化工原理气体吸收

化工原理气体吸收第一页，共九十二页，2022年，8月28日

2、完成分离任务应解决的主要问题

①吸收剂的选择溶解度、选择性、再生性、稳定性、低粘度、经济与安全性等

②传质设备的选择

[板式塔（级式接触）、填料塔（微分式接触）]

③吸收剂的再生（常用升温、吹气、减压等方法）

吸收剂

填料混合气体

第二页，共九十二页，2022年，8月28日3、工业吸收过程（吸收与解吸）

工业吸收过程通常由吸收装置与解吸装置组成。如：第三页，共九十二页，2022年，8月28日煤气中的芳烃,可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯.第四页，共九十二页，2022年，8月28日二、吸收操作分类

*物理吸收与化学吸收*等温吸收与非等温吸收*单组分吸收与多组分吸收*定态吸收与非定态吸收（过程参数是否随时间而变）

本章讨论所作的基本假定：

单组分、低浓度、连续定态逆流、等温物理吸收

三、吸收操作的经济性

吸收操作费用主要包括：①气、液两相流经吸收设备的能量消耗；②溶剂的挥发损失和变质损失；③溶剂再生(解吸)费用，即解吸操作费用。

*以上三项费用中第③项所占比例最大。

第五页，共九十二页，2022年，8月28日

本章基本内容：

本章基本内容:介绍物理吸收过程机理、传质速率方程及吸收过程的设计计算和操作分析。

①吸收过程中气液相平衡关系表示方法

②吸收过程的传质机理

③吸收过程传质模型及传质速率表达式

④吸收操作的物料衡算

⑤填料层高度的计算方法

⑥解吸过程计算

⑦传质设备，填料吸收塔第六页，共九十二页，2022年，8月28日重点内容：

a.物理吸收过程

b.低浓度吸收过程设计计算

本章难点：

a.吸收过程的传质机理

b.相平衡关系不同表达式间的换算第七页，共九十二页，2022年，8月28日物质的量浓度（摩尔浓度）CA=nA/V物质的量分数（摩尔分数）xA=nA/n摩尔比XA=nA/nB

换算关系：

CA=xA(n/V)xA=CA(V/n)XA=xA/(1-xA)第八页，共九十二页，2022年，8月28日

5—2气、液相平衡一、气体在液体中的溶解度气液相平衡：

*

在一定温度下气液两相长期或充分接触后，两相趋于平衡。

*

单组分物理吸收过程，当T、P确定后，溶质在液相中的浓度仅与气相分压Pe的有关。

*

相平衡时气液相浓度

平衡浓度x（饱和浓度）

平衡分压P*

*气液相平衡关系的可用不同方式表示：*1溶解度曲线*2亨利定律第九页，共九十二页，2022年，8月28日

溶解度：

定义:

影响因素:溶液、溶质的性质，T，PT↑溶解度↓

P↑溶解度↑*1溶解度表示吸收过程气液两相的平衡关系*2降温、加压有利于吸收，升温、减压有利于解吸*3不同气体在不同溶剂中的溶解度可由实验测定第十页，共九十二页，2022年，8月28日溶解度曲线：

