分离工程第三章吸收.ppt

分离工程吸收分离工程第七节复杂精馏塔的计算华东理工大学化工学院分离工程教学组2007年11月吸收分离工程分离工程第三章吸收吸收分离工程目录3．1吸收过程概述1.吸收操作的应用及工艺流程2.吸收操作的分类3.吸收过程的特点及微分接触理论3．3气液相平衡3．3．1．物理溶解时的相平衡3．3．2．伴有化学反应的吸收相平衡3．3．3．相平衡曲线及其比较吸收分离工程3．4．传质理论3．5．传质速率与传质系数3．5．1．物理吸收传质速率3．5．2．化学吸收传质速率与增强因子3．5．3．传质系数关联式3．6．化学吸收与增强因子1．化学吸收的分类及其判别2．化学吸收中液相传质速率的研究步骤3．化学吸收增强因子的求取4.化学吸收与物理吸收的比较吸收分离工程3.7吸收过程的设计（A）工艺的确定1.气量、吸收率（净化度）吸收量2.最小液体流率，吸收流程的确定（B）工程计算1.塔径的计算2.塔高的计算1.低浓度气体吸收时的填料高度2.高浓度气体吸收时的填料高度3.化学吸收时的填料高度的计算4.多组分逆流吸收的填料高度—吸收因子法5.吸收过程的模拟计算吸收分离工程3．1．吸收过程概述1.吸收过程的应用及典型工艺流程化工生产中吸收过程的应用：1）获得液相产品2）气体混合物的分离3）气体的净化①原料气的净化②尾气的净化4）回收有价值的组分分离工程吸收典型工艺流程（1）吸收剂无需再生的流程使用对象：主要用于制备液相产品。流程特点：吸收剂不再生，循环操作。应用实例：SO3+H2O（H2SO4）HCHO+H2OH2SO4（浓硫酸）福尔马林（NH4）2CO3+CO2+H2O2NH4HCO3原料CA溶剂进吸收（2）吸收再生流程使用对象：气体的净化或回收；流程特点：至少有两个塔（吸收塔和再生塔）。再生气Ⅰ再生气Ⅱ净化气再生气Ⅲ①减压冷再生流程原理：通过改变P，改变相平衡，使溶质解吸。实例：以碳酸丙烯酯为溶剂，脱除合成氨气原料气中CO2的过程。工艺对气体净化度要求是过程经济性的关键分离工程①减压冷再生②气提冷再生③间接蒸汽热再生吸收分离工程②气提冷再生流程原理：用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸；适用：溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的含量。问题：二次污染，资源的再利用。净化气气体蒸汽废气惰性气体泡沫吸收分离工程③间接蒸汽热再生流程原理：利用间接蒸汽升高温度，改变液面上活性组分的平衡分压，加速解吸速率；实例：化学吸收（可逆反应）热钾碱法吸收CO2；柠檬酸钠法吸收SO2。过程能耗是考核的关键指标。采用化学再生，转化为其他产品，或与其他工业过程有机结合是降低能耗的有效方法之一。★物理吸收的特点：吸收2．吸收操作的分类物理吸收（水、甲醇-CO2）依据吸收的机理可分成化学吸收（K2CO3-CO2）物理化学吸收（甲醇-有机胺）极限：溶解平衡=f(T,P)达到平衡的速率：NA=f(C,KG)过程是可逆的，且热效应较小。★化学吸收的特点：极限：相平衡=f(T,P,反应组分B)达到平衡的速率：NA=f(C,KG,Kr)由于有化学反应，过程热效应较大，必须热再生。★物理化学吸收的特点分离工程气相(g)液相(l)吸收3.吸收过程的特点及微分接触理论吸收与精馏操作的相同点：☆平衡分离过程☆热、质同传过程，由MESH方程求解吸收与精馏的不同点：吸收过程精馏过程进T(G)TC汽相(V)冷凝进入汽化进入液相（L）T(V)TC分离工程吸收分离工程吸收操作的特点：•溶解平衡过程，相际传质速率和传质面积等成为重要的影响因素；•传质过程同时受到平衡和扩散的控制，化学吸收过程反应与分离耦合；•气体热容小，液体热容大，溶质浓度较低，且存在溶剂汽化冷凝，过程的温度变化较小；•吸收操作多采用连续逆流接触式设备（如填料塔）；•研究的理论和方法不同─微分理论。