化工原理第八章吸收

1、關(guān)于化工原理第八章吸收第1頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.1 概述吸收在化工中的應(yīng)用： 1制取化工產(chǎn)品 將氣體中需要的成分用指定的溶劑吸收出來，成為液態(tài)產(chǎn)品。如：用水吸收HCl、NO2制取工業(yè)鹽酸和硝酸。2分離氣體混合物 工業(yè)上利用吸收分離氣體混合物。熱甲堿法吸收二氧化碳。3從氣體中回收有用組分 用洗油回收粗苯或二氯乙烷。4氣體凈化 原料氣的凈化。 尾氣、廢氣的凈化以保護環(huán)境。 5生化工程 菌體在發(fā)酵罐中培養(yǎng)。發(fā)酵罐中要給予大量的空氣以維持微生物的正常代謝，要應(yīng)用空氣中的氧在水中吸收這一過程。第2頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四吸收過程分

2、類8.1 概述第3頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.1 概述1、吸收設(shè)備塔設(shè)備（板式塔、填料塔） 2、吸收流程 （1）單一吸收流程 （2）多塔吸收流程 第4頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.1 概述3）吸收劑在吸收塔內(nèi)再循環(huán)流程 4）吸收解吸流程 第5頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.1 概述3、吸收劑的選擇（1）溶解度 對溶質(zhì)組分有較大的溶解度（2）選擇性 對溶質(zhì)組分有良好的選擇性 對其它組分基本不吸收或吸收甚微（3）揮發(fā)性 不易揮發(fā)（4）黏性粘度要低（5）其它 無毒，無腐蝕性，不易燃燒，不發(fā)泡。 價廉易得，

3、化學(xué)穩(wěn)定性等第6頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.2.1 氣液相平衡關(guān)系 一、汽液溶解平衡 氣液溶解相平衡：氣體混合物與溶劑接觸，溶質(zhì)氣體向液相轉(zhuǎn)移，使溶液中溶質(zhì)(A)的濃度cA增加，直到達到飽和，濃度不再發(fā)生變化，這種狀態(tài)稱為汽液溶解平衡。 平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓pA*，液相中的溶質(zhì)濃度稱為平衡濃度cA*，簡稱為溶解度。第7頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四二、相律自由度F 組分?jǐn)?shù)相數(shù)+2單組分物系（1個溶質(zhì)）： 組分?jǐn)?shù)3個(溶質(zhì)、惰性氣體和溶劑)，相數(shù)2個(氣、液) F 組分?jǐn)?shù)相數(shù)+232+2 = 3 即在溫度、總壓和氣、

4、液組成四個變量中，三個是自變量。將溶解度cA*表示成溫度t、總壓P和氣相組成的函數(shù)，即cA*f( t、P、氣相組成)，這個關(guān)系式稱為相平衡關(guān)系。 在總壓不很高的情況下，認為溶解度cA*與總壓無關(guān)，則 cA*f( t、pA) ； pA*f( t、cA) 8.2.1 氣液相平衡關(guān)系 第8頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四在相同的溫度和分壓下，不同氣體溶解度有很大的差別。 O2、CO2，溶解度很小，稱難溶氣體； NH3，溶解度很大，稱易溶氣體；介乎兩者之間SO2稱溶解度適中氣體。 加壓和降溫可以提高氣體溶解度，cA*f( t、pA) ，對吸收有利。8.2.1 氣液相平衡關(guān)系

5、第9頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.2.2 亨利定律 平衡關(guān)系：pA*f( t、cA) 一、亨利定律： 稀溶液、低壓和一定溫度下，氣、液達到溶解相平衡 pA*ExA 二、亨利定律三種表達式 pA*=ExA E為亨利系數(shù) 單位 PacA*=HpA H為溶解度系數(shù) 單位 kmol/（m3Pa） y*=mx m為相平衡常數(shù) 單位 無因次第10頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四三、亨利系數(shù)亨利系數(shù)由實驗確定，它隨物性和溫度而變化。 對于一定氣體溶于一定溶劑，溫度升高，E增大。8.2.2 亨利定律 第11頁，共90頁，2022年，5月20日，13點2

