复旦大学 化工原理 第五章 吸收

1、 第五章第五章 吸收吸收 利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而使气体中利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而使气体中各组分实现分离的操作，称为吸收。各组分实现分离的操作，称为吸收。 第一节第一节 概述概述一一. 吸收操作的目的吸收操作的目的1. 回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品或循环使回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品或循环使用；用；2. 除去气体中的有害成分，使气体净化以便进一步加工处理；除去气体中的有害成分，使气体净化以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中的有害物，以免污染大气。或除去工业放空尾气中的有害物，以免污染大气。 实际过程往往同时兼有净化与回收双

2、重目的。实际过程往往同时兼有净化与回收双重目的。例如：在炼焦制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少例如：在炼焦制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯等碳氢化合物的蒸汽量的苯、甲苯等碳氢化合物的蒸汽 ( 约约 35 g / m3 )。应回收利。应回收利用苯、甲苯；同时，苯、甲苯对人体有害，必须予以除去。其用苯、甲苯；同时，苯、甲苯对人体有害，必须予以除去。其大致过程如下：大致过程如下： 采用吸收操作以实现气体混合物的分离，必须解决：采用吸收操作以实现气体混合物的分离，必须解决：1. 选择合适的溶剂；选择合适的溶剂；2. 提供传质设备以实现气液两相的接触；提供传质设备以实现气液

3、两相的接触；3. 溶剂的再生。溶剂的再生。二二. 吸收操作的分类吸收操作的分类1. 物理吸收：气体中各组分因在溶剂中的物理溶解度不同而物理吸收：气体中各组分因在溶剂中的物理溶解度不同而 被分离的吸收操作；被分离的吸收操作；2. 化学吸收：利用化学反应实现吸收操作的方法，称为化学化学吸收：利用化学反应实现吸收操作的方法，称为化学 吸收。吸收。 对化学吸收一般应满足以下条件：对化学吸收一般应满足以下条件：1. 化学反应的可逆性；化学反应的可逆性； 2. 具有较高的反应速率具有较高的反应速率 。三三. 吸收设备的气液两相接触方式吸收设备的气液两相接触方式四四. 吸收剂的选择吸收剂的选择 吸收操作的成

4、功与否，很大程度取决于溶剂的性能。溶剂吸收操作的成功与否，很大程度取决于溶剂的性能。溶剂选择的依据是：选择的依据是：1. 对溶质有较大的溶解度；对溶质有较大的溶解度；2. 有较好的选择性；有较好的选择性；3. 溶剂的蒸汽压要低；溶剂的蒸汽压要低；4. 吸收后的溶剂要便于再生；吸收后的溶剂要便于再生；5. 溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒等经济和安全条件。溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒等经济和安全条件。 第二节第二节 气液相平衡气液相平衡一一. 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的浓度称为溶解气液两相处于平衡状态时，溶质在液相中的浓度称为溶解度。溶解

5、度与温度、溶质在气相中的分压有关。度。溶解度与温度、溶质在气相中的分压有关。例如：氨在水中的溶解度曲线。例如：氨在水中的溶解度曲线。由溶解度曲线可知：由溶解度曲线可知：1.不同温度下的曲线均过原点；不同温度下的曲线均过原点；2.同温度下，分压愈大溶解度愈大；同温度下，分压愈大溶解度愈大；3.同一分压下，温度愈低溶解度愈大；同一分压下，温度愈低溶解度愈大；4.低浓度区，溶解度曲线呈线性。低浓度区，溶解度曲线呈线性。二二. 亨利定律亨利定律 稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一直线。此时，溶解度与稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一直线。此时，溶解度与气相溶质的平衡分压气相溶质的平衡分压 PA* 之间服从

6、亨利定律。之间服从亨利定律。 PA* = E x 当以其他单位表示溶质组分在两相中的浓度时，亨利定律当以其他单位表示溶质组分在两相中的浓度时，亨利定律也会有其他形式。如：也会有其他形式。如： PA* = cA / H 以及以及 y* = m x式中：式中：PA* 溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压， kPa ； x 溶质在液相中的摩尔分数；溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，亨利系数，kPa ； cA 液相中溶质的摩尔浓度，液相中溶质的摩尔浓度， kmol 溶质溶质 / m3 溶液溶液 ； H 溶解度系数，溶解度系数， kmol溶质溶质 / kPa. m3 溶液溶液 ； y*

