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1、吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程第七节第七节 复杂精馏塔的计算复杂精馏塔的计算 分分 离离 工工 程程 华东理工大学化工学院分离工程教学组华东理工大学化工学院分离工程教学组 2007年年11月月吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程分离工程分离工程第三章第三章吸收吸收吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程目目录录31吸收过程概述吸收过程概述1.吸收操作的应用及工艺流程吸收操作的应用及工艺流程2.吸收操作的分类吸收操作的分类3.吸收过程的特点及微分接触理论吸收过程的特点及微分接触理论33气液相平衡气液相平衡331物理溶解时的相平衡物理溶解时的相平衡332伴有化学反应的吸收相平衡伴有化
2、学反应的吸收相平衡333相平衡曲线及其比较相平衡曲线及其比较吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3 34 4传质理论传质理论3 35 5传质速率与传质系数传质速率与传质系数 3 35 51 1物理吸收传质速率物理吸收传质速率 3 35 52 2化学吸收传质速率与增强因子化学吸收传质速率与增强因子 3 35 53 3传质系数关联式传质系数关联式3 36 6化学吸收与增强因子化学吸收与增强因子 1 1化学吸收的分类及其判别化学吸收的分类及其判别 2 2化学吸收中液相传质速率的研究步骤化学吸收中液相传质速率的研究步骤 3 3化学吸收增强因子的求取化学吸收增强因子的求取 4.4.化学吸收与物理吸收
3、的比较化学吸收与物理吸收的比较吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3.7 吸收过程的设计吸收过程的设计（A A）工艺工艺的确定的确定1.1.气量、吸收率（净化度）气量、吸收率（净化度）吸收量吸收量2.2.最小液体流率，吸收流程的确定最小液体流率，吸收流程的确定（B B）工程计算工程计算 1.1.塔径的计算塔径的计算 2.2.塔高的计算塔高的计算 1.1.低浓度气体吸收时的填料高度低浓度气体吸收时的填料高度 2.2.高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度 3.3.化学吸收时的填料高度的计算化学吸收时的填料高度的计算 4.4.多组分逆流吸收的填料高度多组分逆流吸收的填料高度吸收因
4、子法吸收因子法 5.5.吸收过程的模拟计算吸收过程的模拟计算吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程31吸收过程概述吸收过程概述1.吸收过程的应用及典型工艺流程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：化工生产中吸收过程的应用：1）获得液相产品）获得液相产品2）气体混合物的分离）气体混合物的分离3）气体的净化）气体的净化原料气的净化原料气的净化尾气的净化尾气的净化4）回收有价值的组分）回收有价值的组分吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程典型工艺流程典型工艺流程（1）吸收剂无需再生的流程）吸收剂无需再生的流程使用对象：主要用于制备液相产品。使用对象：主要用于制备液相产品。流程特点
5、：吸收剂不再生，循环操作。流程特点：吸收剂不再生，循环操作。应用实例：应用实例：SO3+H2O（H2SO4）H2SO4（浓硫酸）浓硫酸）HCHO+H2O福尔马林福尔马林（NH4）2CO3+CO2+H2O2NH4HCO3原料CA溶剂吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程（2）吸收再生流程）吸收再生流程使用对象：气体的净化或回收；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）。流程特点：至少有两个塔（吸收塔和再生塔）。再生气再生气净化气再生气进气减压冷再生流程减压冷再生流程原理：通过改变原理：通过改变P，改变相平衡，改变相平衡，使溶使溶质解吸。质解吸。实例：以碳酸丙烯酯为溶
6、剂，脱除合成氨实例：以碳酸丙烯酯为溶剂，脱除合成氨原料气中原料气中CO2的过程。的过程。工艺对工艺对气体净化度气体净化度要求是过程经济性的关要求是过程经济性的关键键减压冷再生减压冷再生气提冷再生气提冷再生间接蒸汽热再生间接蒸汽热再生吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程气提冷再生流程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；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。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。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吸收分离工程分离工