=分离工程=(Kya)(yye)dh吸收d(Gy)=d(Lx)=NASdh=(Kxa)(xex)SdhSG,y1L,x1dhL,x2G,y2yy+dyx2x1h0d(Lx)KxaS(xex)dh=H=y1y2h0d(Gy)KyaS(yye)dh=H=x2dxx1xexdyyyeLKxaSLy1KyaSy2H=HOLNOL=HOGNOG=分离工程吸收3.3吸收相平衡相平衡时ffiiTG=TL,PG=PLˆG=ˆL(i=1,c)亨利定理变形：或者3.3.1.物理溶解时相平衡1）低浓度理想溶液Pi=Hixi（Hi为亨利系数）Pi=PyiHiPxiyi=mixiyi=HiPmi=HiCMCiPi=HiCiPi=HiCMHi=分离工程吸收关于H系数的几点说明：一般情况3）化学平衡时，2）低浓度的易溶气体;难溶气体；1)4、Hi与溶液的组成、5、Hi的适用范围：AiAi越小；i越大，C2、pi一定，HP0.1MPa。－稀溶液。;3、T，H，但C未反应的溶质总压无关；溶质性质）1、Hi=f(T、溶剂性质、分离工程两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程：吸收2）高浓度非理想溶液当气液平衡时，fˆiG=PyiˆiGfˆiL=fi0Lxii=Hixii*yixiHii*PˆiG=mi=lnARTfiLxi(1x02)=lnHiaA(l)bB(l)mMnNaMaNMNMNCCKa==abaAaBABABCCCA=CACMam分离工程化学平衡：KnmnmbabCMmCNnCAaCBbKaKr=K=溶解平衡：PA=HACA物料衡算式：CA0=CACM0(a=m)(am)PX1吸收3.3.2.伴有化学反应时的相平衡A(g)HA(1)(2)(3)CMmCNn1aKCB)分别几种情况讨论：分离工程bPA=HACA=HA(吸收平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定（即Ci同时满足化学平衡和溶解平衡）由化学平衡式（1、2、3式）求得Ci，带入Pi=H’Ci，求得相平衡时PA=f(ci)的关系式：溶液中A的初始浓度：CA(l)B(l)M(l)CACBC=1KCB分离工程化学平衡：溶解平衡：（3-26）当由此可见：物理吸收：吸收①产物不离解（NH3—H2O系统）A(g)HAK0ACA0=CA*CM*CM***CA0CA*CA*CB*=K=*ACA01KCB*)*CA0=HA(HAC*APA=CBCA时，CB*CB0PA=HACA*HACA01KCB0化学吸收：PA=A(l)B(l)M(l)K离解平衡常数：K1=化学平衡常数:物料衡算:溶液中A的起始浓度（3-30）A吸收②产物离解（Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O系统）A(g)HAKK1CKCACM忽略溶液中水的离解:CK=CACA=K1CMCMCBCAK=CM=KCACBCA0=CACMCAC0A=CAKCACBK1KCACB分离工程分离工程吸收上式整理成CA的一元二次方程，并求解可得：（3-31）式中（3-32）溶解平衡：(2C0AKa)Ka(4C0AKa)2(1KCB)C*A=KK1CB1KCBKa=[(2C0AKa)Ka(4C0AKa)]HA2(1KCB)PA=HAC*A=CB=CB(1R)CM*=CB0RA(ag)B(ag)M(ag)CACBCACB(1R)分离工程吸收被吸收组分与溶剂中的活性组分的作用A(g)HAKa(1)相平衡：(2)设B组分的平衡转化率为R，有：CA*=CA0CM**0化学平衡：*0KCB0RCM***RCA*(1R)===PA=HACA*C=C=CR=C分离工程令根据吸收组分在相平衡时的溶解能力为：当物理溶解量可以忽略不计时，*吸收由（1）式得CA，代入（2）得：HARK(1R)PA=AApR==KHA=pA1pR(1R)C0ACB0RPAHA=PA1PA0B0B*M0A(336)(337)相平衡曲线物理吸收：化学吸收：*ApA=HACp*A1p*ACA0=CM*=CB0说明：p*A,CA0CB0，而不能超过CB0。