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1、第四章第四章 气体吸收气体吸收4.1汽液平衡汽液平衡4.2吸收和解吸过程吸收和解吸过程4.3多组分吸收和解吸的简捷计算法多组分吸收和解吸的简捷计算法4.4化学吸收化学吸收吸收操作的类型：吸收操作的类型：化学反应化学反应吸收温度吸收温度单组分吸收单组分吸收多组分吸收多组分吸收相对溶解度相对溶解度吸收量吸收量汽液接触方式汽液接触方式吸收过吸收过程分类程分类物理吸收物理吸收化学吸收化学吸收喷淋吸收喷淋吸收鼓泡吸收鼓泡吸收降膜吸收降膜吸收等温吸收等温吸收非等温吸收非等温吸收贫气吸收贫气吸收富气吸收富气吸收恒摩尔流恒摩尔流恒温操作恒温操作4.1汽液平衡汽液平衡物理吸收的相平衡物理吸收的相平衡适用条件适用
2、条件：溶质与溶剂中不发生解离解离、缔和缔和及化学化学反应反应，且为稀溶液稀溶液。压力高时不适用。普遍化亨利定律对溶质气液两相达到平衡二元系统，溶解平衡关系服从下方程二元系统，溶解平衡关系服从下方程理想溶液理想溶液低压下低压下伴有化学反应的吸收相平衡伴有化学反应的吸收相平衡溶质的溶解度既服从溶质的溶解度既服从汽液平衡汽液平衡关系，又服从关系，又服从化化学平衡学平衡关系。关系。亨利定律只反应气相中亨利定律只反应气相中P2与液相中未反应的溶与液相中未反应的溶质浓度的关系。质浓度的关系。化学反应的溶解度化学反应的溶解度大于大于物理过程的溶解度物理过程的溶解度设溶质设溶质A与溶剂中的与溶剂中的B发生反应
3、发生反应HAKa理想溶液理想溶液K=1相平衡关系相平衡关系4.2吸收和解吸过程吸收和解吸过程吸收和解吸过程流程吸收和解吸过程流程单纯吸收工艺流程单纯吸收工艺流程伴有吸收剂再生循环的吸收伴有吸收剂再生循环的吸收解吸流程解吸流程用蒸汽或惰气的蒸出塔的吸收流程吸收塔蒸出塔尾气吸收剂吸收液原料气体蒸出用气体蒸出气用再沸器的蒸出塔的吸收流程用再沸器的蒸出塔的吸收流程吸收液补加吸收剂吸收塔再沸蒸出塔尾气原料气体蒸出气用蒸馏塔的吸收流程用蒸馏塔的吸收流程吸收液补加吸收剂吸收塔再沸蒸出塔尾气原 料气体吸收质4.2.2多组分吸收和蒸出过程分析多组分吸收和蒸出过程分析吸收和蒸出过程的设计变量数和关键组分吸收和蒸出
4、过程的设计变量数和关键组分吸收塔吸收塔Nx：吸收剂吸收剂C+2原料气原料气C+2压力等级数压力等级数N和和C+C+4+NNa：串级单元数串级单元数1蒸出塔蒸出塔Nx：蒸出剂蒸出剂C+2吸收液吸收液C+2压力等级数压力等级数N和和C+C+4+NNa：串级单元数串级单元数1NaNa的指定：的指定：操作型计算：操作型计算：指定指定 N N 设计型计算：设计型计算：指定指定 一个关键组分分离要求一个关键组分分离要求4.2.2.2单向传质过程单向传质过程精馏过程精馏过程：双相传质过程：双相传质过程吸收过程吸收过程：单相传质过程：单相传质过程不能视为恒摩尔流（不能视为恒摩尔流（图图4-7 a 4-7 a）
5、流量流量L和和V从上向下从上向下；蒸出过程蒸出过程：单向传质过程L和V上到下，恒摩尔流假定不成立。4.2.2.3吸收塔内组分分布吸收塔内组分分布分布曲线分布曲线（图（图4-7 c4-7 c、d d）：）：从物系挥发度看从物系挥发度看C C1 1、C C2 2最大最大，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化。，进塔几乎不被吸收，塔顶稍有变化。C C5 5、C C4 4最小最小，进塔立即吸收，上部几乎不变。，进塔立即吸收，上部几乎不变。C C3 3适中适中 ，上段吸收快，在塔某板出现最大值。，上段吸收快，在塔某板出现最大值。一般情况：一般情况：1.1.不同组分在不同段吸收程度不同不同组分在不同段吸收程度不
