化工原理第9章 吸收-精品文档资料整理.ppt

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1、化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 91溶溶质质 A惰惰性性组组分分 B吸吸收收剂剂 SChap9 吸收吸收 9.1 概述概述 一、什么是吸收？一、什么是吸收？ A A+B S （气体）（气体） （液体）（液体）化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 92二、吸收目的二、吸收目的1制取产品制取产品 2从气体中回收有用的组分从气体中回收有用的组分 3除去有害组分以净化气体除去有害组分以净化气体 例如，用例如，用98%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化氢制取用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸，的工业盐酸，用氨水吸收用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。生产

2、碳酸氢铵等。 例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。用洗油从煤气中回收粗苯等。主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。 例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳， 燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。等。 9.1 概述概述化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 93 多组分吸收多组分吸收单组分吸收单组分吸收非等温吸收非等温吸收等温吸收等温吸收化学吸收化学吸收物理吸收物理吸收三、吸收分类三、吸收分类 9.1

3、概述概述化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 94 吸收剂吸收剂 吸收尾气吸收尾气 吸吸 收收 塔塔 混合气混合气 吸收液吸收液 逆流吸收操作示意图逆流吸收操作示意图 9.1 概述概述逆流逆流、 并流并流四、吸收流程四、吸收流程化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 95 （a）气、液串联（逆流）（b）气体串联、液体并联（逆流） 多多塔塔吸吸收收流流程程 9.1 概述概述化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 96 吸收剂再循环流程吸收剂再循环流程 吸吸 解解 收收 吸吸 塔塔 塔塔 吸收吸收-解吸流程解吸流程（3）吸收剂在吸收塔内再循环流程）吸收剂在吸收塔内再循环流程（4）吸收）吸收

4、-解吸流程解吸流程 9.1 概述概述化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 97 9.1 概概 述述五、吸收剂的选择五、吸收剂的选择1. 溶解度溶解度2. 选择性选择性3. 挥发性挥发性4. 粘性粘性5. 其它其它 A A+B S （气体）（气体） （液体）（液体）对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有良好的选择性，即对其它组对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微，分基本不吸收或吸收甚微，应不易挥发应不易挥发粘度要低粘度要低无毒、无腐蚀性、不易燃烧、无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。化学稳定性

5、等要求。化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 98 相相界界面面 水水 pG 气气相相主主体体 pi 液液相相主主体体 传传质质方方向向 Ci CL 空空气气+氨氨气气 吸吸收收-相际间传质的最终状态相际间传质的最终状态 与热平衡不同：与热平衡不同：推动力不同推动力不同过程的极限不同过程的极限不同相平衡时一般两相浓度不相平衡时一般两相浓度不相等。相等。属属动态平衡动态平衡。 9.2 吸收的基本理论吸收的基本理论一、气液相平衡一、气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 99 A A+B S （气体）（气体） （液体）（液体）根据相律可知，根据相律可知， 相平衡时相平衡时 自由度数

6、自由度数2 CF 3223 所所有有独独立立变变量量：温温度度、总总压压、气气相相组组成成、溶溶解解度度等等 AApPTfC, 在在几几个个大大气气压压以以内内、温温度度一一定定条条件件下下， AApfC 或或 AACgp 9.2 气液相平衡气液相平衡 （一）溶解度（一）溶解度 AC气气液液达达到到相相平平衡衡时时，液液相相中中的的溶溶质质浓浓度度称称为为溶溶解解度度 AC化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 910（二）溶解度曲线（二）溶解度曲线p*A =f1 (cA) p*A =f2 (x) y*=f3 (x) or氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度液相中氨的摩尔数液相中氨的摩尔数气相中

7、氨的分压气相中氨的分压60504030 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 911101.3kPa202.6kPa2020下下SOSO2 2在水中的溶解度在水中的溶解度xy 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 912t=293KSO2NH310ncA, kmol/m3pA, kPa几种气体在水中的溶解度曲线几种气体在水中的溶解度曲线CO2O2 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 913讨论：讨论：（2）温度、）温度、y一一定，定，总压增加总压增加，在同一溶剂中，在同一溶剂中，溶质的溶质的溶解度

8、溶解度x随之随之（1）总压、）总压、y一一定，定，温度下降温度下降，在同一溶剂中，在同一溶剂中，溶质的溶质的溶解度溶解度x随之随之 9.2 气液相平衡气液相平衡（3）相同的温度和分压下，）相同的温度和分压下，不同气体的溶解不同气体的溶解度差异很大度差异很大 cO2 cCO2 cSO2 x *AAppor y = y*AAccor x* =x oror*AAppor y y*AAcc or x* x or化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 921yPyxABCxy*y*y x=0.05 y=0.1 y*=0.94x y*=0.940.05=0.047 x 9.2 气液相平衡气液相平衡吸收吸

