化工分离过程__第4章第一讲吸收

0 A
C
* A
CM*
化学平衡： K
C
* M
C
A* C
* B
C
0 A
C
* A
C
A* C
* B
溶解平衡：
PA
H
AC
* A
H
A
( 1
C
0 A
K CB*
)
C
* A
C
0 A
1
K
C
* B
当CB CA
时，
C
* B
C
0 B
由此可见： 物理吸收： PA HACA*
化学吸收：PA
H
AC
0 A
1 K CB0
产物离解系统
3 传质系数关联式
物理吸收传质速率
由双膜论知，A由气相到液相的传质速率可表示 为： NA ky (y yi ) Ky (y ye )
kg (pA pAi) KG (pA pAe)
界面
NA kx (xi x) Kx (xe x)
气相主体
kl (CAi CAl) KL (CAe CAl)
AC
* A
pCO2 pAC
化学吸收 物 理 吸 收
化学吸收 ：
C
0 A
CM*
CB0
1
p*A p*A
C CB0
CO2
说明： p*A ,CA0 CB0
，而不能超过
C
0 B
。
C
0 B
—代表溶剂B对溶质A的最大吸收能力；
p
* A
—代表吸收时气体所能达到的极限净化度。
物理吸收与化学吸收的比较
物理吸收，
吸收操作的分类
依据吸收的机理可分成
物理吸收（水、甲醇-CO2）
极限：溶解平衡=f(T, P) 达到平衡的速率： N A f (C, KG ) 过程是可逆的，且热效应较小。
化学吸收（K2CO3-CO2）
极限：相平衡= f (T,P,反应组分B) 达到平衡的速率：N A f (C, KG , Kr) 由于有化学反应，过程热效应较大，必须热再
净化气
废气 泡沫
蒸汽
气体
惰性气体
吸收剂需要再生流程应用实例
减压冷再生流程
原理：利用间接蒸汽升高温度，改 变液面上活性组分的平衡分压，加 速解吸速率。
实例：化学吸收（可逆反应） 热钾碱法吸收CO2； 柠檬酸钠法吸收SO2。
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，
或与其他工业过程有机结合是降低 能耗的有效方法之一。
C
* A
，代入（2）得：
PA
H A R K (1 R)
令
K H A
pA
R
(1
R)
R pA 1 pA
根据吸收组分在相平衡时的溶解能力为：
C
0 A
PA H A
C
0 B
R
当物理溶解量可以忽略不计时，
C
0 A
CM*
C
0 B
R
C
0 B
PA 1 PA
相平衡曲线及其比较
相平衡曲线
物理吸收：
pA
H
(Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O)
A( g )
H A A(l) B(l) K M (l) K1 K A
离解平衡常数：K1
ห้องสมุดไป่ตู้C C K A CM
忽略溶液中水的离解: CK C A CA K1CM
化学平衡常数: K CM
CBCA
CM K CACB
物料衡算:
溶液中A的起始浓度: CA0 CA CM CA
一微元置换的机会均等
气相
微元被旋涡携带的过程
在气、液相均会发生，
表面不断更新
液相
微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律
(t) Sest S f (界面湍动参数）
N A DS (CAi CAL )
缺点：表面更新率S无法确定，但该理论最完善。
传质速率与传质系数
1 物理吸收传质速率
2
化学吸收传质速率 与增强因子
SO3+H2O（H2SO4） HCHO+H2O
H2SO4（浓硫酸）原
福尔马林
料
(NH4)2CO3+CO2+H2O
2 NH4HCO3
CA
典型工艺流程
吸收剂需要再生的流程
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）。
①减压冷再生 应用实例： ②气提冷再生
③间接蒸汽热再生
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；
传质过程同时受到平衡和扩散的控制， 化学吸收过程反应与分离耦合；
气体热容小，液体热容大，溶质浓度较 低，且存在溶剂汽化冷凝，过程的温度 变化较小；
吸收操作多采用连续逆流接触式设备 （如填料塔）；
研究的理论和方法--微分理论。
微分理论
d (Gy) d (Lx) NASdh
