化工原理吸收

1、第六章第六章 吸收吸收6.1 概述6.2 氣液相平衡6.3 傳質(zhì)機理與吸收速率方程式6.4 吸收塔的計算6.5 解吸6.6 吸收設(shè)備本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容 6.1 概述概述 一、吸收原理一、吸收原理 溶解度溶解度 溶質(zhì)溶質(zhì)/載體載體/吸收劑吸收劑二、吸收的目的與作用二、吸收的目的與作用 回收或捕獲氣體混合物中的有用組分，制取產(chǎn)品； 凈化氣體混合物，除去工藝氣體中有害組分或達(dá)到環(huán)保目的。三、吸收分類三、吸收分類 單組分吸收單組分吸收、多組分吸收；、多組分吸收； 化學(xué)吸收、化學(xué)吸收、物理吸收物理吸收； 等溫吸收等溫吸收、非等溫吸收、非等溫吸收低濃度氣體混合物的單組分等溫物理吸收。低濃度氣體混合物

2、的單組分等溫物理吸收。四、吸收設(shè)備與流程四、吸收設(shè)備與流程煤氣化煤氣化氣體凈化氣體凈化合成合成 拷膠液脫硫拷膠液脫硫CO轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化碳丙液脫除碳丙液脫除CO2 銅氨液脫除微量銅氨液脫除微量CO、O2 、H2S半水煤氣半水煤氣H2 38.1%N2 21.7%CO 30.8%CO2 8.1%CH4 0.4%O2 0.4%H2S 1000 mg/m3 1500mg/m3 合成氨工藝合成氨工藝閃蒸塔閃蒸塔吸收塔吸收塔洗滌塔洗滌塔解吸塔解吸塔凈化氣凈化氣碳酸丙烯酯碳酸丙烯酯變換氣變換氣冷卻器冷卻器CO2洗洗滌滌塔塔 較高的溶解度較高的溶解度 較好的選擇性較好的選擇性 較低的蒸汽壓較低的蒸汽壓 較好的化學(xué)穩(wěn)定

3、性較好的化學(xué)穩(wěn)定性 容易再生容易再生 A+B B(A) S(A)S+A?A能否全部轉(zhuǎn)能否全部轉(zhuǎn)移到溶劑移到溶劑S中？中？一、相組成的表示法一、相組成的表示法1. 摩爾濃度摩爾濃度AA(AmolncV溶質(zhì) 的數(shù)）（混合氣體或溶液的體積）2.摩爾比摩爾比ASnXnABnYn3.摩爾分率摩爾分率6.2氣液相平衡氣液相平衡二、氣體在液相中的溶解度二、氣體在液相中的溶解度1. 溶解度的定義：溶解度的定義： T，p一定時，氣液兩相處于平衡狀態(tài)時，一定時，氣液兩相處于平衡狀態(tài)時，溶質(zhì)在液相中的含量稱為溶解度。溶質(zhì)在液相中的含量稱為溶解度。2. 平衡濃度（飽和濃度）平衡濃度（飽和濃度）/平衡分壓（飽和分壓）平

4、衡分壓（飽和分壓）3.溶解度曲線溶解度曲線加壓降溫利于吸收，減壓升溫利于解吸加壓降溫利于吸收，減壓升溫利于解吸三、三、亨利定律亨利定律 1. 內(nèi)容：內(nèi)容： 一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)成正比。衡分壓與液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)成正比。2. 表達(dá)式：表達(dá)式：*pEx4. E、H、m的關(guān)系的關(guān)系*cpH*ymxEmPssHE M3. 其它形式其它形式四、相平衡與吸收過程關(guān)系四、相平衡與吸收過程關(guān)系 1. 判別吸收過程的方向判別吸收過程的方向*0.94yxy=0.1x=0.05yxoy*=f(x)Pyxy*x*吸收吸收yxoy*=f(

