第七章吸收案例

化工原理第七章吸收第七章吸收学习目的与要求掌握吸收操作的依据、目的掌握吸收操作过程的分类掌握吸收过程的气液相平衡关系及应用掌握吸收机理和吸收速率方程式掌握吸收塔的有关计算了解吸收操作的分类，吸收系数的确定了解解吸操作的分类掌握填料塔的结构、填料的类型与特性、填料塔的流体力学性能7.1概述7.2吸收过程的相平衡关系7.3传质机理和吸收速率7.4吸收塔的计算7.7填料塔第七章吸收7.5吸收塔的操作7.6解吸目录7.1概述7.2吸收过程的相平衡关系7.3传质机理和吸收速率7.4吸收塔的计算7.7填料塔第七章吸收7.5吸收塔的操作7.6解吸目录7.1概述一、吸收的原理原料气A＋B吸收剂S尾气B(含微量A)吸收液S+A吸收塔形成两相体系的方法引入一液相（吸收剂）各组分在吸收剂中溶解度不同分离物系气体混合物传质原理二、吸收的流程7.1概述吸收过程吸收过程：溶质溶解于吸收剂中逆流操作解吸过程：溶质从溶液中释放出并流操作气体吸收过程在吸收塔中进行。吸收解吸具有吸收剂再生的连续吸收流程（煤气脱苯流程）7.1概述7.1概述三、吸收的工业应用分离气体混合物或精制气体如：合成氨工艺中合成气中的净化脱碳如：用水吸收氯化氢气体制取盐酸；稀硫酸吸收三氧化硫制取浓硫酸回收混合气体中有价值的组分如：用洗油处理焦炉气以回收芳烃；合成氨成厂用水吸收空气中的氨工业废气的治理如：废气中含有SO2、H2S等有害气的脱除生产化工产品7.1概述气体吸收按被吸收组分数目单组分吸收按吸收有无化学反应按溶质组成的高低低浓度吸收√多组分吸收物理吸收化学吸收√高浓度吸收四、吸收的分类按吸收的温度变化等温吸收非等温吸收√√本章讨论重点单组分低浓度的等温物理吸收过程五、吸收剂选择的原则7.1概述溶解度选择性挥发度黏度其它吸收剂对溶质组分的溶解度要大吸收剂应对溶质组分有较大溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度小或基本不溶吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小吸收剂在操作温度下的黏度要低容易再生，化学性质稳定，无毒、无腐蚀、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得7.1概述7.2吸收过程的相平衡关系7.3传质机理和吸收速率7.4吸收塔的计算7.7填料塔第七章吸收7.5吸收塔的操作7.6解吸目录7.2吸收过程的相平衡关系一、气体在液体中的溶解度溶解度曲线液体S气体（A＋B）A溶解A逸出)(AAxfpAx平衡方程达平衡状态时～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Ap曲线Ax溶解度曲线气体在液体中的溶解度氨在水中的溶解度40050易溶7.2吸收过程的相平衡关系二氧化硫在水中的溶解度5068中等溶解度7.2吸收过程的相平衡关系氧在水中的溶解度500.02难溶7.2吸收过程的相平衡关系规律ⅰ温度的影响加压和降温同一溶质在相同的气相分压下，溶解度随温度的升高而减小同一溶质在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大ⅱ压力的影响减压和升温7.2吸收过程的相平衡关系有利于吸收操作有利于解吸操作ⅲ平衡分压与溶解度温度、浓度一定时，溶液上方的平衡分压越大的物质越难溶二、亨利定律（一）亨利定律的表达式若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔分数x表示，亨利定律为E—亨利系数，kPa1.p～x关系AAExp7.2吸收过程的相平衡关系总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比溶解度～易溶气体注意难溶气体E小E大E—亨利系数，kPaE的来源：实验测得；表7-1E的影响因素：溶质、溶剂、T物系一定，ET亨利系数和溶解度关系亨利系数7.2吸收过程的相平衡关系压力影响较小若