第五章吸收

1、第五章第五章 吸收吸收Absorption 第一節(jié) 概述 吸收利用氣體混合物中各組分在液體中溶解度的差異,對氣體中不同組分進行分離的單元操作。 所用液體為吸收劑（溶劑），被吸收的氣體為溶質（吸收質），不被溶解的稱惰性氣體或載體。 吸收操作的目的： 回收混合氣體中的有用物質； 除去有害成分以凈化氣體； 制取液體產(chǎn)品。解吸(disorption, stripping) (脫吸) 將吸收得到的溶質氣體從液體中分離出來的操作。 解吸經(jīng)常伴隨吸收構成生產(chǎn)上的一個完整的流程。如圖： 合成氨原料氣 的凈化，以得 到較純凈的二 氧化碳氣體。乙醇胺乙醇胺CO230%130高溫低壓 進行吸收操作必須解決下列三方面

2、的問題 選擇合適的溶劑（吸收劑）。 提供傳質設備以實現(xiàn)氣液兩相的接觸。 溶劑的再生。溶劑的性能是吸收操作良好與否的關鍵： 對吸收組分有較大的溶解度； 對所吸收的氣體有較好的選擇性； 由較低的蒸汽壓，減少揮發(fā)損失； 吸收后的溶劑應易于再生。吸收設備一般為塔式設備，可分兩大類：板式塔 tray tower 填料塔 packed tower 板式塔填料塔幾種吸收分類 物理吸收-溶質與溶劑之間不發(fā)生顯著的化學反應，（水吸收二氧化碳）； 化學吸收-溶質與溶劑之間發(fā)生顯著的化學反應，（硫酸吸收氨）； 單組分吸收-溶劑只吸收一種組分； 多組分吸收-溶劑吸收兩種組分以上； 等溫吸收-吸收過程中溫度變化不大；

3、非等溫吸收-吸收過程中溫度發(fā)生改變。 第二節(jié) 氣液相平衡51 氣體在液體中的溶解度平衡溶解度簡稱溶解度 solubility在恒定溫度和壓力下氣液兩相接觸時發(fā)生溶質氣體向液相轉移達飽和狀態(tài)，這時兩相達到相平衡，此時溶質在液相中的濃度稱為平衡溶解度。 溶解度與溫度、壓力有關，平衡時溶質在氣相中的分壓稱平衡分壓。溶質組分在兩相中的組成服從相平衡關系氨在水中的溶解度 氧在水中的溶解度 52 亨利定律 Henrys law一、亨利定律 當總壓不高 （一般小于500 kPa ）時， 在一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質的平衡分壓p*A與液相中溶質的摩爾分數(shù)xA成正比 p*A= E xA E-比例系數(shù)，稱為

4、Henry系數(shù)， kPa。 一般 E 值隨溫度升高而增大。（176頁表5-1）Henrys law 其它幾種表達形式 氣相組成用溶質的分壓p*A ，液相組成用溶質的濃度CA表示 p*A=CA/H H溶解度常數(shù)，kmol/(m3kPa) 氣、液相組成分別用溶質的摩爾分數(shù)y 與x表示 y* = m x m相平衡常數(shù)。在吸收過程中，惰性氣體與溶劑的量可以認為均不發(fā)生變化，故以二者的量為基準引入摩爾比，使計算簡化。 定義為：氣相中惰性氣體摩爾數(shù)氣相中溶質的摩爾數(shù)液相中溶劑的摩爾數(shù)液相中溶質的摩爾數(shù)yyYxxX11由上兩式可得mXYXmXmmXYmxyYYyXXx*111 11* 11*當溶液濃度很低時

