第五章氣體吸收

1第二節(jié)氣液相平衡第五章氣體吸收第一節(jié)概述第三節(jié)吸收過程的傳質(zhì)速率第四節(jié)吸收塔的計算第五節(jié)填料塔2第一節(jié)概述一、吸收操作的應用二、吸收過程與設(shè)備三、吸收過程分類四、吸收劑的選擇3吸收定義：利用混合氣體中各組分(component)在液體中溶解度(solubility)的差異而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收。吸收操作時某些易溶組分進入液相形成溶液(solution)，不溶或難溶組分仍留在氣相(gasphase)，從而實現(xiàn)混合氣體的分離。

4吸收質(zhì)或溶質(zhì)(solute)：混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體(inertgas)或載體：不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑(absorbent)：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。吸收液(strongliquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質(zhì)A。吸收尾氣(dilutegas)：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質(zhì)A。吸收過程在吸收塔中進行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示。

吸收塔混合氣體(A+B)吸收液(A+S)吸收劑(S)吸收尾氣(A+B)5一、吸收操作的應用(1)制取液體產(chǎn)品用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林液，用水吸收氯化氫制鹽酸等

。(2)回收混合氣中有用組分吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達到分離目的。例如石油餾分裂解生產(chǎn)出來的乙烯、丙烯，還與氫、甲烷等混在一起，可用分子量較大的液態(tài)烴把乙烯、丙烯吸收，使與甲烷、氫分離開來。(3)氣體凈化一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護環(huán)境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2，硝酸尾氣脫除NO2等。（4）除去工業(yè)放空尾氣中的有害組分。6二、吸收過程與設(shè)備7三、吸收操作的分類物理吸收(physicalabsorption)：吸收過程溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著的化學反應，可視為單純的氣體溶解于液相的過程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等化學吸收(chemicalabsorption)：溶質(zhì)與溶劑有顯著的化學反應發(fā)生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等過程。化學反應能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但溶液解吸再生較難。單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計。多組分吸收：有兩個或兩個以上組分被吸收。非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過程。等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過程。8四、吸收劑的選擇溶解度大吸收劑的選擇主要考慮的是溶解度，溶解度大則吸收劑用量少，吸收速率也大，設(shè)備的尺寸便??；選擇性好

很顯然，吸收劑對溶質(zhì)氣體的溶解度既要大，對混合氣體中其他組分的溶解度卻要小或基本上不溶，這樣才能進行有效的分離，滿足這一要求稱為選擇性好；揮發(fā)度要小

吸收劑的揮發(fā)度要小，即在操作溫度下它的蒸汽壓要低，經(jīng)過吸收后的氣體在排出時，往往為吸收劑蒸汽所飽和，吸收劑的揮發(fā)度高，其損失量便大。此外所選用的溶劑盡可能滿足無腐蝕性，粘度小，無毒，不燃，價廉易得等條件。

9第二節(jié)氣液相平衡

一、平衡溶解度

二、亨利定律

三、氣液相平衡關(guān)系在吸收中的應用10一、平衡溶解度平衡狀態(tài)：一定壓力和溫度，一定量的吸收劑與混合氣體充分接觸，氣相中的溶質(zhì)向溶劑中轉(zhuǎn)移，長期充分接觸后，液相中溶質(zhì)組分的濃度不再增加，此時，氣液兩相達到平衡（達到飽和狀態(tài)）。（表

明一定條件下過程可能達到的極限程度）平衡溶解度：平衡時溶質(zhì)在液相中的濃度。平衡分壓：平衡時氣相中溶質(zhì)的分壓（壓力）。幾種氣體在水中的溶解度曲線幾種氣體在水中的溶解度曲線總壓對溶解度的影響關(guān)鍵要看溶質(zhì)的分壓有沒有改變，如果總壓改變而溶質(zhì)的分壓沒有改變，則溶解度不改變；若總壓改變?nèi)苜|(zhì)的分壓也改變，則溶解度改變?？偨Y(jié)：（2）溫度、y一定，總壓增加，在同一溶劑中，溶質(zhì)的溶解度x隨之增加，有利于吸收。（1）總壓、y一定，溫度下降，在同一溶劑中，溶質(zhì)的溶解度x隨之增加，有利于吸收。（3）不同氣體在同種溶劑中形成相同的濃度，分壓小的氣體溶解度大，分壓大的氣體溶解度小。16（一）亨利定律總壓不高時，在一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比，其比例系數(shù)為亨利系數(shù)。

二、亨利定律17討論：1）E的影響因素：溶質(zhì)、溶劑、T。

物系一定，2）E大的，溶解度小，難溶氣體；

E小的，溶解度大，易溶氣體。3）E的來源：實驗測得；查手冊——溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa；x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；E——亨利常數(shù)，單位同壓強單位。181）（二）亨利定律其它形式H——溶解度系數(shù)，kmol/（m3·kPa）cA——摩爾濃度，kmol/m3；