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度c表示，亨利定律为H—溶解度系数，kmol/(m3·kPa)2.p～c关系HcpAA*7.2吸收过程的相平衡关系E的影响因素：溶质、溶剂、T物系一定，HTH大，溶解度大，易溶气体P对H影响小7.2吸收过程的相平衡关系溶解度溶解度系数～易溶气体注意难溶气体H大H小溶解度系数和溶解度关系H与E的关系：*AAAcccpxHcHHcELcMSSHMESA(1)MxMxSSM若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数y、x表示，亨利定律为m—相平衡常数，无因次3.y～x关系mxy*7.2吸收过程的相平衡关系m与E的关系：**AAppyAExpEm溶解度相平衡常数～易溶气体注意难溶气体m小m大mpm随温度、总压变化而变化mT相平衡常数和溶解度关系7.2吸收过程的相平衡关系xXX1yYY1XXmYY1*1*由得整理得对于低组成吸收1mX1简化得mXY*XmmXY11*4.Y～X关系（摩尔比表示）7.2吸收过程的相平衡关系求液相组成时，亨利定律表达式可改写为以下形式：Epx*Hpc*myx*mYX*7.2吸收过程的相平衡关系ExpHcp*mxy*mXY*亨利定律的表达式E:亨利系数H:溶解度系数m:相平衡常数（二）各系数的换算关系HEMS总pEmmMpHS1总E～H关系E～m关系H～m关系溶液密度溶剂S的摩尔质量7.2吸收过程的相平衡关系7.2吸收过程的相平衡关系例7-1已知总压为101.325kPa，温度为298K时，1000kg水中溶解15kg氨气，此时溶液上方氨气的平衡分压为2.266kPa。试求此时溶液的亨利系数E、溶解度常数H和相平衡常数m。三相平衡关系在吸收中的应用1、判断传质进行的方向设某瞬时，气相中溶质的实际组成为y，溶液中溶质的实际组成为x。若传质方向由气相到液相进行吸收过程若传质方向由液相到气相进行解吸过程*yy*xx*yy*xx7.2吸收过程的相平衡关系Y*=mXYX二、指明传质进行的极限逆流吸收塔液相出口最大组成气相出口最低组成X2X1Y1Y2min2Ymax1X2*2mXYmYX1*17.2吸收过程的相平衡关系XNY1**1XY三、确定传质的推动力以气相表示的传质推动力以液相表示的传质推动力*yyyxxx*吸收推动力示意图*x*y*yyyxxx*y*=mx7.2吸收过程的相平衡关系常以实际气体的气、液相组成与其平衡组成的偏离程度来表示传质推动力。偏离越远，过程推动力越大，过程速率越快，吸收更易进行。7.2吸收过程的相平衡关系例7-2在总压1200kPa，温度303K下，含CO25.0%（体积分数）与含CO21.0%g/L的水溶液相遇，是发生吸收还是解吸，并以分压差表示传质的推动力。已知：303K下CO2和水系统的E=1.88×105kPa，水的密度为996kg/m3。解：kPa1.7718/99644/11088.1*5ExpkPa6005.01200p该过程为解吸过程*ppkPa1.17601.77*推动pp力为例7-37.2吸收过程的相平衡关系已知100kPa，温度25oC下某体系的相平衡关系符合亨利定律，亨利系数E=1.5×105kPa，混合气体中溶质A的分压为5.4kPa，溶液为A浓度为0.001mol/L的水溶液。试求：（1）过程的传质方向，并以气相摩尔分数表示传质的推动力；（2）若A浓度分别提高到0.002mol/L、0.003mol/L溶质A在两相间的传质方向；（3）若系统提高到300kPa，溶质A的浓度为0.003mol/L时，溶质A的传质方向，并以气相摩尔分数表示传质的推动力。