7页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理8/200当溶液浓度很低，XA很小第8页，课件共69页，创作于2023年2月（二）相平衡关系在吸收过程中的应用1.判断传质过程的方向吸收解吸第9页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理10/2002.计算相际传质过程的推动力yA2xA2yA1xA1yAxAyAy*AxAx*AA两相实际含量如点A所示平衡线吸收推动力（实际含量与平衡含量的偏离程度）第10页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理11/2003.确定传质过程的极限yA2xA2yA1xA1yAxA相平衡关系限制了溶剂离塔时的最高溶质含量和气体混合物离塔时的最低溶质含量。第11页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理12/200二、物理吸收的动力学基础（一）吸收过程机理溶质由气相主体传递至气液两相界面的气相一侧，即气相内的传递溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传递溶质在相界面的液相一侧传递至液相主体，即液相内的传递第12页，课件共69页，创作于2023年2月（二）双膜理论基本论点：1.相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面。界面两侧分别有一层虚拟的停滞气膜和停滞液膜。溶质分子以稳态的分子扩散连续通过这两层膜。2.在相界面处，气液两相在瞬间就达到平衡，界面上不存在传质阻力。3.在膜层以外，气液两相流体都充分湍动，不存在浓度梯度，没有传质阻力；溶质在每一相中的传质阻力都集中在虚拟的停滞膜内。第13页，课件共69页，创作于2023年2月(三）吸收（传质）速率方程吸收（传质）速率是指单位时间内单位相际传质面积上吸收的溶质的量。吸收传质速率与吸收推动力之间关系的数学表达式称为吸收传质速率方程式。吸收（传质）速率＝吸收（传质）系数×吸收推动力或吸收（传质）速率＝吸收推动力/吸收阻力由于吸收推动力及吸收系数的表达方式及范围不同，吸收传质速率方程式有多种形式。第14页，课件共69页，创作于2023年2月1.气膜吸收（传质）速率方程第15页，课件共69页，创作于2023年2月2.液膜吸收（传质）速率方程第16页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理17/200

从以上的气膜或液膜的吸收速率方程式可以看出：要想计算传质速率，需要知道两相界面的组成，即pi、yi、Yi或ci、xi、Xi及气液相传质系数。但两相界面处溶质的组成很难确定，所以，要想求出传质速率，最好是想办法把界面处溶质的组成消去，正是这一思路，才产生了我们的总传质速率方程。第17页，课件共69页，创作于2023年2月3.总吸收（传质）速率方程推导见书上第18页，课件共69页，创作于2023年2月推导：若气液相平衡符合亨利定律，则有：代入液相传质速率方程式：又气相传质速率方程式：在稳态传质过程中，溶质通过气相的传质速率与通过液相的传质速率恒等，则有：第19页，课件共69页，创作于2023年2月将上式加和消去Yi，得第20页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理21/2001.气膜控制（易溶体系）：

故（四）传质阻力分析第21页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理22/2002.液膜控制（难溶体系）：故第22页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理23/2003.双膜控制：气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，称其为双膜控制。第23页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理24/200

§8.3化学吸收化学吸收过程示意图距离zp或c气相主体液相主体气膜液膜相界面产物M活性组分BcBcMcA,ipA溶质ApA,i反应区一、特点第24页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理25/200二、化学吸收的平衡关系气、液两相之间的相平衡（与溶质气相浓度平衡的是液相中 物理溶解态的溶质浓度）液相中的化学反应平衡假设溶质A与吸收剂或其中一种活性组分B反应，反应的关系式写为：aA+bBmM则反应的化学平衡关系式可写为：K－化学反应平衡常数；[A]－液相中未反应的，以物理溶解态存在的溶质浓度。第25页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理26/200由化学反应平衡关系，得：代入亨利定律：化学吸收时的小于仅有物理吸收时溶质在气相中的平衡分压。溶质与吸收剂和溶质与活性组分反应的不同情形（同学自学）。第26页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理27/200三、化学吸收的传质速率化学吸收的传质模型也以双膜模型为基础，在气相一侧，溶质的传质速率方程与物理吸收过程相同。在气－液两相界面处，溶质的气液两相组成符合平衡关系。但，在夜相一侧，总的来说，化学反应增加了液相一侧的传质推动力或传质系数，使得液相的传质速率增大，从而增大了总传质过程的速率。可以用增大传质推动力或增大传质系数两种方法来表示化学反应的液相传质速率的影响。第27页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理28/200如果认为传质系数不变，传质推动力增加，则如果认为传质推动力不变，传质系数增加，则β－增强系数。第28页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理29/200一、吸收设备工艺简述§8.4吸收设备的主要工艺计算第29页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理30/200吸收设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔的设计型计算。吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需的吸收塔。第30页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理31/200设计计算的主要内容与步骤计算依据：物料衡算、气液相平衡关系和传质速率(1)吸收剂的选择及用量的计算；(2)设备类型的选择；(3)塔径计算；(4)填料层高度的计算；本节重点介绍填料塔的工艺计算。几点假设：①吸收为低浓度等温物理吸收②惰性组分在溶剂中完全不溶解，溶剂在操作条件 下不挥发，惰性气体和吸收剂在整个吸收塔中为常量③气液两相逆向流动第31页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理32/200以逆流操作的填料塔为例：下标“1”代表塔内填料层下底截面，下标“2”代表填料层上顶截面。qnG

