化工原理授课提纲 8.气体吸收 §8.气体吸收 §8.1.概述 工业中的吸收过程 吸收分类 (1)依溶质与溶剂的结合形式分类: 物理吸收 化学吸收K2CO3+CO2+H2O→2KHCO3 (2)依组分数分类 单组分吸收 多组分吸收 (3)依温度变化分类 等温吸收 非等温吸收 2.工业吸收过程 (1)原料气的处理:合成氨及合成甲醇工艺中H2S、CO2的脱除 (2)生产产品:碳氨、尿素、盐酸、硝酸、硫酸的生产,炼油工艺中吸收稳定… 3)回收有用组分:合成氨工艺中回收CO2,用以生产尿素或碳氨 (4)废气的处理: 聚氯乙烯生产尾气中HCl处理; 磷酸厂尾气中No处理; 锅炉尾气中SO2处理…。 吸收流程和吸收剂 1.完整的吸收过程~吸收+解吸 2.多级吸收 3.吸收剂 挥发性小~溶剂损失少 腐蚀性小~设备选材易 毒性小~操作环境好 容量大、易解吸~吸收剂用量少 价格低、能耗小 §8.2.基本理论 气体在液体中的溶解度 化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲 8.气体吸收 化学工程与工艺专业本科教学用 8-1 §8. 气体吸收 §8.1. 概述 一. 工业中的吸收过程 ⒈ 吸收分类 ⑴ 依溶质与溶剂的结合形式分类： z 物理吸收 z 化学吸收 K2CO3+CO2+H2O⇔2KHCO3 ⑵ 依组分数分类 z 单组分吸收 z 多组分吸收 ⑶ 依温度变化分类 z 等温吸收 z 非等温吸收 ⒉ 工业吸收过程 ⑴ 原料气的处理：合成氨及合成甲醇工艺中 H2S、CO2 的脱除… ⑵ 生产产品：碳氨、尿素、盐酸、硝酸、硫酸的生产,炼油工艺中吸收稳定… ⑶ 回收有用组分：合成氨工艺中回收 CO2,用以生产尿素或碳氨… ⑷ 废气的处理： z 聚氯乙烯生产尾气中 HCl 处理； z 磷酸厂尾气中 Nox 处理； z 锅炉尾气中 SO2 处理…。 二. 吸收流程和吸收剂 ⒈ 完整的吸收过程～吸收+解吸 ⒉ 多级吸收 ⒊ 吸收剂 z 挥发性小～溶剂损失少 z 腐蚀性小～设备选材易 z 毒性小～操作环境好 z 容量大、易解吸～吸收剂用量少 z 价格低、能耗小 §8.2. 基本理论 一. 气体在液体中的溶解度
化工原理授课提纲 8.气体吸收 1.相律 若气相中不溶解的物质及不挥发溶剂分别作为一个组分 F=n-+2=3-2+2=3 A, B, PA CA =f(P, TPA) 对于工业吸收过程:P= constant TP A S, CA 若吸收在等温条件下进行, 即:7= constant 图8-1:吸收气液相平衡 则:CA=PpA)或pA=(CA 2.相平衡关系 设T= constant 1)溶解度曲线 P27页图9-3 (2)亨利定律 对于稀溶液溶解度曲线为直线用亨利定律描述相平衡关系: CA=A→H~溶解度系数 kmol/m3-Pa pA=EXA→E=C∥亨利系数Pa或at yA=mxA→)m=EP~相平衡常数无因次 非线性相平衡 对于高浓度或非理想溶液,用相平衡曲线或经验式来描述相平衡关系 传质速率方程 1.传质机理与双膜理论 (1)吸收传质机理 溶质A:气相对流传质→相界面传质→液相对流传质 (2)有效膜理论~双膜理论 双膜理论假设 I:在相界面两侧存在着稳定的气膜和液 相界面 膜(即浓度边界层),形成传质的主要阻力 Ⅱ:相界面传质阻力为零即相界面始终处 于相平衡。 Pai f(Cai) 气膜传质速率:NA=k(PAPA)(1) 相界面传质:PA=f(CA)(2) 图88-2:吸收传质双膜理论 化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲 8.气体吸收 化学工程与工艺专业本科教学用 8-2 ⒈ 相律 若气相中不溶解的物质及不挥发溶剂分别作为一个组分 F=n-φ+2=3-2+2=3 CA * =f(P,T,pA) 对于工业吸收过程：P=constant 则：C A * =f(T,pA) 若吸收在等温条件下进行, 即： T= constant 则：C A * =f(pA) 或 pA * =f(C A) ⒉ 相平衡关系 设 T= constant ⑴ 溶解度曲线 P27 页图 9-3 ⑵ 亨利定律 对于稀溶液,溶解度曲线为直线,用亨利定律描述相平衡关系： C A * =HpA → H～溶解度系数 kmol/m3 -Pa pA * =ExA → E=C/H～亨利系数 Pa 或 atm y A * =mxA →m=E/P～相平衡常数,无因次 ⑶ 非线性相平衡 对于高浓度或非理想溶液,用相平衡曲线或经验式来描述相平衡关系 二. 