浙大化工原理第九章氣體吸收第五次課

第九章

氣體吸收

GasAbsorption解吸塔的計(jì)算使溶解于液相中的氣體釋放出來(lái)的操作稱為解吸或脫吸。氣、液相濃度（y,x）在平衡線下方（Q點(diǎn)）：yxoy*=f(x)Qyxy*x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)解吸是吸收的逆過(guò)程，相際傳質(zhì)推動(dòng)力為(y*-y)或(x-x*)。解吸塔的計(jì)算降低氣體溶解度（減壓、加溫）和降低氣相主體的溶質(zhì)分壓（如氣提或汽提）都有利于解吸過(guò)程的進(jìn)行。解吸方法減壓解吸應(yīng)用解吸劑進(jìn)行解吸

氣提：惰性氣體汽提：水蒸氣解吸塔的計(jì)算V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X逆流解吸塔工業(yè)解吸過(guò)程通常是將溶液由塔頂引入，惰性氣體或蒸汽由塔底引入，使兩相在塔內(nèi)逆流接觸傳質(zhì)。適用于吸收操作的設(shè)備同樣適用于解吸操作。前述的氣液傳質(zhì)理論和吸收過(guò)程的計(jì)算方法均可用于解吸過(guò)程，相對(duì)應(yīng)的計(jì)算式形式也類似。傳質(zhì)方向稀端濃端解吸的操作線方程與吸收操作線方程在形式完全相同，只是解吸塔的稀端（X2、Y2）在塔底。當(dāng)溶液的處理量L、進(jìn)出塔濃度X1、X2以及解吸氣進(jìn)塔組成Y2確定后，氣體出塔濃度Y1與氣體用量V直接相關(guān)。YX0Y*=f(X)Y1X2Y2BX1(L/V)maxAYX0Y*=f(X)Y1X2Y2B(L/V)maxCX1Y1max=Y1*CA解吸塔的最小氣液比解吸塔的計(jì)算Y1max解吸塔填料層高度計(jì)算式的推導(dǎo)，可采用與吸收塔完全相同的方法，但式中涉及到的推動(dòng)力（濃度差）的前后項(xiàng)要調(diào)換。如：當(dāng)平衡關(guān)系可用Y*=MX表達(dá)時(shí)，可推得與吸收過(guò)程N(yùn)OL計(jì)算式完全類似的解吸過(guò)程的NOL計(jì)算式：

A=L/(MV)為吸收因子。填料層高度計(jì)算式解吸塔的計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)任何一個(gè)化工單元操作，過(guò)程進(jìn)行的速率是決定該單元設(shè)備大小的關(guān)鍵因素。吸收塔填料層高度計(jì)算式中的傳質(zhì)系數(shù)（如ky，KY等）在吸收計(jì)算中具有十分重要的意義。傳質(zhì)系數(shù)包含了傳質(zhì)過(guò)程速率計(jì)算中一切復(fù)雜的、不易確定的影響因素，其數(shù)值的大小主要取決于物系的性質(zhì)、操作條件及設(shè)備的性能（填料特性）三個(gè)方面。由于影響因素十分復(fù)雜，傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算難以通過(guò)理論模型解決，迄今為止也尚無(wú)通用的計(jì)算方法可循。傳質(zhì)系數(shù)的獲取途徑：（1）實(shí)驗(yàn)測(cè)定；（2）針對(duì)特定體系的經(jīng)驗(yàn)公式；（3）適用范圍更廣的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。對(duì)實(shí)際操作的物系，若相平衡關(guān)系為直線，則填料層高度計(jì)算式為上式也可寫(xiě)為高度為Z的填料段的平均傳質(zhì)速率方程式中F=Za為傳質(zhì)面積，Vp=Z為填料裝填體積。當(dāng)填料和填料裝填方式一定，對(duì)一定塔徑的吸收或解吸塔，在穩(wěn)定操作狀況下測(cè)得進(jìn)、出塔氣、液流量和測(cè)量段Z兩端處的氣、液濃度后，根據(jù)物料衡算及平衡關(guān)系即可算出傳質(zhì)負(fù)荷GA和平均傳質(zhì)推動(dòng)力。填料的幾何特征和測(cè)試設(shè)備的尺寸已知，由上兩式可計(jì)算出以氣相為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)KY或總體積傳質(zhì)系數(shù)KYa。注意：實(shí)驗(yàn)測(cè)定的傳質(zhì)系數(shù)用于吸收或解吸塔設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)體系的物性、操作條件及設(shè)備性能應(yīng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)的情況相同或相近。傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定傳質(zhì)系數(shù)實(shí)際上很難對(duì)每一具體設(shè)計(jì)條件下的傳質(zhì)系數(shù)都直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。為此，不少研究者針對(duì)某些典型的系統(tǒng)和條件進(jìn)行研究，在所測(cè)定的大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了對(duì)一定的物系在一定條件范圍內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。用水吸收二氧化硫適用條件：（1）氣體的空塔質(zhì)量流速G為320~4150kg/(m2h)，液體的空塔質(zhì)量流速W為4400~58500kg/(m2h)；（2）直徑為25mm的環(huán)形填料。傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式傳質(zhì)系數(shù)用水吸收氨用水吸收氨屬易溶氣體的吸收，吸收阻力主要在氣膜側(cè)。用填充12.5mm陶瓷環(huán)形填料塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的計(jì)算氣相傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為kga——?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)，kmol/(m3.h.kPa)；kca——液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3.h.kmol/m3)；G——?dú)庀嗫账|(zhì)量流速，kg/(m2.h)；W——液相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2.h)；——與溫度有關(guān)的常數(shù)，其值列于下表。t℃10152025300.00930.01020.01160.01280.0143傳質(zhì)系數(shù)常壓下用水吸收二氧化碳式中U為液相的噴淋密度，m3/(m2h)。適用條件：（1）直徑為10~32mm陶瓷環(huán)填料塔；（2）噴淋密度U為3~20m3/(m2h)；（3）氣體的空塔質(zhì)量速度G為130~580kg/(m2h)；（4）操作溫度為21~27℃。在上述操作條件下，用水在常壓下吸收CO2的液相體積傳質(zhì)系數(shù)kca的大小主要取決于液相的噴淋密度，而氣體的質(zhì)量流速G基本無(wú)影響。用水吸收二氧化碳屬難溶氣體吸收，吸收阻力主要在液膜側(cè)。計(jì)算液相體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的應(yīng)用對(duì)象可以說(shuō)具有專一性，仍不能適應(yīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合與體系。根據(jù)傳遞現(xiàn)象動(dòng)力學(xué)相似基本原則推導(dǎo)出來(lái)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)的準(zhǔn)數(shù)方程則有更寬的適用范圍。常用準(zhǔn)數(shù)：主要有修伍德數(shù)Sh、雷諾數(shù)Re