—惰性气体B的摩尔流量kmol/s；qnLqnL——纯吸收剂S的摩尔流量kmol/s；Y——溶质A在气相中的比摩尔分数；

X——溶质A在液相中的比摩尔分数。（一）全塔物料衡算

qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2二、填料塔吸收过程的物料衡算与操作线方程第32页，课件共69页，创作于2023年2月进塔气量qnG

和组成Y1是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成X2一般由工艺条件所确定，出塔气体组成Y2则由任务给定的吸收率φ求出qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2第33页，课件共69页，创作于2023年2月（二）操作线方程与操作线同理，若在任一截面与塔顶端面间作溶质A的物料衡算，有(常用）

上两式均称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相组成Y和X之间的关系。（qnL/qnG）称为吸收塔操作的液气比。若取填料层任一截面与塔的塔底端面之间的填料层为物料衡算的控制体，则所得溶质A的物料衡算式为qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2mnYX第34页，课件共69页，创作于2023年2月操作线方程与操作线当qnL/qnG一定，操作线方程在Y-X图上为以液气比qnL/qnG为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点A(X2，Y2)和B(X1，Y1)的直线，称为吸收操作线。YXoY*=f(X)BY1X1X2Y2AYXX*Y*P线上任一点的坐标(X，Y)代表了塔内该截面上气、液两相的组成。操作线上任一点P与平衡线间的垂直距离(Y-Y*)为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离(X*-X)为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。两线间垂直距离（Y-Y*）或水平距离（X*-X）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。Y-Y*X*-X第35页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理36/200三、吸收剂用量的计算

吸收剂用量qnL

或液气比qnL/qnG

在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要的参数。吸收塔的设计计算中，气体处理量qnG，以及进、出塔组成Y1、Y2由设计任务给定，吸收剂入塔组成X2则是由工艺条件决定或设计人员选定。可知吸收剂出塔浓度X1与吸收剂用量qnL

是相互制约的。由全塔物料衡算式

选取的qnL/qnG

，操作线斜率

，操作线与平衡线的距离

，塔内传质推动力

，完成一定分离任务所需塔高

；qnL/qnG

，吸收剂用量

，吸收剂出塔浓度X1

，循环和再生费用

；若qnL/qnG

，吸收剂出塔浓度X1

，塔内传质推动力

，完成相同任务所需塔高

，设备费用

。第36页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理37/200吸收剂用量的确定

不同液气比qnL/qnG下的操作线图直观反映了这一关系。YXoY*=f(X)BY1X1X2Y2AqnL/qnGY-Y*B’X1’(qnL/qnG)’X1,max(qnL/qnG)minC最小液气比(qnL/qnG)min要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量GA=qnG(Y1-Y2)，qnL/qnG的减小是有限的。当qnL/qnG

下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的qnL/qnG称为最小液气比，用(qnL/qnG)min表示，相应的吸收剂用量即为最小溶剂用量，而对应的X1则用X1,max表示第37页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理38/200最小液气比(L/V)min随qnL/qnG

的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平衡线的形状。YXoY*=f(X)Y1X2Y2AX1,max=X1*(qnL/qnG

