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(jì)算第五節(jié)填料塔2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(shí)某些易溶組分進(jìn)入液相形成溶液(solution)，不溶或難溶組分仍留在氣相(gasphase)，從而實(shí)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(jìn)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(yīng)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(dá)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(hù)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(xué)反應(yīng)，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(xué)吸收(chemicalabsorption)：溶質(zhì)與溶劑有顯著的化學(xué)反應(yīng)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?；瘜W(xué)反應(yīng)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(jì)。多組分吸收：有兩個(gè)或兩個(gè)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(duì)溶質(zhì)氣體的溶解度既要大，對(duì)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(jìn)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(shí)，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(jià)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(yīng)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(zhǎng)期充分接觸后，液相中溶質(zhì)組分的濃度不再增加，此時(shí)，氣液兩相達(dá)到平衡（達(dá)到飽和狀態(tài)）。（表

明一定條件下過程可能達(dá)到的極限程度）平衡溶解度：平衡時(shí)溶質(zhì)在液相中的濃度。平衡分壓：平衡時(shí)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(duì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)測(cè)得；查手冊(cè)——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。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(duì)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(jì)算中，通常采用基準(zhǔn)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(dāng)m趨近1或當(dāng)X很小時(shí)三、相平衡關(guān)系在吸收中的應(yīng)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(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、等摩爾逆向擴(kuò)散三、組分A通過靜止組分B的擴(kuò)散五、單相內(nèi)對(duì)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(kuò)散液相擴(kuò)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(kuò)散；對(duì)流擴(kuò)散。27分子擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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：?jiǎn)挝粫r(shí)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(diǎn)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28JA——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(hào)：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29理想氣體：=分子擴(kuò)散兩種形式：等摩爾逆向擴(kuò)散，組分A通過靜止組分B的擴(kuò)散。30JAJBTPpA2pB2TPpA1pB112二、等摩爾逆向擴(kuò)散31等摩爾逆向擴(kuò)散：任一截面處兩個(gè)組分的擴(kuò)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(kuò)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(shí)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(kuò)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(kuò)散。同時(shí)，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(dòng)。（1）整體移動(dòng)：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，使得混合氣體向界面處的流動(dòng)。（2）整體移動(dòng)的特點(diǎn)：1）因分子本身擴(kuò)散引起的宏觀流動(dòng)。2）A、B在整體移動(dòng)中方向相同，流動(dòng)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(dòng)”的作用，從氣相主體向界面移動(dòng)；（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(kuò)散（與(1)反向）；總結(jié)果是表觀上沒有B的傳遞。因此，B擴(kuò)散速率JB與B的整體移動(dòng)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(kuò)散方向與整體移動(dòng)方向相同，傳遞速率較大。

12JANMcA/cNMcB/cNM39擴(kuò)散系數(shù)的意義：?jiǎn)挝粷舛忍荻认碌臄U(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(cè)；半經(jīng)驗(yàn)公式；測(cè)定四、分子擴(kuò)散系數(shù)40（1）氣相中的D范圍：10-5～10-4m2/s經(jīng)驗(yàn)公式（2）液相中的D范圍：10-10～10-9m2/s41五、單相內(nèi)的對(duì)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(duì)流傳質(zhì)現(xiàn)象。對(duì)流傳質(zhì)是指流體與某一界面之間的傳質(zhì)。分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散同時(shí)存在。湍流擴(kuò)散：流體作湍流運(yùn)動(dòng)時(shí)，使組分從高濃度處向低濃度處移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為湍流擴(kuò)散。由于流體內(nèi)部產(chǎn)生漩渦，又稱為渦流擴(kuò)散。42（一）單相內(nèi)對(duì)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(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。44有效膜模型單相對(duì)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。（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(zhǎng)線與流體主體濃度線相交于一點(diǎn)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(diǎn)：

（1）氣液兩相存在一個(gè)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(dòng)，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49（二）氣相傳質(zhì)速率方程——以氣相分壓差表示推動(dòng)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(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；——以氣相摩爾比差表示推動(dòng)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(dòng)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(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；——以液相摩爾比差表示推動(dòng)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(dòng)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(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2·s）；2、以（X*-X）為推動(dòng)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(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(dāng)溶質(zhì)的溶解度很大的時(shí)候，m值很小。氣膜阻力遠(yuǎn)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(qiáng)氣相湍流程度。（2）當(dāng)溶質(zhì)的溶解度很小的時(shí)候，m值很大。液膜阻力遠(yuǎn)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(qiáng)液相湍流程度。59第四節(jié)吸收塔的計(jì)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(jì)算四、吸收塔的操作計(jì)算60傳質(zhì)設(shè)備：61操作型：操作條件改變對(duì)吸收結(jié)果的影響。計(jì)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(jì)算內(nèi)容：設(shè)計(jì)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(duì)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(diǎn)（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(diǎn)（X2,Y2）?！僮骶€方程——操作線方程64XY1Y2X1X2TBY——操作線1）操作線在X～Y坐標(biāo)上為一直線，斜率為L(zhǎng)/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(diǎn)：3）操作線上任意一點(diǎn)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(dòng)力。操作線離平衡線愈遠(yuǎn)，吸收的推動(dòng)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(diǎn)向右平移。繼續(xù)減小L，B點(diǎn)最終與平衡線上某點(diǎn)重合，達(dá)到液氣比的最小值。68隨吸收劑量L減小，傳質(zhì)推動(dòng)力減小，為達(dá)到分離要求，填料層高度必須增大。當(dāng)B點(diǎn)進(jìn)入平衡線時(shí)，塔底端達(dá)到吸收平衡狀態(tài)，X1達(dá)到最大值X*1，而傳質(zhì)推動(dòng)力為0。為使尾氣組成Y2達(dá)到分離要求，此時(shí)的填料層高度為無限大。69最小液氣比的計(jì)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(shí)：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(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)法

（一）填料層高度的基本計(jì)算式ZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1單位時(shí)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)——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度——?dú)庀嗫倐髻|(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)——?dú)庀鄠髻|(zhì)單元高度——?dú)庀鄠髻|(zhì)單元數(shù)Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)平均推動(dòng)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(gè)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(shí)圖解積分法步驟如下：88操作線上任取一點(diǎn)（X,Y），其推動(dòng)力為(Y-Y*)。系列Y～作圖得曲線。積分計(jì)算Y2至Y1范圍內(nèi)的陰影面積。89命題：塔高一定時(shí)，吸收操作條件與吸收效果間的分析和計(jì)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(jì)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(jì)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(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(shí)，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