及施密特?cái)?shù)Sc

等。計(jì)算氣相傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式氣相修伍德準(zhǔn)數(shù)傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式傳質(zhì)系數(shù)氣體通過(guò)填料層的雷諾數(shù)氣相施密特準(zhǔn)數(shù)傳質(zhì)系數(shù)上式是由濕壁塔中汽液傳質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到，除了用于濕壁塔（l為濕壁塔塔徑）外，也可用于拉西環(huán)填料塔（l為拉西環(huán)填料的外徑）。適用范圍:ReG=2×103~3.5×104,ScG=0.6~2.5,P=101~303

kPa(絕壓)應(yīng)用場(chǎng)合濕壁塔0.0230.830.44填料塔0.0660.80.33模型參數(shù):D — 溶質(zhì)在氣相中的分子擴(kuò)散系數(shù)m2/s；P/pm— 氣相漂流因子；kg — 氣相傳質(zhì)系數(shù)kmol/(m2skPa)；

R — 通用氣體常數(shù)kJ/(kmolK)；l — 特征尺寸m；G — 混合氣體的密度kg/m3；T — 溫度K；G — 混合氣體的粘度Ns/m2；G — 氣體的空塔質(zhì)量速度；de — 填料層中流體通道的當(dāng)量直徑，de=4a/，（a為填料的比表面m2/m3，為填料層的空隙率m3/m3）；u0 — 氣體在填料空隙中的實(shí)際流速，u0=u/（u為空塔氣速m/s）；傳質(zhì)系數(shù)液相修伍德準(zhǔn)數(shù)液體通過(guò)填料層的雷諾數(shù)液相施密特準(zhǔn)數(shù)液相的伽利略（Callilio）準(zhǔn)數(shù)a —填料比表面積m2/m3