)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2AX1*CX1,max两线在Y1处相交时，X1,max=X1*；两线在中间某个浓度处相切时，X1,max<X1*。最小液气比的计算式：(qnL/qnG

)min（浓溶液）（稀溶液）第38页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理39/200吸收剂用量的确定

在最小液气比下操作时，在塔的某截面上（塔底或塔内）气、液两相达平衡，传质推动力为零，完成规定传质任务所需的塔高为无穷大。对一定高度的塔而言，在最小液气比下操作则不能达到分离要求。实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设备费用和操作费用两方面因素，按总费用最低的原则来选取。根据生产实践经验，一般取注意：以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足够的传质面积，因此所取吸收剂用量还应不小于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上、单位时间内的液体流量不得小于某一最低允许值。第39页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理40/200四、填料层高度的基本计算填料塔中，气－液传质是在填料层中完成的，填料层的高度实际上是反映了气、液两相在塔内传质时的有效接触面积，为完成气体的吸收任务，必须保证填料层具有一定的高度。填料层高度的计算要以吸收过程的物料平衡、传质速率方程和相平衡关系为基础。第40页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理41/200（一）填料层高度的基本计算式

传质面积：若塔的截面积为

（m2），填料层高度为Z（m），单位体积的填料所提供的有效比表面积为a（m2/m3），则该塔所能提供的传质面积F（m2）为

塔截面积或塔径：主要由与填料的流体力学特性相关的空塔气速决定。塔截面积确定后，求传质面积就转化为求所需的填料层高度。第41页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理42/200此传质量也就是在dh段内溶质A由气相转入液相的量。因此若dh微元段内传质速率为NA，填料提供的传质面积为dA=a

dh，则通过传质面积dA的溶质A的传递量为对填料层中高度为dh的微分段作物料衡算可得溶质A在单位时间内由气相转入液相的量dqn

1.填料层高度的基本计算式

填料塔内气、液组成Y、X和传质推动力

Y（或

X）均随塔高变化，故塔内各截面上的吸收速率也不相同。qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2YXZY+dYdhX+dX第42页，课件共69页，创作于2023年2月将dh微元填料层物料衡算方程和传质速率方程联立，可得到dh的微分方程为：对上两式沿塔高积分得

第43页，课件共69页，创作于2023年2月低浓度气体吸收（y1<10%）因吸收量小，由此引起的塔内温度和流动状况的改变相应也小，吸收过程可视为等温过程，各截面上体积传质系数KYa、KXa沿塔高变化小，可视为常数。填料层高度h的计算式：对高浓度气体，若在塔内吸收的量并不大（如高浓度难溶气体吸收），吸收过程具有低浓度气体吸收的特点，也可按低浓度吸收处理。若在塔内吸收的量大（高浓度易溶）各截面上KYa、KXa沿塔高变化显著，不能视为常数。体积传质系数：实际应用中，常将传质系数与比表面积a的乘积（Kya及KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为kmol/(s.m3)。体积传质系数的物理意义：传质推动力为一个单位时，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。第44页，课件共69页，创作于2023年2月对气相总传质系数和推动力：HOG——气相总传质单元高度，m；NOG——气相总传质单元数，无因次。HOL——液相总传质单元高度，m；NOL——液相总传质单元数，无因次。若令对液相总传质系数和推动力：若令2.传质单元数与传质单元高度

第45页，课件共69页，创作于2023年2月定义传质单元高度和传质单元数来表达填料层高度h，从计算角度而言，并无简便之利，但却有利于对h的计算式进行分析和理解。下面以NOG和HOG为例给予说明。NOG中的dY表示气体通过一微分填料段的气相浓度变化，(Y-Y*）为该微分段的相际传质推动力。如果用(Y-Y*)m表示在某一高度填料层内的传质平均推动力，且气体通过该段填料层的浓度变化(Ya-Yb)恰好等于(Y-Y*)m，即有由h=HOGNOG可知，这段填料层的高度就等于一个气相总传质单元高度HOG。因此，可将NOG看作所需填料层高度h相当于多少个传质单元高度HOG。第46页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理47/200传质单元数与传质单元高度

