第八章气体吸收改

第八章气体吸收教学要求§8-1气液相平衡§8-2物料衡算关系§8-3吸收塔的计算§8-4吸收系数§8-5脱吸及其他条件下的吸收本章小结教学要求重点：传质速率方程，低浓吸收填料层高度的计算。覆盖内容：分子扩散及涡流扩散的概念，菲克定律，一维定常分子扩散速率，等分子反向扩散，单向扩散，总体流动；浓度的不同表示法及其关系，模型，相内传质速率式；相平衡关系，传质的方向、限度和推动力、双膜模型及传质理论简介；相际传质速率式，传质阻力，气膜控制、液膜控制；吸收操作的基本概念，典型吸收设备与流程，吸收过程的相平衡关系（溶解度曲线，亨利定律），影响平衡的主要因素；吸收过程的物料衡算，操作线方程，吸收剂的选择及用量的确定，最小溶剂用量的概念；传质单元数及传质单元高度的概念，吸收因子（解吸因子）的概念，低浓吸收填料层高度的计算（平衡线为直线及曲线两种情况）；传质系数的测定与准数关联式；高浓度吸收的特点及计算的主要方程及步骤；非等温吸收的特点及平衡关系的确定。定义：利用混合气体各组分在溶剂溶解度差异而实现气体分离的操作。1.气体吸收以双组分（A+B）混合气为例原料气A＋B吸收剂S尾气B(含微量A)溶液S+A吸收塔溶质（或吸收质）:能溶解于溶剂中的组分，以“A”表示；惰性气体：不能溶解的组分，以“B”表示；吸收剂：所用的液相溶剂，用“S”表示；§8-0概述吸收液—S+A；吸收尾气—（A）+B。传质方向（溶质组分）：解吸（脱吸）—与吸收相反的操作：液相气相净化或精制气体示例：合成氨工艺中合成气中的净化脱碳。示例：用水吸收氯化氢气体制取盐酸。回收混合气体中所需的组分示例：用洗油处理焦炉气以回收芳烃。2.气体吸收的应用场合制取某种气体的液态产品工业废气的治理示例：废气中含有SO2、H2S等有害气的脱除。吸收：气相液相等温吸收、非等温吸收（4）按溶液溶质组分浓度高低分：低浓度吸收、高浓度吸收（3）按溶液温度是否发生变化分：4.吸收操作的示意流程图及典型的传质设备：A.示意流程图如下：单组分吸收：只有一个溶质组分进入液相；多组分吸收：有两个及其以上的组分进入液相。（2）按溶质组分多少分：3.分类（1）有无化学反应：物理吸收、化学吸收少量少量容易分离）吸收塔解吸塔示意流程图（p26)B.传质设备分类及典型的传质设备整个过程的经济性主要由解吸塔决定。如：用Na2CO3（不用NaOH）水溶液吸收混合气中的CO2，生成NaHCO3,可以将NaHCO3溶液升温使其分解，从而循环利用Na2CO3水溶液。a、传质设备的分类按所处理物系相态分类传质设备气液传质设备液液传质设备气固传质设备液固传质设备传质设备按两相的接触方式分类逐级接触式设备微分接触式设备b、典型的传质设备吸收操作在塔设备内进行，工业上主要有两类型塔设备（板式塔和填料塔）：（1）填料塔：在填料塔内气、液接触是连续进行的。（2）板式塔：在板式塔内气、液接触逐级进行的。溶剂尾气原料气溶液板式吸收塔溶剂尾气原料气溶液填料支撑装置填料吸收塔板式塔为逐级接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、塔板、溢流堰、降液管及受液盘等部件构成。板式塔的结构1.壳体2.塔板3.溢流堰4.受液盘5.降液管（1）、板式塔填料塔为连续接触式的气液传质设备，它主要由圆柱形壳体、液体分布器、填料支承板、塔填料、填料压板及液体再分布装置等部件构成。1.塔壳体；2.液体分布器；3.填料压板；填料塔结构示意图（2）、填料塔4.填料；5.液体再分布器；6.填料支承板。传质单元操作的计算，通常包括以下几项内容：物料衡算；平衡关系；速率关系（已介绍）；能量衡算。§8-1吸收过程的相平衡溶质在气、液相间的平衡关系是分析判断溶质在相间传递过程中的方向、极限以及确定传递过程推动力大小的依据。由f＝3知：气液两相平衡时，变量P、t、yA、xA中只有三个是独立变量。1.