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1、作业作业(63)(1)E=188.1MPa -0.21%(3)查E,Cmin=44.16mg/m3水 Cmin=17.51mg/m3水 (4)分别查E 1.0910-5 5.7610-3 4.710-6 3.6810-3(5）1.33 2.67第八章第八章 吸收吸收ABSORPTION主主 要要 内内 容容气液相平衡；气液相平衡；吸收过程的传质机理吸收过程的传质机理吸收过程中速率的确定；吸收过程中速率的确定；运用基础理论，进行吸收塔的设计计运用基础理论，进行吸收塔的设计计算与操作计算；算与操作计算；常用吸收塔的结构与选型设计计算。常用吸收塔的结构与选型设计计算。第一节第一节 概述概述一、什么是
2、吸收？一、什么是吸收？吸收是化工生产中用来分离混合气体的一种重要单元操吸收是化工生产中用来分离混合气体的一种重要单元操作。可分为物理吸收和化学吸收。作。可分为物理吸收和化学吸收。原理：原理：物理吸收是利用混合气中各组分在溶剂中的溶物理吸收是利用混合气中各组分在溶剂中的溶解度的差异分离气体混合物；化学吸收则是以气体混合解度的差异分离气体混合物；化学吸收则是以气体混合物各组分能否在溶剂中发生化学反应来分离混合气体。物各组分能否在溶剂中发生化学反应来分离混合气体。二、吸收的目的：二、吸收的目的：1、回收或捕捉气体混合物中的有用物质、回收或捕捉气体混合物中的有用物质 制取产品制取产品2、除害（环保角度
3、）、除害（环保角度）除去工艺气体中的有害成分，除去工艺气体中的有害成分，净化气体净化气体,防止污染。防止污染。气体混合物分离的依据气体混合物分离的依据混合物中各组份间某种物理和化学性质的差异。混合物中各组份间某种物理和化学性质的差异。混合物的分离混合物的分离混合物的分离混合物的分离:混合物混合物混合物混合物 +分离剂分离剂分离剂分离剂 =相相相相1+1+相相相相2 2 吸收操作中所用的溶剂称为吸收操作中所用的溶剂称为吸收操作中所用的溶剂称为吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂吸收剂吸收剂吸收剂（或溶剂），用（或溶剂），用（或溶剂），用（或溶剂），用S S S S表示；表示；表示；表示；能溶解的组分称
4、为能溶解的组分称为能溶解的组分称为能溶解的组分称为溶质气体溶质气体溶质气体溶质气体或吸收质或吸收质或吸收质或吸收质，以，以，以，以A A A A表示表示表示表示，不被吸，不被吸，不被吸，不被吸收的组分称为收的组分称为收的组分称为收的组分称为惰性气体惰性气体惰性气体惰性气体，以，以，以，以B B B B表示。表示。表示。表示。吸收操作所得到的溶液称为吸收操作所得到的溶液称为吸收操作所得到的溶液称为吸收操作所得到的溶液称为吸收液吸收液吸收液吸收液（成分为（成分为（成分为（成分为S S S S和溶质和溶质和溶质和溶质A A A A），），），），排出的气体称为排出的气体称为排出的气体称为排出的气体称
5、为吸收尾气吸收尾气吸收尾气吸收尾气(主主主主要成分为惰性气体要成分为惰性气体要成分为惰性气体要成分为惰性气体B B B B，还含有，还含有，还含有，还含有残余的溶质残余的溶质残余的溶质残余的溶质A)A)A)A)。吸收操作的逆过程（即含溶质气体的液体，受到另一吸收操作的逆过程（即含溶质气体的液体，受到另一汽（气）相的作用使溶质与溶剂分离的过程）称为汽（气）相的作用使溶质与溶剂分离的过程）称为解吸解吸。吸收和解吸常是一对相伴的操作，吸收用以提取所需的物吸收和解吸常是一对相伴的操作，吸收用以提取所需的物质，而解吸用以分离所需的物质与吸收剂，并使吸收剂再质，而解吸用以分离所需的物质与吸收剂，并使吸收剂