传质单元数NOG或NOL反映吸收过程的难易程度，其大小取决于分离任务和整个填料层平均推动力大小两个方面。NOG与气相或液相进、出塔的浓度以及物系的平衡关系有关，而与设备形式和设备中气、液两相的流动状况等因素无关。在设备选型前可先计算出过程所需的NOG或NOL。NOG或NOL值大，分离任务艰巨，为避免塔过高应选用传质性能优良的填料。若NOG或NOL值过大，就应重新考虑所选溶剂或液气比是否合理。第47页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理48/200总传质单元高度HOG或HOL则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，代表了吸收塔传质性能的高低，主要与填料的性能和塔中气、液两相的流动状况有关。HOG或HOL值小，表示设备的性能高，完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。用传质单元高度HOG、HOL或传质系数KYa、KXa表征设备的传质性能其实质是相同的。但随气、液流率改变KYa或KXa的值变化较大，一般流率增加，KYa（或KXa）增大。HOG或HOL因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度就较小。一般吸收设备的传质单元高度在0.15~1.5m范围内。传质单元数与传质单元高度

第48页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理49/200

传质单元数的表达式中涉及气相或液相的平衡组成，需要用相平衡关系确定。根据相平衡曲线的不同，传质单元数的计算有不同的方法。以下对平衡关系是直线时的情况进行讨论。（二）传质单元数的计算

第49页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理50/2001.对数平均推动力法设平衡线段方程为逆流吸收操作线方程为上两式相减得取微分第50页，课件共69页，创作于2023年2月以气相为基准的全塔的对数平均传质推动力上式说明了NOG的含意：对低浓度气体吸收是以全塔的对数平均推动力Ym作为度量单位，量衡完成分离任务（Y1-Y2）所需的传质单元高度的数目。若分离程度（Y1-Y2）大或平均推动力Ym小，NOG值就大，所需的填料层就高。对数平均推动力法第51页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理52/200同理，可以求得液相总传质单元数为：由以上表示可知，传质单元数为塔底和塔顶的组成与塔底和塔顶的传质推动力对数平均值之比。第52页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理53/200令S=qnL/(mqnG)即吸收因子代入NOG定义式并积分2.吸收因子法

（当S≠1时）第53页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理54/200为了计算方便，将此式绘制成以1/S为参数的曲线图吸收因子qnL/(mqnG)是操作线斜率与平衡线斜率的比值。S值越大，两线相距越远，传质推动力越大，越有利于吸收过程，NOG越小。S的倒数

(mqnG)/qnL

称为解吸因子，其值越大，对吸收越不利，由图可知，NOG越大。吸收因子法

1/S第54页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理55/200当用（X*-X）作传质推动力时，对平衡线为直线的情况，用完全类似的方法可导出与NOG计算式并列的NOL计算式第55页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理56/200补充1：平衡线为曲线时传质单元数的计算当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通常可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数。图解积分法图解积分法的关键在于找到若干点与积分变量Y相对应的被积函数的值。其步骤为(1)在操作线和平衡线上得若干组与Y相应的值1/(Y-Y*)；YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X第56页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理57/200图解积分法(2)在Y1到Y2的范围内作Y~f(Y)曲线；YoY1Y21/(Y-Y*)(3)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数NOG第57页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理58/200数值积分法将积分区间(Y1,Y2)等分为n个子区间=(Y1-Y2)/n，采用直观易行的复化梯形公式对函数曲线f(Y)=1/(Y-Y*)求积分值该式具有n+1

次代数精度，因此n的取值大些，计算精度会更高。一般情况下取n=10~12

已经可以满足工程计算的精度要求。YoY1Y21/(Y-Y*)

Y2+

第58页，课件共69页，创作于2023年2月四川农业大学本科生课程环工原理59/200例1：在一逆流操作的吸收培中用清水吸收氨－空气混合物中的氨，混合气流量为0.025mol/s，入塔混合气中氨的摩尔分数为0.02，出塔尾气中含氨摩尔分数为0.001。吸收塔操作时总压为101.3kPa，温度为293K。在操作温度范围内，氨水系统的相平衡方程为Y＝1.2X，总传质系数KYa为0.0522kmol/(m2·s)。若塔径为1m，实际液气比为最小液气比的1.2倍，计算所需的塔高为多少米?设计型计算举例第59页，课件共69页，创作于2023年2月解