传质速率方程 ⒈ 传质机理与双膜理论 ⑴ 吸收传质机理 溶质 A ：气相对流传质→相界面传质→液相对流传质 ⑵ 有效膜理论～双膜理论 双膜理论假设： Ⅰ：在相界面两侧存在着稳 定的气膜和液 膜(即浓度边界层),形成传质的主要阻力; Ⅱ：相界面传质阻力为零,即相界面始终处 于相平衡。 pAi= f(CAi) 那么： 气膜传质速率：NA=kG(pA-pAi) (1) 相界面传质： pAi= f(CAi) (2) T,P A , B , pA A , S , CA 图8-1：吸收气液相平衡 p A G L p Ai NA δe δL CAi C A 相界面 图 8-8-2: 吸收传质双膜理论
化工原理授课提纲 8.气体吸收 液膜传质速率:NA=k1(CA-CA)(3) 低浓度吸收传质速率方程 对于低浓度吸收,假设相平衡符合亨利定律,即 PAi 4) PA 且:CA=PA(如图) 图8-3:亨利定律 利用上式消除速率方程中的不可测的量PA1与Ca推导总传质速率方程 (1)以分压差为推动力的总传质速率方程 N 由(1)式得 将(4)、(5)式代入()式得:N=PA-PA (7)+(8)得:NA=△-PA=K(P4-PA) 其中: kmol K。~以分压差为推动力的总传质系数m2.sPa (2)以浓度差为推动力的总传质速率方程 将(4)、(6)式代入(1)式得 N,H A= CAICA (12) k 合并得: (13) IHI 其中 KL~以浓度差为推动力的总传质系数m/s KG=HKL (15) (3)以摩尔分率为推动力的总传质速率方程 设气相符合理想气体特性,则: 化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲 8.气体吸收 化学工程与工艺专业本科教学用 8-3 液膜传质速率：NA=kL(CAi-CA) (3) ⒉低浓度吸收传质速率方程 对于低浓度吸收,假设相平衡符合亨利定律,即： CAi=H pAi (4) 且：CA=HpA * (如图) (5) 或： pA= H C* A (6) 利用上式消除速率方程中的不可测的量 pAi 与 Cai 推导总传质速率方程。 ⑴ 以分压差为推动力的总传质速率方程 由(1)式得： L A Hk N = pA - pAi (7) 将(4)、(5)式代入(3)式得： N Hk A L = pAi - pA * (8) (7)+(8)得：NA= p p 1 k 1 Hk A A G L − + ∗ =KG(pA - pA * ) (9) 其中： 1 K 1 k 1 GG L Hk = + (10) KG～以分压差为推动力的总传质系数 kmol m s Pa 2 ⋅ ⋅ ⑵ 以浓度差为推动力的总传质速率方程 将(4)、(6)式代入(1) 式得： G A k N H =C* A - Cai (11) = L A k N CAi-CA (12) 合并得：NA= G L A A k 1 k H C C + −∗ =KL(C* A-CA) (13) 其中： L G L k 1 k H K 1 = + (14) KL～以浓度差为推动力的总传质系数 m/s KG=HKL (15) ⑶ 以摩尔分率为推动力的总传质速率方程 设气相符合理想气体特性, 则： pA CA * CA CAi pA * pAi 图8-3：亨利定律
化工原理授课提纲 8.气体吸收 PAVAP PAiA P 代入(1)式:N=Pk0)→k=B%kmol 代入(3)式:NA=Ck1(xAxA)=k(xAx)→k=Ckmo 相平衡关系为:y=mxA(或x4=yAm) VAi-mXAi 同理可推出: NA=KAy)→ (16) NA=k(xAxA)→ K mk k Kx、K,~以摩尔分率为推动力的总传质系数 KmK 3.总传质速率方程分析 H kmol 式中:{kG}≈103~10 {k}≈10 Sa tm 可以认为具有相同数量级 (1)气膜控制 当溶质溶解度较大时(如SO3、NH3…),H较大 HK, 总传质阻力接近于气膜传质阻力,传质过程由气膜传质所控制液相浓度均匀。称为气膜控制, 总传质速率表示为 同理:NA= K, A-y)=k0yAyA) 化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲 8.