第8章 气体吸收

第8章气体吸收

GASABSORPTION2/5/20231

利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。8.1.1吸收的原理8.1概述2/5/20232吸收质或溶质（absorbate)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体或载体（inertgases）：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂（absorbent）：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液（absorptionsolution）：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气（absorptiontailgas）：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。吸收塔混合气体(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)2/5/202338.1.2吸收的目的1．制取产品

例如，用98%的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸，用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。

2．从气体中回收有用的组分

例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。

3．除去有害组分以净化气体

主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。2/5/20234

物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。

化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。

单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。

多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。

等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。8.1.3吸收分类2/5/202358.1.4吸收设备和流程2/5/202362．吸收流程吸收与解吸流程含苯煤气脱苯煤气洗油苯水过热蒸汽加热器冷却器2/5/202378.1.5吸收剂的选择1．溶解度 对溶质组分有较大的溶解度；2．选择性 对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微；3．挥发性 应不易挥发；4．粘性 粘度要低；5．其它 无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。2/5/20238溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度关系曲线。120溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC8.2.1平衡溶解度8.2

气液相平衡2/5/20239在相同条件下，NH3在水中的溶解度较SO2大得多。用水作吸收剂时，称NH3为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2在30℃和溶质的分压为40kPa的条件下，1kg水中溶解的质量仅为0.014g)。

2/5/202310吸收剂、温度T、P一定时，不同物质的溶解度不同。

温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。加压和降温对吸收操作有利。

2/5/2023118.2.2亨利定律当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。1用吸收质在溶液中的摩尔分数x表示

pe——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，单位:Pa。

亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E值一般随温度的上升而增大；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小。2/5/2023122用溶液中吸收质的物质的量浓度c表示c——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H——溶解度系数，单位：(Pa·m3)/kmol。

H是温度的函数，H值随温度升高而增大。易溶气体H值小，难溶气体H值大。H与E的关系设溶液的密度为，浓度为c，溶质和溶剂的摩尔质量分别为M和Ms

注意：有些教材上用2/5/2023133用气液相中溶质的摩尔分数表示m——相平衡常数，是温度和压强的函数。

温度升高、总压下降则m值变大；m值越大，表明气体的溶解度越小。若总压为P，m和E之间的关系为m=E/P。

若为稀溶液，则有：2/5/202314例8-1：在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为：浓度为0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）

解：由亨利定律表达式知：2/5/202315∴亨利系数为

又

，而

∴相平衡常数

∴溶解度系数为：

2/5/202316或由各系数间的关系求出其它系数

2/5/2023178.3

扩散和单相传质

平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。

2/5/202318吸收过程

气相主体液相主体相界面pz1z2pi

ci

c气膜液膜(1)溶质从气相主体转移到相界面。即气相内的物质传递(2)溶质在相界面处的溶解，由气相进入液相。(3)溶质由相界转移到液相主体。即液相内的物质传递。2/5/202319分子扩散：

一相内部存在浓度差异时，由于分子的无规则运动而引起的物质传递。1．菲克定律

扩散速率

：单位时间内通过单位面积传递的物质的量，单位：mol/(m2s)

。8.3.1分子扩散—菲克定律

ABABAB2/5/202320J-------传质速率，单位为mol/(m2s)D-------扩散系数，单位为m2/sc-------吸收质的浓度，单位为mol/m3z-------扩散距离，单位为mA-------相间传质接触面积，单位为m22/5/2023212.等分子反向扩散定态条件下，对积分，得：因c=n/V，且pV=nRT，故c=p/RT，JAJBTPpA2pB2TPpA1pB1122/5/202322（1）主体流动：因溶质Ａ扩散到界面后溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。（2）主体流动的特点：