5、得：將上兩式代入二、Henrys law各系數(shù)間的關系1、H和E之間的關系由 p*A= E xA 和 p*A=CA/H可得 H =CA/ E xA而 CA = C xA C為溶液總濃度表示為L-溶液的密度，kg/m3。MmkmolkmolcL3溶劑溶質由于溶液很稀，故溶液密度可近似用溶劑密度代替 Ls 質量用溶劑的質量代替 則 c s s/M 因此ssAAAssAEMExcHxMc 代入2、E和m之間的關系 由理想氣體分壓定律 p*A = y*A P，代入 P*A= E xA = y*A P 比較 y*A = m xA E xA = m xA P 得 m = E/P P - 為總壓 ，kPa。

6、53 相平衡與吸收過程的關系 氣液兩相接觸，若發(fā)生傳質過程，是吸收還是解吸要看溶質在氣相中的分壓與其液相的平衡分壓間的關系而定。氣液平衡線氣液平衡線平衡是過程的極限。 實際分壓（或濃度）與平衡分壓（或平衡濃度）的偏離程度表示吸收過程的推動力 driving force。 以氣相分壓差表示吸收推動力 （pA - pA*） 以液相濃度差表示吸收推動力 （xA* - xA） 相平衡指明了傳質過程的方向。第三節(jié) 吸收過程的速率液體對氣體的吸收包括三個步驟：某組分從氣相主體傳遞到氣、液兩相界面；在相界面上溶解而進入液相；從液相一側界面向液相主體傳遞。相內傳質的基本方式有兩種：分子擴散 molecular

7、 diffusion湍流擴散 turbulent diffusion 又稱渦流擴散 eddy diffusion54 molecular diffusion and Ficks law 分子擴散當流體內部存在濃度差時，因微觀的分子熱運動使組分從高濃度處向低濃度處轉移。 單位時間內通過單位面積擴散的物質量稱為擴散速率 rate of diffusion ( J) 單位 kmol/(m2s) DAB -分子擴散系數(shù), A在B中擴散， m2/s ； dcA/dZ-組分A在擴散方向上 Z 的濃度梯度， kmol/m4. （上式為 Ficks law ）dZdcDJAABAFicks law 只適用于雙

8、組分混合物 對于理想氣體混合物，F(xiàn)icks law表達式為 pA-氣體混合物中組分的分壓, kPa； T -熱力學溫度，K ; R -摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(kmol K) 負號表示擴散向組分A濃度降低方向進行，與濃度梯度方向相反。 dZdpRTDJAABA55 等摩爾逆向擴散(雙組分) equimolar counter diffusion JA = -JB, dpA/dZ = -dpB/dZ DAB= DBA= D 等摩爾擴散范圍 Z1=0,Z2=Z ；p =pA1pA2 積分 得dZdpRTDJAABA2121AAAAAccZDppRTZDJ56 組分A通過靜止組分B的擴散 di

9、ffusion of A through stagnant BA、B雙組分氣體混合物與液體溶劑接觸，組分A溶解于液相，組分B不溶于液相，因此，吸收過程是組分A通過“靜止”組分B的單方向擴散 unidirectional diffusion傳遞速率表示為 NA , (NB) 式中21AABmAppppRTZDN1212lnBBBBBmppppp 式中 p/pBm 稱為漂流因子或移動因子 drift factor 根據(jù)氣體混合物的濃度c與壓力p的關系 此式也適用于液相。 例題183頁21ABmN c AABmBmAAccccZDRTpRTpc得代入上式和57 分子擴散系數(shù) 表示物質在介質中的擴散能

10、力。其值隨介質的種類、溫度、濃度及壓力而不同，一般由實驗確定。氣體的擴散系數(shù)一般在0.11 cm2/s之間；液體擴散系數(shù)比氣體小得多約在110-5 510-5 cm2/s之間。183頁 表5-2、表5-3184頁例題（自學）58 單相內的對流傳質一、單相內對流傳質的有效膜模型取濕壁塔 wetted wall column一段分析 擴散推動力為壓差，實質上是把單相內的傳質阻力看作為全部集中在一層虛擬的流體膜層內。（膜模型） Film model有效層流膜（虛擬膜）層流膜渦流擴散區(qū)分子擴散二、氣相傳質速率方程式AiAGBmGAppppRTZDNNA -氣相對流傳質速率，kmol/(m2s).式中有

