浙大化工原理第九章气体吸收第五次课

第九章

气体吸收

GasAbsorption解吸塔的计算使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸或脱吸。气、液相浓度（y,x）在平衡线下方（Q点）：yxoy*=f(x)Qyxy*x*释放溶质吸收溶质解吸是吸收的逆过程，相际传质推动力为(y*-y)或(x-x*)。解吸塔的计算降低气体溶解度（减压、加温）和降低气相主体的溶质分压（如气提或汽提）都有利于解吸过程的进行。解吸方法减压解吸应用解吸剂进行解吸

气提：惰性气体汽提：水蒸气解吸塔的计算V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X逆流解吸塔工业解吸过程通常是将溶液由塔顶引入，惰性气体或蒸汽由塔底引入，使两相在塔内逆流接触传质。适用于吸收操作的设备同样适用于解吸操作。前述的气液传质理论和吸收过程的计算方法均可用于解吸过程，相对应的计算式形式也类似。传质方向稀端浓端解吸的操作线方程与吸收操作线方程在形式完全相同，只是解吸塔的稀端（X2、Y2）在塔底。当溶液的处理量L、进出塔浓度X1、X2以及解吸气进塔组成Y2确定后，气体出塔浓度Y1与气体用量V直接相关。YX0Y*=f(X)Y1X2Y2BX1(L/V)maxAYX0Y*=f(X)Y1X2Y2B(L/V)maxCX1Y1max=Y1*CA解吸塔的最小气液比解吸塔的计算Y1max解吸塔填料层高度计算式的推导，可采用与吸收塔完全相同的方法，但式中涉及到的推动力（浓度差）的前后项要调换。如：当平衡关系可用Y*=MX表达时，可推得与吸收过程NOL计算式完全类似的解吸过程的NOL计算式：

A=L/(MV)为吸收因子。填料层高度计算式解吸塔的计算传质系数任何一个化工单元操作，过程进行的速率是决定该单元设备大小的关键因素。吸收塔填料层高度计算式中的传质系数（如ky，KY等）在吸收计算中具有十分重要的意义。传质系数包含了传质过程速率计算中一切复杂的、不易确定的影响因素，其数值的大小主要取决于物系的性质、操作条件及设备的性能（填料特性）三个方面。由于影响因素十分复杂，传质系数的计算难以通过理论模型解决，迄今为止也尚无通用的计算方法可循。传质系数的获取途径：（1）实验测定；（2）针对特定体系的经验公式；（3）适用范围更广的准数关联式。对实际操作的物系，若相平衡关系为直线，则填料层高度计算式为上式也可写为高度为Z的填料段的平均传质速率方程式中F=Za为传质面积，Vp=Z为填料装填体积。当填料和填料装填方式一定，对一定塔径的吸收或解吸塔，在稳定操作状况下测得进、出塔气、液流量和测量段Z两端处的气、液浓度后，根据物料衡算及平衡关系即可算出传质负荷GA和平均传质推动力。填料的几何特征和测试设备的尺寸已知，由上两式可计算出以气相为基准的总传质系数KY或总体积传质系数KYa。注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计计算时，设计体系的物性、操作条件及设备性能应与实验测定时的情况相同或相近。传质系数的实验测定传质系数实际上很难对每一具体设计条件下的传质系数都直接进行实验测定。为此，不少研究者针对某些典型的系统和条件进行研究，在所测定的大量数据基础上提出了对一定的物系在一定条件范围内的传质系数经验公式。用水吸收二氧化硫适用条件：（1）气体的空塔质量流速G为320~4150kg/(m2h)，液体的空塔质量流速W为4400~58500kg/(m2h)；（2）直径为25mm的环形填料。传质系数的经验公式传质系数用水吸收氨用水吸收氨属易溶气体的吸收，吸收阻力主要在气膜侧。用填充12.5mm陶瓷环形填料塔实测数据得出的计算气相传质系数经验公式为kga——气相传质系数，kmol/(m3.h.kPa)；kca——液相传质系数，kmol/(m3.h.kmol/m3)；G——气相空塔质量流速，kg/(m2.h)；W——液相空塔质量流速，kg/(m2.h)；——与温度有关的常数，其值列于下表。t℃10152025300.00930.01020.01160.01280.0143传质系数常压下用水吸收二氧化碳式中U为液相的喷淋密度，m3/(m2h)。适用条件：（1）直径为10~32mm陶瓷环填料塔；（2）喷淋密度U为3~20m3/(m2h)；（3）气体的空塔质量速度G为130~580kg/(m2h)；（4）操作温度为21~27℃。在上述操作条件下，用水在常压下吸收CO2的液相体积传质系数kca的大小主要取决于液相的喷淋密度，而气体的质量流速G基本无影响。用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜侧。计算液相体积传质系数的经验公式为传质系数经验公式的应用对象可以说具有专一性，仍不能适应越来越广泛的应用场合与体系。根据传递现象动力学相似基本原则推导出来并通过实验确定模型参数的准数方程则有更宽的适用范围。常用准数：主要有修伍德数Sh、雷诺数Re