1）因分子本身扩散引起的宏观流动。

2）A、B在主体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。

3单向扩散12JAJBNb,ANb,B总体流动NbNA2/5/202323（3）单向扩散传质速率方程12JAJBNb,ANb,B总体流动NbNA2/5/202324——微分式2/5/202325气相扩散——积分式2/5/2023262/5/202327——积分式——积分式液相：、——漂流因数，无因次2/5/202328漂流因数意义：其大小反映主体流动对传质速率的影响程度，其值为主体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，主体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，主体流动的影响小。2/5/2023298.3.2扩散系数扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；单位：m2/s。

D的影响因素：A、B、T、P、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定2/5/202330（1）气相中的D范围：10-5～10-4m2/s经验公式（2）液相中的D范围：10-10～10-9m2/s2/5/202331例8-2：有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。空气丙酮2/5/202332单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：=解2/5/2023332/5/2023348.3.3.对流传质1．涡流扩散涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流散。2/5/202335——涡流扩散速率，kmol/(m2·s)；——涡流扩散系数，m2/s。注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关。总扩散通量：2/5/2023362对流传质模型相际对流传质三大模型：双膜（有效膜）模型*溶质渗透模型表面更新模型2/5/202337双膜理论

由W.K.Lewis

和W.G.Whitman

在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。双膜理论的基本论点是：

(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为1和2）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。

气相主体液相主体相界面pi=H

ci

p12pi

ci

c气膜液膜2/5/202338按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式地结果相差较大；由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度1和2以及界面上浓度pi和ci

都难以确定；双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。2/5/202339溶质渗透理论工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体总是不断地与主流混合而暴露出新的接触表面。赫格比（Higbie）认为流体在相界面上暴露的时间很短，溶质不可能在膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的浓度分布。溶质通过分子扩散由表面不断地向主体渗透，每一瞬时均有不同的瞬时浓度分布和与之对应的界面瞬时扩散速率（与界面上的浓度梯度成正比）。流体表面暴露的时间越长，膜内浓度分布曲线就越平缓，界面上溶质扩散速率随之下降。界面cAicA0距相界面的距离液相浓度cA增加2/5/202340直到时间为c时，膜内流体与主流发生一次完全混合而使浓度重新均匀后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。c称为汽、液接触时间或溶质渗透时间，是溶质渗透理论的模型参数，气、液界面上的传质速率应是该时段内的平均值。由该理论解析求得液相传质系数该理论指出传质系数与扩散系数DAB的0.5次方成正比，比双膜理论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。2/5/202341表面更新理论丹克瓦茨（Danckwerts）认为气液接触表面是在连续不断地更新，而不是每隔一定的周期c才发生一次。处于表面的流体单元随时都有可能被更新，无论其在表面停留时间（龄期）的长短，被更新的机率相等。引入一个模型参数S来表达任何龄期的流体表面单元在单位时间内被更新的机率（更新频率）。由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为0→∞的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为2/5/202342该理论得出的传质系数正比于扩散系数DAB的0.5次方；该理论的模型参数是表面更新机率S，而不是接触时间c；目前还不能对c和S进行理论预测，因此用上述两个理论来预测传质系数还有困难；溶质渗透理论和表面更新理论指出了强化传质的方向，即降低接触时间或增加表面更新机率。2/5/202343——以分压表示推动力的气相对流传质系数，kmol/m2·s·kPa）。DG：气相对流传质系数3．单相对流传质速率方程（1）气相对流传质速率方程ppicic气相液相GLE2/5/202344——以气相摩尔分率表示推动力的气相对流传质分系数，kmol/（m2·s）；令2/5/202345同理（2）液相对流传质速率方程kL—以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相对流传质系数，(m·s)-1；

—以液相组成摩尔分率表示推动力的液相对流传质系数，kmol/（m2·s）；ppicic气相液相GLE2/5/2023464对流传质系数的求解SherwoodNumberReynoldsNumberSchmidtNumber2/5/202347根据双膜理论8.4相际传质