相律，单组分物理吸收体系的自由度f应为：f＝C－P＋2；相数P＝2（为V、L）、组分数C＝3（分别为A、B、S），f=3t和总压P一定下，气液相平衡时，气相组成是液相组成的单值函数，即y=f(x)。液体S气体（A＋B）A溶解A逸出()AApfxAx平衡方程达平衡状态时气体在液体中的溶解度气相分压液相组成Ap在一定温度和压力下，令某气体混合物（A＋B）与液体S接触。AApx曲线溶解度曲线如图：用二维坐标绘的气、液相平衡关系曲线，又称为溶解度曲线。一.气体的溶解度曲线1）t1t2t3，x1x2x3。即同一分压下，溶液温度越高，溶质在液相中的溶解度越小。结论：加压及降温有利于气体吸收；升温及减压有利于解吸。x1x2x3pipt1t2t3kPa2）另外，当t=const时，若P↑，则x↑。查图：P＝60kPa、t＝20℃时，氨、二氧化硫、氧在水中的溶解度为：390g/1000g、68g/1000g、0.025g/1000g。描述了当总压不高时，在恒定温度下，稀溶液上方的气体溶质与溶液中溶质组分的浓度之间的关系。E——亨利系数，kpa(atm),E=f(T,物系），与P无关（体系压强不高时）。T↑，E↑;E的大小反映了气相组分在该溶剂中溶解度的大小。在同一溶剂中，E↑，溶解度↓。P*A=CA/HH与E相反，H↑，溶解度↑。二.亨利定律H=f(T，物系），T↑，H↓1.p～x关系PA*=ExA2.p～c关系H——溶解度系数，CA：kmol/m3；H：(kmol/m3)/(mmHg或atm或kPa)y*A=mxA温度T↑，P↓,m↑,溶解度愈小，不利于吸收。E和H的关系：(,)pExymxpPEmfTPPym与E的关系：/MsMMscEHpExcpHcxcMgmolcMH（稀溶液——溶剂的摩尔质量，；——溶液的体积）摩尔浓度。3.y～x关系m—相平衡常数，无因次。1SHpMm总注：一般认为总压在5atm以下，E、H值与总压P无关。同理H～m关系4.Y～X关系**1*11(1).0*.1*YXmXmYYXmaXYmXbmYmXX对于稀溶液，，；若，塔内气、液两相的流动方式塔内气、液两相的流动方式主要有两种:（1）并流；(2）逆流，通常采用逆流。§8-2填料吸收塔的物料衡算及塔径（双组分）*pxE*cHp*yxm*YXm亨利定律表达式可改写为以下形式：逆流V,Y1L,X1V,Y2L,X2并流L,X1V,Y1L,X2V,Y2nmkl在相同条件下，逆流能获得更大的推动力，从而提高传质速率；能提高吸收剂的出口浓度，减小吸收剂的用量，或降低尾气浓度，提高吸收效果。在工业中，吸收操作多采用塔式设备，既可采用气液两相在塔内逐级接触的板式塔，也可采用气液两相在塔内连续接触的填料塔。工业中以采用填料塔为主，故本节对于吸收过程计算的讨论结合填料塔进行。一.吸收塔的物料衡算与操作线方程前提：载气B不参与传质；溶剂S不挥发。1.全塔物料衡算范围：全塔；基准：单位时间(1h）为基准；对象：溶质——A。V(qn,v）：惰性组分B的摩尔流量kmol/h；L(qn,L)：纯溶剂S的摩尔流量kmol/h；Y1、Y2：kmol(A)/kmol(B)；X1、X2：：kmol(A)/kmol(S)。VA：吸收负荷kmol/h。12211212()()=VAVYLXVYLXVYYLXX对溶质：或若已知混合气总体积流量vs（T，p）m3/h，怎样换算成V?吸收率A：混合气体中溶质A被吸收的百分率，也称回收率。121211()21(1)VYYYYAAVYYYY2.吸收塔的操作线方程与操作线A.逆流：上部：V(Y-Y2)=L(X-X2)Y=(L/V)X+(Y2-(L/V)X2)——目的：找塔的任一截面上气、液两相组成间的关系，称操作线方程。以单位时间为基准，对溶质A作物衡算。——逆流时的操作线方程下部：V(Y1-Y)=L(X1-X)Y=(L/V)X+(Y1-(L/V)X1)—则式、均为直线方程，其斜率为L/V，过点塔顶（X2，Y2)及塔底(X1，Y1)。B.