化工第三章 吸收.ppt

1、吸收,可利用气体混合物中各组分在吸收剂中的溶解度不同 吸收剂 吸收质,气体混合物如何分离?,吸收目的 吸收气体混合物中的有用物质。如用洗油吸收炼焦煤气中的苯。, 吸收气体中的有害成分，使气体净化。如吸收工业废气中的SO2、H2S等,物理吸收和化学吸收 （1）物理吸收：吸收质与吸收剂不发生明显化学反应，如洗油吸收苯，水吸收CO2、SO2等。 过程极限：吸收质在吸收剂中的溶解度。,（2）化学吸收：吸收质与吸收剂发生化学反应。过程极限是反应的化学平衡。 如用K2CO3水溶液吸收CO2，在液相中发生反应： K2CO3+CO2+H2O = 2KHCO3,吸收剂的选择 （1）具备较高选择性，即对被分离组分

2、溶解度较大,（2）蒸气压低，不易挥发，以减少吸收剂在过程中的损失，避免在气体中引入新的杂质。,（3）粘度较低，以实现吸收塔内良好的气液接触。 （4）价廉、易再生、无毒等。,1. 气液相平衡（吸收过程的极限）：亨利定律,本章线索,2. 吸收速率 双膜理论 分吸收速率方程 总吸收速率方程 确定过程控制步骤,3. 填料塔计算 物料衡算 操作线方程 计算传质单元高度、传质单元数 4. 填料塔： 填料 操作（载点、泛点）,1 气液相平衡,1.1 亨利定律 1802年，英国亨利发现 对于稀溶液，在一定温度下，当气液达到平衡时，液相中吸收质浓度与其气相分压成正比。,气液组成用不同单位表示时，有4种形式 ：,

3、PA*: 吸收质平衡分压，Pa xA: 溶液中吸收质摩尔分数 E: 亨利系数，Pa,气相组成用分压表示很直观,（1）溶液中吸收质摩尔分数x表示,（2）溶液中吸收质摩尔浓度c表示,H：溶解度系数,m：相平衡常数，无因次。有时给出亨利常数，须进行换算。,（3）吸收质在两相中摩尔分数表示,吸收中，吸收质进入液相，气相和液相的总量随之变化，使计算很复杂，如何简化？ 气相中惰性组分、液相中吸收剂的量不变，可作基准,（4）吸收质在两相中摩尔比表示,X：每摩尔吸收剂溶解的吸收质的物质的量：,代入,X值很小时,摩尔比：吸收质的量与惰性组分量或吸收剂量之比 Y：每摩尔惰性气体中所带的吸收质的量：,亨利系数 E

4、很大时，（如 10 9 Pa量级）,溶解度很小。如 H2、O2、CO,E 在107 Pa左右，溶解度中等，如 CO2、Cl2、H2S,E 值小时，溶解度很大，如NH3、HCl 附录P273,1.2 根据E值、H值判断气体溶解度大小,在相同分压下，E与xA成反比，H与CA成正比。,例含氨.的氨空气混合气m3，用水吸收至混合气中含氨.，求氨被吸收的体积数。,吸收前氨为 m3，设氨被吸收的体积数为V,V=15.8 m3,按摩尔比计算,Y1= 0.20/0.80 = 0.25, Y2= 0.05/0.95 = 0.053,氨被吸收的体积数: 80(Y1-Y2) = 15.8 m3,吸收中，吸收质从气相

5、传递到液相，称为相际传质。,2. 吸收速率,包括三个步骤： （）吸收质由气相主体向界面传质 （）界面上吸收质的溶解 （）吸收质由气液界面向液相传质 三个过程串联而成,气液对流，过程复杂。1923年，美国W. K. Lewis 和 W. Whitman提出双膜模型，以推导相际传质速率。,（）气相或液相主体内，流体高度湍动混合均匀，不存在浓度差。,2.1 双膜模型,（）气液相界面两侧，各存在一层作层流流动的气膜和液膜，厚度分别为和。 所有浓度差集中于有效气膜和液膜内，有效膜中的传质是分子扩散。,（）相界面上不存在传质阻力，界面上气、液两相浓度成平衡，对稀溶液,该模型的类比？,有效膜内的分子扩散速率

