工業(yè)中吸收的應(yīng)用

第七章

吸收第一節(jié)概述一、工業(yè)中吸收的應(yīng)用1、吸收原理：與蒸餾操作相比，吸收廣泛應(yīng)用于氣體混合物的分離。其原理是依靠氣體混合物在某液體中的溶解度不同，而進(jìn)行分離的。所用的液體稱為吸收劑。

氣體中易溶于吸收劑的組分A———溶質(zhì)不易溶于吸收劑的組分B——惰性氣體

2、工業(yè)中的應(yīng)用

（1）原料氣的凈化——去除原料氣中的雜質(zhì)；（2）回收有用組分——合成氨生產(chǎn)中，用水回收氨；（3）某些產(chǎn)品的制取——工業(yè)中鹽酸等的制??；（4）廢氣處理——去除廢氣中有害成分，如SO2等。3、吸收分類（1）按有無化學(xué)反應(yīng)，分物理吸收和化學(xué)吸收。例如用NaOH吸收CO2就是化學(xué)吸收。（2）按溶質(zhì)氣體數(shù)目，分單組分吸收和多組分吸收。

（3）按有無明顯熱效應(yīng)，分等溫吸收與非等溫吸收。二、吸收的流程和溶劑1、吸收流程如圖從合成氨原料氣中回收CO2。乙醇胺對CO2有較大溶解度，選乙醇胺做溶劑。溶劑要回收循環(huán)使用，又有了CO2解吸塔。吸收塔、解吸塔、鍋爐構(gòu)成了CO2

回收的工段或車間。進(jìn)工段的是合成氨原料氣，出工段的是CO2和低濃CO2的合成氨氣。吸收操作流程三、學(xué)習(xí)內(nèi)容和目的本章重點討論的是單組分等溫的物理吸收1、掌握氣體在液體中的溶解平衡關(guān)系—亨利定律2、掌握傳質(zhì)速率方程3、吸收塔的計算4、了解吸收塔的結(jié)構(gòu)第二節(jié)有關(guān)吸收基本理論一、氣體在液體中的溶解平衡1、氣體在液體中的溶解度在一定溫度與壓力下，溶質(zhì)氣體最大限度溶解于溶劑中，達(dá)到平衡時溶質(zhì)在溶劑中的濃度，即為平衡溶解度。也稱溶解度。2、平衡分壓：達(dá)到平衡時，溶質(zhì)氣體在氣相中的分壓，稱為溶質(zhì)的平衡分壓，用Pe表示。3、溶解度曲線——平衡曲線將平衡分壓（Pe）與溶解度之間的關(guān)系作成曲線，稱為溶解度曲線。有如下特點：①相同的溫度和分壓，不同氣體的溶解度差別很大；②一般，氣體溶質(zhì)的溶解度隨溫度升高而降低，隨分壓增大而增加。二、亨利定律1、當(dāng)總壓不高（<5×105Pa）時，一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關(guān)系：

Pe---------溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓,kPa；X----------溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；E----------享利系數(shù)，kPaPe=E·X2、在應(yīng)用時，亨利定律還有其它的表達(dá)形式：C——液相中氣體溶質(zhì)的摩爾濃度,kmol/m3;H——溶解度系數(shù),kmol/m·kN;

（1）（2）上述三種表達(dá)式都反映了達(dá)到溶解平衡時，溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓與其在液相中的溶解度的關(guān)系。第三節(jié)傳質(zhì)速率方程吸收時傳質(zhì)過程分三個步驟：①溶質(zhì)由氣相擴(kuò)散到氣、液兩相界面；②溶質(zhì)穿過相界面；③溶質(zhì)由相界面擴(kuò)散到液相氣體溶質(zhì)在相內(nèi)的傳質(zhì)主要有兩種方式：①靜止或作層流時——分子擴(kuò)散②湍流流動時——對流傳質(zhì)我們將分別加以討論一、分子擴(kuò)散1、分子擴(kuò)散與費克定律流體內(nèi)若有兩種組分A和B，且某一組分存在濃度差時，則由于分子運動使組分從濃度高處傳遞至濃度低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。擴(kuò)散時，服從費克定律。JA——A在z方向上的分子擴(kuò)散通量，kmol/(m2s)dCA/dz——A的濃度梯度，kmol/m4