7、程分离工程分离工程间接蒸汽热再生流程间接蒸汽热再生流程原理：利用间接蒸汽升高温度，原理：利用间接蒸汽升高温度，改变液面上活性组分的平改变液面上活性组分的平衡分压，加速解吸速率；衡分压，加速解吸速率；实例：化学吸收（可逆反应）实例：化学吸收（可逆反应）热钾碱法吸收热钾碱法吸收CO2；柠檬酸钠法吸收柠檬酸钠法吸收SO2。过程能耗是考核的关键指标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工业过程有机结合是降低能耗的有效方法之一。一。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程物理吸收（水、甲醇物理吸收（水、
8、甲醇-CO2）依据吸收的机理可分成依据吸收的机理可分成化学吸收（化学吸收（K2CO3-CO2）物理化学吸收物理化学吸收（甲醇甲醇-有机胺有机胺）物理吸收的特点：物理吸收的特点：极限：溶解平衡极限：溶解平衡=f(T,P)达到平衡的速率：达到平衡的速率：过程是可逆的，且热效应较小。过程是可逆的，且热效应较小。化学吸收的特点：化学吸收的特点：极限：相平衡极限：相平衡=f(T,P,反应组分反应组分B)达到平衡的速率达到平衡的速率：由于有化学反应，过程热效应较大，必须热再生。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物理化学吸收的特点2 2吸收操作的分类吸收操作的分类吸收吸收分离工程
9、分离工程分离工程分离工程3.吸收过程的特点及微分接触理论吸收过程的特点及微分接触理论吸收与精馏操作的吸收与精馏操作的相同点相同点：平衡分离过程平衡分离过程热、质同传过程，由热、质同传过程，由MESHMESH方程求解方程求解吸收与精馏的吸收与精馏的不同点不同点：吸收过程吸收过程精馏过程精馏过程液相（L）冷凝进入汽相(V)汽化进入吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程吸收操作的特点：吸收操作的特点：溶解平衡过程，相际传质速率和传质溶解平衡过程，相际传质速率和传质面积等成为重要的影响因素；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，传质过程同时受到平衡和扩散的控制，化学吸收过程反应
10、与分离耦合；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，过程的较低，且存在溶剂汽化冷凝，过程的温度变化较小；温度变化较小；吸收操作多采用连续逆流接触式设备吸收操作多采用连续逆流接触式设备（如填料塔）；（如填料塔）；研究的理论和方法不同研究的理论和方法不同微分理论。微分理论。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程SG,y1L,x1dhL,x2G,y2yy+dy吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3.3 吸收相平衡吸收相平衡相平衡时相平衡时3 3.3 3.1.1.物理溶解时相平衡物理溶解时相平衡物理溶解时相平衡物理溶解
11、时相平衡1）低浓度理想溶液）低浓度理想溶液（Hi为亨利系数）为亨利系数）亨利定理变形：亨利定理变形：或者或者吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程关于关于H H系数的几点说明：系数的几点说明：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程2）高浓度非理想溶液）高浓度非理想溶液当气液平衡时，当气液平衡时，两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程：两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程化学平衡化学平衡：溶解平衡溶解平衡：物料衡算式：物料衡算式：PX13.3.2.伴有化学反应时的相平衡伴有化学反应时的相平衡吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程平衡组成由化学平衡和溶
12、解平衡共同确定平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定（即（即Ci同时满足化学平衡和溶解平衡）同时满足化学平衡和溶解平衡）由化学平衡式由化学平衡式（1、2、3式）式）求得求得C Ci i，带入带入P Pi i=HCHCi i，求得相平衡时求得相平衡时的关系式：的关系式：分别几种情况讨论：分别几种情况讨论：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程产物不离解（产物不离解（NH3H2O系统）系统）溶液中溶液中A的初始浓度的初始浓度：化学平衡化学平衡：溶解平衡溶解平衡：（3-26）当当时，时，由此可见：由此可见：物理吸收：物理吸收：化学吸收：化学吸收：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程产物离解（产物
13、离解（Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O系统）系统）离解平衡常数离解平衡常数：忽略溶液中水的离解忽略溶液中水的离解:化学平衡常数化学平衡常数:物料衡算物料衡算:溶液中溶液中A的起始浓度的起始浓度（3-30）吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程上式整理成上式整理成CA的一元二次方程，并求解可得：的一元二次方程，并求解可得：（3-31）式中式中（3-32）溶解平衡溶解平衡：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程被吸收组分与溶剂中的活性组分的作用被吸收组分与溶剂中的活性组分的作用设设B组分的平衡转化率为组分的平衡转化率为R，有：有：化学平衡化学平衡：(1)相平衡相平衡：(2)吸收吸