6、如何表示？,界面处分压和浓度特点？,N ：传质速率，单位时间传递物质的量mol s-1 A ：相际接触面积，m2 ：扩散距离，即膜层厚度，m c ：吸收质浓度，mol m-3 D：扩散系数，m2 s-1,2.2 分子扩散定律,该定律的类比？,溶质在静止或层流流体中的扩散，用费克定律表示 ：,D 物理意义 浓度差为1 molm-3，扩散距离为1 m，面积为1 m2，1 s 时间所扩散的物质的量。单位： m2s -1,扩散系数是物质的物理性质之一，在传质中的作用与传热中导热系数类似，但比导热系数更复杂：,一种物质的扩散总是相对于其他物质而言，所以至少涉及两种物质，同一组分在不同混合物中的扩散系数是

7、不一样的；扩散系数还与体系的温度、总压或浓度有关。 P272,定态下，积分：,对于理想气体，因为,所以,Fick定律用气体分压表示为,假定：pA1 pA2 pB1 pB2 pA1+ pB1= pA2 + pB2 =P0,总压P0相同，联通管内任一截面单位时间向右传递的A分子的量与向左传递B分子的量相等,（1）等分子反向扩散,NA= - NB,根据Fick定律，得,吸收时，惰性气体B不溶解于溶剂, A通过B扩散，在界面处A被液体吸收，界面处气体总压降低，使气相主体与界面之间产生微小压差，使混合气体向界面流动，称主体流动。,（2）通过停滞组分的扩散,主体流动使A传递速率增加。故扩散速率应加校正系数

8、 p0/pB,吸收质含量很小时，pB p0,p0/pB 漂流因子，反映主体流动对A传质速率的促进作用,p0为总压，pB为惰性气体平均分压,Stephan定律,根据双膜理论和Stephan定律，推出吸收速率方程,2.2 吸收速率方程,对于气膜，取dA微元,2.2.1 分吸收速率方程,将P、Pi 代入,kg: 气膜吸收系数 1/kg: 气膜吸收阻力,对于液膜,kl: 液膜吸收系数,分吸收速率方程特点： 将主体浓度和界面浓度之差作为传质推动力，将影响对流传质的众多因素包括在气膜（或液膜）传质系数中。,在连续定态下:,如何直观表示吸收过程?,（1）A表示浓度c的溶液与分压p的气体接触，与p平衡的溶液浓

9、度为c*，因c c*，所以吸收进行。,实际中界面分压和界面浓度很难实验测定，只知道主体分压和主体浓度，如何解决？,（2） I代表界面处浓度和分压，p-pi为气膜推动力，ci - c代表液膜推动力,（3）-kl/kg为AI线的斜率。 已知A点和斜率，可得界面分压和浓度,（1） 气相总吸收速率方程,2.2.2 总吸收速率方程,因为,液相分吸收速率项的分子、分母同除以H，得,p* 代表什么？,与液相主体浓度c平衡的分压 p*= c/H,KG ：气相总传质系数； 1/KG ：气相总吸收阻力,肺泡气中O2分压大于肺毛细血管O2 分压, O2进入血管； 肺泡气中CO2 的分压小于肺毛细血管CO2 的分压,

10、 CO2进入肺泡,KL：液相总吸收系数,（2）液相总吸收速率方程,c* 指什么？,与气相主体中分压p平衡的液相浓度 p=c*/H,同理可得：,吸收质溶解度较大时，如氨-水、氯化氢-水，H较大。液膜阻力小，可忽略,吸收阻力以气膜阻力为主，过程为气膜传质控制，应增加气相流速，使气膜厚度降低。,因为,吸收过程控制步骤,吸收质溶解度很小时，如氧-水、氢-水、氯-水、二氧化碳-水，H值小，气膜阻力可忽略：,过程为液膜传质控制。欲提高传质速率，需提高液膜吸收分系数，如提高液相湍动程度，使液膜厚度降低,中等溶解度的气体，气膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高总吸收系数，须同时增大气相和液相的湍动,（3） 摩尔

11、比表示的总吸收速率方程,吸收速率方程式的各种形式,dA,dA,设填料塔中惰性组分摩尔流量qv，吸收剂摩尔流量qL 在塔底截面和塔内任一截面之间进行物料衡算，连续定态下：,3.1 物料衡算：操作线方程,3. 填料吸收塔的计算,塔底为1截面,吸收质流入量= 吸收质流出量,Y与X分别是塔内任一截面气、液两相组成，体现了操作关系，称吸收操作线方程。根据质量守恒得到，与平衡关系、吸收速率、塔型、相际接触情况、温度、压强无直接关系,对全塔进行物料衡算，得到：,液气比：吸收剂和惰性组分摩尔流量比,如何直观表示？,含义：气相中吸收质减少量等于液相中吸收质增加的量,线上任一点M代表塔内某一截面上气、液两相的组成

