第五章-氣體吸收1課件

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2023/12/61第一節(jié)概述一、吸收操作的應(yīng)用二、吸收過程與設(shè)備三、吸收過程分類四、吸收劑的選擇2023/12/62一、吸收過程與設(shè)備2023/12/63吸收與解吸流程含苯煤氣脫苯煤氣洗油苯水過熱蒸汽加熱器冷卻器2023/12/64二、氣體操作的應(yīng)用（1）分離混合氣體以獲得一定的組分。（2）除去有害組分以凈化或精制氣體。（3）制備某種氣體的溶液。（4）工業(yè)廢氣的治理。吸收的依據(jù)混合物各組分在某種溶劑中溶解度的差異。2023/12/65（2）選擇性高；（3）再生容易；（4）揮發(fā)性?。唬?）粘度低；（6）化學(xué)穩(wěn)定性高；（7）腐蝕性低；（8）無毒、無害、價廉等。選擇原則：經(jīng)濟(jì)、合理。（1）溶解度大；三、吸收劑的選擇2023/12/66（1）物理吸收和化學(xué)吸收（2）單組分吸收和多組分吸收（3）等溫吸收和非等溫吸收（4）高濃度吸收和低濃度吸收四、吸收過程的分類2023/12/67第二節(jié)吸收過程的氣液相平衡關(guān)系

一、氣體在液體中的平衡溶解度

二、亨利定律

三、氣液相平衡關(guān)系在吸收中的應(yīng)用2023/12/68一、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(dá)到平衡。飽和濃度：平衡時溶質(zhì)在液相中的濃度。2023/12/69平衡分壓：平衡時氣相中溶質(zhì)的分壓。平衡狀態(tài)的因素

F＝C－

＋2=3－2+2=3當(dāng)壓力不太高、溫度一定時

p*A=f1（x）

y*=f2（x）

p*A=f3（cA

）2023/12/610氨在水中的溶解度2023/12/61120℃下SO2在水中的溶解度2023/12/612幾種氣體在水中的溶解度曲線2023/12/613討論：（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）相同的總壓及摩爾分率，

cO2<cCO2<cSO2<cNH3氧氣等為難溶氣體，氨氣等為易溶氣體2023/12/614（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2023/12/615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(qiáng)單位。2023/12/6161）（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與E的關(guān)系：2023/12/617H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。2023/12/618m與E的關(guān)系：m的討論：1）m大，溶解度小，難溶氣體

2）2023/12/6193）2023/12/620三、相平衡關(guān)系在吸收中的應(yīng)用（一）判斷過程進(jìn)行的方向pA

pA*或x*

>x或

A由氣相向液相傳質(zhì)，吸收過程平衡狀態(tài)A由液相向氣相傳質(zhì)，解吸過程吸收過程：2023/12/621y·Pyx··ABCxy*y*y2023/12/622（1）逆流吸收，塔高無限，V，y2V，y1L，x2L，x1（2）逆流吸收，塔高無限，凈化氣體為目的：制取液相產(chǎn)品為目的：（二）指明過程進(jìn)行的極限過程極限：相平衡。2023/12/623（2）在x～y圖上·APyy*xx*（三）確定過程的推動力（1）吸收過程推動力的表達(dá)式

y-y*或x*

-x或2023/12/624練習(xí)：在操作條件25℃、壓力為101.3kPa下，，用CO2含量為0.0001（摩爾分?jǐn)?shù)）的水溶液與含CO210%（體積分?jǐn)?shù)）的CO2的空氣混合氣在一容器充分接觸。（1）判斷CO2的傳質(zhì)方向，且用氣相摩爾分?jǐn)?shù)表示過程的推動力；（2）設(shè)壓力增加到506.5kPa，則CO2的傳質(zhì)方向如何？并用液相分?jǐn)?shù)表示過程的推動力。2023/12/625第三節(jié)單相內(nèi)傳質(zhì)一、