由化学平衡式（1、2、3式）求得Ci，带入Pi=H’Ci， 求得相平衡时 PA f (ci ) 的关系式：
PA
H ACA
H
A
(
CMm CNn K CBb
)1 a
分几种情况讨论
产物不离解系统(NH3-H2O)
A( g )
H A A(l) B(l) K M (l)
溶液中A的初始浓度
C
0 A
：C
C0A CA K CACB K1KCACB
上式整理成CA的一元二次方程，并求解可得：
C*A
(2C0A
Ka ) Ka (4C0A 2(1 K CB )
Ka)
式中
Ka
K K1CB 1 KCB
溶解平衡：
PA
HA C*A
2(1
HA K
CB
)
[(
2C0A
Ka)
Ka
(4C
0 A
Ka
)]
被吸收组分与溶剂中的活性组分的作用
化学平衡：
Ka
aMm aNn
a
aa b
AB
CMm CNn
C
Ca b
AB
m M
Aa
n N b B
K
Ka Kr
CMm CNn CAaCBb
（1）
溶解平衡： PA H ACA
（2）
X1
物料衡算式：
C C
0 A
0 A
CA CA
CM CM a
m
(a m) （3） (a m)
平衡组成由化学平衡和溶解平衡共同确定 （即Ci同时满足化学平衡和溶解平衡）
生。
物理化学吸收（甲醇-有机胺）
吸收过程的特点
吸收与精馏操作的相同点：
平衡分离过程
热 、 质 同 传 过 程 ， 由 MESH 方 程 求 解
吸收与精馏的不同点：
气吸相收(g过) 程溶解进入液相(l)
T (G) TC
汽精相馏(V过) 程冷凝进入
汽化进入
液相（L） T (V ) TC
吸收操作的特点
CAL)
讨论：
稳定的边界滞流传质膜？ 传质过程是稳态的？ 界面无阻力？ K∝D（大量实测到的K∝D0.5 ）
双膜论的弱点：
没有反应出K与D的0.5次方的关系。
渗透论
要点：
传质方式：膜内是非稳态的传质；传递方式：膜内
呈分子扩散传递，
t0
N A max
t t dC / dL
NA
t dC / dL const N A const
mi
Hi P
或者
Pi
Hi CM
Ci
Pi
HiCi
H i
Hi CM
关于H系数的几点说明
1、Hi f(T、溶剂性质、溶质性质) 2、pi一定，Hi越大，CAi越小； 3、T ，H ，但CAi ； 4、Hi与溶液的组成、总压无关； 5、Hi的适用范围：
1) 难溶气体； 2） 低浓度的易溶气体； 3） 化学平衡时，未反的溶质 稀溶液。 一般情况 P 0.1MPa。
高浓度非理想溶液
当气液平衡时，
fˆiG
Pyiˆ
G i
fˆi L
fi0L xi i
Hi
xi
* i
mi
yi xi
H
i
* i
PˆiG
两组分溶解的气液平衡关系可用下列方程：
ln
fi L xi
ln
Hi
A RT
(1 x02 )
伴有化学反应时的相平衡
A( g )
H A
P
aA(l) bB(l) K mM nN
② 由于 pAe 是随 CAl 的增加而增加， pAe pAi
由此可得：
pA pAe pA pAi
KG kg
CAe CAl CAi CAe
KL kl
由传质总系数与传质分系数的关系式可知：
1 1 H A KG kg kl
KL H AKG
1 1 1 KL kl kg H A
当 H很A 大，即A是难溶气体
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te是相同的；
界面无阻力，yi K；i xi
t
te
界面
由非定态分子扩散可求得：
微团
NA 2
D
te
(C Ai
C AL
)
CA0（主体）
此结论 与实验相符合，但te无法测定， 且表面还是固定膜。
表面更新论
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
NA
DAL
(
dC A dx
)
x 0, x,
CA CAi CA CAL
在图中CA为DE直线，斜率为浓度梯度ddCxA
有化学反应时
A在膜中边扩散边反应， CA为曲线DE。
在D处(x=0) ，扩散速率为：
NA
DAL
(
dCA dx
) DD
A的扩散量 = 膜内扩散量 + 膜内反应量
在 x=δ处，A向液相主体扩散速率为：
分离工程
第三章 吸 收
目录
吸收过程概述 气液相平衡 传质理论 传质速率与传质系数 化学吸收与增强因子
吸收过程的设计
吸收过程的应用
1 获得液相产品 2 气体混合物的分离 3 气体的净化