9、收吸收吸收化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 922x=0.1 y=0.05 y*=0.10.94=0.094 y 解吸解吸 x*=0.05/0.94=0.053 0 气相转移至液相气相转移至液相 x3350003110185410.ymx330081*.y-y*0 液相转移至气相液相转移至气相 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 928例例3.某气、液逆流的吸收塔，以清水吸收空气硫某气、液逆流的吸收塔，以清水吸收空气硫化氢混合气中的硫化氢。总压为化氢混合气中的硫化氢。总压为1大气压。已知大气压。已知塔底气相中含塔底气相中含H2S 1.5%（摩尔分率），

10、水中含（摩尔分率），水中含H2S 的浓度为的浓度为1.810-5 （摩尔分率）。试求塔底（摩尔分率）。试求塔底温度为温度为5时的吸收过程推动力。时的吸收过程推动力。解：查表得（解：查表得（5） E=3.19104kpa m=E/P=315p*=Ex=3.191041.810-5=0.5724kPay*=p*/P=0.5724/101.33=0.0057y=0.015气相推动力：气相推动力：y=y-y*=0.0093液相推动力：液相推动力：x=x*-x=y/m-x=2.9610-5 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 929吸收过程包括三个步骤：吸收过程包括三个

11、步骤： 气相内的物质传递气相内的物质传递 气相主体气相主体 对流和扩散对流和扩散 两相界面；两相界面； 界面上的溶解过程界面上的溶解过程 气相气相 液相；液相； 液相内的物质传递液相内的物质传递 两相界面两相界面 对流和扩散对流和扩散 液相主体液相主体。 相相界界面面 水水 pG 气气相相主主体体 pi 液液相相主主体体 传传质质方方向向 Ci CL 空空气气+氨氨气气 吸吸收收 三三、吸收传质速率、吸收传质速率 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 930 气膜气膜 液膜液膜 pG pi 传质方向传质方向 Ci 气相主体气相主体 液相主体液相主体 CL G L

12、 z 距离距离 双膜模型双膜模型组成1. 气液两相间存在固定相界面，气液两相间存在固定相界面， 9.2 气液相平衡气液相平衡（一）（一）双膜理论双膜理论 (Leis-Whitman 20世纪世纪20年代年代) 2. 界面两侧各有一层有效膜，界面两侧各有一层有效膜，所有阻力集中在这两层膜中，所有阻力集中在这两层膜中，膜中传质为定态的分子扩散，膜中传质为定态的分子扩散，湍流区的阻力可以忽略；湍流区的阻力可以忽略； 3在相界面处，气液两相达到平衡。在相界面处，气液两相达到平衡。气相推动力气相推动力：pG-pi 液相推动力：液相推动力：ci-cLiipcH化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 93

13、1AGGiNkppALiLNkCCLLiGiGAkCCkppN11 1iAyyyNk类似地：类似地：-分传质速率方程分传质速率方程 分分传传质质阻阻力力分分推推动动力力 （二）相际传质（二）相际传质速率方程速率方程 9.2 气液相平衡气液相平衡1GiGppk1iLLCCk1ixxxk化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 932 LLHpCiiHpC LLiGiGAkCCkppN11 LLiHkpp1 LGLGHkkpp11 GLGKpp1 -以分压差为推动力的以分压差为推动力的 气相总传质速率方程气相总传质速率方程总总传传质质阻阻力力总总推推动动力力 9.2 气液相平衡气液相平衡由亨利定律

14、由亨利定律又：又：KG-以分压差为推动力的以分压差为推动力的气相气相总传质系数总传质系数化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 933LGGHkkK111 总阻力总阻力气相阻力气相阻力液相阻力液相阻力同理：同理：LGLGAkkHCCN1 LLGKCC1 -以摩尔浓度差为推动力的以摩尔浓度差为推动力的液相液相总传质速率方程总传质速率方程KL-以摩尔浓度差为推动力的以摩尔浓度差为推动力的液相液相总传质系数总传质系数GGpCH化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 934xyAkmkyyN 1xyAkmkxxN11 yKyy1 xKxx1 -以摩尔分率差为推动力的以摩尔分率差为推动力的气相气相总