7、溶质在气相中的平衡摩尔分数；溶质在气相中的平衡摩尔分数；m 相平衡常数。相平衡常数。 当气液两相的组成用摩尔比表示时，若溶质在液相中的浓当气液两相的组成用摩尔比表示时，若溶质在液相中的浓度较低，则气液平衡关系为：度较低，则气液平衡关系为： Y* = m X式中：式中： Y* 溶质在气相中的平衡摩尔比；溶质在气相中的平衡摩尔比； X 溶质在液相中的摩尔比。溶质在液相中的摩尔比。摩尔比的定义为：摩尔比的定义为：三三. 气液相平衡与吸收过程的关系气液相平衡与吸收过程的关系1. 判断过程进行的方向判断过程进行的方向例如：在例如：在 1 atm 、200C 的条件下。将含氨的条件下。将含氨 10% (

8、体积体积 ）的混）的混 合气体通入合气体通入 x = 0.1 的氨水中。问：气相中的氨溶入氨的氨水中。问：气相中的氨溶入氨 水中，还是氨水中的氨解吸至气体中，还是既不吸收也水中，还是氨水中的氨解吸至气体中，还是既不吸收也 不解吸。不解吸。2. 指明过程进行的极限指明过程进行的极限Y2 min = m x2 x1max = y1 / m3. 计算过程的推动力计算过程的推动力以气相浓度差表示的吸收推动力：以气相浓度差表示的吸收推动力： y y*以液相浓度差表示的吸收推动力：以液相浓度差表示的吸收推动力： x* x式中：式中：y* = m x ； x* = y / m第三节第三节 吸收过程的传质速率

9、吸收过程的传质速率一一. 分子扩散与费克定律分子扩散与费克定律 当流体内部某一组分存在浓度差时，则因微观的分子热运当流体内部某一组分存在浓度差时，则因微观的分子热运动使组分从浓度高处扩散到浓度低处，这种现象称为分子扩散。动使组分从浓度高处扩散到浓度低处，这种现象称为分子扩散。 分子扩散的实质是分子的微观随机运动，对恒温、恒压下分子扩散的实质是分子的微观随机运动，对恒温、恒压下的一维稳态扩散其统计规律可用宏观的方式来表达，即费克定的一维稳态扩散其统计规律可用宏观的方式来表达，即费克定律：律：式中：式中： JA 组分组分 A 的扩散速率，的扩散速率，kmol/m2.s； dcA / dZ 组分组分

10、A 沿扩散方向沿扩散方向 Z 上上 的浓度梯度，的浓度梯度， kmol / m4； DAB 分子的扩散系数，分子的扩散系数， m2 / s 。二二. A 、B 组分的等摩尔反向扩散组分的等摩尔反向扩散 若混合气体的总浓度各处相等，即：若混合气体的总浓度各处相等，即： c = cA + cB = 常数常数 则根据费克定律有：则根据费克定律有： JA = - JB 对费克定律表达式进行积分，可对费克定律表达式进行积分，可得反向扩散时的传质速率方程式：得反向扩散时的传质速率方程式：或或三三. 组分组分 A 的单向扩散的单向扩散 当混合气体中当混合气体中 B 组分静止，只有组分静止，只有 A 组分进行

11、扩散时，可得组分进行扩散时，可得 A 组分的单向扩散传质速率方程式：组分的单向扩散传质速率方程式：或或式中：式中：其中：其中：c / cBm 、 p / pBm 称为称为“漂流因子漂流因子” 。四四. 分子扩散系数分子扩散系数 当气相扩散或当气相扩散或 A、B 两组分性质相似的液相扩散，有：两组分性质相似的液相扩散，有： DAB = DBA = D 扩散系数在一般的物理手册上均能查到，但当使用温度和扩散系数在一般的物理手册上均能查到，但当使用温度和压力发生改变时，可用下式进行修正：压力发生改变时，可用下式进行修正：当手册上查不到时，需自行测定。例如：当手册上查不到时，需自行测定。例如： 今在今

12、在 1 atm ，480C 下测定四氯化碳在下测定四氯化碳在空气中的扩散系数，测得时间空气中的扩散系数，测得时间 q q 与距离与距离 Z Z 的关系如下：的关系如下：q q / ks 0 9.34 24.9 46.7 74.8 109.0Z /Z /mm 10 20 30 40 50 60五五. 对流传质对流传质 对流传质通常是指流体与某一界面之间的传质，其中同时对流传质通常是指流体与某一界面之间的传质，其中同时存在有分子扩散和湍流扩散。存在有分子扩散和湍流扩散。1. 对流对传质的贡献对流对传质的贡献线线1. 静止层静止层 浓度梯度最小浓度梯度最小线线2. 层流层流 浓度梯度其次浓度梯度其次