6、再生而重复使用。生而重复使用。实例：实例：煤气生产中的苯回收流程煤气生产中的苯回收流程 在炼焦和制取城市煤在炼焦和制取城市煤气生产中，焦炉煤气气生产中，焦炉煤气内含有少量的苯内含有少量的苯、甲、甲苯类低碳氢化合物的苯类低碳氢化合物的蒸汽（约蒸汽（约35g/m3），），应予以分离。应予以分离。吸收吸收解吸解吸流程见例图流程见例图由上例可知：采用吸收操作实现气体混合由上例可知：采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题物的分离必须解决下列问题（1）选择）选择合适的溶剂合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或，使能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分；某些）被分离组分；（2）提供）提供适当的传质设
7、备适当的传质设备以实现气液两相的接触，以实现气液两相的接触，使被分离组分得以自气相转移至液相；使被分离组分得以自气相转移至液相；（3）溶剂的再生溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分，即脱除溶解于其中的被分离组分以循环使用。以循环使用。三、溶剂选择原则及原因三、溶剂选择原则及原因 溶剂的性能，特别是溶剂与气体混合物之间的溶剂的性能，特别是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系直接决定着吸收操作的成功与否。相平衡关系直接决定着吸收操作的成功与否。根据物理化学中有关相平衡的知识，评价溶剂根据物理化学中有关相平衡的知识，评价溶剂优劣的主要依据应包括：优劣的主要依据应包括：（1）溶剂应对混合气体中被分离组
8、分具有较大的溶解度；）溶剂应对混合气体中被分离组分具有较大的溶解度；（2）溶剂对混合气体中其它组分溶解度要小，具有较高的选择性；）溶剂对混合气体中其它组分溶解度要小，具有较高的选择性；（3）溶质在溶剂中的溶剂度对温度变化比较敏感；）溶质在溶剂中的溶剂度对温度变化比较敏感；（4）溶剂的蒸气压要底，以减少吸收和再生过程中溶剂的挥发损失；）溶剂的蒸气压要底，以减少吸收和再生过程中溶剂的挥发损失；（5）溶剂应具有较好的化学稳定性；）溶剂应具有较好的化学稳定性；（6）溶剂具有较低的粘度，不易产生泡沫。）溶剂具有较低的粘度，不易产生泡沫。（7）价格低廉、易得、无毒、不易燃烧。）价格低廉、易得、无毒、不易燃
9、烧。三大三大对对A和和B的溶解度差异要大的溶解度差异要大对对A的溶解度要大的溶解度要大对对A的溶解度在条件改变时变化要大的溶解度在条件改变时变化要大三小三小挥发性小挥发性小粘度小粘度小腐蚀小腐蚀小技术经济性技术经济性四、吸收设备：四、吸收设备：吸收塔吸收塔填料塔填料塔板式塔板式塔级式接触级式接触微分接触微分接触板式吸收塔：气体与液体逐级逆流接触板式吸收塔：气体与液体逐级逆流接触填料吸收塔：湿壁塔、降膜塔，液体呈膜状流下，填料吸收塔：湿壁塔、降膜塔，液体呈膜状流下，通常在塔内充填有瓷环之类的填料。通常在塔内充填有瓷环之类的填料。在此类设备中，气体或液体中可溶组分的在此类设备中，气体或液体中可溶组
10、分的浓度随塔板高度的变化而呈阶梯式的变化。浓度随塔板高度的变化而呈阶梯式的变化。在此类设备中，气体或液体中可溶组分在此类设备中，气体或液体中可溶组分的浓度随设备高度的变化而呈连续式变化。的浓度随设备高度的变化而呈连续式变化。这两种设备由于吸收过程浓度变化方式不同，采用的是这两种设备由于吸收过程浓度变化方式不同，采用的是完全不同的计算方法，需要注意加以区分。完全不同的计算方法，需要注意加以区分。五、解吸：五、解吸：解吸是使溶质从溶液中脱除的过程。是吸收的解吸是使溶质从溶液中脱除的过程。是吸收的逆过程。其目的为：逆过程。其目的为：（1）溶剂再生；（）溶剂再生；（2）得到溶）得到溶质。吸收和解吸构成