气体吸收 化学工程与工艺专业本科教学用 8-4 pA=yAP pAi=yAiP 代入(1)式： NA=PkG(yA-yAi)=ky(yA-yAi) → ky= PkG kmol m s 2 ⋅ 取：CA=xAC CAi=xAiC 代入(3)式： NA=CkL(xAi-xA)=kx(xAi-xA) → kx= CkL kmol m s 2 ⋅ 相平衡关系为： ∗ A y =mxA (或 ∗ A x =yA/m) yAi=mxAi 同理可推出： NA=Ky(yA- yA ∗ ) → y y x k m k 1 K 1 = + (16) NA=Kx( ∗ A x -xA) → x y x k 1 mk 1 K 1 = + (17) Kx、Ky～以摩尔分率为推动力的总传质系数 Kx=mKy (18) ⒊总传质速率方程分析 1 K 1 k 1 GG L Hk = + L G L k 1 k H K 1 = + 式中： {kG}≈10-3～10-4 kmol m s a tm 2 ⋅ ⋅ {kL}≈10-4 m/s 可以认为具有相同数量级 ⑴ 气膜控制 当溶质溶解度较大时(如 SO3、NH3…), H 较大 G HkL 1 k 1 >> G G L Gk 1 Hk 1 k 1 K 1 = + ≈ 总传质阻力接近于气膜传质阻力, 传质过程由气膜传质所控制,液相浓度均匀。称为气膜控制, 总传质速率表示为： NA=KG(pA - pA * )=kG(pA - pA * ) 同理： NA=Ky(yA- yA ∗ ) = ky(yA- yA ∗ )
化工原理授课提纲 8.气体吸收 (2)液膜控制 当溶质溶解度较小时,H较小,若 H 1 总传质阻力接近于液膜传质阻力,传质过程由液膜传质所控制气相浓度均匀。称为液膜控制 总传质速率表示为 NA=KL(C A-CA)KL(CA-CA 同理: NAK(XA-XA)=k(XA-XA) 4.高浓度吸收 由于溶解热,使得吸收过程温度发生变化;另外,对于非理想溶 液,当浓度较高时气液相平衡关系为曲线。即使kG、k保持不变 KG、KL也不能保持常数。若kG、kL随浓度变化不大,则可以采用 膜传质速率方程进行近似计算: NA=KG(PA- Pai) 图8-4:相界面浓度 NA=KL(CAI-CA) 其中相界面浓度可用如下方法近似计算 P-P ku Pai=f(CAi) 对于气膜控制或液膜控制,讨论方法与前相同 GR L §8.3.吸收(或脱吸)塔的计算 y Ⅹ 填料塔设计命题:(如图 工艺条件:T、P、G、b 工艺要求:ya G L 工程决策: 计算目标:h(或M、D 物料衡算 1.填料塔吸收过程分析(如图) B 假设连续稳态流动 Yb X m G~气体摩尔通量 图8-5:填料塔流程图 m. s 化学工程与工艺专业本科教学用
化工原理授课提纲 8.气体吸收 化学工程与工艺专业本科教学用 8-5 ⑵ 液膜控制 当溶质溶解度较小时, H 较小,若 H k 1 G L k << 1 K H k 1 k 1 k L GL L =+≈ → KL≈ kL 总传质阻力接近于液膜传质阻力, 传质过程由液膜传质所控制,气相浓度 均匀。称为液膜控制, 总传质速率表示为： NA= KL(C* A-CA)=kL(C* A-CA) 同理： NA=Kx( xA ∗ -xA) =kx( xA ∗ -xA) ⒋ 高浓度吸收 由于溶解热,使得吸收过程温度发生变化; 另外, 对于非理想溶 液, 当浓度较高时气液相平衡关系为曲线。即使 kG、kL保持不变， KG、KL也不能保持常数。若 kG、kL随浓度变化不大，则可以采用 膜传质速率方程进行近似计算： NA=kG(pA-pAi) NA=kL(CAi-CA) 其中相界面浓度可用如下方法近似计算： G L Ai A Ai A k k C C p p = − − − 而：pAi=f(CAi) 对于气膜控制或液膜控制, 讨论方法与前相同。 §8.3. 吸收（或脱吸)塔的计算 一. 填料塔设计命题：(如图) z 工艺条件：T、P、G、yb z 工艺要求：ya z 工程决策：xa、L z 计算目标：h0(或 N)、DT 二. 物料衡算 ⒈ 填料塔吸收过程分析(如图) 假设连续稳态流动, G～气体摩尔通量 kmol m s 2 ⋅ p A pA ,CA p Ai,CAi CA 图8-4：相界面浓度 GB ya Ya LS xa Xa L x G y LS xb Xb GB yb Yb 图8-5：填料塔流程图