13、线线3. 湍流湍流 浓度梯度最大浓度梯度最大 根据费克定律，浓度梯度愈大，则传质的速率就愈大。因根据费克定律，浓度梯度愈大，则传质的速率就愈大。因此，在同样浓度条件下，湍流时的传质速率最大。此，在同样浓度条件下，湍流时的传质速率最大。2. 对流传质速率对流传质速率 对流传质现象极为复杂，传质速率一般难以解析求解，必对流传质现象极为复杂，传质速率一般难以解析求解，必须依靠实验测定。须依靠实验测定。 仿照牛顿冷却定律公式，有：仿照牛顿冷却定律公式，有：气相传质速率气相传质速率 NA = kG ( PA Pi ) NA = ky ( y yi ) NA = kY ( Y Yi )液相传质速率液相传质

14、速率 NA = kL ( ci cA ) NA = kx ( xi x ) NA = kX ( Xi X )其中传质系数其中传质系数 kG 、ky 、kY 、kL 、kx 、kX 通常由实验测定。通常由实验测定。3. 3. 单相传质系数的经验关联式单相传质系数的经验关联式 当吸收操作在填料塔或板式塔内进行时，传质系数需通过当吸收操作在填料塔或板式塔内进行时，传质系数需通过实验测定；只有在降膜塔内进行的吸收操作，可通过经验关联实验测定；只有在降膜塔内进行的吸收操作，可通过经验关联式来估算传质系数。式来估算传质系数。 对流传质系数对流传质系数 k （以摩尔浓度差为推动力，（以摩尔浓度差为推动力，m

15、 / s ）时，有：）时，有： Sh = 0.023 Re0.83 Sc0.33 使用条件：使用条件： Re 2100 ， Sc = 0.6 3000 。式中：式中： Sh = k d / D ; Re = d u r r / m m ； Sc = m m / ( r r D ) 。其中：其中： d 降膜塔的内径降膜塔的内径 ，m ；D 流体的扩散系数，流体的扩散系数，m2/s ； u 流体流速流体流速 ， m / s ； r r 流体密度流体密度 ， kg / m3 ； m m 流体粘度流体粘度 ， Pa.s 。六六. 相际传质相际传质 吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：吸收过程

16、涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：a. 溶质由气相主体向相界面的传递；溶质由气相主体向相界面的传递；b. 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相；溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相；c.溶质自相界面被传递至液相主体。溶质自相界面被传递至液相主体。 一般来说，溶解过程极易进行，其阻力很小。故可认为界一般来说，溶解过程极易进行，其阻力很小。故可认为界面上气液两相的溶质浓度满足相平衡关系。面上气液两相的溶质浓度满足相平衡关系。 对于一个稳态的吸收操作过程，溶质在气相的传质速率应与对于一个稳态的吸收操作过程，溶质在气相的传质速率应与在液相的传质速率相同。而可以推导出溶质在相际的总传质速率在液相的传

17、质速率相同。而可以推导出溶质在相际的总传质速率方程式。方程式。1. 相际总传质速率方程相际总传质速率方程a. 以以 ( y - y* ) 为推动力的总传质速率方程为推动力的总传质速率方程 NA = Ky ( y y* )式中：式中：Ky 气相总传质系数，气相总传质系数， kmol / ( m2 . s ) ;b. 以以 ( x* - x ) 为推动力的总传质速率方程为推动力的总传质速率方程 NA = Kx ( x* - x )式中：式中：Kx 液相总传质系数，液相总传质系数，kmol / ( m2 . s ) ;2. 界面浓度界面浓度a. 界面浓度的图解求取界面浓度的图解求取b. 界面浓度的解

18、析求取界面浓度的解析求取3. 传质的阻力传质的阻力a. 气膜控制气膜控制 当当 Ky ky 时，表明相际传质的阻力主要集中在气相，称时，表明相际传质的阻力主要集中在气相，称为气膜阻力控制或气膜控制。为气膜阻力控制或气膜控制。b. 液膜控制液膜控制 当当 Kx kx 时，表明相际传质的阻力主要集中在液相，称时，表明相际传质的阻力主要集中在液相，称为液膜阻力控制或液膜控制。为液膜阻力控制或液膜控制。 对于一般的情况，气膜与液膜的传质阻力均不可忽视。对于一般的情况，气膜与液膜的传质阻力均不可忽视。例：在总压为例：在总压为101.3 kPa ，温度为，温度为303 K 的条件下，用水吸收混合的条件下，

19、用水吸收混合气体中的氨。已知：操作条件下的气液平衡关系为气体中的氨。已知：操作条件下的气液平衡关系为 y= 1.20 x ；气相传质系数气相传质系数 ky = 5.31 10-4 kmol / m2 .s ； 液相传质系数液相传质系数kx = 5.33 10-3 kmol / m2 . s 。 今在吸收塔的某一截面上测得，今在吸收塔的某一截面上测得，氨得气相浓度氨得气相浓度 y = 0.05 ，液相浓度，液相浓度 x = 0.012 。试求：试求：1）该截面上的传质速率；）该截面上的传质速率； 2）气液相界面上的两相浓度）气液相界面上的两相浓度 yi 及及 xi ； 3）气相传质阻力占总阻力的