H的討論：1）H大，溶解度大，易溶氣體;

2）P對H影響小。2）

m——相平衡常數(shù)，無因次。m的討論：1）m大，溶解度小，難溶氣體。

2）3)在低濃度氣體吸收計算中，通常采用基準不變的摩爾比Y（或X）表示組成。以摩爾比表示組成的相平衡關(guān)系X——溶質(zhì)在液相中的摩爾比濃度；Y*——與X呈平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾比濃度。當m趨近1或當X很小時三、相平衡關(guān)系在吸收中的應用24V，y2V，y1L，x2L，x1

2.尾氣最小組成25第三節(jié)

吸收過程的傳質(zhì)速率一、

分子擴散與菲克定律六、兩相間的雙模理論四、分子擴散系數(shù)七、

總傳質(zhì)速率方程二、等摩爾逆向擴散三、組分A通過靜止組分B的擴散五、單相內(nèi)對流傳質(zhì)26吸收劑氣體yx界面氣相主體液相主體相界面氣相擴散液相擴散yixi吸收過程：

（1）A由氣相主體到相界面，氣相內(nèi)傳遞；（2）A在相界面上溶解，溶解過程；（3）A自相界面到液相主體，液相內(nèi)傳遞。單相內(nèi)傳遞方式：分子擴散；對流擴散。27分子擴散：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴散。擴散速率：單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截

面積擴散的物質(zhì)量，J表示，kmol/(m2·s)。菲克定律：溫度、總壓一定，組分A在擴散方向上任一點處的擴散通量與該處A的濃度梯度成正比。一、

分子擴散與菲克定律28JA——組分A擴散速率（擴散通量），kmol/（m2·s）；

—組分A在擴散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——組分A在B組分中的擴散系數(shù)，m2/s。負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿著濃度降低的方向進行29理想氣體：=分子擴散兩種形式：等摩爾逆向擴散，組分A通過靜止組分B的擴散。30JAJBTPpA2pB2TPpA1pB112二、等摩爾逆向擴散31等摩爾逆向擴散：任一截面處兩個組分的擴散速率大小相等，方向相反。

總壓一定=

JA=－JB

DAB=DBA=D32等分子反向擴散傳質(zhì)速率方程：傳質(zhì)速率定義：任一確定的空間位置上，單位時間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量，記作N,kmol/(m2·s)。NA=氣相：NA=液相：三、組分A通過靜止組分B的擴散

A是吸收質(zhì)，B是惰性氣體。

氣液界面附近的氣相中，組分A向液相溶解，濃度降低，分壓力減小。在氣相主體與氣相界面之間產(chǎn)生分壓力梯度，則組分A從氣相主體向界面擴散。同時，界面附近由于A的溶解使氣相總壓力比氣相主體的總壓力低，則混合氣體從主體向界面整體移動。（1）整體移動：因溶質(zhì)Ａ擴散到界面溶解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，使得混合氣體向界面處的流動。（2）整體移動的特點：1）因分子本身擴散引起的宏觀流動。2）A、B在整體移動中方向相同，流動速度正比于摩爾分率。12NMcA/cNMcB/cNM組分B：不被吸收（1）由于“整體移動”的作用，從氣相主體向界面移動；（2）由于B不被吸收，界面處B組分濃度大于氣相主體濃度，從界面向主體擴散（與(1)反向）；總結(jié)果是表觀上沒有B的傳遞。因此，B擴散速率JB與B的整體移動傳遞速率NBM數(shù)值相等方向相反，表現(xiàn)上沒有組分B的傳遞，可表示為：