分子擴(kuò)散與菲克定律六、兩相間的雙模理論四、分子擴(kuò)散系數(shù)七、

總傳質(zhì)速率方程二、等摩爾反向擴(kuò)散三、組分A通過靜止組分B的擴(kuò)散（單向擴(kuò)散）五、單相內(nèi)對流傳質(zhì)2023/12/626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(kuò)散；對流傳質(zhì)。2023/12/627分子擴(kuò)散：在靜止或?qū)恿髁黧w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(kuò)散。擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量）：單位時間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積擴(kuò)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(kuò)散方向上任一點處的擴(kuò)散通量與該處A的濃度梯度成正比。一、

分子擴(kuò)散與菲克定律2023/12/628JA——組分A擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量），kmol/（m2·s）；

—組分A在擴(kuò)散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——組分A在B組分中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。負(fù)號：表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反，擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行2023/12/629理想氣體：=分子擴(kuò)散兩種形式：等摩爾反向擴(kuò)散，組分A通過靜止組分B的擴(kuò)散（單向擴(kuò)散）。2023/12/630JAJBTPCA2CB2TPCA1CB112二、等摩爾反向擴(kuò)散2023/12/631等摩爾反向擴(kuò)散：任一截面處兩個組分的擴(kuò)散速率大小相等，方向相反。

總濃度一定=2023/12/632

JA=－JB

DAB=DBA=D等摩爾反向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程傳質(zhì)速率定義：任一固定的空間位置上，單位時間內(nèi)通過單位面積的物質(zhì)量，記作N,kmol/(m2·s)。NA=液相：2023/12/633討論1）NA=氣相：2023/12/6342）組分的濃度與擴(kuò)散距離z成直線關(guān)系。3）等摩爾反方向擴(kuò)散發(fā)生在蒸餾過程中。ccB1cA1cA2cB2擴(kuò)散距離z0zc2023/12/63512JAJBNMcA/cNMcB/cNMNA（1）總體流動：因溶質(zhì)Ａ擴(kuò)散到界面溶解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，使得混合物向界面處的流動。（2）總體流動的特點：1）因分子本身擴(kuò)散引起的宏觀流動。2）A、B在總體流動中方向相同，流動速度正比于摩爾分率。三、組分A通過靜止組分B的擴(kuò)散（單向擴(kuò)散）2023/12/636——微分式2023/12/637在氣相擴(kuò)散——積分式——積分式——積分式液相：2023/12/638（4）討論1）、——漂流因子或移動因子，無因次2023/12/639漂流因子意義：其大小反映了總體流動對傳質(zhì)速率的影響程度，其值為總體流動使傳質(zhì)速率較單純分子擴(kuò)散增大的倍數(shù)。漂流因子的影響因素：濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大。低濃度時，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小。3）單向擴(kuò)散體現(xiàn)在吸收過程中。2023/12/640擴(kuò)散系數(shù)的意義：單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量，反映某組分在一定介質(zhì)中的擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)2023/12/641（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/s2023/12/642五、單相內(nèi)的對流傳質(zhì)渦流擴(kuò)散：流體作湍流運動時，若流體內(nèi)部存在濃度梯度，流體質(zhì)點便會靠質(zhì)點的無規(guī)則運動，相互碰撞和混合，組分從高濃度向低濃度方向傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴(kuò)散。2023/12/643——渦流擴(kuò)散速率，kmol/(m2·s)；——渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。注意：渦流擴(kuò)散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)不同，不是物性常數(shù)，其值與流體流動狀態(tài)及所處的位置有關(guān)?？倲U(kuò)散通量：2023/12/644TTWtWt熱流體冷流體pAGpAicAicAL氣相液相zTztzGzLE（一）單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程2023/12/6451）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機(jī)理僅為分子擴(kuò)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(kuò)散遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)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(kuò)散+渦流擴(kuò)散，pA隨z的變化逐漸平緩。2023/12/646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(kuò)散。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。2023/12/647——以分壓差表示推動力的氣膜對流傳質(zhì)系數(shù)，

kmol/（m2·s·kPa）。=傳質(zhì)系數(shù)×吸收的推動力（二）氣相傳質(zhì)速率方程2023/12/648氣相對流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：——以氣相摩爾分率表示推動力的氣膜傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2·s）；各氣相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系：帶入上式與比較2023/12/649液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：（二）液相傳質(zhì)速率方程2023/12/650kL——以液相組成摩爾濃度表示推動力的液膜對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2·s·kmol/m3）；——以液相組成摩爾分率表示推動力的液膜對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2·s）；各液相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系：注意：對流傳質(zhì)系數(shù)=f(操作條件、流動狀態(tài)、物性）2023/12/651六、兩相間傳質(zhì)的雙模理論相際對流傳質(zhì)三大模型：雙膜模型溶質(zhì)滲透模型表面更新模型（一）雙膜理論pAGpAicAicAL氣相液相zGzLE2023/12/652雙膜模型的基本論點（假設(shè)）