20、比例。）气相传质阻力占总阻力的比例。 第四节第四节 吸收塔的计算吸收塔的计算 多数工业吸收操作都是将混合气体中少量的溶质组分加以多数工业吸收操作都是将混合气体中少量的溶质组分加以回收或除去。当进塔的混合气体中溶质浓度不高时（如：小于回收或除去。当进塔的混合气体中溶质浓度不高时（如：小于10% ）；通常称为低浓度气体吸收，此类吸收问题可作如下假）；通常称为低浓度气体吸收，此类吸收问题可作如下假定：定：1. 在整个吸收过程中，混合气体的摩尔流量在整个吸收过程中，混合气体的摩尔流量 qn,G 与吸收液的摩与吸收液的摩 尔流量尔流量 qn,L 保持恒定；保持恒定；2. 等温吸收；等温吸收；3. 总传质

21、系数为一常数。总传质系数为一常数。一一. 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程1. 全塔的物料衡算全塔的物料衡算qn,G ( y1 y2 ) = qn,L ( x1 x2 )2. 操作线方程操作线方程二二. 吸收剂的用量与最小液气比吸收剂的用量与最小液气比1. 分离要求的表示方法分离要求的表示方法 工业上的吸收操作通常规定了处理量工业上的吸收操作通常规定了处理量 qn,G 以及以及 y1 和和 x2 ;而而分离要求指标通常采用二种方式：分离要求指标通常采用二种方式：a. 回收有用物质，规定回收率回收有用物质，规定回收率 h h ，其定义为：，其定义为：b. 去除有害物质，规定混合气体的出口

22、浓度去除有害物质，规定混合气体的出口浓度 y2 。2. 最小液气比最小液气比 要满足分离要求，吸收剂的用量不能太少；即便传质面积要满足分离要求，吸收剂的用量不能太少；即便传质面积足够大，还需要受气液平衡关系的限制。当气液平衡关系满足足够大，还需要受气液平衡关系的限制。当气液平衡关系满足亨利定律时，有最亨利定律时，有最 小液气比小液气比 若气液平衡关系不满足亨利定律，则最小液气比需根据实若气液平衡关系不满足亨利定律，则最小液气比需根据实际情况确定。如：际情况确定。如：3. 适宜的液气比适宜的液气比 实际采用的液气比必须大于最小液气比。具体采用多大，实际采用的液气比必须大于最小液气比。具体采用多大

23、，要由经济核算决定。要由经济核算决定。 操作费与设备费之和有一最低点，通常把总费用最低时操作费与设备费之和有一最低点，通常把总费用最低时的液气比作为适宜的液气比。的液气比作为适宜的液气比。 根据生产实践经验，适宜的液气比一般取最小液气比的根据生产实践经验，适宜的液气比一般取最小液气比的1.1 2.0 倍，即：倍，即：三三. 填料层高度的计算填料层高度的计算1. 填料层高度的基本计算式填料层高度的基本计算式式中：式中：qn,G 混合气体的摩尔流率混合气体的摩尔流率 ， kmol / s ； qn,L 吸收剂的摩尔流率吸收剂的摩尔流率 ， kmol / s ； a 每每 m3 填料所具有的有效传质

24、面积填料所具有的有效传质面积 ， m2 / m3 ； W W 吸收塔的横截面积吸收塔的横截面积 ， m2 。工程上通常将工程上通常将 Kya、Kxa 一起进行测定，称为体积传质系数。一起进行测定，称为体积传质系数。2. 传质单元高度和传质单元数传质单元高度和传质单元数令：令：式中：式中：HOG 气相总传质单元高度气相总传质单元高度 ， m ； NOG 气相总传质单元数气相总传质单元数 ； HOL 液相总传质单元高度液相总传质单元高度 ，m ； NOL 液相总传质单元数液相总传质单元数 。 则：则： Z = HOG NOG ; 或或 Z = HOL NOL 3. 传质单元数的计算传质单元数的计算a. 对数平均推动力法对数平均推动力法 当平衡线在操作范围内为一直线时，有：当平衡线在操作范围内为一直线时，有：其中：其中：b. 吸收因数法吸收因数法 当气液相平衡关系服从亨利定律：当气液相平衡关系服从亨利定律： y* = m x 时有时有式中：式中： 称为脱吸因数称为脱吸因数称为吸收因数称为吸收因数c. 数值积分法数值积分法 当气液相平衡关系为一曲线时，需采用数值积分法来计算当气液相平衡关系为一曲线时，需采用数值积分法来计算填料吸收塔的总传质单元数填料吸收塔的总传质单元数 NOG