6、同2.2.难溶组分难溶组分（LNKLNK），一般只在），一般只在靠近塔顶靠近塔顶几级被吸收，其几级被吸收，其他级吸收较小；他级吸收较小；易溶组分易溶组分（HNKHNK），一般只在），一般只在靠近塔釜靠近塔釜几级被吸收。几级被吸收。3.3.关键组分关键组分在在全塔范围全塔范围内被吸收。内被吸收。4.2.2.4吸收和解吸过程的热效应吸收和解吸过程的热效应每板温度Tn由于溶解热大，Tn与溶解吸收量有关，难预测，不能用泡、露点不能用泡、露点方法计算Tn，要用热量衡算热量衡算求Tn。吸收 液体温度沿塔向下沿塔向下；蒸出 使液体温度沿塔向下沿塔向下。吸收释放吸收释放Q Q在液体和气体的分配与在液体和气体的
7、分配与L LM MC CP P，L L和和G GM MC CP,VP,V有有很大关系很大关系。（1）若）若LMCP，LGMCP,V，Q传给传给L，塔顶尾气，塔顶尾气温度与进塔吸收剂温度相近，温度与进塔吸收剂温度相近，Q用于提高用于提高L的温的温度；在塔底，高温吸收液加热进塔气体，使部度；在塔底，高温吸收液加热进塔气体，使部分分Q返回塔内，气体返回塔内，气体T T分布分布出现出现极大值极大值。（2）若）若LMCP，LGMCP,V，且有明显的热效应，且有明显的热效应，则出塔尾气和吸收液的则出塔尾气和吸收液的温度温度分别分别大于大于其进口温其进口温度。度。（3）若）若LMCP，LGMCP,V，则，则
8、Q大部分被气体大部分被气体带走，吸收液出口温度接近于原料气进料温度。带走，吸收液出口温度接近于原料气进料温度。此外：此外：1.1.若若吸收剂挥发性明显吸收剂挥发性明显，在塔釜几块板上部分汽化，使，在塔釜几块板上部分汽化，使该汽化的吸收剂与进料气中吸收剂的含量趋于平衡该汽化的吸收剂与进料气中吸收剂的含量趋于平衡。于是有一个相反作用：于是有一个相反作用：吸收放出热量吸收放出热量加热液体加热液体吸吸收剂汽化收剂汽化冷却液体冷却液体塔中部塔中部出现温度极大值出现温度极大值2.2.溶解热的影响溶解热的影响 溶解热大，温度变化大，对吸收率影响大溶解热大，温度变化大，对吸收率影响大 a a、温度升高，相平衡
9、常数大，吸收推动力小。、温度升高，相平衡常数大，吸收推动力小。b b、由于吸收过程要放热，使汽液温差大，除发生传、由于吸收过程要放热，使汽液温差大，除发生传热过程外，还有传质过程发生。热过程外，还有传质过程发生。复杂性大复杂性大吸收和精馏的对比吸收和精馏的对比：操作类型操作类型吸收吸收精馏精馏任务任务分离气体混合物分离气体混合物分离液体混合物分离液体混合物分离依据分离依据溶解度不同溶解度不同相对挥发度不同相对挥发度不同传质过程传质过程单向单向glgl双向双向g gl l板上汽液状态板上汽液状态气相过热，液相过冷气相过热，液相过冷气、液相为饱和状态气、液相为饱和状态进料位置进料位置气相自塔底入，
10、液自气相自塔底入，液自塔顶入塔顶入原料液塔中部加入原料液塔中部加入产品产品塔顶得产品，吸收液塔顶得产品，吸收液需进一步分离需进一步分离可在塔顶塔底分别得到产可在塔顶塔底分别得到产品品 关键组分关键组分1个个2个个Na1个个5个个4.3.多组分吸收和蒸出的简捷计算法多组分吸收和蒸出的简捷计算法吸收过程工艺计算的基本概念吸收过程工艺计算的基本概念4.3.1.1吸收、解吸作用发生的条件吸收、解吸作用发生的条件吸收吸收解吸解吸吸收剂L0 x0尾气V1y1吸收液LNxN原料VN+1yN+1N14.3.1.2吸收过程的限度吸收过程的限度塔顶塔顶 塔底塔底 吸收过程的平衡级吸收过程的平衡级吸收过程的计算内容