15、传质速率方程总传质速率方程xym 9.2 气液相平衡气液相平衡1iAyyyNk1ixxxk由由Ky-以摩尔分率差为推动力的以摩尔分率差为推动力的气相气相总传质系数总传质系数同理：同理：-以摩尔分率差为推动力的以摩尔分率差为推动力的 液相液相总传质速率方程总传质速率方程Kx-以摩尔分率差为推动力的以摩尔分率差为推动力的液相液相总传质系数总传质系数化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 935吸吸收收速速率率方方程程的的分分析析: P pG P O CL C 传质推动力的图示传质推动力的图示 操作点ipic液相总传液相总传质推动力质推动力气气相相总总传传质质推推动动力力气相分传气相分传质推动力质

16、推动力液相分传液相分传质推动力质推动力 Lp Gc11GiiLGLppCCkk1GLAGppNKLLGKCC1 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 936GLG1 1 1kHkKGLL 1 1kHkK 1 1yxykkmKyxxmkkK1 1 1相间传质总阻力相间传质总阻力 = 液相液相(膜膜)阻力阻力 +气相气相(膜膜)阻力阻力 9.2 气液相平衡气液相平衡KG=HKLky=PkGkx=ckLm=E/P=c/HPKy=PKGKx=mKyKx=cKL化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 937（1 1）气膜控制）气膜控制气膜控制气膜控制：传质阻力主要集中在

17、气相，吸收过程传质阻力主要集中在气相，吸收过程 为气相阻力控制为气相阻力控制H 较大较大, m较小易溶气体较小易溶气体 气膜控制的特点：气膜控制的特点：*GLGipppp*GL()AGNkpp 9.2 气液相平衡气液相平衡xykmk 1LGHkk11 故故 GGkK11 yykK11 .pGIpic ci*Gc*Lp*()ykyy化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 938提高传质速率的措施：提高传质速率的措施：提高气体流速；提高气体流速； 加强气相湍流程度。加强气相湍流程度。 （2）液膜控制）液膜控制液膜控制液膜控制：传质阻力主要集中在液相传质阻力主要集中在液相液膜控制的特点：液膜控制的

18、特点：H较小较小, m 较大难溶气体较大难溶气体 *GLiLcccc.Gpip*LpLcic*Gc 9.2 气液相平衡气液相平衡yxmkk11 GLkHk 1故故 LLkK11 xxkK11 化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 939提高传质速率的措施：提高传质速率的措施：提高液体流速；提高液体流速； 加强液相湍流程度。加强液相湍流程度。 9.2 气液相平衡气液相平衡双膜控制：双膜控制： 气膜阻力和液膜阻力均不可忽略气膜阻力和液膜阻力均不可忽略*ALGL()Nkcc*()xkxxxyykmkK 11mkkKyxx111 LGGHkkK111 LGLkkHK11 化工原理化工原理2 0 0

19、 92 0 0 940NA=kG（p-pi）ky=PkG气膜吸收速率方程气膜吸收速率方程NA=ky（y-yi）NA=kL（ci-c）液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程kx=CkLNA=kx（xi-x）总吸收速率方程总吸收速率方程NA=KG(pG-pL*)NA=Ky(y-y*)NA=KL(cG*-cL)NA=Kx(x*-x)xyykmkK 11总系数与分系数关系总系数与分系数关系mkkKyxx111 LGGHkkK111 LGLkkHK11 KG=HKLKy=PKG Kx=CKL 9.2 气液相平衡气液相平衡Kx=mKy化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 941应用吸收速率方程应注意：应用吸

20、收速率方程应注意：（1）各种形式的）各种形式的吸收速率方程是等效吸收速率方程是等效的，采用任何吸收速率的，采用任何吸收速率 方程均可计算吸收过程的速率；方程均可计算吸收过程的速率；（2）各种形式的吸收速率方程式都是以气液组成不变为前提）各种形式的吸收速率方程式都是以气液组成不变为前提 的，因此的，因此只适合描述稳态操作的吸收塔内任一截面上的只适合描述稳态操作的吸收塔内任一截面上的 速率关系速率关系，而不能直接用来描述全塔的吸收速率；，而不能直接用来描述全塔的吸收速率；（3）任何吸收系数的单位均为任何吸收系数的单位均为kmol/(m2s推动力推动力) 当推动力为摩尔分数时，吸收系数的单位与吸收速