14、收分离工程分离工程分离工程分离工程由（由（1）式得）式得，代入（，代入（2）得：）得：令令根据吸收组分在相平衡时的根据吸收组分在相平衡时的溶解能力溶解能力为：为：当物理溶解量可以忽略不计时，当物理溶解量可以忽略不计时，吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q相平衡曲线相平衡曲线物理吸收：物理吸收：化学吸收化学吸收：说明：说明：，而不能超过，而不能超过。代表溶剂代表溶剂B对溶质对溶质A的最大吸收能力；的最大吸收能力；代表吸收时气体所能达到的极限净化度。代表吸收时气体所能达到的极限净化度。物理吸收化学吸收3.3.3.相平衡曲线及其比较相平衡曲线及其比较吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q物
15、理吸收与化学吸收的比较物理吸收与化学吸收的比较物理吸收，物理吸收，呈线形关系，不存在浓度界限；呈线形关系，不存在浓度界限；（适宜高压或高浓度气体的脱除）（适宜高压或高浓度气体的脱除）化学吸收，化学吸收，有极限，有极限，；适用于低压、低浓度下高净；适用于低压、低浓度下高净化度的吸收过程；化度的吸收过程；当当，化学吸收优于物理吸收；，化学吸收优于物理吸收；当当，物理吸收优于化学吸收。，物理吸收优于化学吸收。溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数(H(H），），降低净化度降低净化度吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程34传质理论传质理论吸收过程，溶质
16、吸收过程，溶质A由气相传到液相。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吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程1双膜论双膜论特点：是稳态的物理模型，特点：是稳态的物理模型，模型直观，用起来方便。模型直观，用起来方便。xixAyi液相主体lgyA气相主体界面要点要点：流动方式：界面两侧有滞流传质膜流动方式：界面两侧有滞流传质膜滞流传质膜滞流传质膜滞流边界层滞流边界层传递方式：膜内呈分子扩散传递，传递方式：膜内呈分子扩散传递，主
17、体浓度均一，传质阻力集中在主体浓度均一，传质阻力集中在界面两侧的双膜内；界面两侧的双膜内；界面无阻力，界面无阻力，。模型参数是膜的厚度模型参数是膜的厚度l。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程由单向扩散速率积分式可得：由单向扩散速率积分式可得：讨论：讨论：1.稳定的边界滞流传质膜？稳定的边界滞流传质膜？2.传质过程是稳态的？传质过程是稳态的？3.界面无阻力？界面无阻力？4.KD（大量实测到的大量实测到的KD0.5）双膜论的弱点：没有反应出双膜论的弱点：没有反应出K与与D的的0.5次方的关系。次方的关系。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程2渗透论渗透论要点：要点：传质方式：膜内是非稳态
18、的传质；传质方式：膜内是非稳态的传质；传质模型：随着旋涡的产生，溶质有时在主体，有时在传质模型：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界面；微元在界面停留时间te是相同的；是相同的；界面无阻力，界面无阻力，；由非定态分子扩散可求得：由非定态分子扩散可求得：此结论此结论与实验相符合，但与实验相符合，但te无法测定，且表面还是固定膜。无法测定，且表面还是固定膜。界面tte微团CA0（主体）吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3表面更新论表面更新论要点：传质是非稳态的；要点：传质是非稳态的；界面上的每一微元具有不同的暴露时间，被另一微元置换的界面上的每一微元具有不同的暴露
19、时间，被另一微元置换的机会均等；机会均等；微元被旋涡携带的过程在微元被旋涡携带的过程在气、液相均会发生，表面气、液相均会发生，表面不断更新。不断更新。微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律；微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律；缺点：表面更新率缺点：表面更新率S无法确定，但该理论最完善。无法确定，但该理论最完善。界面微团CA0液相气相吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3.5 传质速率与传质系数传质速率与传质系数由双膜论知，由双膜论知，A由气相到液相的传质速率可表示为：由气相到液相的传质速率可表示为：根据相平衡方程式根据相平衡方程式或或可以写出传质速率的多种形式可以写出传质速率的多种形式
20、（见表3-5）。xiCixACAlyiPai液相主体lgyAPA气相主体界面3.5.1物理吸收传质速率物理吸收传质速率吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程当当A从气相进入液相时，从气相进入液相时，;由于由于是随是随的增加而增加，的增加而增加，由此可得：由此可得：q由传质总系数与传质分系数的关系式可知：由传质总系数与传质分系数的关系式可知：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q当当很大，即很大，即A是难溶气体是难溶气体q当当很小，即很小，即A是易溶气体时，是易溶气体时，q结论：结论：q气膜控制的条件是：气膜控制的条件是：q液膜控制的条件是：液膜控制的条件是：吸收吸收分离工程分离工程分离工