12、 。液气比为该线斜率。,M与平衡线之间距离( Y-Y* )或(X*-X)代表总推动力。塔内推动力变化规律由操作线与平衡线共同决定。,塔顶,塔底,Y1、Y2 、qV 、X2由工艺要求确定。 qL / qV 越大， 吸收剂出口浓度X1越小，推动力越大，所需塔高降低。 但量大而浓度低的吸收剂的再生费用增加。,最小液气比 操作线斜率减小到与平衡线相交或相切时， X1 最大, 塔底气液达到平衡。 接近塔底时推动力很小，传质面积（塔高）很大才能保证一定吸收速率，即需无穷大高塔才能得到X1浓度,X1*如何求？ 服从亨利定律时由Y1 = m X1*得：,生产中可采用最小液气比，但不能达到X1。常为最小液气比的

13、120 -125%,例 焙烧炉气体组成SO2 0.09，O2 0.09，N2 0.82。清水在20和常压下吸收，处理气量1 m3s-1，SO2回收率95%，液气比为最小液气比的120%，求吸收所得溶液浓度和吸收用水量。,（1）求最小液气比 求塔底和塔顶组成： Y1 = 0.09/（1-0.09）= 0.099 Y2 = 0.099 ( 1-0.95 ) = 0.00495 X2=0 X1* = 0.00318 (由Y1在平衡线上查得）,（2）求实际液气比和吸收液浓度X1 实际液气比 = 最小液气比120%,吸收液出口浓度 X1 = 0.00265 （3）求实际用水量 惰性组分摩尔流量,由实际液

14、气比和qv，求得实际用水量qL,操作线方程：用来计算吸收剂用量和吸收液浓度，由操作线与平衡线之间的关系求推动力,填料塔中，气液逆流接触，填料作用是提供气液接触面积。 填料层高度如何求？,根据吸收速率方程，计算所需传质面积，可确定填料层高度。,3.2 填料层高度,在填料塔内气液浓度不断变化，取任一微元，微元内吸收速率（以气相推动力表示）为：,微元内气相中吸收质含量变化为：,qV为惰性气体摩尔流量,连续定态下，全塔积分：,传质单元高度,传质单元数,a: 有效传质面积/体积,微元内吸收速率以液相推动力表示,全塔积分：,将塔高写成传质单元高度、传质单元数的乘积，只是变量的分离和合并，并无实质变化，有何

15、意义？,微元内液相中吸收质含量变化为：,（1）传质单元数,吸收剂用量大，吸收液出口浓度X低，与X平衡的Y*降低，推动力大，传质单元数减少。,无因次，只与物系相平衡和进、出口浓度有关，与设备型式和操作条件（如流速）无关，反映了分离任务的难易。,（2）传质单元高度,KY大，填料有效比表面积a大，hG 小,传质单元高度的值约为0.51.5m，该值越小，设备吸收效能越高，具体数值需实验测定 在填料塔设计时，如果发现传质单元数较大，则可选用传质单元高度小的填料，以降低填料层高度。,因次L，与设备型式（A0）、操作条件（KY）有关，吸收设备效能的反映。,（3） 传质单元数的计算,图解积分法,适用于各种气液

16、平衡关系 根据定积分的几何意义，以Y对1/(Y-Y*)作图，在Y1至Y2范围内， 1/(Y-Y*)曲线下面积为传质单元数。,传质推动力（Y-Y*）取全塔平均推动力Ym ：塔顶、塔底推动力的对数平均值,解析法,适于气液平衡服从亨利定律的体系，即平衡线为直线,计算时先画出该图,以液相推动力表示：,Xm：全塔平均推动力,例 气体组成为乙醇 0.01，其余为惰气。用回收水在40和常压下吸收， 回收水含乙醇x = 0.0001，乙醇回收率90%，水用量为最小液气比的1.4 倍，气液平衡关系Y=1.068X，求吸收所需传质单元数,解析法求解，需知Y1，Y2 ，Y1*，Y2*，需先求X1，X2 （1）先求塔

17、底和塔顶组成 Y1 = 0.01/（1-0.01）= 0.0101 Y2 = 0.0101 ( 1-0.9 ) = 0.0010 X2=0.0001/(1-0.0001)=0.0001 X1* = 0.0101/1.068 Y2*=1.068X2 = 0.00011,实际液气比 = 最小液气比1.4,吸收液出口浓度 X1 = 0.00745 Y1* = 1.0680.00745=0.00796,传质单元数 nG=（Y1-Y2）/Ym = 6.4,（2）求最小液气比、液气比、X1,传质系数KY可用准数关联式计算,（4) 传质单元高度的计算,湿壁塔吸收关联式,填料塔吸收关联式（5-31，5-32，