6、1分，星期四四、三個系數(shù)間的關(guān)系E=C/H m=E/P8.2.2 亨利定律 第12頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四亨利定律H：溶解度常數(shù)，kmol/(m3Pa)1）H越大，溶解度越大2）T越大，H越小E：亨利常數(shù)，Pa1）E越大，溶解度越小2）T越大，E越大m：相平衡常數(shù)，無因次1）m越大，溶解度越小2）T越大，m越大 P越大，m越?。ㄟm用于稀溶液）EC/Hm=E/P難溶氣體易溶氣體EHmEHm8.2.2 亨利定律 第13頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.3 吸收過程模型及傳質(zhì)速率方程 一、總傳質(zhì)速率方程 二、界面濃度的求取三、傳質(zhì)阻力分析

7、 第14頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四1、氣相中的溶質(zhì)傳遞到液相，分為三個步驟： 1）氣相與界面的對流傳質(zhì)； 2）溶質(zhì)在界面上的溶解； 3）界面與液相的對流傳質(zhì)。8.3.1 雙膜模型在吸收中的應(yīng)用 第15頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四令：界面上氣液兩相濃度為yi、xi 1.氣相與界面的對流傳質(zhì)； NA=kG (pGpi) =ky (yyi) 3.界面與液相的對流傳質(zhì)； NA=kL (cicL)=kx (xix) 2.溶質(zhì)在界面上的溶解； yi = f (xi ) 采用 yi = mxi 雙膜模型：(yyi)代表氣相傳質(zhì)推動力，(xix)代

8、表液相傳質(zhì)推動力，穿過界面的傳質(zhì)阻力可以忽略，氣、液在界面達到平衡。 一、分傳質(zhì)速率方程第16頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四2、分傳質(zhì)速率方程NA=kG (pGpi) =ky (yyi)1）氣相側(cè)氣相側(cè)分傳質(zhì)速率方程氣相側(cè)分傳質(zhì)阻力氣相側(cè)分傳質(zhì)推動力一、分傳質(zhì)速率方程NA=kG (pGpi) =ky (yyi)氣相側(cè)分傳質(zhì)速率方程第17頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四NA=kL (cicL)=kx (xix)2）液相側(cè)液相側(cè)分傳質(zhì)速率方程液氣相側(cè)分傳質(zhì)阻力液相側(cè)分傳質(zhì)推動力一、分傳質(zhì)速率方程第18頁，共90頁，2022年，5月20日，13點

9、21分，星期四氣相與界面的對流傳質(zhì)：NA=kG (pGpi) =ky (yyi)。界面與液相的對流傳質(zhì)：NA=kL (cicL)=kx (xix)溶質(zhì)在界面上的溶解： yi = mxi一、總傳質(zhì)速率方程第19頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四3、總傳質(zhì)速率方程NA=KG (pGpL*) =Ky (yy*)1）以氣相濃度表示氣相總傳質(zhì)速率方程氣相總傳質(zhì)阻力氣相總傳質(zhì)推動力PG-PL*=PG-CL/Hy-y*=y-mx一、總傳質(zhì)速率方程第20頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四NA=KL (cG*cL)=Kx (x*x)2）以液相濃度表示液相總傳質(zhì)速率

10、方程液氣相總傳質(zhì)阻力液氣相總傳質(zhì)推動力CG*-CL=HPG-CLx * -x=y/m-x一、總傳質(zhì)速率方程第21頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四Ky 和Kx 的關(guān)系： mKy =Kx Ky 和Kx 的單位：Ky: kmol/(m2.s.y) Kx:kmol/(m2.s.x) 一、總傳質(zhì)速率方程第22頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四一、總傳質(zhì)速率方程 用總傳質(zhì)系數(shù)表示的速率方程一、總傳質(zhì)速率方程第23頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四氣膜液膜pG氣相主體濃度pi氣體界面濃度液體界面濃度Ci液相主體濃度CL一、總傳質(zhì)速率方