（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(kuò)散方式通過氣膜和液膜。（2）相界面處兩相達(dá)平衡，無擴(kuò)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(kuò)散的形式傳質(zhì)。雙膜模型也稱為雙膜阻力模型2023/12/653（一）氣相傳質(zhì)速率方程——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）；——以氣相摩爾比差表示推動力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；七、總傳質(zhì)速率方程2023/12/654（二）液相總傳質(zhì)速率方程

——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）；——以液相摩爾比差表示推動力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；2023/12/655根據(jù)雙膜理論（三）總傳質(zhì)系數(shù)與單相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系系統(tǒng)服從亨利定律或平衡關(guān)系在計算范圍為直線2023/12/656（四）總傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系

2023/12/657（五）傳質(zhì)速率的控制相間傳質(zhì)總阻力=液相(膜)阻力+氣相(膜)阻力注意:傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)阻力與推動力一一對應(yīng)。1.傳質(zhì)阻力2023/12/6582.傳質(zhì)速率的控制步驟（1）氣膜控制氣膜控制：傳質(zhì)阻力主要集中在氣相，此吸收過程為氣相阻力控制（氣膜控制）。H較大易溶氣體氣膜控制的特點：.pAIpAicAcAi2023/12/659提高傳質(zhì)速率的措施：提高氣體流速；加強(qiáng)氣相湍流程度。（2）液膜控制液膜控制：傳質(zhì)阻力主要集中在液相，此吸收過程為液相阻力控制（液膜控制）液膜控制的特點：H較小難溶氣體.2023/12/660提高傳質(zhì)速率的措施：提高液體流速；加強(qiáng)液相湍流程度。同理：氣膜控制：液膜控制：m小易溶氣體m大難溶氣體2023/12/661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、吸收塔的操作計算五、解吸塔的計算2023/12/662傳質(zhì)設(shè)備：2023/12/663操作型：核算；操作條件與吸收結(jié)果的關(guān)系。計算依據(jù)：物料衡算相平衡吸收速率方程吸收塔的計算內(nèi)容：設(shè)計型：流向、流程、吸收劑用量、吸收劑濃度、塔高、塔徑2023/12/664一、物料衡算與操作線方程物料衡算定態(tài)，假設(shè)S不揮發(fā)，B不溶于S全塔范圍內(nèi)，對A作物料衡算：VY1+LX2=VY2+LX1V（Y1－Y2）=L（X1－X2）V,Y2V,Y1L,X2L,X1

——A被吸收的百分率，稱為回收率或吸收率。2023/12/665X1=X2＋V（Y1－Y2）/L操作線方程式及操作線逆流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX2=VY2+LXY2=Y1（1－

）2023/12/666同理：逆流吸收操作線具有如下特點：XY1Y2X1X2ABY2023/12/6673）操作線僅與液氣比、濃端及稀端組成有關(guān)，與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、塔型及操作條件T、p無關(guān)。2）操作線通過塔頂（稀端）A（X2，Y2）及塔底（濃端）B（X1，Y1）;1）定態(tài)，L、V、Y1、X2恒定，操作線在X～Y

坐標(biāo)上為一直線，斜率為L/V

。L/V為吸收操作的液氣比；2023/12/6685）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(yuǎn)吸收的推動力愈大；4）吸收操作線在平衡線的上方，解吸操作線在平衡線OE下方。XABYK.YXX*Y*2023/12/669二、吸收劑的用量最小液氣比B1Y1Y2ABOEXYX2X1X*1P2023/12/670（一）最小液氣比最小液氣比定義：針對一定的分離任務(wù)，操作條件和吸收物系一定，塔內(nèi)某截面吸收推動力為零，達(dá)到分離程度所需塔高無窮大時的液氣比。最小液氣比的計算1.平衡曲線一般情況2023/12/671X*1——與Y1相平衡的液相組成。平衡關(guān)系符合亨利定律時：2.平衡曲線為凸形曲線情況2023/12/6722023/12/673（二）操作液氣比2023/12/674三、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：