5、x)Q(x,y)yxy*x*解吸解吸x2y2min=y*=mx2x1max=x*=y1/my1x1y22. 判別吸收過程的極限判別吸收過程的極限x2y1x1y23. 計算吸收過程的推動力計算吸收過程的推動力yxyxoy*=f(x)Pyxy*x*吸收吸收6.3傳質(zhì)機理與吸收速率方程式氣相主體氣相主體兩相界面兩相界面兩相界面兩相界面液相主體液相主體傳質(zhì)傳質(zhì)溶解溶解傳質(zhì)傳質(zhì)界面界面氣相氣相主體主體組分組分組分組分液相液相主體主體分子擴散分子擴散：依靠分子的無規(guī)則熱運動，主要發(fā)生在依靠分子的無規(guī)則熱運動，主要發(fā)生在靜止或靜止或 層流流體中。層流流體中。 渦流擴散渦流擴散：依靠流體質(zhì)點的湍動和旋渦而傳遞

6、物質(zhì)，依靠流體質(zhì)點的湍動和旋渦而傳遞物質(zhì)，主要發(fā)生在湍流流體中。主要發(fā)生在湍流流體中。 物質(zhì)在單相中的物質(zhì)在單相中的傳遞傳遞 A BAB A BAB6.3.1雙組分混合物中的分子擴散雙組分混合物中的分子擴散一、分子擴散與一、分子擴散與Fick定律定律在一相內(nèi)部存在濃度差的情況下，由于分子在一相內(nèi)部存在濃度差的情況下，由于分子的無規(guī)則運動而導(dǎo)致的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。的無規(guī)則運動而導(dǎo)致的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。 Fick定律定律 AAABddcJDZABAAddDpJRTZ 氣相主體氣相主體, pA Z界面界面, pAi二、二、 等分子反向擴散等分子反向擴散AAA1A2A1A2()()DDNJppccRTZZ P

7、pA1pB1Z1PpB2pA2Z2AAAddddcpDJDZRTZ （組分（組分A通過靜止組分通過靜止組分B的擴散）的擴散） P總壓總壓P界面界面pB,i氣氣相相主主體體 液相液相NBMNAMJBJA0pA,ipBpAZ分子擴散總體流動漂流因子三、單向擴散三、單向擴散液相中的穩(wěn)定分子擴散液相中的穩(wěn)定分子擴散AA1A2BmDCNccZ c四、分子擴散系數(shù)四、分子擴散系數(shù) 物性常數(shù) 影響因素 獲取途徑 實驗測得； 手冊查得； 采用經(jīng)驗半經(jīng)驗公式估算。6.3.2 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì) 對流傳質(zhì)對流傳質(zhì) 有效層流膜層有效層流膜層6.3.3 吸收機理吸收機理 雙膜理論雙膜理論 相界面兩側(cè)分別存在有效相界面兩

8、側(cè)分別存在有效層流膜層；層流膜層； 相界面上氣液兩相互成平相界面上氣液兩相互成平衡；衡； 濃度梯度全部集中在兩個濃度梯度全部集中在兩個膜層內(nèi)。膜層內(nèi)。6.3.4 吸收速率方程吸收速率方程吸收速率：吸收速率：單位時間內(nèi)在單位面積上被吸收的溶質(zhì)量。單位時間內(nèi)在單位面積上被吸收的溶質(zhì)量。吸收速率方程：吸收速率方程：吸收速率與吸收推動力關(guān)系的數(shù)學(xué)式。吸收速率與吸收推動力關(guān)系的數(shù)學(xué)式。 推動力速率阻力吸收推動力吸收速率吸收系數(shù) 吸收推動力吸收阻力AiGBm()DPNppRTZpiAGiG()1ppNkppk1. 氣相傳質(zhì)速率方程式氣相傳質(zhì)速率方程式GGBmDPkRTZ p令iALiL()1ccNkcck