11、程第24頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四分傳質(zhì)速率方程總傳質(zhì)速率方程總傳質(zhì)系數(shù)與分傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系各傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系一、總傳質(zhì)速率方程第25頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四一、總傳質(zhì)速率方程 用總傳質(zhì)系數(shù)表示的速率方程討論一：各推動力的圖示1、吸收：操作點在平衡線上方解吸：操作點在平衡線下方2、氣相分傳質(zhì)推動力：線ab氣相總傳質(zhì)推動力：線aB液相分傳質(zhì)推動力：線ac液相總傳質(zhì)推動力：線aAbc點a（x，y）：操作點，表示吸收塔某橫截面上氣相濃度y和液相濃度x。點p（xi，yi）：表示吸收塔某橫截面上氣、液兩相相界面上的濃度。第26頁，共90頁

12、，2022年，5月20日，13點21分，星期四討論二：界面濃度的求取 相平衡關(guān)系：yimxi 聯(lián)立方程求解（xi，yi）方法一：方法二：從a(x,y)出發(fā)，作斜率為-kx/ky的一條直線，此直線與平衡線的交點即為界面濃度(xi,yi)。 第27頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四討論三：傳質(zhì)阻力分析 氣相阻力控制(氣膜控制)： 1/kym/kx，則 1/Ky1/ky，此時傳質(zhì)阻力集中于氣相。氣膜控制的條件： (1)kykx。直線ab的斜率 kx/ky。直線ab很陡。(2)m很小，相平衡線OE平坦，表明溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度很大，如水吸收NH3、HCl。第28頁，共90頁，

13、2022年，5月20日，13點21分，星期四液相阻力控制(液膜控制)：當(dāng) 1/mky1/kx，則 1/Kx1/kx。此時傳質(zhì)阻力集中于液相。 液膜控制的條件：(1)kykx。直線ab平坦。(2)m很大，相平衡線OE很陡，表明溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度很小，如以水吸收O2、CO2 。三、傳質(zhì)阻力分析 第29頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四kyG0.7；kyL0.7對于氣膜控制，增加氣體流率，可有效增加總傳質(zhì)系數(shù)Kyky，加快吸收過程。對于液膜控制，增加液體流率，可有效增加總傳質(zhì)系數(shù)Kxkx，加快吸收過程。 三、傳質(zhì)阻力分析 第30頁，共90頁，2022年，5月20日，13點

14、21分，星期四 板式塔吸收 填料塔（本章采用填料塔分析和討論吸收過程） 并流吸收 逆流（通常采用逆流操作，因為逆流的傳質(zhì)推動力大）已知（給定任務(wù)）：1、處理的氣流量G2、氣體混合物的初(yb)、終濃度(ya)3、選定吸收劑4、吸收劑的入塔濃度5、相平衡關(guān)系吸收塔的主要計算項目：1、吸收劑用量2、溶液的出塔濃度3、所需填料層高度。吸收塔計算：8.4 吸收塔計算：第31頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.4.1 物料衡算和操作線方程一、全塔物料衡算吸收塔內(nèi)氣、液流率和組成如圖所示，下標(biāo)a代表塔頂，b代表塔底。氣體：混合氣體的總流量G變化，惰性氣體B的流率GB不變 液體：溶

15、液的總流量L變化，溶劑(吸收劑)S的流率Ls不變GB = G(1-y)，Ls = L(1-x)氣、液組成采用摩爾比： Y= y/1-y ， X= x/1-x第32頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四物料衡算關(guān)系：對溶質(zhì)A，氣相的減少液相的增加 全塔物料衡算： GB (Yb-Ya) = LS (Xb-Xa)吸收率： 被吸收的溶質(zhì)/進塔氣中的溶質(zhì)(YaYb)/Yb1Ya/Yb8.4.1 物料衡算和操作線方程第33頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四對塔頂與任意截面間作物料衡算： GB (Y-Ya) = LS (X-Xa)操作線方程： 吸收操作時，表征吸收