11、效層流膜（氣膜）厚度不能直接計算，也難于測定。對于一定物系，D為定值；操作條件一定時，p、T、pBm亦為定值；在一定流動狀態(tài)下，ZG 也為定值。若令BmGGppRTZDk省去下標中的G則氣相傳質速率方程為氣膜傳質阻力氣膜傳質推動力GiAiAGAkppppkN1kG- gas-film mass-transfer coefficient kmol/(m2 s kPa)(pA-pi)-溶質在氣相主體與界面間的分壓差。三、液相傳質速率方程 根據(jù)前面的討論液相傳質速率59 兩相間傳質的雙膜理論 two-film theory 基本論點： 氣液兩相接觸的相界面兩側，分別存在著呈層流流動的穩(wěn)定膜層。溶質必

12、須以分子擴散的方式連續(xù)通過這兩個膜層。 在相界面上氣液兩相互成平衡。 濃度梯度全部集中在兩個膜層內。雙膜理論示意圖510 總傳質速率方程式 以吸收過程的總推動力來表示傳質速率LAAAALAGAAAAGAKccccKNKppppKN11*氣相推動力液相推動力氣相傳質系數(shù)液相傳質系數(shù)P*A- 與液相主體濃度平衡的氣相平衡分壓，kPa;C*A- 與氣相主體分壓平衡的液相平衡濃度，kmol/m3二、總傳質系數(shù)與氣、液膜傳質系數(shù)的關系 若吸收過程物系的平衡關系服從亨利定律 P*A=cA/HpApiP*AcAciC*A0O 操作點I界面氣膜阻力液膜阻力平衡線斜率=1/HLAiGiAAAiAiiAiAkcc

13、kppNccppccppH111*由穩(wěn)態(tài)傳質關系從圖中可知 將上式右端的分子、分母均除以H，并根據(jù)串聯(lián)過程加和性原則，利用前頁斜率關系得到比較總傳質速率方程LGGGAAAHkkKKppN111 1*得到比較總傳質速率方程同理，液相總傳質系數(shù)KL與 kL、kG關系LLGLAALGAALGAiiAAHKkkHKcckkHcckkHccHppNGL*K 1K1 111為兩種總傳質系數(shù)的關系則有三、氣、液兩相界面的濃度由氣、液傳質速率方程pApiP*AcA ci c*AGLiAiAGLAiiAkkccppkkccppGLiAiAGLAiiAkkccppkkccpp操作點OI界面平衡線氣膜阻力液膜阻力四

14、、氣膜控制與液膜控制 gas-film control 溶質溶解度很大，即 H 很大，傳質阻力集中在氣膜中。此時 1/HkL 1/kG , 由 可得 KGkG 。 例如氯化氫溶解于水或稀鹽酸中、氨溶解于水或稀氨水中可看作 gas-film control。gas-film control 幾點說明 氣膜控制時，液相界面濃度ci cA,氣膜推動力 pA -pi pA -p*A ； 溶解度系數(shù)H很大時，平衡線斜率很小。此時較小的氣相分壓 能與較大的液相濃度c*A相平衡。 氣膜控制時，要提高總傳質系數(shù)KG，應加大氣相湍動程度。liquid-film control 溶質的溶解度很小， H/kG 1/

