第五章气体吸收

1第二节气液相平衡第五章气体吸收第一节概述第三节吸收过程的传质速率第四节吸收塔的计算第五节填料塔2第一节概述一、吸收操作的应用二、吸收过程与设备三、吸收过程分类四、吸收剂的选择3吸收定义：利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility)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(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gasphase)，从而实现混合气体的分离。

4吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inertgas)或载体：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(strongliquor)：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(dilutegas)：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。吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。

吸收塔混合气体(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)5一、吸收操作的应用(1)制取液体产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸等

。(2)回收混合气中有用组分吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来。(3)气体净化一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。（4）除去工业放空尾气中的有害组分。6二、吸收过程与设备7三、吸收操作的分类物理吸收(physicalabsorption)：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。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等化学吸收(chemicalabsorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。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。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。8四、吸收剂的选择溶解度大吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小；选择性好

很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离，满足这一要求称为选择性好；挥发度要小

吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸汽压要低，经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸汽所饱和，吸收剂的挥发度高，其损失量便大。此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉易得等条件。

9第二节气液相平衡

一、平衡溶解度

二、亨利定律

三、气液相平衡关系在吸收中的应用10一、平衡溶解度平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡（达到饱和状态）。（表

明一定条件下过程可能达到的极限程度）平衡溶解度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压：平衡时气相中溶质的分压（压力）。几种气体在水中的溶解度曲线几种气体在水中的溶解度曲线总压对溶解度的影响关键要看溶质的分压有没有改变，如果总压改变而溶质的分压没有改变，则溶解度不改变；若总压改变溶质的分压也改变，则溶解度改变。总结：（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（3）不同气体在同种溶剂中形成相同的浓度，分压小的气体溶解度大，分压大的气体溶解度小。16（一）亨利定律总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。

二、亨利定律17讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、T。

物系一定，2）E大的，溶解度小，难溶气体；

E小的，溶解度大，易溶气体。3）E的来源：实验测得；查手册——溶质在气相中的平衡分压，kPa；x——溶质在液相中的摩尔分率；E——亨利常数，单位同压强单位。181）（二）亨利定律其它形式H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）cA——摩尔浓度，kmol/m3；

H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体;

2）P对H影响小。2）

m——相平衡常数，无因次。m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体。

2）3)在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比Y（或X）表示组成。以摩尔比表示组成的相平衡关系X——溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*——与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当m趋近1或当X很小时三、相平衡关系在吸收中的应用24V，y2V，y1L，x2L，x1

2.尾气最小组成25第三节

吸收过程的传质速率一、

分子扩散与菲克定律六、两相间的双模理论四、分子扩散系数七、

总传质速率方程二、等摩尔逆向扩散三、组分A通过静止组分B的扩散五、单相内对流传质26吸收剂气体yx界面气相主体液相主体相界面气相扩散液相扩散yixi吸收过程：

（1）A由气相主体到相界面，气相内传递；（2）A在相界面上溶解，溶解过程；（3）A自相界面到液相主体，液相内传递。单相内传递方式：分子扩散；对流扩散。27分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。扩散速率：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截

面积扩散的物质量，J表示，kmol/(m2·s)。菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。一、

分子扩散与菲克定律28JA——组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2·s）；

—组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行29理想气体：=分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分A通过静止组分B的扩散。30JAJBTPpA2pB2TPpA1pB112二、等摩尔逆向扩散31等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。

总压一定=

JA=－JB

DAB=DBA=D32等分子反向扩散传质速率方程：传质速率定义：任一确定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的物质量，记作N,kmol/(m2·s)。NA=气相：NA=液相：三、组分A通过静止组分B的扩散

A是吸收质，B是惰性气体。

气液界面附近的气相中，组分A向液相溶解，浓度降低，分压力减小。在气相主体与气相界面之间产生分压力梯度，则组分A从气相主体向界面扩散。同时，界面附近由于A的溶解使气相总压力比气相主体的总压力低，则混合气体从主体向界面整体移动。（1）整体移动：因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合气体向界面处的流动。（2）整体移动的特点：1）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔分率。12NMcA/cNMcB/cNM组分B：不被吸收（1）由于“整体移动”的作用，从气相主体向界面移动；（2）由于B不被吸收，界面处B组分浓度大于气相主体浓度，从界面向主体扩散（与(1)反向）；总结果是表观上没有B的传递。因此，B扩散速率JB与B的整体移动传递速率NBM数值相等方向相反，表现上没有组分B的传递，可表示为：