21、程分离工程物理吸收物理吸收A在液膜中的溶解速率服从费克定律，在液膜中的溶解速率服从费克定律，即即:在图中在图中CA为为DE直线，斜率为浓度梯度直线，斜率为浓度梯度。有化学反应时有化学反应时A在膜中边扩散边反应，在膜中边扩散边反应，CA为为曲线曲线DE。在在D处处(x=0)，扩散速率为：扩散速率为：3.5.2化学吸收的传质速率与增强因子化学吸收的传质速率与增强因子吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程A的扩散量的扩散量=膜内扩散量膜内扩散量+膜内反应量膜内反应量q在在x=处，处，A向液相主体扩散速率为：向液相主体扩散速率为：当当界面处界面处DL相同，相同，C相同，则相同，则DD线斜率线斜率对应
22、化学吸收的速率对应化学吸收的速率DE线斜率线斜率对应物理吸收的速率对应物理吸收的速率定义定义增强因子增强因子1吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程将化学吸收速率看作物理吸收速率的将化学吸收速率看作物理吸收速率的倍。则有：倍。则有：问问：、：、对传质总系数的影响如何？对传质总系数的影响如何？、化学反应的存在，是否、化学反应的存在，是否只对只对液膜传质有影响，液膜传质有影响，而对气膜传质无影响？而对气膜传质无影响？吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q液膜传质系数关联式（液膜传质系数关联式（Norman）:适用于公称尺寸适用于公称尺寸10-50mm的拉西环的拉西环和和公称尺寸公称尺寸13-
23、38mm的鞍型填料。的鞍型填料。金属拉西环填料金属拉西环填料3.5.3传质系数关联式传质系数关联式吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q气膜传质系数关联式（气膜传质系数关联式（Charpentier）:适用于公称尺寸大于适用于公称尺寸大于15cm的填料。的填料。q恩田等（恩田等（3-9295）的传质系数与传质单元高度关联式。）的传质系数与传质单元高度关联式。当当工工业业设设备备的的填填料料尺尺寸寸与与文文献献值值一一致致，计计算算可可以以有有一定的精度，否则就有教大的误差。一定的精度，否则就有教大的误差。对对于于化化学学吸吸收收的的传传质质系系数数值值，则则以以物物理理吸吸收收为为基基础础
24、，全力求出全力求出值。值。可可以以从从商商家家或或计计算算软软件件中中获获得得常常见见体体系系的的传传质质单单元元高度，再求取特定体系的传质单元数。高度，再求取特定体系的传质单元数。金属孔板波纹填料金属孔板波纹填料吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3.6 化学吸收与增强因子化学吸收与增强因子1 1化学吸收的特点、分类及其判别化学吸收的特点、分类及其判别2 2化学吸收中液相传质速率的研究步骤化学吸收中液相传质速率的研究步骤 （1 1）研究思路）研究思路 （2 2）扩散扩散反应微分方程反应微分方程 （3 3）物理吸收速率物理吸收速率 （4 4）化学吸收速率化学吸收速率3 3化学吸收增强因子的
25、求取化学吸收增强因子的求取吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程化学吸收的特点化学吸收的特点传质和反应耦合传质和反应耦合反应发生在液相，化学反应仅改变液膜传质阻力！反应发生在液相，化学反应仅改变液膜传质阻力！传质速率：传质速率：两个重要参数及物理意义两个重要参数及物理意义：增强因子增强因子（化学反应的影响）（化学反应的影响）：化学吸收无因次准数化学吸收无因次准数M（反应类型判断的依据）：（反应类型判断的依据）：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程1加大了推动力加大了推动力改变了系统的相平衡，可提高脱除气的净化度。改变了系统的相平衡，可提高脱除气的净化度。CAlAl，C CA*；PA*2在
26、在低低压压、低低浓浓度度条条件件下下提提高高了了溶溶剂剂的的吸吸收收容容量量，可可降降低低吸吸收收剂剂的的用用量。量。3.降低了液相传质阻力，提高了传质速率。降低了液相传质阻力，提高了传质速率。引入化学反应对传质过程产生的影响引入化学反应对传质过程产生的影响（与物理吸收的差异）（与物理吸收的差异）塑料阶梯环吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程1化学反应可忽略的物理吸收过程化学反应可忽略的物理吸收过程液相中的总反应量液相中的总反应量扩散传递量扩散传递量令：令：当当CALCAipAipA界面3.6.1化学吸收的分类与判别化学吸收的分类与判别吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程2 2液流主体
27、中进行慢反应的吸收过程液流主体中进行慢反应的吸收过程液膜中反应的量通过液膜扩散的量液膜中反应的量通过液膜扩散的量当当M1，M0)吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q一级快反应：一级快反应：q一级中速反应：一级中速反应：都是有利的；都是有利的；q一级慢反应：一级慢反应：，改善化学反应条件，改善化学反应条件，提高积液量采用鼓泡塔才是有效的。，提高积液量采用鼓泡塔才是有效的。讨论：（如何强化传质过程？）讨论：（如何强化传质过程？）吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程考察不同的考察不同的M M取值对取值对的影响：的影响：（P.137,图3-16）吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程反应面