15、kL 。 因此 KL kL 。 液膜控制時要提高總傳質系數(shù) KL，應增大液相湍動程度。 用水吸收氧或氫是典型的液膜控制。 對中等溶解度的溶質，兩種阻力均不可忽視，要提高總傳質系數(shù)，必須同時增大氣相和液相的湍動程度。511 傳質速率方程式的各種表示形式 穩(wěn)態(tài)吸收過程傳質速率方程匯總 傳質系數(shù)與傳質推動力有相互對應關系，即兩者的范疇要一致；兩者的單位要一致。XXKYYKXXkYYkNxxKyyKxxkyykNccKppKcckppkNXYiXiYAxyixiyAAALAAGAiLiAGA*第四節(jié) 吸收塔的計算吸收塔計算的主要內容是：確定吸收劑的用量；填料層高度；塔設備的主要尺寸（塔徑和塔高）。 本

16、章根據(jù)填料塔進行討論，氣液兩相作逆流流動。512 物料衡算與操作線方程 通過吸收塔的惰性氣體量不變化，氣、液組成用摩爾比計算較為方便。對虛線范圍進行物料衡算 LX+VY1=LX1+VY V(Y1-Y)=L(X1-X)或 Y=(L/V)X+(Y1-X1L/V) 為吸收操作線方程 Operating line方程中各項物理意義V-通過吸收塔的惰性氣體流量，kmol/sL-溶劑流量，kmol/s;Y-氣相摩爾比 kmol溶質/ kmol惰性氣體，X-液相摩爾比 kmol溶質/ kmol溶劑.在穩(wěn)定吸收的條件下 V、L、Y1、X1均為定值，故吸收操作線是一直線方程，斜率為 L/V，截距為 (Y1-X1

17、L/V)。若對全塔進行物料衡算1122XVLYXVLYY1Y2X2X1平衡線Y*=f (X)BA操作線 由于吸收過程氣相溶質的分壓總是大于液相中溶質的平衡分壓，所以吸收操作線總是在平衡線的上方。513 吸收劑用量與最小液氣比 吸收劑用量是影響吸收操作的重要因素之一，它直接影響設備尺寸和操作費用。當氣體處理量一定時，操作線的斜率 L/V 取決于吸收劑用量的多少。 氣體的處理量、進塔氣體組成 Y1 、吸收劑的入塔組成 X2 以及分離要求都是設計規(guī)定的。 當吸收是為了回收有用物質，其回收率 =(Y1-Y2)/Y1 .操作線的斜率 L/V稱為吸收劑的單位耗用量或液氣比，其值的變化影響討論如下(L/VL

18、/V)min 極限情況推動力減小(Y-Y*)若增加吸收劑用量從上圖可知 操作線斜率L/V增大，并遠離平衡線，吸收過程推動力(Y-Y*)加大，在單位時間內吸收同量溶質時設備尺寸可以減小。但溶液濃度變稀、吸收劑再生需解吸的設備費和操作費用增大。 若減少吸收劑用量，則與上情況相反。 若減少到使操作線與平衡線相交或相切，此時吸收劑用量為最小吸收劑用量Lmin，其液氣比為最小液氣比(L/V)min .最小液氣比可由物料衡算求得 對平衡曲線與操作線相交的情況若氣液濃度都很低，平衡關系可以用 Henry定率表示，則上式改寫為 對平衡曲線與操作線相切的情況 通常作設計計算，先求最小液氣比，然后乘以一經(jīng)驗倍數(shù)（

19、1.12.0）得適宜液氣比。例題1942*121minXXYYVL2min, 121minXXYYVL2121minXmYYYVL514 填料層高度的計算一、填料層高度的基本計算式取一逆流連續(xù)吸收塔中任意截面 m-n的微元高度填料層dZ氣液兩相接觸面積為 dA=dZ塔的橫截面積，m2;每m3填料的有效氣液 傳質面積，m2/m3. Y2L,X2X1V,Y1YXY+dYX+dXdZmn氣液兩相流經(jīng)dZ段，單位時間內通過接觸面積dA，從氣相向液相轉移的溶質的量為 NAdA=NAdZ, 氣相減少的溶質量為 VdY，液相增多的溶質量為 LdX，這三者應相等 NAdZ = VdY= LdX 。 結合傳質速