并流:上部：V(Y1-Y)=L(X-X2)Y=-(L/V)X+[Y1+(L/V)X2]下部：Y=-(L/V)X+[Y2+(L/V)X1]并流吸收塔V,Y1L,X2V,Y2L,X1mnXY——并流时的操作线方程也为直线方程，其斜率为-L/V，过点塔顶（X2，Y1)及塔底(X1，Y2)。假设已知分离任务：Y1，Y2，V，溶剂用量L，X2也已确定，则由全塔物料衡算可求得X1。YY1Y2X2X1Y=mXBTT’B’XY*Y并Y逆L/V－L/VT(X2,Y2),B(X1,Y1)T’(X2,Y1),B’(X1,Y2)注意：操作线应在平衡线的上方，保证YY*，才能保证吸收操作的正常进行。意义：a找出塔上任一截面气液相组成间的关系；b.通过操作线图，很容易找出传质推动力大小。A.逆流：塔顶塔底（X1,Y1)(X2,Y2)ΔY1ΔY2ΔYB.并流塔顶塔底(X2,Y1)(X1,Y2)ΔY1ΔY2任一截面总推动力：ΔY=Y-Y*,塔顶：ΔY1=Y2-Y2*塔底：ΔY2=Y1-Y1*各截面的传质推动力不同，当Y=mX，且m=L/V时，ΔY=const（逆流）。并流时两端传质推动力相差较大，故整个塔的平均推动力ΔYm逆ΔYm并3.传质推动力a塔b塔Y1aX1aX2aY2aY2bY1bX2bX1bX1aY1aX2a=X1bX2bY2a=Y2bY1babXYY*=f(X)两塔联合操作的操作线a塔b塔Y1aX1aX2aY2aY2bY1bX2bX1bX1aY1aX1bX2b=X2aY2a=Y2bY1babXYY*=f(X)a塔b塔Y1aX1aX2aY2aY2bY1bX2bX1bX1aY1aX1bX2b=X2aY2a=Y1bY2babXYY*=f(X)二.吸收剂用量的确定在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需通过工艺计算来确定。在气量一定的情况下，确定吸收剂的用量也即确定液气比。/LV液气比的确定方法是，先求出吸收过程的最小液气比，然后再根据工程经验，确定适宜（操作）液气比。L/Vmin(/)LV1.吸收剂的选择原则a.溶解度吸收剂对于溶质应具有较大的溶解度，从而减少吸收剂的用量。b.选择性对溶质有较大的溶解度，而对混合气体中的惰性组分却基本不溶解。c.挥发性低，操作温度下的饱和蒸汽压要低。d.粘性尽可能的小。e.化学稳定性、毒性、易燃性、发泡性、冰点、价格、来源。V、Y1、Y2或(A)等一定，选择合适的操作条件、吸收剂及其进口浓度X2。即已知V、Y1、Y2，X2→L=?2.用量的确定（以逆流为例）反之，L↓,L/V↓,X1↑,ΔY↓,NA↓,F↑,设备费↑，操作费↓。特殊的，当X1→X1*时，L→Lmin，此时塔内某一截面处ΔY为0，故传质面积F→∞,所需填料层高度为∞（线4）。YY1Y2X2X1X1’X1’’LL’L’’Y*=mX(3)(4)X1*如图：若L↑，则L/V↑,由于Y1为定值，故X1↓，操作线远离平衡线，则ΔY↑,NA↑传质面积↓，故设备费↓，操作费↑，当L→Lmax时，X1→X2(线3)；最小溶剂用量Lmin：完成该吸收任务的填料层高度恰好为无穷高时的溶剂用量，此时的(L/V)——最小液气比(L/V)min。总原则：总费用最小时的点所对应的L为最合适的溶剂用量。（1）L的选择原则设备费用操作费用总费用L/V(L/V)min费用min(L/V)合适（2）工业上根据生产经验，合适的吸收剂的用量：L=(1.1~2.0)Lmin，即(L/V)=(1.1~2.0)(L/V)min（3）Lmin的求取①正常平衡关系曲线如上左图，12min12*YYLVXX若已知Y*=f(X)，则将Y1代入就可求出X1*,从而求得Lmin.②不正常平衡关系如上右图，此时当L↓,操作线靠近平衡线，但当X1未达到X1*时，两操作线就在某一点相交，如图中TB’，此时对应塔的某一截面ΔY=0,F→∞,故所对应的溶剂用量即为Lmin。C12m