JB=-NBM

12JBNMcA/cNMcB/cNM組分A：擴散方向與整體移動方向相同，傳遞速率較大。

12JANMcA/cNMcB/cNM39擴散系數(shù)的意義：單位濃度梯度下的擴散通量，反映某組分在一定介質(zhì)中的擴散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一；D，m2/s。D的影響因素：A、B、T、P、濃度D的來源：查手冊；半經(jīng)驗公式；測定四、分子擴散系數(shù)40（1）氣相中的D范圍：10-5～10-4m2/s經(jīng)驗公式（2）液相中的D范圍：10-10～10-9m2/s41五、單相內(nèi)的對流傳質(zhì)工業(yè)生產(chǎn)中常見的是物質(zhì)在湍流流體中的對流傳質(zhì)現(xiàn)象。對流傳質(zhì)是指流體與某一界面之間的傳質(zhì)。分子擴散和湍流擴散同時存在。湍流擴散：流體作湍流運動時，使組分從高濃度處向低濃度處移動，這種現(xiàn)象稱為湍流擴散。由于流體內(nèi)部產(chǎn)生漩渦，又稱為渦流擴散。42（一）單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型圖5-11傳質(zhì)的有效層流膜層431）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機理僅為分子擴散，溶質(zhì)A的濃度梯度較大，pA隨z的變化較陡。2）湍流主體：渦流擴散遠遠大于分子擴散，溶質(zhì)濃度均一化，pA隨z的變化近似為水平線。3）過渡區(qū)：分子擴散+渦流擴散，pA隨z的變化逐漸平緩。44有效膜模型單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴散。（二）氣相傳質(zhì)速率方程有效膜厚zG由層流內(nèi)層濃度梯度線延長線與流體主體濃度線相交于一點E，則厚度zG為E到相界面的垂直距離。45kG——以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)分系數(shù)，也稱為氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s·kPa）。46（二）液相傳質(zhì)速率方程kL——以濃度差表示推動力的液膜傳質(zhì)分系數(shù)，也稱為葉縣傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s·kPa）。47六、兩相間傳質(zhì)的雙模理論相際對流傳質(zhì)三大模型：雙膜理論（一）雙膜理論48雙膜理論的基本論點：

（1）氣液兩相存在一個穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)為層流，A以分子擴散方式通過氣膜和液膜。（2）相界面處兩相達平衡，無擴散阻力。（3）有效膜以外主體中，充分湍動，溶質(zhì)主要以

渦流擴散的形式傳質(zhì)。雙膜模型也稱為雙膜阻力模型49（二）氣相傳質(zhì)速率方程——以氣相分壓差表示推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s·kPa）；——以氣相摩爾分率差表示推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；——以氣相摩爾比差表示推動力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；50（三）液相傳質(zhì)速率方程

——以液相濃度差表示推動力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/m2·s·kmol/m3）；——以液相摩爾分率差表示推動力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；——以液相摩爾比差表示推動力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；51七、總傳質(zhì)速率方程1、以（Y-Y*）為推動力的總傳質(zhì)速率方程氣相傳質(zhì)速率=液相傳質(zhì)速率52——以（Y-Y*）為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，簡稱氣相總傳質(zhì)系數(shù)。kmol/（m2·s）；表明相間傳質(zhì)總阻力=氣膜阻力+液膜阻力——以氣相分壓差表示推動力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s·kPa）；——以氣相摩爾分率差表示推動力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；2、以（X*-X）為推動力的總傳質(zhì)速率方程氣相傳質(zhì)速率=液相傳質(zhì)速率55——以（X*-X）為推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，簡稱液相總傳質(zhì)系數(shù)。kmol/（m2·s）；表明相間傳質(zhì)總阻力=氣膜阻力+液膜阻力56

——以液相濃度差表示推動力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/m2·s·kmol/m3）；——以液相摩爾分率差表示推動力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；57（二）氣膜控制與液膜控制（1）當溶質(zhì)的溶解度很大的時候，m值很小。氣膜阻力遠大于液膜阻力，總傳質(zhì)阻力近似等于氣膜阻力，此吸收過程為氣膜阻力控制（氣膜控制）。易溶氣體的吸收屬于氣膜控制。提高傳質(zhì)速率的措施：提高氣體流速；加強氣相湍流程度。（2）當溶質(zhì)的溶解度很小的時候，m值很大。液膜阻力遠大于氣膜阻力，總傳質(zhì)阻力近似等于液膜阻力，此吸收過程為液膜阻力控制（液膜控制）。難溶氣體的吸收屬于氣膜控制。提高傳質(zhì)速率的措施：提高液體流速；加強液相湍流程度。59第四節(jié)吸收塔的計算一、物料衡算與操作線方程二、吸收劑的用量最小液氣比三、填料層高度的計算四、吸收塔的操作計算60傳質(zhì)設(shè)備：61操作型：操作條件改變對吸收結(jié)果的影響。計算依據(jù)：相平衡方程吸收速率方程操作線方程（物料衡算）吸收塔的計算內(nèi)容：設(shè)計型：流向、流程、吸收劑用量、吸收劑濃度、塔高、塔徑62一、物料衡算與操作線方程物料衡算氣液相組成用摩爾比Y，X表示。逆流操作塔頂為稀端，塔底為濃端。塔內(nèi)任意橫截面與塔頂之間，對A作物料衡算：G，Y2G，Y1L，X2L，X1G，YL，XooGY+LX2=GY2+LXX與Y是直線方程，斜率為，過點（X2,Y2）?！僮骶€方程63同理，在截面O-O與塔底之間做組分A的物料衡算：X與Y是直線方程，斜率為

