第四章吸收及吸附教材

气相传质控制
21
塔顶： 塔底：
液膜传质控制
22
塔顶： 塔底：
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化学吸收 • 结论:
• 1． k AG apA k B1aCB
气相反应速率较慢，由较慢的控制。
• 2． k AG apA k B1aC B
反应在液相内进行，为液相控制。
化学吸收可以大大降低塔的高度， 而物理吸收塔过高，不能够实现。
l=Aiv
33
2) Horton-Franklin(哈顿-富兰可林)方程 第j级作组分i的物料衡算有
尾气 V1 L0吸收剂
l j,i - l j-1,i v j1,i - v j,i
1 2
假定图所示的吸收塔的每一块板均为一个平衡级， vn
n-1
ln-1
则对于组分i可导得：
n
n+1
vj

v j1
AN 1 1
∵l0=Av0
38
(vN+1 -v1)/ v N+ 1=(1-
v0 )( AN 1 A
vN 1
AN 1 1
)
=( )( ) vN 1 v0
vN 1
（2）A，B等摩尔反应，CB=800mol/m3, 设kAL=kBL=kL, H=?
（3） B为低浓度时，CB=32mol/m3, 其余情况与上相同， H=？
（4） B为中等浓度时， CB=128mol/m3,其余情况与上相 18 同， H=？
PT=1.01×105Pa, PA1= 20Pa, PA2=100Pa
过程的推动力为：浓度差C
3
应用 1. 回收产品：用洗油（焦化厂副产品，数十种C、H化
合物的混合物）吸收焦炉煤气中的苯、甲苯、二甲苯 2.气体净化：合成氨原料气中含有CO、CO2 、H2 S等有
害气体，易使cat.中毒。 3.制备气体的溶液： SO2----- SO3 ＋ H2O--- H2 SO4 一般
采用92.5% H2 SO4吸收成为98% -----105% H2 SO4 。 实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。
4
分类
吸收剂与溶质之间相互作用不同，可分为 物理吸收：吸收过程纯属气体的溶解过程。
a 单组分吸收： b 多组分吸收： 吸收过程有无热效应，可分为 等温吸收：贫气吸收（吸收微量气体） 非等温吸收：吸收量大时，一般放热，产生吸收热，T↗;
而精馏过程中，往往可认为气相中较重组分冷凝时放出 的热量，正好用来使液相中轻组分汽化，不会由于 相变时的潜热而引起温度的变化。
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解吸(脱吸)
解吸过程也是单相传质过程，但传质的方向与吸收相反。
吸收中的所有方法在这里都适用，只是：
1. 溶质从液相传递到气相，气相物质不进入液相；
2. 逆流操作时, 塔顶为浓端, 塔底为稀端；
35
对全塔进行物料衡算，有
l N v N1 - v1 l0
整理得
vN

v N1 - v1 AN
l0
v N1 - v1 A1A2 A N A2A3 A N A N
v N1
A1A2 AN A2A3 AN AN 1
-
l0 v N1

A2A3 AN A3A4 AN AN A1A2A3 AN A2A3 AN
N
原料气
吸收液
Vn+1 LN
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吸收模型
一. 吸收因子法
1) 吸收因子 A
• 任一组分的相平衡关系可表示为
•
yi=mxi 式中 yi——气相中组分i的摩尔分数
•
xi——液相中组分i的摩尔分数
•
m——组分的相平衡常数
• y=v/V • x=l/L
式中l——液相中组分i的摩尔流量 L——液相的（总）摩尔流量 v——气相中组分i的摩尔流量 V——气相的（总）摩尔流量
1 AN

1
该式关联了吸收率、吸收因子和平衡级数， (9-3)
称为汉顿（Horton）-富兰克林（Franklin）方程。
36
二. 平均吸收因子法
a 假设：
Φ、A、N 的关系
① 各板的吸收因子相同，并用全塔的平均吸收因子代替
各板的A。
② 液气比L/V采用塔顶和塔底条件下的平均值或L0/VN+1;
A j-1v j-1 A j+11
N
原料气
吸收液
Vn+1 LN
吸收模型
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j=1时，有
v1,i