DAB——A在B中的分子擴(kuò)散系數(shù)，m2/s負(fù)號——表示擴(kuò)散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進(jìn)行的。2、氣體中的穩(wěn)定的分子擴(kuò)散存在兩種形式的擴(kuò)散，兩組分等分子反向擴(kuò)散和一組分通過另一停滯組分的穩(wěn)定的單向擴(kuò)散。（1）等分子反向擴(kuò)散（等摩爾相互擴(kuò)散）pA1pB1pA2pB2pPAB12（2）一組分通過另一停滯組分的單向擴(kuò)散在吸收中，可近似認(rèn)為溶質(zhì)A組分通過B組分向溶劑的擴(kuò)散為單向擴(kuò)散。單向擴(kuò)散中，存在A、B組分向相界面的總體流動，其傳質(zhì)速率分別為NAM，NBM；同時存在組分A相對于組分B的分子擴(kuò)散，其擴(kuò)散速率為JA。則組分A向相界面的總的傳質(zhì)速率為總體流動中，A和B的速率與其各自在混合氣體中的分壓成正比，上式中，積分后得令3、液相中的穩(wěn)定的分子擴(kuò)散NAL——A在液相中的傳遞速率，kmol/m2sD——A在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/sC——溶液的總濃度，C=CA+CS，kmol/m3Csm——擴(kuò)散截面1到截面2溶劑的對數(shù)平均濃度，

kmol/m3二、湍流流體中的對流傳質(zhì)特點：內(nèi)部存在著渦流流動，使得其擴(kuò)散速率遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散速率。渦流擴(kuò)散速率仿照費克定律：對流傳質(zhì)中除了有渦流擴(kuò)散外，也有分子間的擴(kuò)散，因此，總擴(kuò)散速率為積分，得到對流傳質(zhì)的總的傳質(zhì)速率1、氣相中傳質(zhì)速率：式中NA——溶質(zhì)A的對流傳質(zhì)速率，kmol/(m2s)；

zG——氣相有效滯流膜層厚度,m；

kG——氣膜吸收系數(shù)；

p——氣相主體中溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pi——相界面處溶質(zhì)A的分壓,kPa；

pBM——惰性組分B在氣相主體中與相界面處的分壓的對數(shù)平均值,kPa；二、兩相間的傳質(zhì)基本理論——雙膜理論氣膜液膜1、雙膜理論基本觀點：①在氣液兩相接觸的相界面兩側(cè)分別存在著以層流流動的氣膜層和液膜層，傳質(zhì)以分子擴(kuò)散方式進(jìn)行；②在氣液相主體中，湍流全下，可近似認(rèn)為沒有濃度（分壓）梯度，溶質(zhì)的濃度（分壓）基本上是均勻的；③在相界面處，氣液兩相達(dá)到平衡；④傳質(zhì)的阻力全部集中氣膜層和液膜層（雙膜）中。2、總的吸收速率方程：在利用氣液相傳質(zhì)速率方程進(jìn)行吸收計算時，需確定相界面參數(shù)，難以測定，仿照總傳熱速率方程，利用兩相主體間濃度（分壓）差來進(jìn)行計算。（1）以氣相分壓表示的總傳質(zhì)速率方程（2）以液相濃度表示的總傳質(zhì)速率方程（3）以摩爾比表示的總傳質(zhì)速率方程設(shè)：對于氣相，可用Y表示總傳質(zhì)速率。根據(jù)道爾頓分壓定律，氣相中溶質(zhì)分壓p與總壓P關(guān)系為：同理：對于液相，可用X-Xe表示：第四節(jié)吸收塔的計算計算內(nèi)容：已知：處理氣體的流量，氣體的初始、終了濃度，對于給定的吸收劑，則氣液相的平衡關(guān)系也已知。求：吸收劑的用量（或循環(huán)量），吸收溶液的濃度，吸收塔的主要尺寸（塔高、塔徑）。一、物料衡算如圖，逆流吸收塔中，V——惰性氣體的摩爾流量,Kmol/SL——吸收劑摩爾流量,Kmol/SY1、Y2——入塔和出塔氣體的摩爾比；X1、X2——入塔和出塔液體的摩爾比；φA——混合氣體中溶質(zhì)A被吸收的百分率，稱為吸收率或回收率V,Y2X2,LYXV,Y1X1,L對全塔作物料衡算：在塔底與塔的任一截面之間作物料衡算：此方程稱為吸收的操作線方程，穩(wěn)定操作時，L,V,X1,Y1均為定值，方程為一直線。在塔頂與塔的任一截面之間作物料衡算，也可得到一個方程，也是吸收的操作線方程：在圖上作出操作線，可知，過A(X2,Y2)、