28、上：反应面上：瞬间反应：瞬间反应：A：（1）B：（2）（3）（4）（5）反应计量关系：反应计量关系：界面反应面3.6.3不可逆瞬时化学反应不可逆瞬时化学反应的求取的求取吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程解：由解：由（1）得：得：将边界条件将边界条件（3和4）代入上式得：代入上式得：代入速率方程：代入速率方程：（6）（但如何确定（但如何确定？）？）吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程由由（2）得：得：将边界条件将边界条件（4和5）代入上式得：代入上式得：再利用再利用整理得：整理得：(但如何求但如何求？)吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程讨论讨论1 1：1 1若若2 2当当 ，3
29、3当当 液膜无阻力，属气膜控制液膜无阻力，属气膜控制。气膜界面反应面液膜吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q 的求取：的求取：当当C CBLBL C Cc cB BL L反应面与界面重合：反应面与界面重合：利用利用解得：解得：（3-184）q 若若 则则 气膜控制气膜控制 若若 则则 双膜控制双膜控制吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程q若双膜控制，若双膜控制，未知，则未知，则的求解方法：的求解方法：利用利用式式+得：得：又又由此得由此得吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程讨论讨论2 2：（瞬间反应如何强化传质？）：（瞬间反应如何强化传质？）1 1 （反应速度，反应级数）无关；（
30、反应速度，反应级数）无关；2 2若若 ，加强气相的湍动，加强气相的湍动，。3 3若若 均可强化传质。均可强化传质。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程xCBiCAiCALCBL界面液膜扩散反应微分方程：扩散反应微分方程：边界条件：边界条件：3.6.4二级不可逆反应二级不可逆反应的求取的求取吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程当当很大，可作拟一级反应处理；很大，可作拟一级反应处理；当当有限，在有限，在的情况下，可求得的情况下，可求得近似解：近似解：（3-190）以以为参数，作为参数，作图，图图，图（3-21），若已知若已知和和值就可直接求取值就可直接求取值。值。扩散反应方程扩散反应方程吸
31、收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程2当当时：时：二二级级反反应应增增强强因因子子与与瞬瞬间间反反应应增增强强因因子相等；子相等；说明：反应速度常数说明：反应速度常数很大或很大或传质系数传质系数较小。较小。图图（3-21）的规律：的规律：1当当时，时，；二级反应可处理为拟一级快反应；二级反应可处理为拟一级快反应；说明：说明：B在液膜中的扩散量在液膜中的扩散量反应消耗量反应消耗量恒定不变，恒定不变，吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3在其它区域：在其它区域：应查图求取。应查图求取。先计算：先计算：但但不知道，计算中先假定：不知道，计算中先假定：以后再迭代校正。以后再迭代校正。方法：方法：
32、吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程化学吸收的优缺点：化学吸收的优缺点：优点：优点：.吸收速度快、选择性好；（速率角度）吸收速度快、选择性好；（速率角度）.气相平衡分压低、可得高净化度；气相平衡分压低、可得高净化度；溶解量大、吸收能力强；（平衡角度）溶解量大、吸收能力强；（平衡角度）.化学吸收的开发余地很大。化学吸收的开发余地很大。不足处不足处:.能耗大（可通过过程耦合降低能耗）；能耗大（可通过过程耦合降低能耗）；.对设备有腐蚀性（采用非金属材料）；对设备有腐蚀性（采用非金属材料）；.溶液的稳定性问题。溶液的稳定性问题。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程吸收过程的设计计算吸收过程的设
33、计计算（A A）工艺工艺的确定的确定 1.1.气量、吸收率（净化度）气量、吸收率（净化度）吸收量吸收量 2.2.最小液体流率，吸收流程的确定最小液体流率，吸收流程的确定（B B）工程计算工程计算 1.1.塔径的计算塔径的计算 2.2.塔高的计算塔高的计算 低浓度气体吸收时的填料高度低浓度气体吸收时的填料高度 高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度 化学吸收时的填料高度的计算化学吸收时的填料高度的计算 多组分逆流吸收的填料高度多组分逆流吸收的填料高度吸收因子法吸收因子法 吸收过程的模拟计算吸收过程的模拟计算吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程一一.设计工艺参数设计工艺参数：1.