8.4.1相际传质速率

2/5/202348同理令：

——以气相压差表示推动力的气相总传质系数

——以气相摩尔分率差表示推动力的气相总传质系数2/5/202349用液相组成表示吸收推动力

——以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数——以液相摩尔分率差表示推动力的液相总传质系数2/5/202350总传质系数之间的关系

2/5/2023518.4.2传质阻力和速率控制传质阻力相间传质总阻力=液相(膜)阻力+气相(膜)阻力2/5/202352传质速率的控制步骤（1）气膜控制气膜控制：易溶气体，传质阻力主要集中在气相，此吸收过程为气相阻力控制（气膜控制）。H较小，易溶气体气膜控制的特点：.pIpicce2/5/202353（2）液膜控制液膜控制：难溶气体，传质阻力主要集中在液相，此吸收过程为液相阻力控制（液膜控制）液膜控制的特点：H较大，难溶气体.2/5/202354同理：气膜控制：液膜控制：m小，易溶气体m大，难溶气体2/5/2023558.5低含量气体的吸收G、L——通过吸收塔的气体和液体的摩尔流率；kmol/(m2s)

；y——混合气体中溶质的摩尔分率；

x——溶液中溶质的摩尔分率。下标“1”代表填料层下底截面—浓端，下标“2”代表填料层上顶截面—稀端。特点：（1）.G，L为常量（2）.等温吸收（3）.传质系数为常数G,y2G,y1L,x2L,xG,yL,x12/5/2023561、全塔物料衡算塔底到塔顶对溶质做物料衡算

8.5.1吸收塔中的物料衡算—操作线方程——液气比

进塔气体量G和组成y1是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成x2一般由工艺条件所确定，出塔气体组成y2则由任务给定的吸收率

求出G,y2G,y1L,x2L,xG,yL,x12/5/2023572、操作线方程与操作线上式称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相组成y和x之间的关系。填料层任一截面与塔顶之间对溶质做物料衡算：G,y2G,y1L,x2L,xG,yL,x12/5/202358当L/G一定，操作线方程在y-x图上为直线，称为吸收操作线。斜率：液气比L/G

，经过点A(x1，y1)和B(x2，y2)yxoy=f(x)Ay1x1x2y2ByxxeyeP线上任一点的坐标P(x，y)代表了塔内该截面上气液两相的组成。操作线上任一点P与平衡线间的垂直距离y=y-ye

为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离x=xe-x

为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。两线间垂直距离（y-ye）或水平距离（xe-x）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。y-yexe-x2/5/202359yxoy=f(x)Ay1x1x2y2BL/Gy-yeA’x1’x1e(L/G

)minC最小液气比(L/G)min当L/G下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的液气比称为最小液气比，用(L/G)min表示，而对应的x1则用x1e表示（最大出塔吸收液浓度）。L/G，斜率，操作线与平衡线的距离

,推动力，塔高,设备费用;L/G

，吸收剂用量，吸收剂出塔浓度x1,循环和再生费用。3、液汽比的选择2/5/202360随液气比的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平衡线的形状。yxoy=f(x)y1x2y2Bx1,max=x1e最小液气比Cyxoy=f(x)y1x2y2Bx1e最小液气比Cx1,max两线在y1

处相交时，x1,max=x1e；两线在中间某个浓度处相切时，x1,max<x1e

。2/5/202361最小液气比的计算液气比的选择平衡线符合亨利定律，可用

表示

2/5/202362对填料层中高度为dH,传质面积为dA的微分段作物料衡算,可得溶质在单位时间内由气相转入液相的量。

填料塔内气、液组成y、x和传质推动力y（或x）均随塔高变化，故塔内各截面上的吸收速率也不相同。G,y2G,y1L,x1L,x2yxHy+dydHx+dx8.5.2填料层高度的计算