，過點（X2,Y2）?！僮骶€方程——操作線方程64XY1Y2X1X2TBY——操作線1）操作線在X～Y坐標上為一直線，斜率為L/G。L/G為吸收操作的液氣比；逆流吸收操作線具有如下特點：3）操作線上任意一點代表塔內(nèi)某一截面上的氣液組成。2）吸收操作線在平衡線的上方。

4）平衡線與操作線共同決定吸收推動力。操作線離平衡線愈遠，吸收的推動力愈大。二、吸收劑的用量最小液氣比（一）已知量和待求量已知量為G,Y1,X2,分離要求。待求量為吸收劑用量L。（二）分離要求的表示方式（1）（2）規(guī)定尾氣中殘留物質(zhì)的組成Y2。Y2=Y1（1－）——A被吸收的百分率，稱為回收率或吸收率。67（三）最小液氣比操作線斜率為液氣比減小吸收劑量即L減小，操作線斜率減小，B點向右平移。繼續(xù)減小L，B點最終與平衡線上某點重合，達到液氣比的最小值。68隨吸收劑量L減小，傳質(zhì)推動力減小，為達到分離要求，填料層高度必須增大。當B點進入平衡線時，塔底端達到吸收平衡狀態(tài)，X1達到最大值X*1，而傳質(zhì)推動力為0。為使尾氣組成Y2達到分離要求，此時的填料層高度為無限大。69最小液氣比的計算：①平衡曲線一般情況X*1——與Y1相平衡的液相組成。②平衡關(guān)系符合亨利定律時：70③平衡曲線為凸形曲線情況71（四）適宜液氣比適宜操作液氣比72三、填料層高度的計算傳質(zhì)單元數(shù)法

（一）填料層高度的基本計算式ZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1單位時間，dZ內(nèi)吸收A的量：G——惰性氣體流率，kmol/(s)；L——吸收劑流率，kmol/(s);——塔橫截面積，㎡;

a——單位體積填料的有效傳質(zhì)面積，㎡/m3。73——體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3·s）

G、L、Ω為定值，體積傳質(zhì)系數(shù)在全塔近似為常數(shù)，或取平均值。同理：（二）傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)——氣相總傳質(zhì)單元高度——氣相總傳質(zhì)單元數(shù)——液相總傳質(zhì)單元高度——液相總傳質(zhì)單元數(shù)——氣相傳質(zhì)單元高度——氣相傳質(zhì)單元數(shù)Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)平均推動力越大，傳質(zhì)單元數(shù)越小，所需要的填料層高度越小。因此反映了取得一定吸收效果的難易程度。以為例（1）傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元數(shù)77（2）傳質(zhì)單元高度

定義：氣相總傳質(zhì)單元高度，m。

傳質(zhì)單元高度的意義:

完成一個傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度，反映了吸收設(shè)備效能的高低，即傳質(zhì)阻力的大小。873.圖解積分法平衡線曲線時圖解積分法步驟如下：88操作線上任取一點（X,Y），其推動力為(Y-Y*)。系列Y～作圖得曲線。積分計算Y2至Y1范圍內(nèi)的陰影面積。89命題：塔高一定時，吸收操作條件與吸收效果間的分析和計算;

吸收塔的核算。

定性分析例在一填料塔中用清水吸收氨－空氣中的低濃氨氣，若清水量適量加大，其余操作條件不變，則Y2、X1如何變化？（已知體積傳質(zhì)系數(shù)隨氣量變化關(guān)系為）四、吸收塔操作計算90定性分析步驟：

1）根據(jù)條件確定HOG、S；

2）利用，確定的變化;

3）采用吸收因數(shù)法確定Y2的變化;4）利用全塔物料衡算分析X1變化。

水吸收混合氣中的氨為氣膜控制過程因氣體流量V不變近似不變，HOG不變、91NOG不變92（2）定量計算問題：吸收溫度降低，Y2、X1、吸收操作線如何變化？

X2降低，Y2、X1、吸收操作線如何變化？吸收壓力提高，Y2、X1、吸收操作線如何變化？Y1Y2Y2’X1X1’X293例在一填料塔內(nèi)用純?nèi)軇┪諝怏w混合物中的某溶質(zhì)組分，進塔氣體溶質(zhì)濃度為0.01（摩爾比，下同），混合氣質(zhì)量流量為1400kg/h，平均摩爾質(zhì)量為29，操作液氣比為1.5，在操作條件下氣液平衡關(guān)系為Y*=1.5X，當兩相逆流操作時，工藝要求氣體吸收率為95％，現(xiàn)有一填料層高度為7m、塔徑為0.8m的填料塔，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)為0.088kmol/（m3·s），問：（1）操作液氣比是最小液氣比的多少倍？（2）出塔液體的濃度；（3）該塔是否合適？94解：（1）（2）95（3）96