34、1.气量气量Q Q(m(m3 3/h)/h)、气浓气浓y y1 1(v/v%,ppm)(v/v%,ppm)、净化度（净化度（y y2 2，吸收率吸收率）2.2.操作压力操作压力P P、温度温度T T（取决于工艺条件取决于工艺条件）3.3.吸收液的性质（吸收液的性质（)、吸收容量、吸收容量(C(C1 1,C,C2 2)和范围和范围4.4.（反应转化率）（反应转化率）q吸收量的计算吸收量的计算q最小吸收液流量的估算（平衡分压）最小吸收液流量的估算（平衡分压）L,C1G,y1L,C2G,y2吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3.9.塔径的计算塔径的计算对对于于逆逆流流操操作作吸吸收收塔塔，以以
35、液液泛泛速速度度为为基基准准，采采用用Eckort关联图关联图(图图3-40）计算。）计算。横坐标横坐标A：纵坐标纵坐标B：塔径计算：塔径计算：一般情况：填料尺寸一般情况：填料尺寸，填料因子，填料因子，。不同填料液泛线AB吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程例题例题1某合成氨厂，每小时生产某合成氨厂，每小时生产6 6吨合成氨，用水洗法脱除变换气中的吨合成氨，用水洗法脱除变换气中的COCO2 2。现水洗塔采用填料塔，充填现水洗塔采用填料塔，充填5050 5050 4.54.5瓷质鲍尔环填料。进气量为瓷质鲍尔环填料。进气量为3640m3640m3 3（STPSTP）/（tNHtNH3 3），）
36、，用水量为用水量为2580m2580m3 3/h/h，操作压强为操作压强为1.9MPa1.9MPa，操作温度为操作温度为3030。已知操作条件下已知操作条件下 标准状况下标准状况下 。计算塔径。计算塔径。解解：由表：由表3-123-12查得查得Dg50Dg50的鲍尔环瓷质填料的鲍尔环瓷质填料应用应用EckertEckert图（图图（图3-403-40），横坐标为），横坐标为外推法查得纵坐标为外推法查得纵坐标为吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程液泛速度液泛速度取操作速度（设计空塔速度）取操作速度（设计空塔速度）操作条件下操作条件下塔直径塔直径圆整取塔径圆整取塔径4米。米。吸收吸收分离工程分
37、离工程分离工程分离工程3.10塔高的计算塔高的计算1.低浓度气体吸收时的填料高度低浓度气体吸收时的填料高度特点：特点：G，L是常量；吸收过程是等温的；传质系数为常量。是常量；吸收过程是等温的；传质系数为常量。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程2.2.高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度气体浓度（气体浓度（10%）时，可看成高浓度气体吸收。）时，可看成高浓度气体吸收。特点：特点：G，L沿塔高是变化的；沿塔高是变化的；吸收过程是非等温的；传质系数与浓度有关。吸收过程是非等温的；传质系数与浓度有关。总填料高度的一般式：总填料高
38、度的一般式：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3 3化学吸收时填料高度的计算化学吸收时填料高度的计算假定：低浓度吸收假定：低浓度吸收G,L都是常量。都是常量。1）对）对Sdh的微元进行衡算，的微元进行衡算，得：得：取积分：取积分：关键是关键是NA的求取：的求取：物理吸收：物理吸收：化学吸收：化学吸收：SG,y1L,CB1dhL,CB2G,y2yy+dy吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程l拟一级快反应：拟一级快反应：l瞬间不可逆反应：瞬间不可逆反应：先计算先计算吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程当当，全塔气膜控制，全塔气膜控制当当 ，全塔双膜控制。全塔双膜控制。式式中中：的的浓
39、浓度度在在塔塔内内是是变变化化的的（逐逐渐渐降降低低），可可由由物物料料衡衡算算求求得得CBL=f(PA)，再再代入上式计算。代入上式计算。判断：判断：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程案例：案例：在填料塔中，用吸收剂与某一尾气逆流接触，将尾气中的有害组在填料塔中，用吸收剂与某一尾气逆流接触，将尾气中的有害组分从分从0.1%0.1%的含量降低到的含量降低到0.02%0.02%。已知该填料吸收塔：。已知该填料吸收塔：k kG G a=0.32a=0.32 kmol.(h.m kmol.(h.m3 3.kPa).kPa)-1-1 k kL L a=0.1 h a=0.1 h-1-1；H=12