及施密特数Sc

等。计算气相传质系数的准数关联式气相修伍德准数传质系数的准数关联式传质系数气体通过填料层的雷诺数气相施密特准数传质系数上式是由湿壁塔中汽液传质的实验数据关联得到，除了用于湿壁塔（l为湿壁塔塔径）外，也可用于拉西环填料塔（l为拉西环填料的外径）。适用范围:ReG=2×103~3.5×104,ScG=0.6~2.5,P=101~303

kPa(绝压)应用场合湿壁塔0.0230.830.44填料塔0.0660.80.33模型参数:D — 溶质在气相中的分子扩散系数m2/s；P/pm— 气相漂流因子；kg — 气相传质系数kmol/(m2skPa)；

R — 通用气体常数kJ/(kmolK)；l — 特征尺寸m；G — 混合气体的密度kg/m3；T — 温度K；G — 混合气体的粘度Ns/m2；G — 气体的空塔质量速度；de — 填料层中流体通道的当量直径，de=4a/，（a为填料的比表面m2/m3，为填料层的空隙率m3/m3）；u0 — 气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔气速m/s）；传质系数液相修伍德准数液体通过填料层的雷诺数液相施密特准数液相的伽利略（Callilio）准数a —填料比表面积m2/m3

；kc—液膜传质系数，m/s；cSm/c —液相漂流因子；l—特征尺寸，取填料直径m；G —重力加速度，m/s2；L—液体的粘度，N·s/m2；L —液体的密度kg/m3；D’ —溶质在液相中的分子扩散系数m2/s；W —液体的空塔质量速度，kg/(m2·s)。计算液相传质系数的准数关联式传质系数化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收：溶质与液相中组分具有显著化学反应的吸收过程。主要特点：选择性高，吸收速率高，吸收较彻底。如用磷酸吸收空气中的氨。反应平衡常数设溶质A与液相中组分B发生如下可逆反应反应对平衡的影响化学吸收(Chemicalabsorption)液相中组分A的总浓度为当溶质组分A与纯溶剂的物理相平衡服从亨利定律时，气相平衡分压pA与液相中组分A的总浓度C之间的关系反应平衡常数Ke越大，气相平衡分压pA越低。当化学反应为不可逆时，气相平衡分压为零或者说相平衡常数m=0。因此，可以说化学反应的存在，增加了可容组分的溶解度。传质推动力增大。化学吸收(Chemicalabsorption)气相中可溶组分向气液界面传递（此与物理吸收相同），溶质在界面上溶解，溶质A在液相中传递并与液相中组分B发生反应。化学吸收历程吸收剂气体pAcA界面液相主体相界面气相扩散液相扩散pAcAicA

pAi气相主体物理吸收化学吸收化学吸收(Chemicalabsorption)（1）反应速率中等、不可逆化学吸收历程气液界面yAyAi反应区xAixBxB=0xA=0PQ中等反应速率，不可逆反应的化学吸收化学吸收(Chemicalabsorption)（2）反应速率快、不可逆快速反应的化学吸收气液界面yAyAi=0xB液相中xB足够高、传递速率又快时化学吸收历程化学吸收(Chemicalabsorption)气液界面yAyAixAixBxB=0xA=0（3）反应速率慢、不可逆气液界面yAyAixAixA慢速反应的化学吸收反应区扩大至全部液相化学反应改变了溶质在等效膜中的浓度分布使之更加有利于液相传质。化学吸收历程化学吸收(Chemicalabsorption)对于化学反应可以忽略（RA=0）、无总体流动的稳定物理吸收过程，求解上式得到膜内浓度分布为直线方程吸收过程液相中溶质的浓度分布服从传质微分方程化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与增强因子对稳定的化学吸收过程（RA≠0），传质微分方程变为非齐次，等效液膜的浓度边界条件也发生相应变化。以拟一级反应为例，求解传质微分方程化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与增强因子z=处的边界条件表示由该处扩散进入液相主体的溶质全部被主体内的化学反应所消耗，V

代表与扩散传质面积相对应的吸收液体积（m3/m2）。在上述条件下解微分方程得到等效膜内的浓度分布双曲函数化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与增强因子化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与增强因子-八田数（HattaNumber）八田数代表溶质在等效膜中的反应速率与扩散传质速率的特征比，反应速率愈快其值愈大，在膜中消耗的溶质越多；Ha=0则为物理吸收。——化学吸收增强因子在液相主体浓度为零(cA=0)的条件下对比下列两式可得化学吸收速率与物理吸收速率的比值化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与增强因子增强因子的物理意义还可以理解为化学吸收的液相传质系数是在cA=0条件下物理吸收液相传质系数的倍。化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与增强因子根据增强因子与Ha的双曲函数关系可以直接分析化学吸收速率反应主要在液相主体中进行，等效膜内浓度分布与物理吸收接近。虽然反应并不快，但由于液相主体持液量大，反应消耗溶质的能力强，因而主体浓度cA

=0。（1）慢反应，Ha<<1，数学上有th(Ha)Ha，则（2）中等反应速率，但及，则化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与增强因子（3）快反应，Ha>3，数学上有th(Ha)1，则溶质在等效膜内全部反应掉，不进入液相主体。化学吸收(Chemicalabsorption)化学吸收速率与