复旦大学 化工原理 第五章 吸收

第五章吸收

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各组分实现分离的操作，称为吸收。

第一节概述一.吸收操作的目的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；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。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，焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯等碳氢化合物的蒸汽(约35g/m3)。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：选择合适的溶剂；提供传质设备以实现气液两相的接触；溶剂的再生。二.吸收操作的分类物理吸收：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；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。

对化学吸收一般应满足以下条件：1.化学反应的可逆性；2.具有较高的反应速率。三.吸收设备的气液两相接触方式四.吸收剂的选择

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：对溶质有较大的溶解度；有较好的选择性；溶剂的蒸汽压要低；吸收后的溶剂要便于再生；溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒等经济和安全条件。

第二节气液相平衡一.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。由溶解度曲线可知：1.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；3.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。二.亨利定律

稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一直线。此时，溶解度与气相溶质的平衡分压PA*

之间服从亨利定律。PA*=Ex

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：

PA*=cA/H

以及y*=mx式中：PA*—溶质在气相中的平衡分压，kPa；

x—溶质在液相中的摩尔分数；E—亨利系数，kPa；

cA—液相中溶质的摩尔浓度，kmol溶质/m3

溶液；

H—溶解度系数，kmol溶质/kPa.m3

溶液；

y*—溶质在气相中的平衡摩尔分数；m—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度较低，则气液平衡关系为：Y*=mX式中：Y*—溶质在气相中的平衡摩尔比；

X—溶质在液相中的摩尔比。摩尔比的定义为：三.气液相平衡与吸收过程的关系判断过程进行的方向例如：在1atm、200C的条件下。将含氨10%(体积）的混合气体通入x=0.1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，还是既不吸收也不解吸。2.指明过程进行的极限Y2min=mx2

x1max=y1/m3.计算过程的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：x*–x式中：y*=mx；x*=y/m第三节吸收过程的传质速率一.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：式中：JA—组分A的扩散速率，kmol/m2.s；

dcA/dZ—组分A沿扩散方向Z上的浓度梯度，kmol/m4；

DAB—分子的扩散系数，m2/s。二.A、B组分的等摩尔反向扩散

若混合气体的总浓度各处相等，即：

c=cA+cB=常数则根据费克定律有：

JA=-JB

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：或三.组分A的单向扩散

当混合气体中B组分静止，只有A组分进行扩散时，可得A组分的单向扩散传质速率方程式：或式中：其中：c/cBm

、p/pBm

称为“漂流因子”。四.分子扩散系数

当气相扩散或A、B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：

今在1atm，480C下测定四氯化碳在空气中的扩散系数，测得时间q与距离Z的关系如下：q/ks09.3424.946.774.8109.0Z/mm102030405060五.对流传质

对流传质通常是指流体与某一界面之间的传质，其中同时存在有分子扩散和湍流扩散。1.对流对传质的贡献线1.静止层浓度梯度最小线2.层流浓度梯度其次线3.湍流浓度梯度最大

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。仿照牛顿冷却定律公式，有：气相传质速率NA=kG(PA–Pi)NA=ky(y–yi)NA=kY(Y–Yi)液相传质速率NA=kL(ci–cA)NA=kx(xi–x)NA=kX(Xi–X)其中传质系数kG

、ky

、kY

、kL

、kx

、kX

通常由实验测定。3.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。对流传质系数k（以摩尔浓度差为推动力，m/s）时，有：

Sh=0.023Re0.83Sc0.33

使用条件：Re>2100，Sc=0.6~3000。式中：Sh=kd/D;Re=dur/m；Sc=m/(rD)。其中：d—降膜塔的内径，m；D—流体的扩散系数，m2/s；

u—流体流速，m/s；r—流体密度，kg/m3

；

m—流体粘度，Pa.s。六.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：溶质由气相主体向相界面的传递；溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相；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方程式。1.相际总传质速率方程以(y-y*)为推动力的总传质速率方程

NA=Ky(y–y*)式中：Ky—气相总传质系数，kmol/(m2.s);b.以(x*-x)为推动力的总传质速率方程

NA=Kx(x*-x)式中：Kx—液相总传质系数，kmol/(m2.s);2.界面浓度界面浓度的图解求取界面浓度的解析求取3.传质的阻力a.气膜控制

当Ky

≈ky

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。b.液膜控制

当Kx

≈kx

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。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101.3kPa，温度为303K的条件下，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y=1.20x；气相传质系数ky=5.31×10-4kmol/m2.s；液相传质系数kx=5.33×10-3kmol/m2.s。今在吸收塔的某一截面上测得，氨得气相浓度y=0.05，液相浓度x=0.012。试求：1）该截面上的传质速率；

2）气液相界面上的两相浓度yi

及xi

；

3）气相传质阻力占总阻力的比例。

第四节吸收塔的计算

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定：在整个吸收过程中，混合气体的摩尔流量qn,G

与吸收液的摩尔流量qn,L

保持恒定；等温吸收；总传质系数为一常数。一.物料衡算与操作线方程1.全塔的物料衡算qn,G(y1–y2)=qn,L(x1–x2)2.操作线方程二.吸收剂的用量与最小液气比1.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qn,G

以及y1

和x2;而分离要求指标通常采用二种方式：回收有用物质，规定回收率h

，其定义为：去除有害物质，规定混合气体的出口浓度y2

。2.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际情况确定。如：3.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，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1.1~2.0倍，即：三.填料层高度的计算1.填料层高度的基本计算式式中：qn,G—混合气体的摩尔流率，kmol/s；

qn,L—吸收剂的摩尔流率，kmol/s；

a—每m3

填料所具有的有效传质面积，m2/m3

；

W—吸收塔的横截面积，m2

。工程上通常将Kya、Kxa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令：式中：HOG—气相总传质单元高度，m；

NOG

—气相总传质单元数；

HOL—液相总传质单元高度，m；

NOL—液相总传质单元数。则：Z=HOGNOG;或Z=HOLNOL

3.传质单元数的计算对数平均推动力法当平衡线在操作范围内为一直线时，有：其中：b.吸收因数法

当气液相平衡关系服从亨利定律：y*=mx时有式中：