40、.5 H=12.5 kPakPa.m.m3 3.kmol.kmol-1-1 气体摩尔流率气体摩尔流率G G GmGm 100 100 kmol.hkmol.h-1-1.m.m-2-2；总压总压p p=100kPa,=100kPa,液体摩尔流率液体摩尔流率L L LmLm 700 700 kmol.hkmol.h-1-1.m.m-2-2；液体总摩尔浓度液体总摩尔浓度C CT T=56kmol.m56kmol.m-3-3计算下列情况下，填料塔的高度，进行分析比较：计算下列情况下，填料塔的高度，进行分析比较：(1)(1)用纯水吸收；用纯水吸收；(2)(2)用含有活性组分用含有活性组分B B 的水溶液
41、吸收，的水溶液吸收，C CB B=0.8kmol.m=0.8kmol.m-3-3，反应为瞬反应为瞬间不可间不可逆反应，逆反应，A A（G G）+B(L)+B(L)Q(L)Q(L)；(3)(3)活性组分活性组分B B 的浓度为的浓度为C CB B=0.032 kmol.m=0.032 kmol.m-3-3；(4)(4)活性组分活性组分B B 的浓度为的浓度为C CB B=0.128 kmol.m=0.128 kmol.m-3-3。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程PA2=0.02kPaPA1=0.1kPaCA2,CB2CA1,CB1解：解：被吸收组分为浓度低，因此被吸收组分为浓度低，因此G
42、 Gm m=G=G；L Lm m L L如图对全塔被吸收组分作物料衡算：如图对全塔被吸收组分作物料衡算：G Gm m(Y(Y1 1-Y-Y2 2)=L)=Lm m(X(X1 1-X-X2 2)（1 1）（2 2）（1 1）纯水吸收，纯水吸收，C CB2B2=C=CB1B1=C=CA2A2=0=0；低浓度低浓度y y1 1 Y Y1 1，y y2 2 Y Y2 2pA1=py1=100 0.001=0.1kPapA2=py2=100 0.0002=0.02kPa吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程513m吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程（2 2）用高浓度的活性组分）用高浓度的活性组分
43、B B来吸收，来吸收，A A（G G）+B+B（L L）Q Q（L L）由物料衡算（式由物料衡算（式1 1）得离开吸收塔活性组分的浓度）得离开吸收塔活性组分的浓度C CB1B1假定假定D DALAL=D=DBLBL，则塔底则塔底 塔顶塔顶全塔全塔C CBLBL(C Cc cBLBL)，气膜控制，塔高气膜控制，塔高 5m（3）吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程（3 3）应用低浓度活性组分）应用低浓度活性组分B B吸收，吸收，C CB2B2=0.032kmol.m=0.032kmol.m-3-3，由物料衡算（式由物料衡算（式2 2）得：）得：比较比较(C Cc cBLBL)1 1=0.32k
44、mol.m=0.32kmol.m-3-3；(C Cc cBLBL)2 2=0.064kmol.m=0.064kmol.m-3-3全塔全塔C Cc cBLBL(C Cc cBLBL)，气膜和液膜共同控制，塔高气膜和液膜共同控制，塔高 （4 4）吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程22.4m22.4m（4 4）应用中等浓度活性组分应用中等浓度活性组分B B吸收，吸收，C CB2B2=0.128kmol.m=0.128kmol.m-3-3，比较比较塔底塔底(C(Cc cBLBL)1 1=0.32kmol.m=0.32kmol.m-3-3，C CBLBL(C(C(Cc cBLBL)2 2塔中某一截