JB=-NBM

12JBNMcA/cNMcB/cNM组分A：扩散方向与整体移动方向相同，传递速率较大。

12JANMcA/cNMcB/cNM39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；D，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；测定四、分子扩散系数40（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/s41五、单相内的对流传质工业生产中常见的是物质在湍流流体中的对流传质现象。对流传质是指流体与某一界面之间的传质。分子扩散和湍流扩散同时存在。湍流扩散：流体作湍流运动时，使组分从高浓度处向低浓度处移动，这种现象称为湍流扩散。由于流体内部产生漩涡，又称为涡流扩散。42（一）单相内对流传质的有效膜模型图5-11传质的有效层流膜层431）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的变化较陡。2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的变化逐渐平缓。44有效膜模型单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。（二）气相传质速率方程有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界面的垂直距离。45kG——以分压差表示推动力的气膜传质分系数，也称为气相传质系数，kmol/（m2·s·kPa）。46（二）液相传质速率方程kL——以浓度差表示推动力的液膜传质分系数，也称为叶县传质系数，kmol/（m2·s·kPa）。47六、两相间传质的双模理论相际对流传质三大模型：双膜理论（一）双膜理论48双膜理论的基本论点：

（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩散方式通过气膜和液膜。（2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。（3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以

涡流扩散的形式传质。双膜模型也称为双膜阻力模型49（二）气相传质速率方程——以气相分压差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2·s·kPa）；——以气相摩尔分率差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2·s）；——以气相摩尔比差表示推动力的气相传质系数，kmol/（m2·s）；50（三）液相传质速率方程

——以液相浓度差表示推动力的液相传质系数，kmol/m2·s·kmol/m3）；——以液相摩尔分率差表示推动力的液相传质系数，kmol/（m2·s）；——以液相摩尔比差表示推动力的液相传质系数，kmol/（m2·s）；51七、总传质速率方程1、以（Y-Y*）为推动力的总传质速率方程气相传质速率=液相传质速率52——以（Y-Y*）为推动力的总传质系数，简称气相总传质系数。kmol/（m2·s）；表明相间传质总阻力=气膜阻力+液膜阻力——以气相分压差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s·kPa）；——以气相摩尔分率差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；2、以（X*-X）为推动力的总传质速率方程气相传质速率=液相传质速率55——以（X*-X）为推动力的总传质系数，简称液相总传质系数。kmol/（m2·s）；表明相间传质总阻力=气膜阻力+液膜阻力56

——以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数，kmol/m2·s·kmol/m3）；——以液相摩尔分率差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；57（二）气膜控制与液膜控制（1）当溶质的溶解度很大的时候，m值很小。气膜阻力远大于液膜阻力，总传质阻力近似等于气膜阻力，此吸收过程为气膜阻力控制（气膜控制）。易溶气体的吸收属于气膜控制。提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。（2）当溶质的溶解度很小的时候，m值很大。液膜阻力远大于气膜阻力，总传质阻力近似等于液膜阻力，此吸收过程为液膜阻力控制（液膜控制）。难溶气体的吸收属于气膜控制。提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。59第四节吸收塔的计算一、物料衡算与操作线方程二、吸收剂的用量最小液气比三、填料层高度的计算四、吸收塔的操作计算60传质设备：61操作型：操作条件改变对吸收结果的影响。计算依据：相平衡方程吸收速率方程操作线方程（物料衡算）吸收塔的计算内容：设计型：流向、流程、吸收剂用量、吸收剂浓度、塔高、塔径62一、物料衡算与操作线方程物料衡算气液相组成用摩尔比Y，X表示。逆流操作塔顶为稀端，塔底为浓端。塔内任意横截面与塔顶之间，对A作物料衡算：G，Y2G，Y1L，X2L，X1G，YL，XooGY+LX2=GY2+LXX与Y是直线方程，斜率为，过点（X2,Y2）。——操作线方程63同理，在截面O-O与塔底之间做组分A的物料衡算：X与Y是直线方程，斜率为