——塔截面積，㎡;GA——A的流率，kmol/(s)；G——惰性氣體流率，kmol/(s)；L——吸收劑流率，kmol/(s)。2023/12/675a——單位體積填料的有效傳質(zhì)面積，㎡/m3。填料層高度2023/12/676同理：2023/12/677——氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3·s）

——液相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3·s）

填料層高度可用下面的通式計算：

Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)體積傳質(zhì)系數(shù)的物理意義：在單位推動力下，單位時間，單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。

（二）傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度

2023/12/678以為例（1）傳質(zhì)單元數(shù)、—液相總傳質(zhì)單元高度、總傳質(zhì)單元數(shù)——氣相傳質(zhì)單元高度、傳質(zhì)單元數(shù)——液相傳質(zhì)單元高度、傳質(zhì)單元數(shù)—氣相總傳質(zhì)單元高度、總傳質(zhì)單元數(shù)定義：氣相總傳質(zhì)單元數(shù)2023/12/679傳質(zhì)單元數(shù)的意義：反映了取得一定吸收效果的難易程度。氣體流經(jīng)一段填料，溶質(zhì)組成變化（Y1

－Y2）等于該段填料平均吸收推動力（Y－Y*）m時，，該段填料為一個傳質(zhì)單元。2023/12/680（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。傳質(zhì)單元高度影響因素：填料性能、流動狀況體積總傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)單元高度的關(guān)系:2023/12/681傳質(zhì)單元高度變化范圍：0.10～1.0m。各種傳質(zhì)單元高度之間的關(guān)系平衡線斜率為m

2023/12/682同理：比較上式：（三）傳質(zhì)單元數(shù)的計算1.對數(shù)平均推動力法氣液平衡線為直線操作線也為直線2023/12/683同理：2023/12/684平衡線與操作線平行時，當(dāng)、時，對數(shù)平均推動力可用算術(shù)平均推動力。注意：平均推動力法適用于平衡線為直線，逆流、并流吸收皆可。2023/12/6852.吸收因數(shù)法平衡線為通過原點的直線，服從亨利定律

逆流為例：2023/12/686S——解吸因數(shù)（脫吸因數(shù)）2023/12/687注意：圖的適用范圍為<0.05及S<1。

3.圖解積分法平衡線曲線時圖解積分法步驟如下：2023/12/688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。2023/12/689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2023/12/690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、2023/12/691NOG不變2023/12/692（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’X22023/12/693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(jìn)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(dāng)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？2023/12/694解：（1）（2）2023/12/695（3）2023/12/696

19×0.30=5.7mZ需要=5.7m<Z實際＝7m，故該塔合適2023/12/697解吸過程：溶質(zhì)從吸收液中分離出的操作，稱為解吸。解吸目的：獲得所需較純的溶質(zhì)；溶劑再生循環(huán)使用。五、解吸塔的計算（一）解吸條件及傳質(zhì)方向傳質(zhì)方向：溶質(zhì)由液相向氣相傳遞。或條件：或或推動力：或2023/12/6981．氣提解吸：2．減壓解吸：3．加熱解吸：（二）解吸方法或解吸能耗大，整個吸收過程的能耗主要在解吸。2023/12/699（三）解吸塔的計算（解吸塔塔高及載氣量）G,Y1G,Y2L，X1,L,X2V,YL,X,1.物料衡算與操作線方程G（Y1

－Y2）=L（X1

－X2

）全塔物料衡算：操作線：L—吸收液流量，kmol/m2·s;G—載氣流量，kmol/m2·s;2023/12/6100BY2X2X1AY1Y*=f(X)A*2023/12/61012.最小氣液比和載氣流量的確定

物系和操作條件一定，完成一定分離任務(wù),推動力為零,塔高無窮大時對應(yīng)的氣液比為最小氣液比。以表示。對應(yīng)的氣體用量為最小用量，記作Gmin。