解：7.2吸收过程的相平衡关系（1）过程的传质方向，并以气相摩尔分数表示传质的推动力已知：E=1.5×105kPa，pA=5.4kPa，p=100kPa，y=pA/p=0.054，则3105.1pEm531108.118/101001.0001.0x027.0108.1105.1*5311-mxy过程该过程为*吸收yy027.0027.0054.0*推动1yyy力为：7.2吸收过程的相平衡关系（2）若A浓度分别提高到0.002mol/L、0.003mol/L溶质A在两相间的传质方向当A浓度为0.002mol/L时：532106.318/101002.0002.0x054.0106.3105.1*5322-mxy，过程推动力为零平衡过程该过程为*2yy当A浓度为0.003mol/L时：533104.518/101003.0003.0x081.0104.5105.1*5333-mxy过程该过程为*3解吸yy7.2吸收过程的相平衡关系（3）若系统提高到300kPa，溶质A的浓度为0.003mol/L时，溶质A的传质方向，并以气相摩尔分数表示传质的推动力。已知：E=1.5×105kPa，pA=5.4kPa，p=300kPa，y=pA/p=0.054，则500pEm027.0106.3500*534-mxy过程该过程为*4吸收yy027.0027.0054.0*推动4yyy力为：由计算结果可知，在气相条件不变的情况下，液相浓度提高，不利于吸收；提高操作压力，相平衡常数减小，溶质在液相溶解度增加，有利于吸收7.1概述7.2吸收过程的相平衡关系7.3传质机理和吸收速率7.4吸收塔的计算7.7填料塔第七章吸收7.5吸收塔的操作7.6解吸目录7.3传质机理和吸收速率相际间传质的步骤组分A从气相传递到液相（相际间的传质），该过程由以下三步串联而成：①组分A从气相主体扩散到相界面；②在相界面上组分A由气相转入液相；③组分A由相界面扩散到液相主体。相际间的传质一、物质传递的基本方式7.3传质机理和吸收速率分子传质（扩散）分子传质是指由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象，亦称分子扩散除了分子扩散，由于流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象称为涡流扩散，涡流扩散中时刻存在分子扩散。涡流扩散对流传质运动流体与固体表面之间，或两个有限互溶的运动流体之间的质量传递过程（流体与界面间）。7.3传质机理和吸收速率pAcA双膜模型示意图气液两相间存在着稳定的相界面，界面的两侧各有一个很薄的停滞膜—气膜和液膜；在气液相界面处，气液两相处于平衡状态，无传质阻力；溶质A经过两膜层的传质方式为分子扩散，在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体强烈湍动，无传质阻力。要点二、吸收过程机理-双膜模型7.3传质机理和吸收速率三、吸收速率方程式（一）气膜侧吸收速率方程式根据分子扩散传质速率方程)p(ppRTδDpNiBmGABmGGpRTDpk以分压差表示推动力的气膜吸收系数(给质系数),kmol/(m2·s·kPa)=传质系数×吸收推动力AN)(iAGAppkN令GiAAk1ppN/可推出吸收质通过气膜的传质阻力，与气膜推动力对应Gk1Gk=吸收推动力/吸收阻力7.3传质机理和吸收速率若推动力以气相摩尔分率表示：NkyyAyi以气相摩尔分率表示推动力的气膜吸收系数，kmol/(m2·s)yiAkyyN/1气膜传质阻力yk1yk若推动力以气相摩尔比表示：)(iYAYYkNYiAk1YYN/Yk1Yk以气相摩尔比表示推动力的气膜吸收系数，kmol/(m2·s)气膜传质阻力气膜阻力吸收速率方程式气膜吸收系数)(iGAppkNNkyyAyi)(iYAYYkNGkykYkGk1yk1Yk17.3传质机理和吸收速率气膜7.3传质机理和吸收速率比较得Gypkk由道尔顿分压定律ypp总iiypp总)()()(iGiGiGAyypkypypkppkN总总总GYpkk同理低浓度气体适用7.3传质机理和吸收速率（二）液膜侧吸收速率方程式)(cckNiLALiAkccN/1Lk1LLSmLDckc以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2·s·kmol/m3)Lk吸收质通过液膜的传质阻力，