11、了一个完整的流程。质。吸收和解吸构成了一个完整的流程。常用的解吸方法：常用的解吸方法：升温升温减压减压吹气吹气最为常见最为常见六、吸收的种类：六、吸收的种类：物理吸收物理吸收、化学吸收、化学吸收(可以强化传热过程可以强化传热过程?)单组分吸收单组分吸收、多组分吸收、多组分吸收等温吸收等温吸收、非等温吸收、非等温吸收主要讨论单组份、低浓度、等温、连续的物理吸收过程。主要讨论单组份、低浓度、等温、连续的物理吸收过程。七、吸收操作的经济性七、吸收操作的经济性（1）气、液两相流经吸收设备的能量消耗；）气、液两相流经吸收设备的能量消耗；（2）溶剂的挥发损失和变质损失）溶剂的挥发损失和变质损失（3）溶剂的
12、再生费用，即解吸费用）溶剂的再生费用，即解吸费用再生费用所占比例最大。再生费用所占比例最大。吸收溶质之后的溶液恰好是工艺过程的产品，因为不再吸收溶质之后的溶液恰好是工艺过程的产品，因为不再需要溶剂的再生，这种吸收过程最经济。需要溶剂的再生，这种吸收过程最经济。低浓度吸收低浓度吸收、高浓度吸收、高浓度吸收第二节第二节 气液相平衡气液相平衡 这里所讨论的吸收过程仅限于一些比较简单的情况：（这里所讨论的吸收过程仅限于一些比较简单的情况：（1）气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶剂气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶剂度极低可以忽略不计，视为惰性组分；（度极低可以忽
13、略不计，视为惰性组分；（2）溶剂的蒸气压很低，）溶剂的蒸气压很低，其挥发损失可以忽略，即气体中不含溶剂蒸气。其挥发损失可以忽略，即气体中不含溶剂蒸气。吸收过程与传热过程比较类似但又有所区别，吸收过程是吸收过程与传热过程比较类似但又有所区别，吸收过程是气液相间的物质传递，传递的推动力来源于不是两相的浓度差气液相间的物质传递，传递的推动力来源于不是两相的浓度差而是气液相之间的相平衡关系差异。因此我们必须研究气液两而是气液相之间的相平衡关系差异。因此我们必须研究气液两相之间的相平衡。相之间的相平衡。一、什么是气液相平衡？一、什么是气液相平衡？吸收过程进行时，必定存在一定的推动力，这一推动吸收过程进行
14、时，必定存在一定的推动力，这一推动力与体系的平衡关系有关。混合气体和溶剂在一定温度和力与体系的平衡关系有关。混合气体和溶剂在一定温度和压力下，经长期充分接触后，达到一种动态平衡，即：吸压力下，经长期充分接触后，达到一种动态平衡，即：吸收速率收速率=解吸速率。这种状态被称为气液相平衡。解吸速率。这种状态被称为气液相平衡。当吸收速率当吸收速率=解吸速率解吸速率mol/(mmol/(m2 2 s)s)，气液两气液两相达到相平衡，此时，溶质在溶液中的浓度用相达到相平衡，此时，溶质在溶液中的浓度用平衡浓度平衡浓度（x xe e、c ce e）来表示；溶质在气相中的浓度用来表示；溶质在气相中的浓度用平衡分
15、压平衡分压（p pe e）来表示。来表示。T 溶解度溶解度 P 溶解度溶解度 低温高压有利于吸收，高温低压有利于解吸。低温高压有利于吸收，高温低压有利于解吸。二、气液相平衡时气液两相浓度的关系二、气液相平衡时气液两相浓度的关系亨利定律：亨利定律：1、亨利定律：、亨利定律：惰性气体分子惰性气体分子溶质分子溶质分子体系：一定温度；混合气体体系：一定温度；混合气体总压不高（总压不高（P5atm，气相可，气相可视作理想气体视作理想气体）；稀溶液（可视作理稀溶液（可视作理想溶液想溶液）。）。组成的表述有多种方法组成的表述有多种方法组成的表述有多种方法组成的表述有多种方法气相中气相中气相中气相中:分压分压