18、5-33),Sh： Sherwood数 (Sh=kD/d) Sc：Schmit数(Sc=/D),3.3 Colburh三传类似律,三传在过程机理中有很多类似之处，流体形态对传递过程有重要作用。例如，流体主体处于湍流，传递阻力主要来自层流内层,传质j 因子,（1）传质：湿壁塔吸收关联式,（2）传热：流体湍流经过圆管对流传热关联式,Pr指数常取0.3,传热j 因子,（3）流动：流体湍流经过圆管的沿程阻力系数f定义为 摩擦系数的1/4,动量传递j 因子,在其他情况下，三传间也存在类似关系。通过颗粒床层的传热和传质类似,柯尔本公式,4. 填料塔,特点 气液逆流通过填料层的空隙，在填料表面上，气液接触传

19、质。 在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 塔径小于1米时，只能用填料塔,4.1 填料塔的结构,（1）塔底：气体分布装置 （2）底部：填料支承板 （3）填料：乱堆或整砌 （4）填料压板：防填料被上升气流吹动。 （5）塔顶：液体分布器,（6）液体再分布器 塔中心填料堆放密度比塔壁附近大，使中心区阻力较大。因此，液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，称为壁流效应。 当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布器。,4.2 填料 对填料有何要求？,（1）操作中有部分填料表面不被润湿 （2）有的填料表面虽润湿，但液流不畅，有停滞现象，与气体接触时间长，气液趋于平衡态，几乎不构成有效

20、传质区。所以，应区分比表面积、有效传质比表面积。,空隙率 单位体积填料层具有的空隙体积，m2/m3，与填料结构以及装填方式有关。该值大，气体通过填料层的阻力小。,比表面积 单位体积填料层具有的表面积，m2/m3。,拉西环(Raschig ring) 高度与外径之比为1的短管。易于制造，强度好。在塔内直立时，内，外表面都是气、液传质表面，且气流阻力小，但当其横卧或呈倾斜状时，填料部分内表面不能成为有效的气液传质区，而且使气流阻力增大。,鲍尔环(Pall ring) 1948年出现，在拉西环壁面开两层矩形孔，只切开三条边，留下一边仍与填料壁相连，并把切开的部份推到填料圈内侧。 不论填料在塔内置于什

21、么方位，流体均可通过填料，填料内、外壁面均成为有效传质区域。但易形成线接触,阶梯环 结构与鲍尔环相近，但是截短型，在环的一侧底端做成喇叭口形状，以增加填料间点接触的机会。与鲍尔环相比，生产能力可提高，气体阻力可降低，是短管形填料中较好的一种。,鞍形填料 不同于短管形填料，特点是不分内、外表面，整个填料表面由各种曲面组成，填料在塔内任意方位均可使流体顺畅流过。1931年出现弧鞍形填料。 1950年出现矩鞍形，两个矩鞍形填料不论以何种方式接触都不会叠合，当前应用较多。,波纹整砌填料 冲压出45度斜波纹槽的薄板。薄板高度通常为4060mm。若干板片平行组合，但相邻薄板的波纹倾斜方向相反。上下相邻的填

22、料组合体，波纹板走向互呈90度交错。,气流阻力小，允许操作气速较大，故处理能力大。,空塔气速（空速） 气体以一定流量流过填料层时，按塔横截面积计算的气速 v = Q / A,4.3 填料塔的流体力学性能,持液量 在一定操作条件下，单位体积填料层内所附有的液体体积，m3液体/m3填料。,填料层的压降 干填料时，因气体在填料层呈湍流。,p v1.8.0,在一定的液体喷淋量下，压降随空塔气速的变化可分为三段：,（1）气速较低时，气体向上流动对液体的曳力很小，填料表面液膜厚度基本不变，填料层持液量不变，该区称为恒持液量区。 因为液膜有一定厚度，使气体流道变小，故与干填料相比， 气速增加，lgp-lgv与干填料时的直线平行，但高于干填料时的直线，如图A点以下线段。,p v1.8.0,（2）气速超过A点时，气体对液膜的曳力较大，对液膜流动产生阻滞作用，液膜增厚，持液量随气速的增加而增大，此现象称为拦液。开始发生拦液时的空塔气速，称为载点气速，点A称为载点。 液膜增厚使气体通道变窄，气速增大，p随v的增加而较快增长。,持液量增多，液相由分散相变为连续相，而气相由连续相变