，过点（X2,Y2）。——操作线方程——操作线方程64XY1Y2X1X2TBY——操作线1）操作线在X～Y坐标上为一直线，斜率为L/G。L/G为吸收操作的液气比；逆流吸收操作线具有如下特点：3）操作线上任意一点代表塔内某一截面上的气液组成。2）吸收操作线在平衡线的上方。

4）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线离平衡线愈远，吸收的推动力愈大。二、吸收剂的用量最小液气比（一）已知量和待求量已知量为G,Y1,X2,分离要求。待求量为吸收剂用量L。（二）分离要求的表示方式（1）（2）规定尾气中残留物质的组成Y2。Y2=Y1（1－）——A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。67（三）最小液气比操作线斜率为液气比减小吸收剂量即L减小，操作线斜率减小，B点向右平移。继续减小L，B点最终与平衡线上某点重合，达到液气比的最小值。68随吸收剂量L减小，传质推动力减小，为达到分离要求，填料层高度必须增大。当B点进入平衡线时，塔底端达到吸收平衡状态，X1达到最大值X*1，而传质推动力为0。为使尾气组成Y2达到分离要求，此时的填料层高度为无限大。69最小液气比的计算：①平衡曲线一般情况X*1——与Y1相平衡的液相组成。②平衡关系符合亨利定律时：70③平衡曲线为凸形曲线情况71（四）适宜液气比适宜操作液气比72三、填料层高度的计算传质单元数法

（一）填料层高度的基本计算式ZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1单位时间，dZ内吸收A的量：G——惰性气体流率，kmol/(s)；L——吸收剂流率，kmol/(s);——塔横截面积，㎡;

a——单位体积填料的有效传质面积，㎡/m3。73——体积传质系数，kmol/（m3·s）

G、L、Ω为定值，体积传质系数在全塔近似为常数，或取平均值。同理：（二）传质单元高度与传质单元数——气相总传质单元高度——气相总传质单元数——液相总传质单元高度——液相总传质单元数——气相传质单元高度——气相传质单元数Z=传质单元高度×传质单元数平均推动力越大，传质单元数越小，所需要的填料层高度越小。因此反映了取得一定吸收效果的难易程度。以为例（1）传质单元数气相总传质单元数77（2）传质单元高度

定义：气相总传质单元高度，m。

传质单元高度的意义:

完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低，即传质阻力的大小。873.图解积分法平衡线曲线时图解积分法步骤如下：88操作线上任取一点（X,Y），其推动力为(Y-Y*)。系列Y～作图得曲线。积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。89命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的分析和计算;

吸收塔的核算。

定性分析例在一填料塔中用清水吸收氨－空气中的低浓氨气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则Y2、X1如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系为）四、吸收塔操作计算90定性分析步骤：

1）根据条件确定HOG、S；

2）利用，确定的变化;

3）采用吸收因数法确定Y2的变化;4）利用全塔物料衡算分析X1变化。

水吸收混合气中的氨为气膜控制过程因气体流量V不变近似不变，HOG不变、91NOG不变92（2）定量计算问题：吸收温度降低，Y2、X1、吸收操作线如何变化？

X2降低，Y2、X1、吸收操作线如何变化？吸收压力提高，Y2、X1、吸收操作线如何变化？Y1Y2Y2’X1X1’X293例在一填料塔内用纯溶剂吸收气体混合物中的某溶质组分，进塔气体溶质浓度为0.01（摩尔比，下同），混合气质量流量为1400kg/h，平均摩尔质量为29，操作液气比为1.5，在操作条件下气液平衡关系为Y*=1.5X，当两相逆流操作时，工艺要求气体吸收率为95％，现有一填料层高度为7m、塔径为0.8m的填料塔，气相总体积传质系数为0.088kmol/（m3·s），问：（1）操作液气比是最小液气比的多少倍？（2）出塔液体的浓度；（3）该塔是否合适？94解：（1）（2）95（3）96