21、率单当推动力为摩尔分数时，吸收系数的单位与吸收速率单 位相同；位相同；（4）必须注意）必须注意吸收系数与吸收推动力的正确搭配吸收系数与吸收推动力的正确搭配 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 942例例:某传质过程的总压为某传质过程的总压为300KPa ，吸收过程传质系数分，吸收过程传质系数分别为别为ky=1.07kmol/(m2h) 、 kx=22kmol/(m2h) ， 气液相平衡关系符合亨利定律，亨利系数气液相平衡关系符合亨利定律，亨利系数E为为 10.67x103KPa，试求：，试求：吸收过程传质总系数吸收过程传质总系数Ky 和和Kx；液相中的传质阻力

22、为气相的多少倍。液相中的传质阻力为气相的多少倍。mEP 3557.2257.3507. 1111xyykmkKyxmKK mkkkmkxyxy111173.解：解：E = 10.67103kPa，P = 300kPa， Ky = 0.3919= 13.94 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 943（三）（三）界面上的浓度界面上的浓度定态传质定态传质 )()(ALiALiAAGGAcckppkN =f（cAi） iAp、cAi iAp1一般情况一般情况2平衡关系满足亨利定律平衡关系满足亨利定律 )()(ALiALiAAGGAcckppkNiHpcAAi、cAi

23、 iAp 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9443图解图解GLiAALiAAGkkccpp)()(ALiALiAAGGAcckppkNGLkkI（pAi，cAi） AipI（界面）（界面）斜斜率率）(GLkk Aic操作点操作点OH1 斜斜率率平平衡衡线线cA/kmol/m3cALAGppA/kPa0 9.2 气液相平衡气液相平衡化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 945 Ga ya La xa D H Gb yb Lb xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 计算项目主要有：计算项目主要有：（1）吸收剂用量；）吸收剂用量；（2）塔的主要工艺

24、尺寸：）塔的主要工艺尺寸： 包括塔径包括塔径D、填料层高度、填料层高度H 或塔板数或塔板数N；（3）操作条件与吸收结果的关系。）操作条件与吸收结果的关系。G、L-kmol/(m2s) ；y（或（或x）-摩尔分率摩尔分率9.3 吸收（或脱吸）塔的计算吸收（或脱吸）塔的计算化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 946 Ga ya La xa Gb yb Lb xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 对溶质对溶质 A，有，有液液相相的的增增加加速速率率气气相相的的减减少少速速率率 abSabBXXLYYG 一、物料衡算和操作线方程一、物料衡算和操作线方程GBYa LS Xa GBYb L

25、S XbaabbaabbxLxLyGyG 全塔物料衡算：全塔物料衡算： 吸收过程中惰性气体吸收过程中惰性气体B与吸收剂与吸收剂S的量不变的量不变 1BGGy1SLLx1111BbBaSbSababaG yG yL xL xyyxx化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 947 aabBSbYXXGLY 回回收收率率 为为： bababYYYYY 1 一、物料衡算和操作线方程一、物料衡算和操作线方程 Ga ya La xa GBYa LS Xa G y L x GBY LSX Gb yb Lb xb GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算对塔上部任一段的对塔上部任一段的

26、A组分作质量衡算：组分作质量衡算： aSaBXXLYYG aaBSYXXGLY -操作线方程操作线方程化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 948 Yb B Y P Ya A O Xa X Xb 逆流吸收塔操作线逆流吸收塔操作线 操作线斜率操作线斜率越小越小，越靠近平衡线，传质推动力越小，越靠近平衡线，传质推动力越小，对传质越对传质越不利不利。操作点操作点一、物料衡算和操作线方程一、物料衡算和操作线方程X*Y*塔底（浓端）塔底（浓端）塔顶（稀端）塔顶（稀端）思考：并流操作的操作线思考：并流操作的操作线总是位于平衡线的上方总是位于平衡线的上方化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 949G

27、 Ga Gb GB，L La Lb LS，Y y，X x，于于是是， Ga ya La xa GBYa LS Xa G y L x GBY LSX Gb yb Lb xb GBYb LS Xb 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 aabbyxxGLy aayxxGLy 对于低浓气体（通常对于低浓气体（通常yb1，即，即L Gmax随着随着h0增加增加，操作线，操作线平行平行下移下移，直至与平衡线交于，直至与平衡线交于塔顶塔顶minaaymx化工原理化工原理2 0 0 92 0 0 9133最大回收率最大回收率若用清水吸收，若用清水吸收，max1abmxy Y yb B 原原 E ya A O x 若若A1时，在塔时，在塔 端端 相组成趋向极相组成趋向极限组成限组成 ；当吸收因子当吸收因子A = ) yb* 3.53A 2EmmP 516LAm G *bbyy在塔底相交，在塔底相交，最大回收率最大回收率