16、分压分压p pA A,摩尔分数摩尔分数摩尔分数摩尔分数y yA A液相中液相中液相中液相中:摩尔浓度摩尔浓度摩尔浓度摩尔浓度c cA A(kmol/m3),(kmol/m3),摩尔分数摩尔分数摩尔分数摩尔分数x xA A 质量分率质量分率质量分率质量分率a a 质量比质量比(例如例如100gNH3/100g水水)对于特定的物系，在特定的条件下，存在着确定的对于特定的物系，在特定的条件下，存在着确定的E、H、m，也就是说，气相浓度和液相浓度的比例是也就是说，气相浓度和液相浓度的比例是确定的。例如：确定的。例如：10时氧在水中有如下关系：时氧在水中有如下关系：pe=3.27104x(atm)。2、
17、亨利定律各系数间的关系：、亨利定律各系数间的关系：亨利系数E=f(t,x)对稀溶液，E=f(t)t E、H 、m 溶解度 m相平衡常数，无因次，m 溶解度 易溶气体H小，难溶气体H大。当Ppe=E x(or x xe)时，过程为吸收过程。时，过程为吸收过程。当当p xe)时，过程为解吸过程。时，过程为解吸过程。2、过程的推动力、过程的推动力浓度差的计算：浓度差的计算：以气相分压差表示的吸收过程的推动力：以气相分压差表示的吸收过程的推动力：p=p-pe以以液相浓度差表示的吸收过程的推动力：液相浓度差表示的吸收过程的推动力：x=xe-x(y=y ye)(c=ce c)实质上，吸收还是解吸主要取决于
18、溶质在气相实质上，吸收还是解吸主要取决于溶质在气相中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定。中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定。平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接触才会发生气体的吸收或解吸。因此，实际浓度偏触才会发生气体的吸收或解吸。因此，实际浓度偏离平衡浓度越远，过程推动力越大，过程的速率也离平衡浓度越远，过程推动力越大，过程的速率也越快。在吸收的过程中我们经常：越快。在吸收的过程中我们经常：具具体体分分析析方方向向、推推动动力力3、确定过程的极限：、确定过程的极限：吸吸收收塔塔混合气体混合气体,p1气气,p2,min液液,x2出塔气体浓度最低
19、值：出塔气体浓度最低值：p2,min离塔液体浓度最高值：离塔液体浓度最高值：x2,maxP2,min=E x2液液,x1,max实际生产中：实际生产中：p2 p2,min x1 x2,max受相平衡关系的限制受相平衡关系的限制用煤油从苯用煤油从苯空气混合气体中吸收苯，入塔气体中空气混合气体中吸收苯，入塔气体中含苯含苯2%（体积），吸收后浓度降为（体积），吸收后浓度降为0.01%（体积），（体积），入塔煤油中含苯入塔煤油中含苯0.02%（摩尔分数）。操作温度为（摩尔分数）。操作温度为50，压力为，压力为200 kN/m2，操作条件下相平衡关系为操作条件下相平衡关系为 pe=80 x kN/m2。
20、求求：（1）塔顶处气相推动力；（）塔顶处气相推动力；（2）若改善操作条件，）若改善操作条件，提高吸收率，则出口液体浓度极限是多少？提高吸收率，则出口液体浓度极限是多少？例：例：吸吸收收塔塔混合气体混合气体,p1气气,p2液液,x2液液,x11.含溶质A 且摩尔分率为x=0.2的溶液与压力为 2atm,y=0.15的气体等温接触,平衡关系为：pe=1.2x，则此时将发生 过程。用气相组成和液相组成表示的总传质推动力分别为y=，x=（摩尔分率）。如系统温度略有增高，则y将 。如系统总压略有增高，则x将 。解：m=E/P=1.2/2=0.6 ye=mx=0.60.2=0.12 ；y-ye=0.15-0.12=0.03 xe=p/E=0.15/0.6=0.25；xe-x=0.25-0.2=0.05 若 t，m ，ye ，y;若 P，m，xe，x 故：吸收；0.03，0.05，减少,增加