1填料层高度的基本计算式

S:填料塔的截面积2/5/202363若填料塔的填料层高度为H，空塔截面积为S，则堆放填料的体积为HS，单位体积填料的有效表面积为

(m2·m-3),则传质的接触面积为：A=HS，dA=aSdH2/5/202364的单位

——气相传质单元数

2传质单元数和传质单元高度——气相传质单元高度

——液相传质单元高度

——液相传质单元数

2/5/202365

传质单元数

NOG或NOL反映吸收过程的难易程度，其大小取决于分离任务和整个填料层平均推动力大小两个方面。若任务所要求的气体浓度变化越大，过程的推动力越小，则吸收越难，所需的传质单元数越多。

NOG与气相或液相进、出塔的浓度，液气比以及物系的平衡关系有关，而与设备形式和设备中气、液两相的流动状况等因素无关。设备选型前可先计算出过程所需的NOG或NOL。其

值大，分离任务艰巨，为避免塔过高应选用传质性能优良的填料。若NOG或NOL值过大，就应重新考虑所选溶剂或液气比是否合理。1）传质单元数2/5/202366传质单元高度HOG或HOL则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，代表了吸收塔传质性能的高低，主要与填料的性能和塔中气、液两相的流动状况有关。

HOG或HOL值小，表示设备的性能高，完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。用传质单元高度HOG、HOL或传质系数Kya、Kxa

表征设备的传质性能其实质是相同的。但随气、液流率改变Kya

或Kxa

的值变化较大，一般流率增加，Kya（或Kxa）增大。

HOG或HOL因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度就较小。一般吸收设备的传质单元高度在0.15~1.5m范围内。2）传质单元高度2/5/2023678.5.3传质单元数的计算方法

平衡线为直线时

对数平均推动力法吸收因数法平衡线为曲线时

图解积分法近似梯级法√√2/5/2023681对数平均推动力法

吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时

——线性函数

2/5/202369对数平均推动力2/5/202370同理：2/5/2023712吸收因数法平衡关系用直线

表示时，将代入2/5/202372令

2/5/202373——脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次。——吸收因数

2/5/2023742/5/202375当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通常可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数。图解积分法的步骤为(1)以y-x作出平衡线；(2)以y-x作出操作线(3)在y2-y1范围内设不同的y值，求出（y－ye）值及1/(y－ye)

。3图解积分法

yyoxy*=f(x)Ax1x2BxxePy-yexe-xy2y1yy1e2/5/202376(4)在y2到y1的范围内作y~1/(y－ye)曲线；yoy1y21/(y-ye)(5)计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数NOG。

2/5/2023778.5.4

吸收塔的计算类型2、操作型（校核型）计算1、设计型计算给定生产任务给定工艺条件设计满足任务要求单元设备给定设备参数给定工艺条件求算能否满足任务要求单元设备2/5/202378例8-3在一塔径为0.8m的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为99.5%。已知空气和氨的混合气体质量流量为1400kg/h，气体总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.333kPa。若液气比为最小液气比的1.4倍，操作温度（293K）下的气液相平衡关系为y=0.75x，气相总体积吸收系数Kyα为0.088kmol/m3·s，试求（1）每小时用水量；（2）用平均推动力法求出所需填料层高度。2/5/202379解：(1)

因混合气中氨含量很少，故2/5/202380x1=x2+G(y1－y2)/L=0+

（２）2/5/202381例8-4某逆流吸收塔，用纯溶剂吸收混合气体中的可溶组份，气体入塔浓度y1=0.01,吸收率η为90%,平衡关系为y=2x,且知L/G=1.2(L/G)min,HOG=0.9m,试求：（1）填料层高度？（2）若该塔操作时，因解吸不良，导致入塔x2′=0.0005，其它入塔条件不变时，回收率′又为多少？2/5/202382解（1）：

由于是纯溶剂吸收，x2=0x1=(y1/m)/1.2=0.0042y2=0.01(1-0.9)=0.001y1e=2×0.0042=0.0084y2e=0L/G=1.2(L/G)minH=HOG×NOG=6.21