CB0—代表溶剂B对溶质A的最大吸收能力；p*A—代表吸收时气体所能达到的极限净化度。分离工程物理吸收化学吸收pCO2pACCCO2CB0吸收3.3.3.相平衡曲线及其比较④当pApAC分离工程，物理吸收优于化学吸收。⑤溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数(H’↑），降低净化度吸收物理吸收与化学吸收的比较*0（适宜高压或高浓度气体的脱除）*00净化度的吸收过程；**mimi0ln=biIb'Ci吸收3．4．传质理论吸收过程，溶质A由气相传到液相。传质理论(较成熟)双膜论Whitaman,1923渗透论Higbie,1935表面更新论Danckwerts,1951分离工程界面液相气相NA传质主体(气,液相)界面分子扩散对流湍流混合界面湍动界面阻力分离工程xixAyi液相主体δlδgyA气相主体界面吸收1．双膜论特点：是稳态的物理模型，模型直观，用起来方便。要点：①流动方式：界面两侧有滞流传质膜滞流传质膜≠滞流边界层②传递方式：膜内呈分子扩散传递，主体浓度均一，传质阻力集中在界面两侧的双膜内；模型参数是膜的厚度δl。y③界面无阻力，i=Kixi。(CAiCAL)DCMlCBMNA=吸收由单向扩散速率积分式可得：讨论：1.稳定的边界滞流传质膜？2.传质过程是稳态的？3.界面无阻力？4.K∝D（大量实测到的K∝D0.5）双膜论的弱点：没有反应出K与D的0.5次方的关系。分离工程吸收2．渗透论要点：①传质方式：膜内是非稳态的传质；由非定态分子扩散可求得：此结论与实验相符合，但te无法测定，且表面还是固定膜。分离工程)ALAiA(CNC=2DteNA=constNAttNAmaxt=0tdC/dL=constdC/dL②传质模型：随着旋涡的产生，溶质有时在主体，有时在界面；微元在界面停留时间te是相同的；③界面无阻力，yi=Kixi；界面tte微团CA0（主体）微团吸收3．表面更新论要点：传质是非稳态的；①界面上的每一微元具有不同的暴露时间，被另一微元置换的机会均等；②微元被旋涡携带的过程在气、液相均会发生，表面不断更新。③微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律；S=f(界面湍动参数）(t)=SestNA=DS(CAiCAL)缺点：表面更新率S无法确定，但该理论最完善。分离工程界面CA0液相气相分离工程可以写出传质速率的多种形式（见表3-5）。=kg(pApAi)=KG(pApAe)NA=kx(xix)=Kx(xex)=kl(CAiCAl)=KL(CAeCAl)根据相平衡方程式y=mxa或PA=HACAbCAlyixiPaiCi液相主体xAδlδgyAPA气相主体界面吸收3.5传质速率与传质系数3.5.1．物理吸收传质速率由双膜论知，A由气相到液相的传质速率可表示为：NA=ky(yyi)=Ky(yye)②由于pAe是随由此可得：CAl的增加而增加，pAepAipApAepApAiCAeCAlCAiCAeKGkgKLkl由传质总系数与传质分系数的关系式可知：HAkl=1kg1KG=1kgHA1kl1KLKL=HAKG分离工程吸收NA=kg(pApAi)=KG(pApAe)NA=kl(CAiCAl)=KL(CAeCAl)①当A从气相进入液相时，CAiCAl;吸收当HA很大，即A是难溶气体属液膜控制KLklklH'AKG1H'Akg1kL1kgHAkl当HA很小，即A是易溶气体时，属气膜控制KGkg1kl1HA'kgHAkl1kgKLHA'kg结论：HA'很小（易溶气体）HA'很大（难溶气体）分离工程气膜控制的条件是：KGkgkgkl液膜控制的条件是：KLklkgklx=,CA=CAL