9、 2. 液相傳質(zhì)速率方程式液相傳質(zhì)速率方程式AiLBm()D CNccZ cLLBmD CkZ c令A(yù)GiLi()()NkppkcciLiGppkcck 0 c ci液相濃度液相濃度D(c,p)(ci, pi) p=f(c) p pi氣氣相相分分壓壓3. 界面濃度界面濃度 吸收過程的總推動力可采用一相主體濃度與另一吸收過程的總推動力可采用一相主體濃度與另一相平衡濃度的差值來表示。相平衡濃度的差值來表示。(1) 以（以（p-p*）表示總推動力）表示總推動力pi=ci/Hp*=c/H 液相吸收速率方程液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-p*)氣相吸收速率方程氣相吸收速率方程N

10、A=kG(p-pi)*ALG11()NppHkk4. 總吸收速率方程總吸收速率方程令令GLG111KHkkKG氣相總吸收系數(shù)氣相總吸收系數(shù)(mol/(m2sPa)。NA=KG(p-p*)什么是什么是“氣膜控制氣膜控制”？(2)以（以（c*-c）表示總推動力）表示總推動力ALG11()*NppHkk*ALG11()ccNHkkHH*ALG1()HNcckkLLG11HKkk令令代入代入NA=KL(c*-c)KL液相總吸收系數(shù)（液相總吸收系數(shù)（m/s）。）。什么是什么是“液膜控制液膜控制” ？(3) 以（以（Y-Y*）表示總推動力）表示總推動力分壓定律：分壓定律：p=PyY=y/(1-y)y=Y/

11、(1+Y) 1YpPY*1YpPY 同理同理NA=KG(p-p*)*GAY*()()(1)(1)K PNYYKYYYY當(dāng)吸收質(zhì)在氣相中的濃度很小時當(dāng)吸收質(zhì)在氣相中的濃度很小時KY PKG(4) 以（以（X*-X）表示傳質(zhì)總推動力）表示傳質(zhì)總推動力*LA*()(1)(1)K CNXXXX*AX()NKXX當(dāng)吸收質(zhì)濃度在液相中很小時，當(dāng)吸收質(zhì)濃度在液相中很小時，LX*(1)(1)K CKXX令令 KX CKL吸收速率方程式吸收速率方程式單相傳質(zhì)速率方程式總吸收速率方程式單相傳質(zhì)系數(shù)一相主體濃度與界面濃度差值總吸收系數(shù)一相主體濃度與另一相平衡濃度差值6.4 吸收塔的計算吸收塔的計算設(shè)計型計算設(shè)計型計

12、算操作型計算操作型計算設(shè)計計算的主要內(nèi)容與步驟設(shè)計計算的主要內(nèi)容與步驟: : 計算依據(jù)：物料衡算、平衡關(guān)系和傳質(zhì)速率計算依據(jù)：物料衡算、平衡關(guān)系和傳質(zhì)速率(1) 吸收劑的選擇及用量的計算；吸收劑的選擇及用量的計算；(2) 設(shè)備類型的選擇；設(shè)備類型的選擇；(3) 塔徑計算；塔徑計算；(4) 填料層高度或塔板數(shù)的計算；填料層高度或塔板數(shù)的計算；(5) 塔的流體力學(xué)計算及校核；塔的流體力學(xué)計算及校核；(6) 塔的附件設(shè)計。塔的附件設(shè)計。 板式塔板式塔填料塔填料塔低濃度氣體吸收低濃度氣體吸收 假定：假定：（1）氣液兩相摩爾流率不變）氣液兩相摩爾流率不變（2）等溫吸收）等溫吸收（3）傳質(zhì)系數(shù)為常量）傳質(zhì)

13、系數(shù)為常量V, Y2V, Y1L, X1L, X2濃端濃端稀端稀端6.4.1 吸收塔的物料衡算與操作線方程吸收塔的物料衡算與操作線方程1221VYLXVYLXA1212()()GV YYL XXGA A 吸收塔的傳質(zhì)負(fù)荷吸收塔的傳質(zhì)負(fù)荷分離要求：分離要求：(1)(1)Y2(2)(2)回收率回收率122111YYYYY 二、操作線方程與操作線二、操作線方程與操作線V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, Xnm操作線方程與操作線操作線方程與操作線YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PX*-XY-Y*斜率斜率L/V斜率斜率L/V并流操作線方程并流操作線方程12LLYXY