11、吸收过程的计算内容若离开某级的气体混合物和吸收液达到平若离开某级的气体混合物和吸收液达到平衡，则此吸收塔级称为一个平衡级。衡，则此吸收塔级称为一个平衡级。已知：已知：关关键组键组分的分离要求分的分离要求求：求：详细计详细计算算还还求求吸收因子和蒸发因子吸收因子和蒸发因子4.3.2吸收因子法吸收因子法哈顿哈顿-富兰格林方程的推导富兰格林方程的推导（1）基本方程）基本方程 物料平衡物料平衡 Vnyi,nLn-1xi,n-1Vn+1yi,n+1Lnxi,nn相平衡相平衡 (2)推导过程（略）推导过程（略）哈顿哈顿-富兰克林方程富兰克林方程讨论：讨论：式的左端式的左端Horton-Franklin方程
12、关联了方程关联了吸收率吸收率、吸收因子吸收因子(液液气比，气比，K)和和N该式适用于该式适用于所有组分所有组分和所有和所有平衡级平衡级，但因，但因K=f（T、P、x,y）、）、A、液气比液气比和和组成组成几个因素相互联系，又相互牵几个因素相互联系，又相互牵制，须用试差法求解制，须用试差法求解。试差步骤：试差步骤：设：设：由由校核：校核：由热量衡算计算各级由热量衡算计算各级判断判断若不符，重新设值再行计算若不符，重新设值再行计算4.3.2.2平均吸收因子法平均吸收因子法克雷姆塞尔方程的导出克雷姆塞尔方程的导出假设：假设：全全塔塔温温度度变变化化不不大大（T T取取平平均均值值），K Ki i可可
13、视视为为常数常数；V V、L L沿塔变化不大，取全塔沿塔变化不大，取全塔平均平均值；值；溶液是溶液是理想理想溶液或接近理想溶液（稀溶液）溶液或接近理想溶液（稀溶液）将之代入哈顿将之代入哈顿-富兰克林方程式并整理得：富兰克林方程式并整理得：AAA=j jj j111有：有：由式（由式（4-264-26）作图）作图-A-N-A-N关系关系（图（图4-124-12）吸收因子（吸收因子（解吸解吸因子）图因子）图图4-8克雷姆塞尔方程讨论克雷姆塞尔方程讨论应用此法计算应用此法计算时，注意推导公式中引进的时，注意推导公式中引进的三点三点假设假设，当与假设距离太大时，误差大。最好用，当与假设距离太大时，误差
14、大。最好用逐级计算逐级计算法进行设计计算；法进行设计计算；若吸收剂中不含进料组分若吸收剂中不含进料组分新鲜吸收液，新鲜吸收液，求解思路求解思路N一定，一定，Ai 。1 1），前前提提是是吸吸收收剂剂的的价价格格，经经济济性性，一般一般；2 2），但但应应考考虑设备问题和操作费用；虑设备问题和操作费用；A一般1.01.5考虑冷冻效率问题。3）N可变，Ai基本不变，N 。1）2）N ，但N10，对 影响减小。（3 3）吸收因子法在计算中的应用）吸收因子法在计算中的应用已知条件已知条件计算任务计算任务步骤及概念步骤及概念1）关键组分的吸收率 、K关的确定 可由分离要求直接得到或经简单计算求得；K关由
15、给定操作温度压力通过查图或计算得到2）由最小液气比 确定实际液气比为无穷多塔板下，达到规定分离要求时，1kmol进料气体所需吸收剂的kmol数（液气比）。即最小液气比时，当 ，N趋于无穷大时 所以 3 3）理论板数）理论板数N的确定的确定4 4）其它组分吸收率）其它组分吸收率 的计算的计算5）尾气中的尾气中的i各组分的量及吸收量各组分的量及吸收量7 7）吸收剂）吸收剂L0的确定的确定6 6）平均液气比）平均液气比LV(LV)，LNL0+(VFV1)()NLLL+=021又有()()01010002212LLLVVLLVVLLLLLNFFN-=-=-+=+=所以()()01010002212LL