B(X1,Y1)兩點，分別代表塔頂和塔底的狀態(tài)。0X2XX1Y1YY2AB二、吸收劑的用量與最小液氣比2、液氣比：上述操作線方程中，斜率為L/V，稱作液氣比。1、回收率η：回收率可以反映吸收操作的分離效果3、吸收劑用量及液氣比對吸收操作的影響：L↑，則液氣比↑，即操作線斜率↑，操作線將遠(yuǎn)離平衡線，吸收推動力↑，設(shè)備尺寸減小，投資費用降低，但溶液濃度變稀，操作費用及解吸設(shè)備費用增加。L↓，操作線斜率↓，操作線向平衡線靠近，吸收推動力↓，需增加氣液接觸面積，設(shè)備費用增加。當(dāng)L減小到使操作線與平衡線相交或相切時，吸收推動力變?yōu)?，所需接觸面積無限大。此時的L為最小，表示為Lmin。對應(yīng)的液氣比為（L/V）min。實際操作，選擇合適液氣比及吸收劑用量。一般4、最小液氣比的確定0X2X1Y1Y2ABB’Xe1對于濃度很小的稀溶液，相平衡關(guān)系可近似用摩爾比表示也可通過作圖，求出最小液氣比三、填料層高度的確定對于低濃度氣體在填料塔內(nèi)進(jìn)行吸收時，填料塔高度主要取決于填料層的高度。1、以氣相和液相表示的填料層高度的基本計算式：2、傳質(zhì)單元數(shù)的確定在此只介紹對數(shù)平均推動力法對于服從亨利定律的稀溶液，其相平衡關(guān)系為圖中YY1Ye1Y2Ye2OX2X1XBEA⊿Y1⊿Y2代入傳質(zhì)單元數(shù)積分式中，可得：例6-1在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的SO2。氣體處理量為1.20m3/s

（標(biāo)態(tài)），進(jìn)塔氣體中含SO2

為8%（體積百分?jǐn)?shù)），要求SO2的吸收率為85%，在該吸收操作條件下的相平衡關(guān)系Ye=26.7X，用水量為最小用量的1.5倍。試求：（1）用水量為多少？（2）若吸收率提高至90%，用水量又為多少？解（1）已知（2）若吸收率提高至90%，則液體分布裝置有蓮蓬式、缺口噴淋式、彎管噴淋式、篩孔式和多孔管式等多種。

為了防止塔中部容易產(chǎn)生的“壁流效應(yīng)”，壁流效應(yīng)就是，液體不再流向填料，而是沿塔壁不經(jīng)傳質(zhì)就流走了。所以塔中部會安裝液體再分布器。液體再分布器有三種，即錐體形再分布器、槽形再分布