v2 A0v0 A1 1
A0v0 l0
v1

v2 l0 A1 1
(9-2)
l0为吸收剂组分的摩尔流量。
j=2时，
v2

v3 A1v1 A2 1
式(9-2)代入整理得
v2

(A1 1)v 3 A1l0 A1A2 A2 1
24
4.1.3 多组分吸收和解吸过程分析 吸收
多组分吸收和精馏都是传质过程，有共同点也有区别。 共同点：不能对所有组分规定分离要求，只能对吸收和解
吸操作关键作用的组分即关键组分规定分离要求。 吸收操作中必须控制其分离要求的组分称为关键组分。 ∵吸收塔的Na=1 ，∴吸收塔只有一个关键组分。
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关键组分 多组分吸收（物理吸收）时，各组分是
即
c f (P*) HP* x P* / E y* mK x
E：亨利常数Pa H：溶解度常数Kmol/m2s pa K：相平衡常数
H s ms E
s 1
ms E
m P*
K P*
P总
E
EH

s
ms
mK
E P总
7
化学吸收：带有化学反应的吸收。
a 带有可逆反应的吸收
5
吸收过程的气液相平衡关系 气体在液体中的溶解度 气体吸收涉及到相际传质过程。
平衡问题：物质传递的方向和限度； 传质速率问题：传质推动力和阻力。过程快慢的问题。 相平衡：相间传质已达到动态平衡，从宏观上观察传质
已不再进行。
6
亨利定律 当气压不太高（<5*105Pa）时，在一定的温度 下稀溶液中的溶质溶解度与气相中溶质平衡分压成正比。
•
GdYA
LdxB b
rA' adH
• 其中 rA' —宏观反应速度
• b—B的反应系数与A的反应系数之比。 15
GdYA

LdxB b
rA' adH
16
当处理稀溶液时，Pt≈Pu CT≈CU 可得到微分物料平 衡方程
G pt
dp A
— L bCT
dc AB
对塔内任一截面的组分积分, 求得
第四章 吸收与吸附
1
本章内容
4.1 吸收 4.1.1 概述 4.1.2 吸收与解析过程 4.1.3 多组分吸收和解析过程分析
4.2 吸附 4.2.1 吸附原理和吸附剂
2
4.1 吸收 4.1.1 概述
吸收-气体混合物中的一种或多种组分从气相转移到液相 的过程。
解吸-溶质从液相中分离出来转移到气相的过程。 吸收和解吸为互为逆过程。 吸收是分离气体混合物的重要方法之一。
吸收塔或解吸塔是两处进料、两处出料，相当于 复杂塔。 2、精馏过程中有的物系可当作理想物系，在吸收中吸收 剂与溶质的沸点差较大，有的甚至在临界温度以上进 行吸收。是溶质的溶解过程，故不能视为理想系，气 液关系比较复杂。
27
3、精馏操作是双向传质：汽相中的重组分冷凝进入液 相，汽→液；液相中的轻组分汽化进入汽相，液→汽； 传质过程往两个方向进行。如果各组分的ΔHv 相近时， 成立恒摩尔流的假设，使计算过程简化。
1. 在同一塔体内进行吸收，N理相同； 2. L/V相同。
各组分的吸收量由它们各自的挥发度或Ki 所决定，而 且相互之间有一定的关系。所以不能对所有组分规定 分离要求，而指定某一组分的分离要求，由其分离要 求确定N理，而且N理已确定其它组分的分离要求随之 而确定。
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区别/4 1、精馏塔是一处进料，塔顶和塔釜出料；
（1）使用惰性气体或贫气的解吸 （2）直接蒸气解吸 （3）间接蒸气加热解吸 （4）多种方法结合解吸
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尾气 V1 L0吸收剂
4.1.4 多组分吸收和解吸的简捷计算法
在多级逆流吸收中由于吸收 是一个放热过程，因此吸收剂 和富气通常都在低于塔的平均 操作温度下进入塔内。
1 2
vn
n-1
ln-1
n
n+1
③ 用全塔的平均温度计算相平衡常数m。
• 由以上假设可以看出，此种方法适用于低浓度（贫气） 吸收。高浓度（富气）吸收时，溶解热较大，温升高，
不适用。 37
b 公式推导：∵A1=A2=A#=…=AN=A, 代入式
(vN+1 -v1)/ vN+ 1 =
AN AN 1 AN 2 ... A AN AN 1 AN 2 ... A 1
vN 1 A AN AN 1 AN 2 ... A 1
=（1-
l0 ）（
vN 1A
AN AN 1 AN 2 ... A AN AN 1 AN 2 ... A 1
）A 1
A 1
=（1（- l0 ） ） AN 1 A
vN 1A
G/Pt (PA－PA1) = － L/bCT (CB－CB1)
当处理稀溶液时，填料层的高度H为：
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例1：采用填料塔净化废气。使尾气中某有害组分的体积分 率从0.1%降低到0.02%。试比较用纯水吸收和采用不同 浓度的B组分溶液化学吸收时的塔高。总压为 1.01×105Pa。
（1）已知：G，L，Pt ，CT, kAG a, kAL a, HA，求填料层高 H=?
10
11
12
13
物理吸收：
G、L为单位塔截面上惰性组分的摩尔流量
Z