16、LVVLLVVLLLLLNFFN-=-=-+=+=所以计算中注意几点计算中注意几点1 1）全塔平均吸收因子）全塔平均吸收因子A平均平均的求取：的求取：）A平均（A塔顶 A塔顶）2，或A平均 ；)取取T平均平均（T塔顶塔顶T塔顶塔顶）2，求得求得K平均平均值，值，取取求得求得A平均平均。2）若吸收液中不含溶质）若吸收液中不含溶质3 3）该方法适用于贫气吸收，即该方法适用于贫气吸收，即L/V变化不太大，变化不太大，吸收量少的情况吸收量少的情况相对吸收率和吸收率相等相对吸收率和吸收率相等例4-1某厂裂解气分离车间采用中压油吸收分离工艺，脱甲烷塔进料100kmol/h，进料组成如下：该塔操作压力3.6
17、兆帕（绝），吸收剂入塔温度-36，原料气入塔温度-10，乙烯回收率98%。试求：（1）完成分离要求所需的操作液气比（取操作液气比为最小液气比的1.5倍）。（2）该塔所需平衡级数。（3）各组分的吸收率及出塔尾气的组成。（4）采用C8馏分为吸收剂，计算吸收剂的用量。组分氢气甲烷乙烯乙烷丙烯丙烷碳四mol%1530.028.05.019.01.02.0解：吸收塔平均温度取进料温度和吸收剂温度的解：吸收塔平均温度取进料温度和吸收剂温度的平均值平均值查查P-T-K得得3.6MPa（绝）（绝）-23各组分的值如下表：各组分的值如下表：组分3.20.650.470.120.100.046按题意选择乙烯作为关
18、键组分按题意选择乙烯作为关键组分（1）求操作液气比）求操作液气比最小液气比：最小液气比：操作液气比操作液气比（2）平衡级数）平衡级数，由由查图查图4-12得得（3）各组分的吸收率、尾气量及其组成）各组分的吸收率、尾气量及其组成求各组分的吸收率求各组分的吸收率求得各组分的相对吸收率。结果列于下表求得各组分的相对吸收率。结果列于下表中中求尾气数量及组成求尾气数量及组成计算结果列于下表计算结果列于下表中中各组分的相对吸收率、尾气中量及组成各组分的相对吸收率、尾气中量及组成组分AiH20015.00.410C100.2980.2988.9421.060.575C2=1.470.9827.450.550
19、.0152.0321.005.0000.007.9581.0019.0009.551.001.00020.7611.002.00063.3936.611.0000（4）求吸收剂加入量）求吸收剂加入量L0入塔气量入塔气量塔顶尾气量塔顶尾气量平均气量平均气量塔底吸收液量塔底吸收液量塔底吸收液的量塔底吸收液的量平均液量平均液量例题：在24块板的塔中用油吸收炼厂气（组成见表），采用油气比为1，操作压力为0.263兆帕。若全塔效率为25，问平均操作温度为多少才能回收96的丁烷？并计算尾气的组成。组分yi%80.0 8.05.04.02.01.0100解：由题意知，先设液气比等于油气比，即，N=N实际24
20、0.256块。试差得 也可先查图48确定A的大致值，再由381式求A的确切值，查图得时，A约为1.4。）由查P21图21得T17，其余组分相应温度下的K、A、吸收率等值列于下表（取100kmol/h为计算基准）：组分vN+180.08.05.04.02.01.0100Ki518.82.70.70670.210.067Ai0.01960.11360.3704 1.4154.76214.9250.01960.11360.3698 0.960.99991.0001.5680.9091.8493.841.99981.000011.16678.4327.0913.1510.160.00020.00008
21、8.834yi%88.297.983.550.180.000.000100.00全塔的平均值，L0100kmol/h，VN+1100kmol/h以此值新进行试算：由查P21图21得T20，其余组分相应温度下的K、A、吸收率等值列于下表（取100kmol/h为计算基准）：组分vN+180.08.05.04.02.01.0100Ki529.42.90.790.2350.078Ai0.02150.11890.3851 1.4154.75714.3330.02150.11890.3847 0.961.0001.0001.720.9511.9243.842.01.011.43478.2877.053.0