14、XVV 并流操作線？并流操作線？為何一般采用逆流？為何一般采用逆流？V, Y1V, Y2L, X1L, X2V, YL, Xnm三、吸收塔內(nèi)流向的選擇三、吸收塔內(nèi)流向的選擇 YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X斜率斜率-L/VY YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PX*-XY-Y*斜率斜率L/V類比：對流傳熱兩流體并、逆流時傳熱推動力YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BAX1X1,max(L/V)minCDX1A6.4.2 吸收劑的用量與最小液氣比吸收劑的用量與最小液氣比1221VYLXVYLX最小液氣比最小液氣比(L/V )minYXo

15、Y*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minC(1) 平衡線為凹形平衡線為凹形(2) 平衡線為凸形平衡線為凸形YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max12min12YYLVYXm12min12()YYLYVXm氣液相組成符合亨利定律氣液相組成符合亨利定律吸收劑用量的確定吸收劑用量的確定 min1.1 2.0LLmin0 . 21 . 1VLVL？AdddGV YL X高度為 dZ 的微元填料層一、填料層高度的基本計算式一、填料層高度的基本計算式 NA取為定值NA=KY(YY*）NA=KX(X*X） *AYdddGV YKYYaZ*AXdddGL XKXX a

16、Z6.4.3 填料層高度的計算填料層高度的計算 AAAd=d =(d)GNA NaZ12*YdYYVYZK aYY12*XdXXLXZK aXX填料層高度的基本計算式填料層高度的基本計算式 Y*ddK aYZYYVX*ddK aXZXXL低濃度氣體沿塔高積分KYa 及 KXa體積吸收系數(shù)(或體積傳質(zhì)系數(shù)), kmol/(sm3)。物理意義：在推動力為一個單位的情況下，單位時間、單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。二、二、傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元高度對氣相總傳質(zhì)系數(shù)和推動力：NOG 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。 OGYVHK a12OG*dYYYNYYOGOGZHN12*YdYYVY

17、ZK aYYHOG 氣相總傳質(zhì)單元高度（m）；OLXLHK a12OL*dXXXNXXOLOLZHN對液相總傳質(zhì)系數(shù)和推動力：12*XdXXLXZK aXX填料層高度傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)GGZH NGYVHk a12GidYYYNYYLLZH NLXLHk a12LidXXXNXX傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)12OG*d1YYYNYY1212OG*md1YYYYYNYYYY令 Z=HOG傳質(zhì)單元高度的大小由過程條件決定。傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過程的難易程度。一、圖解積分法和數(shù)值積分法 傳質(zhì)單元數(shù)的求法傳質(zhì)單元數(shù)的求法Y1Y2*1YY 12 OG* dYYYNYY1. 脫吸因數(shù)

18、式脫吸因數(shù)式二、解析法二、解析法 1222d1()YYYmVmVYYmXbLLmVSL令12OG22d1YYYNS YSYY *（）1122OG*ddYYYYYYNYYYmXb1222d()YYYVYmYYXbL*12OG*221ln 11YYNSSSYY1222OG22d 1111YYS YSYYNSS YSYY*（）（）12222211ln11S YSYYSS YSYY*（）（）*12222*2211ln1S YSYYSYSYSYY*（）*1222*221()(1ln1SYYS YYSYY*）*222*111-YY YYY Y塔頂推動力：塔底推動力：2. 對數(shù)平均推動力法對數(shù)平均推動力法*2222-()()(1)()YY YVYmXbYmYYXbLmVmVYYmXbLL塔內(nèi)任一截面推動力：1212-dd-YYYYYYY Y以 作圖，為一直線，其斜率：1212OGm1m2lnYYYYNYYYY 1212ddYYYYYY1122 Y Y12OG* 12ddYYYYYYNYYYYY121122lnYYYYYY6.5 解解 吸吸 解吸的定義解吸的定義常用方