V KY a
Y1
Y2
Y
dY Y*
及Z

L K X a
X1
X2
X
dX *
X
14
rA'
二. 化学吸收 反应式为A（气）+B（液）——产品。 采用逆流稳定操作。
气相中失去组分A的物质的量=1/b液相中失去组分B的
物质的量=液相中反应掉的A的物质的量。
3. 以回收溶剂为目的时，可用惰性气体，但不易得到纯
溶质； 以得到纯溶质为目的时，若溶质不溶于水，则
X1 Y1
可用水蒸气，最后冷凝分层分离。
脱 吸 塔
X2 Y2
解吸主要用于两个方面： 1、用于回收吸收剂。 2、获取被吸收的组分。
30
ห้องสมุดไป่ตู้
二、解吸方法 温度增大，压强降低，L减小，V增大对解吸有利。 解吸剂作用下的解吸过程
G
L
pt dpA CT dcA
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得操作线方程为：
PA1=20 PA CA1=0; PA2=100 PA CA2=6.4mol/m3
PA=20 PA CA=0
PA*=HACA =0
1 1 HA K AG a k AG a k A1a
－气相总传质系数
20
(2) CB 高时
塔顶： 塔底：
2H0CH2CH2NH2+C02+H20 ( H0CH2CH2NH3)2C03
一乙醇胺
碳酸醇胺
汽液平衡关系的非线形性，而且吸收速率又受化学反应速率的影 响，分析这类吸收过程比物理吸收困难。
b 带有不可逆反应的吸收
C02+2Na0H→Na2C03+H20
H2S+2Na0H→Na2S+H20 吸收反应过程是连串反应或反应速度慢时比较复杂。
- l0 （
AN 1 AN 2 ... A 1
）
vN -1
AN AN 1 AN 2 ... A 1
=
AN AN 1 AN 2 ... A AN AN 1 AN 2 ... A 1
-
（ ） l0
AN AN 1 AN 2 ... A
而吸收只是气相中的某些组分溶解到不挥发的吸收剂中 去的单相传质过程。一般沿塔从上往下，气体量、液 体量增加。∴除了贫气吸收（吸收质量很小）外不能 视为恒摩尔流。
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4、气体中易溶组分溶到吸收剂中时，有溶解热效应， 由于是单相传质，这一热效应就会使液相和气相的 温度上升。吸收塔温度变化主要取决于热量平衡， 这使得吸收塔的温度分布比较复杂。
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吸收过程的气液相平衡关系 气体在液体中的溶解度 气体吸收涉及到相际传质过程。
平衡问题：物质传递的方向和限度； 传质速率问题：传质推动力和阻力。过程快慢的问题。 相平衡：相间传质已达到动态平衡，从宏观上观察传质
已不再进行。
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4.1.2 物理吸收和化学吸收
一. 物理吸收
• 为了计算填料塔高度，必须把传质速度方程式和 物料平衡方程式联立求解。计算的空间基准为单 位塔截面，高为dH的微元体积，其中相界面积为 adH；由于稳定操作，时间基准可以任意取△t。
v3

(A1A 2 A 2 1)v 4 A1A2A3 A2A3
A1A2l0 A3 1
vN

(A1A 2 A N-1 A 2 A 3 A N-1 A N-1 A1A2 AN A2A3 A N
1)v N1 A1A 2 A N-1l0 AN 1