16、程度有兩種方式：(1)吸收的目的是為了回收有用物質(zhì)，用吸收率表示。(2)吸收的目的是為了除去氣體混合物中的有害物質(zhì)，直接規(guī)定出塔氣體有害物質(zhì)的濃度Ya8.4.1 物料衡算和操作線方程第34頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四操作線方程: 1、直線斜率：Ls/GB（稱為液氣比）2、過A（塔頂、Xa,Ya）、B（塔底、Xb,Yb）兩點3、A點（塔頂、Xa,Ya）在B點（塔底、Xb,Yb）的左下方。 4、直線AB上任一點P代表塔內(nèi)相應(yīng)截面上氣、液濃度Y、X。5、PR代表液相摩爾比差表示的總推動力(X*-X)，PQ代表氣相摩爾比差表示的總推動力(Y-Y*)。6、操作線離平衡線越遠

17、，氣相（或液相）總推動力越大。8.4.1 物料衡算和操作線方程第35頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四8.4.2 吸收劑用量的確定 設(shè)計時：由吸收任務(wù)和要求可以確定GB、Yb、Ya。由工藝條件可知道Xa。因此，點A(Xa，Ya)(表示塔頂狀態(tài))固定，GB也固定。點B(Xb，Yb)(表示塔底狀態(tài))Yb固定，B點在水平線上移動，由斜率確定，即由Ls確定。 若Ls減小，B點向C點靠近，Xb增大，即出塔液體濃度增大，推動力減少。第36頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四最小液氣比當(dāng)B點到達C點，出塔液體和入塔氣體達到平衡，推動力為零。這意味著塔高要無限高才

18、能實現(xiàn)指定的分離要求。這在實際上行不通。 B點到達C點，表示一種極限情況，即最小液氣比(Ls/GB)min的情況。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，實際液氣比是最小液氣比的1.12.0倍。即： Ls/GB1.12.0(Ls/GB)min 8.4.2 吸收劑用量的確定 第37頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四最小液氣比用圖解法求出。即 8.4.2 吸收劑用量的確定 第38頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四液氣比也不是越大越好。液氣比越大，固然推動力越大，對傳質(zhì)有利；但吸收劑用量隨之增大，因而輸送、回收等操作費用增加。液氣比越小，推動力越小，對傳質(zhì)不利，因而設(shè)備費用增加

19、。實際液氣比的選定，是操作費用和設(shè)備費用的權(quán)衡。思考： 若實際操作時的液氣比小于或等于最小液氣比，吸收塔是否能操作？將會發(fā)生什么現(xiàn)象？8.4.2 吸收劑用量的確定 第39頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四擬設(shè)計一常壓填料吸收塔，用清水處理3000m3/h、含NH35%(體積)的空氣，要求NH3的回收率為99%，取塔底空塔氣速為1.1m/s，實際用水量為最小水量的1.5倍。已知塔內(nèi)操作溫度為25，平衡關(guān)系為y=1.3x，氣相體積總傳質(zhì)系數(shù)Kya為270 kmol/(m3h)，試求：(1)用水量和出塔溶液濃度；(2)填料層高度；(3)若水中已含氨0.1%(摩爾分率)，所需填

20、料層高度可隨意增加，能否達到99%的回收率？(說明理由)。 例 題 1G=3000m3/hyb=0.05xb=?=0.99xa=0Ls=?第40頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四 解(1)：(L/G)min=(yb-ya)/(xb*-xa)xa=0yb=0.05(低濃度氣體吸收）xb*=yb/m=0.05/1.30.03846=(yb-ya)/yb=0.99ya=yb (1-)=0.0005(0.05-0.0005)/(0.038460）1.287G=PV/RT=1.0131053000/(8.31298.15)122.6kmol/h xyBAxayaybxbxb*L/G=1.5(L/G)min1.9305L=236.8kmol/h第41頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四解2：例 題 1第42頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四對數(shù)平均推動力法第43頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四吸收因素法第44頁，共90頁，2022年，5月20日，13點21分，星期四解3：L/G不變，L/G=1.9305任務(wù)不變：回收率不變, 0.99yb不變, yb=0.05操作條件：