45、面：塔中某一截面：代入物料衡算式：代入物料衡算式：求得求得双膜控制气膜控制pA=0.04kPaPA2=0.02kPaPA1=0.1kPaCA2,CB2CA1,CB1PA*=0.04kPa 吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程0.04 0.04 kPakPa p pA A 0.1 0.1 kPakPa，C CBLBL(C Cc cBLBL),),过程为双膜控制，由式过程为双膜控制，由式(4)(4)计算塔高计算塔高Z Z1 1；0.02 0.02 kPakPa p pA A 0.04 1，有利于降低有利于降低 ，但，但A3以后，则获益不以后，则获益不大大 ，一般取一般取1.2A2.0，常取常取
46、A=1.4左右左右（3 3）当当 ，将限制气体中溶质的脱除率。，将限制气体中溶质的脱除率。如当如当A=0.2，无论无论N为多少，为多少，l l0 0=0,=0,但是但是g g1 1中仍残存中仍残存80%80%的溶质。的溶质。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程(3)(3)吸收塔的计算吸收塔的计算A.设计型计算的命题：设计型计算的命题：已知：关键组分的分离要求（已知：关键组分的分离要求（或者或者）；）；入塔气体量及组成（入塔气体量及组成（）；）；吸收剂的入塔状况：吸收剂的入塔状况：操作条件：操作条件：T，P相平衡关系，相平衡关系，m。求：理论板数求：理论板数N及等板高度；及等板高度；出塔气体
47、量和组成出塔气体量和组成；溶剂循环量和组成溶剂循环量和组成。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程1、求求N：a最小液气比最小液气比b.操作液气比：操作液气比：c求求AK：d.求求N：计算步骤计算步骤：由相平衡关系确定由相平衡关系确定mK，由分离要求给出由分离要求给出吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程2.求尾气的量与组成，求尾气的量与组成，当当时，时，Kmol/h当当时，时，塔顶尾气量：塔顶尾气量：,出塔吸收剂量出塔吸收剂量，出塔组成出塔组成。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程3.溶剂循环量：溶剂循环量：L0低浓度吸收：低浓度吸收：高浓度吸收：高浓度吸收：，L/G前面已算出，进一
48、步可解出前面已算出，进一步可解出L0（kmol/h）。）。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程B、操作型计算的命题（塔的核算）操作型计算的命题（塔的核算）l已知：已知：；l核算：出塔气液两相的组成，核算：出塔气液两相的组成，。基本计算式：基本计算式：物料衡算物料衡算吸收因子，采用吸收因子，采用Edmister建议：建议：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程流率近似关系：流率近似关系：温度估算式：温度估算式：热量衡算式：热量衡算式：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程a）第一次试差：第一次试差：1）2）3）由物料衡算式求得）由物料衡算式求得:4）由流率近似关系式求：）由流率近似关系式
49、求：G2，L1，GN5）由温度估算式得：由温度估算式得：T1=f（TN，T0）代入热量衡算式联立求解，可得代入热量衡算式联立求解，可得T1，TN。计算步骤计算步骤试差法：试差法：吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程b)b)第二次试差：第二次试差：（1）（2）由由Edmister建议式，计算建议式，计算Aei，Sei（3）由有效吸收因子由有效吸收因子Aei与与N确定确定;（可根据（可根据Kremser图或者由图或者由的计算公式计算）。的计算公式计算）。（4）作组分物料衡算，计算作组分物料衡算，计算和和。（5）核算全部假设。）核算全部假设。以下步骤：以下步骤：用上述同样的方法，依次将获得用上述
50、同样的方法，依次将获得和和值作下一次的计算值，直到值作下一次的计算值，直到收敛为止，计算结果呈单调收敛。收敛为止，计算结果呈单调收敛。吸收吸收分离工程分离工程分离工程分离工程5.5.应用模拟软件进行计算应用模拟软件进行计算1.输入模拟计算体系涉及的物质名，从软件数据库中调出其基本物性数据。输入模拟计算体系涉及的物质名，从软件数据库中调出其基本物性数据。2.根据模拟计算的体系正确选用热力学计算方法。根据模拟计算的体系正确选用热力学计算方法。3.正确选用模拟计算的模块。正确选用模拟计算的模块。4.操作型计算非常简单，只需将设备参数和操作参数输入，进行计算即可操作型计算非常简单，只需将设备参数和操作