a 原料气的净化 b 尾气的净化 4 回收有价值的组分
典型工艺流程
吸收剂无需再生的流程 溶剂 使用对象：主要用于制备液相产品。 流程特点：吸收剂不再生，循环操作。 应用实例：
根据相平衡方程式
yA
yi
PA
xi Pai
Ci
y mx或 a
PA H ACA b
可以写出传质速率的多种形式
δg δl
液相主体
xA CAl
（见表3-5）。
NA kg ( pA pAi) KG ( pA pAe) NA kl (CAi CAl ) KL (CAe CAl )
① 当A从气相进入液相时，CAi CAl ;
K y aS y2 y ye
G,y
L,x2
2
y
S
dh
y+dy
G,y1
L,x1
气液相平衡
相平衡时: T G T L , PG PL
fˆiG fˆiL (i 1, c)
物理溶解时相平衡
低浓度理想溶液
Pi Hi xi
Pi P（yi Hi为亨利系数）
亨利定理变形：
yi
Hi P
xi
yi
mi xi
ln
mi mi0
biI b'Ci
传质理论
吸收过程，溶质A由气相传到液相。
NA 主体(气,液相)
分子扩散 对流
气相
液相 传质
湍流混合
界面
界面 界面湍动 界面阻力
传质理论(较成熟)
双膜论
Whitaman,1923
渗透论
Higbie,1935
表面更新论
Danckwerts,1951
双膜论
特点：
是稳态的物理模型，模型直观，用起来方便。
吸收剂需要再生流程应用实例
减压冷再生流程
原理：通过改变P，改变相平衡， 使溶质解吸。
实例：以碳酸丙烯酯为溶剂，脱除 合成氨原料气中CO2的过程。
工艺对气体净化度要求是过程经济 进
性的关键
气
净化气
再生气Ⅰ 再生气Ⅱ 再生气Ⅲ
吸收剂需要再生流程应用实例
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。 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。
HA 1
kl
kg
1 1 k L H'Akg
KG
kl
H
' A
KL kl
属液膜控制
当H A很小，即A是易溶气体时，
1 H A
kg
kl
1
1
H
' A
k
g
kl
KL H A' kg
KG kg
属气膜控制
结论：
气膜控制的条件是：
液膜控制的条件是：
化学吸收的传质速率与增强因子
物理吸收
A在液膜中的溶解速率服从费克定律，即:
A( g )
H A A(ag) B(ag) Ka M (ag)
设B组分的平衡转化率为R，有：
C C
* A
* B
C
0 A
C
* M
C
0 B
(1
R)
C
* M
C
0 B
R
化学平衡：K
CM*
C
A* C
* B
C
0 B
R
C
A* C
0 B
(1
R)
R
C
* A
(1
R)
(1)
相平衡： PA HACA*
(2)
由（1）式得
(K xa)(xe x)Sdh
(K ya)( y ye )dh
H
h
dh
y1
d (Gy)
0
y2 K y aS ( y ye )
H
h
dh
x2
d (Lx)
0
x1 K x aS (xe x)
L
x2 dx
H H OL NOL K x aS x1 xe x
L
y1 dy
HOGNOG
p
～ *
A
C
A0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)
化学吸收， p*A↑有极限， CA0 C；B0 适用于低压、低
浓度下高净化度的吸收过程；
当
p
* A
p AC
，化学吸收优于物理吸收；
当 p*A pAC ，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 (H’↑），降低净化度
要点：
流动方式：界面两侧有滞流传质膜，
滞流传质膜≠滞流边界层
界面
气相主体
传递方式：膜内呈分子扩散传递，
主体浓度均一，传质阻力集中在 yA 界面两侧的双膜内
yi xi
液相主体
界面无阻力，yi K，i xi
模型参数是膜的厚度δl
xA
δg δl
由单向扩散速率积分式可得：
NA
D CM l CBM
(CAi
NA
DAL
(
dCA dx
) EE
A在膜内的反应量
DAL
(
dCA dx
) DD
(
dCA dx
) EE
当界面处DL相同，△C相同，则 DD’ 线斜率—对应化学吸收的速率 DE 线斜率—对应物理吸收的速率