20、率方程NA=kY(Y-Yi)=kX(Xi-X)=KY(Y-Y*)=KX(X*-X)結合兩式得XXKLdXYYKVdYXXkLdXYYkVdYdZXYiXiY*式中為單位體積填料層內氣液兩相有效傳質面積，與設備大小填料特性有關，同時受流體物性和流動狀況影響，難以測定。因此，常把與傳質系數(shù)(kY、kX、KY、KX)的乘積視為一體(kY kX KY KX) ，一起測定。并稱其為體積傳質系數(shù)，單位是 kmol/(m3s), 或者 kmol/(m2s), 對穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔 V、L、均為定值 對低濃度氣體吸收，體積傳質系數(shù)近似為常數(shù)或取平均值。 積分上式 上式為低濃度氣體穩(wěn)態(tài)吸收塔計算填料層高度的基本公

21、式。12121212*XXXYYYXXiXYYiYXXdXKLYYVKVXXdXkLYYdYkVZ二、傳質單元高度與傳質單元數(shù)填料層高度=傳質單元高度傳質單元數(shù)傳質單元高度(height of transfer unit)氣相傳質單元高度 HG=V/(kY);液相傳質單元高度 HL=L/(kX);氣相總傳質單元高度 HoG=V/(KY);液相總傳質單元高度 HoL=L/(KX).傳質單元數(shù) number of transfer unit 氣相傳質單元數(shù) NG 液相傳質單元數(shù) NL 氣相總傳質單元數(shù) NOG 液相總傳質單元數(shù) NOL12121212*XXOLYYOGXXiLYYiGXXdXNYY

22、dYNXXdXNYYdYN 各種傳質單元高度之間的關系 當氣液平衡線的斜率為m時,由 該項稱為吸收因數(shù) absorption factorLGOLXYXLGOGXYYXYYHHmVLHkmkKHLmVHHkLLmVkVKVkmkK 111 ,V/ 11可推得同理，由求得式中各項乘以由上面推導的兩個關系式 可求出OLOGOLOLOGOGOLOGNmVLNNHNHZHLmVH 所以由于三、傳質單元數(shù)的計算 如何求算傳質單元數(shù)是計算填料層高度的關鍵問題。1、對數(shù)平均推動力法平衡線與操作線均為直線的條件下，氣相總傳質單元數(shù) NOG=(Y1-Y2)/YmYm-氣相對數(shù)平均推動力。氣相對數(shù)平均推動力Ym

23、*22*11*22*112121lnlnYYYYYYYYYYYYYmBAY1Y2X1X2Y1Y2Y*1Y*2O當 Y1/Y2 1 0.05范圍內使用較為準確，否則 應使用關系式進行計算。 bmXYbmXY2122bmXYbmXY2122傳質單元數(shù)圖解 L/mV1.12.03、圖解積分法與數(shù)值積分法氣液平衡線為曲線，操作線為直線，兩線間距離處處不等。曲線下面積即為 NOG推動力方法較繁，不易準確。Simpson數(shù)值積分法在Y2Y1之間作偶數(shù)等分,見前頁圖 a，對每一個Y值算出對應的f(Y)=1/(Y-Y*)，用Y0代替塔頂組成Y2, Yn代替塔底組成Y1,令fi=f(Yi),然后按下式 越多，計算越準確。，可取任意偶數(shù)求積，式中步長為n n , 42242431012432100iiiinYYnnnYffYYnYYffffffffdYYfn515 吸收塔操作計算 對于填料吸收塔，不論是設計計算（求填料層高度），還是操作計算，都要用到物料衡算（操作線方程式）、氣液相平衡關系（對稀溶液，用亨利定律表達式）和傳質速率方程式（傳質系數(shù)傳質推動力），以及由它們聯(lián)立求得的填料層高度計算式（ Z=傳質單元高度傳質單元數(shù)）。 當求解端點組成或液氣比時，用吸收因數(shù)法比較方便。例題202 5