；kc—液膜傳質(zhì)系數(shù)，m/s；cSm/c —液相漂流因子；l—特征尺寸，取填料直徑m；G —重力加速度，m/s2；L—液體的粘度，N·s/m2；L —液體的密度kg/m3；D’ —溶質(zhì)在液相中的分子擴(kuò)散系數(shù)m2/s；W —液體的空塔質(zhì)量速度，kg/(m2·s)。計(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式傳質(zhì)系數(shù)化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收：溶質(zhì)與液相中組分具有顯著化學(xué)反應(yīng)的吸收過(guò)程。主要特點(diǎn)：選擇性高，吸收速率高，吸收較徹底。如用磷酸吸收空氣中的氨。反應(yīng)平衡常數(shù)設(shè)溶質(zhì)A與液相中組分B發(fā)生如下可逆反應(yīng)反應(yīng)對(duì)平衡的影響化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)液相中組分A的總濃度為當(dāng)溶質(zhì)組分A與純?nèi)軇┑奈锢硐嗥胶夥暮嗬蓵r(shí)，氣相平衡分壓pA與液相中組分A的總濃度C之間的關(guān)系反應(yīng)平衡常數(shù)Ke越大，氣相平衡分壓pA越低。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)為不可逆時(shí)，氣相平衡分壓為零或者說(shuō)相平衡常數(shù)m=0。因此，可以說(shuō)化學(xué)反應(yīng)的存在，增加了可容組分的溶解度。傳質(zhì)推動(dòng)力增大?；瘜W(xué)吸收(Chemicalabsorption)氣相中可溶組分向氣液界面?zhèn)鬟f（此與物理吸收相同），溶質(zhì)在界面上溶解，溶質(zhì)A在液相中傳遞并與液相中組分B發(fā)生反應(yīng)?；瘜W(xué)吸收歷程吸收劑氣體pAcA界面液相主體相界面氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散pAcAicA

pAi氣相主體物理吸收化學(xué)吸收化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)（1）反應(yīng)速率中等、不可逆化學(xué)吸收歷程氣液界面yAyAi反應(yīng)區(qū)xAixBxB=0xA=0PQ中等反應(yīng)速率，不可逆反應(yīng)的化學(xué)吸收化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)（2）反應(yīng)速率快、不可逆快速反應(yīng)的化學(xué)吸收氣液界面yAyAi=0xB液相中xB足夠高、傳遞速率又快時(shí)化學(xué)吸收歷程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)氣液界面yAyAixAixBxB=0xA=0（3）反應(yīng)速率慢、不可逆氣液界面yAyAixAixA慢速反應(yīng)的化學(xué)吸收反應(yīng)區(qū)擴(kuò)大至全部液相化學(xué)反應(yīng)改變了溶質(zhì)在等效膜中的濃度分布使之更加有利于液相傳質(zhì)。化學(xué)吸收歷程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)對(duì)于化學(xué)反應(yīng)可以忽略（RA=0）、無(wú)總體流動(dòng)的穩(wěn)定物理吸收過(guò)程，求解上式得到膜內(nèi)濃度分布為直線方程吸收過(guò)程液相中溶質(zhì)的濃度分布服從傳質(zhì)微分方程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強(qiáng)因子對(duì)穩(wěn)定的化學(xué)吸收過(guò)程（RA≠0），傳質(zhì)微分方程變?yōu)榉驱R次，等效液膜的濃度邊界條件也發(fā)生相應(yīng)變化。以擬一級(jí)反應(yīng)為例，求解傳質(zhì)微分方程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強(qiáng)因子z=處的邊界條件表示由該處擴(kuò)散進(jìn)入液相主體的溶質(zhì)全部被主體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)所消耗，V

代表與擴(kuò)散傳質(zhì)面積相對(duì)應(yīng)的吸收液體積（m3/m2）。在上述條件下解微分方程得到等效膜內(nèi)的濃度分布雙曲函數(shù)化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強(qiáng)因子化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強(qiáng)因子-八田數(shù)（HattaNumber）八田數(shù)代表溶質(zhì)在等效膜中的反應(yīng)速率與擴(kuò)散傳質(zhì)速率的特征比，反應(yīng)速率愈快其值愈大，在膜中消耗的溶質(zhì)越多；Ha=0則為物理吸收。——化學(xué)吸收增強(qiáng)因子在液相主體濃度為零(cA=0)的條件下對(duì)比下列兩式可得化學(xué)吸收速率與物理吸收速率的比值化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強(qiáng)因子增強(qiáng)因子的物理意義還可以理解為化學(xué)吸收的液相傳質(zhì)系數(shù)是在cA=0條件下物理吸收液相傳質(zhì)系數(shù)的倍?；瘜W(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強(qiáng)因子根據(jù)增強(qiáng)因子與Ha的雙曲函數(shù)關(guān)系可以直接分析化學(xué)吸收速率反應(yīng)主要在液相主體中進(jìn)行，等效膜內(nèi)濃度分布與物理吸收接近。雖然反應(yīng)并不快，但由于液相主體持液量大，反應(yīng)消耗溶質(zhì)的能力強(qiáng)，因而主體濃度cA

=0。（1）慢反應(yīng)，Ha<<1，數(shù)學(xué)上有th(Ha)Ha，則（2）中等反應(yīng)速率，但及，則化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強(qiáng)因子（3）快反應(yīng)，Ha>3，數(shù)學(xué)上有th(Ha)1，則溶質(zhì)在等效膜內(nèi)全部反應(yīng)掉，不進(jìn)入液相主體?；瘜W(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與