22、760.160.0000.000088.566yi%88.3867.9603.4730.1810.000.000100.00全塔的平均值，L0100kmol/h，VN+1100kmol/h 与上一循环相比无大变化，故无需再次试差，所以表中组成即为尾气组成，操作温度为20。4.3.2.3平均平均有效吸收因子有效吸收因子法法基本思想基本思想定义平均有效吸收因子定义平均有效吸收因子定义平均有效吸收因子(4-24)式可变为假设：对具有N块板的吸收塔，吸收主要由塔顶和塔底两块板完成。当吸收塔只有两块理论板时：当吸收塔具有N块理论板时:若吸收剂中不含被吸收组分，则计算需求Ae,其与AN和A1有关用以下两个
23、假定两个假定来估计各板的流率流率和温度温度(A A)各板的吸收率相同各板的吸收率相同，即塔内任意相邻两板的气相流率的比值相等。(B B)塔内的温度塔内的温度变化与吸收量成正比化与吸收量成正比 即有效吸收因子法有效吸收因子法计算的步算的步骤（1 1）用平均吸收因子法粗算，初算）用平均吸收因子法粗算，初算v v1 1和和l lN N。（2 2）用热量衡算确定塔底吸收液的温度）用热量衡算确定塔底吸收液的温度 设定塔顶板的温度设定塔顶板的温度 ，按全塔热量衡算确定，按全塔热量衡算确定（3）估计L1、VN和（4）计算各组分在塔顶板和底板条件下的吸收因子；（5 5）由下两式求有效吸收因子的值；）由下两式求
24、有效吸收因子的值；（6 6）由图）由图4-124-12确定吸收率；确定吸收率；（7 7）作物料衡算求尾气吸收液的组成，校核）作物料衡算求尾气吸收液的组成，校核全部假设，全部假设，直到相符为止。直到相符为止。4.3.3.4.3.3.解吸因子法解吸因子法4.3.3.1.4.3.3.1.方法方法解吸（蒸出）的条件：（1）加热 ；（2）减压 ；（3）惰性气体解吸 ；（4）提馏的方法：吹气使 ，加热 4.3.3.2.4.3.3.2.解吸过程计算（蒸出解吸过程计算（蒸出因子因子法）法）（1）计算公式计算公式 类似吸收过程NN-1n+1nn-121蒸出气蒸出气VN吸收液吸收液LN+1蒸出剂蒸出剂V1吸收剂吸
25、收剂L1（2 2）方法）方法 由操作温度确定各组分的K值；由分离要求确定解吸率（相对解吸率）C关0，N时，C关0S关m；由 ；由 （吸收1.22.0倍）；求出各组分被解吸的量。由 求各组分的Si值；由C0关、S关用 或图（4-12）求出N值；由N和各组分的Si值由 求出C0i值；4.4化学吸收化学吸收双膜理论：双膜理论：汽汽相相主主体体液液相相主主体体AiPAiy或或AiCAix或或传质方向传质方向气体气体界面界面液体液体 被溶解组分与吸收剂中活被溶解组分与吸收剂中活性组分发生化学反应，溶质性组分发生化学反应，溶质A A在在液膜中为反应所消耗，传质推液膜中为反应所消耗，传质推动力：动力：CCA
26、iAi-C-CALAL 优点：优点：1.1.吸收容量大吸收容量大 2.2.吸收率高；设备投资少吸收率高；设备投资少 3.3.蒸出不完全（可逆反应）蒸出不完全（可逆反应）4.4.1 4.4.1 化学吸收类型和增强因子化学吸收类型和增强因子化学吸收的类型化学吸收的类型(1)(1)慢速反应慢速反应通过液膜扩散时来不通过液膜扩散时来不及反应便进入气相主及反应便进入气相主体，反应主要在液相体，反应主要在液相主体中进行。主体中进行。AiAiC CAiAiP P界面界面气膜气膜液膜液膜ALALC C（2 2）中速反应）中速反应边扩散、边反应，边扩散、边反应，反应在反应区上反应在反应区上完成。完成。AiCAi
27、P界面界面气膜气膜液膜液膜反应区反应区ALC（3 3）快速反应）快速反应边扩散、边反边扩散、边反应，反应在反应，反应在反应区上完成。应区上完成。AiAiC CAiAiP P界面界面气膜气膜液膜液膜反应区反应区AANr（4 4）瞬时反应）瞬时反应AiAiC C反应面反应面AiAiP P界面界面气膜气膜液膜液膜反应在反应面反应在反应面上完成。上完成。AANr 4.4.1.2化学吸收的增强因子化学吸收的增强因子吸收中化学反应存在从推动力和液相传质分系数两个方面影响液相传质速率。引入增强因子E反映诸因素对液相传质分系数kL的影响。0LLkkE=增强因子：增强因子：二个极端情况：二个极端情况：a.a.慢
28、速反应慢速反应b.b.瞬时可逆反应瞬时可逆反应c.c.对于快速和中速反应对于快速和中速反应对快速和中速反应，kL既与反应速率有关，也与传质速率有关。E可表示为两个无因次参数的函数。（1）八田数（）八田数（Hattanumber)（2）浓度）浓度-扩散参数扩散参数Ha值越大，膜内反应量越大，Ha0，为物理吸收。化学吸收速率化学吸收速率4.4.2.1膜模型的反应膜模型的反应-扩散方程扩散方程ZCA液膜液膜CALd d一级不可逆反应一级不可逆反应（1 1）快速反应快速反应AAiANcDk施均不能提高任何加速液相湍动的措；吸收速率只取决于：1(2(2）慢速反应）慢速反应增加设备储液量，采用液相容积大的
29、传质设增加设备储液量，采用液相容积大的传质设备（如鼓泡塔）即选择合适的传质设备是非常备（如鼓泡塔）即选择合适的传质设备是非常重要的。重要的。不可逆瞬时反应不可逆瞬时反应故只有通过提高溶液中B的浓度来提高化学反应吸收速率。/1.021.0051.0005.000454.00283.01482.07461.31301.08201.01331.00331.00000.99910.99930.99510.9640.76160.46210.19740.09970.009997543210.50.20.10.014.4.2.3二级不可逆反应二级不可逆反应（1 1）瞬时反应）瞬时反应（2 2）快速反应）快速
30、反应上式是隐函数，求解上式是隐函数，求解E E较复杂，用图（较复杂，用图（4-194-19）表示，很方便。表示，很方便。图图4-19二级不可逆反应的增强因子二级不可逆反应的增强因子Ha快速反应的二种极限情况：快速反应的二种极限情况：此时此时E E的物理意义是传质系数足够大，整个液相浓度的物理意义是传质系数足够大，整个液相浓度不变且等于液相主体浓度不变且等于液相主体浓度4.4.2.4可逆反应可逆反应1 1、一级可逆反应、一级可逆反应与与c cALAL0 0的一级不可逆反应相同。的一级不可逆反应相同。(2)(2)瞬时可逆反应瞬时可逆反应成立条件。化学吸收计算化学吸收计算(1)单位体积填料吸收速率方程单位体积填料吸收速率方程(3)单位体积填料总吸收速率方程单位体积填料总吸收速率方程推导得推导得）（*AAGAyyaPKaN-=物理吸收气相传质总系数物理吸收气相传质总系数：化学吸收气相传质总系数化学吸收气相传质总系数：(4)填料高度填料高度fanfan第四章第四章气体吸收气体吸收4.3多组分吸收和解吸的简捷计算法多组分吸收和解吸的简捷计算法吸收过程工艺计算的基本概念吸收过程工艺计算的基本概念4.3.2吸收因子法吸收因子法哈顿哈顿-富兰格林方程的推导富兰格林方程的推导4.3.2.2平均吸收因子法平均吸收因子法克雷姆塞尔方程的导出克雷姆塞尔方程的导出克雷姆塞尔克雷姆塞尔方程方程讨论讨论