P*—x关系曲线：

直接反映了相平衡的本质，用于思考与分析问题

y—x关系曲线：

可方便地与物料衡算式等其它关系式一起对整个吸收过程进行数学描述

P*y*80℃70℃

XX第十一页，共九十二页，2022年，8月28日

二、亨利定律*1亨利定律表示：稀溶液上方的溶质分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比。

*2

亨利系数E可由实验测定。通常易溶气体E值小，难溶气体E值大；且T↑，E↑。

*3

对于理想溶液：E等于该温度下纯溶质的饱和蒸汽压。（此时亨利定律与拉乌尔定律一致）

PA*=ExA

条件：总压小于5×105N/m2，恒定温度，稀溶液式中：PA*

—溶质在气相中的平衡分压，N/m2。

E—亨利系数，kN/m2。

xA—溶质在液相中的摩尔分率。第十二页，共九十二页，2022年，8月28日

*4亨利定律的其他表达形式：

①PA*=HCA

PA*——气相平衡分压

CA——液相摩尔浓度

H—溶解度系数，mN/kmol；②yA*=mxA

yA*——气相摩尔分率

xA——液相摩尔分率

m—相平衡常数，无量纲量；

mXA③

YA*=——————

YA*——气相摩尔比

1+（1-m）XA

XA——液相摩尔比

或YA*=mXA

*5E、H、m之间关系

H=ExA/CA≈EMS/ρS

m=E/P总压

E—亨利系数，N/m2。第十三页，共九十二页，2022年，8月28日三、相平衡与吸收过程的关系

1、判别传质过程的方向

PP

PA

A

PB*

PA*

PB

B

xA

xA*xxB*

xB

x

2、确定传质过程的推动力

平衡是过程的极限，PA>PA*为吸收过程，PB<PB*为解吸过程过程推动力：(PA-PA*)(PB-PB*)

或(xA*-xA)(xB-xB*)第十四页，共九十二页，2022年，8月28日3、指时传质过程的极限

P2x2当G、P1、x2一定时：①吸收剂用量增大，P2↓，

P2min=P2*

且P2min=P2*=Ex2

②吸收剂用量减小，x1↑，

P1x1

x1max=x1

*

且x1max=x1*=P1/E

**即气液相平衡关系决定了：

离塔气体的最低浓度P2min=P2*=Ex2

离塔液体的最高浓度x1max=x1

*=P1/E

过程进行的极限：最终达平衡，平衡浓度为极限状态

练习：P431、3、4、5第十五页，共九十二页，2022年，8月28日例：含NH3体积分数3％的空气-NH3混合气，在20℃下用水吸收其中的NH3。塔内压力为203kPa。NH3在水中的溶解度服从亨利定律，操作温度下平衡关系为

PA*=266.6xkPa。试求离塔氨水的最大浓度，以浓度C表示。

PA*=ExAPA*=HCAH=ExA/CA≈EMS/ρS

第十六页，共九十二页，2022年，8月28日5—3传质机理与传质速率

气体吸收过程：①溶质由气相主体向气液相界面传递

②界面上溶质的溶解

③溶质由界面向液相主体传递

相内传递过程是影响吸收速率的主要因素。相内传递主要以分子扩散、对流传质的方式进行。

第十七页，共九十二页，2022年，8月28日分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，则因微观分子的无规则随机的热运动使组分从高浓度处传递到低浓度处。

**过程推动力为浓度差

**实现传递靠微观分子的无规则运动

涡流扩散：流体流动或搅拌时，由于流体质点的宏观随机运动（湍动），将使组分从高浓度处传递到低浓度处。

**过程推动力为浓度差

**实现传递主要靠质点的宏观随机运动本节讨论分以下几个方面：①单相内分子扩散，②相际之间的分子扩散及涡流扩散，③描述扩散的速率及影响因素。

讨论前提：定态条件下（工业吸收多为定态过程）第十八页，共九十二页，2022年，8月28日一、分子扩散与费克定律

1、费克定律

当恒定温度、压力、总浓度一定，均相混合物内部，分子扩散的通量可由Fick定律描述。对于A、B混合物中两组分的定态扩散通量可以表示为：

dCA

JA=-DAB———dZ

式中：

JA—组分A沿Z方向的扩散通量kmol/m2·s；

CA—组分A在混合物中摩尔浓度kmol/m3;

DAB—组分A在A、B混合中的扩散系数，m2/s。

第十九页，共九十二页，2022年，8月28日同理，对B组分的扩散可表示为

dCB

JB=-DBA———dZ

式中：

JB—组分B沿Z方向的扩散通量kmol/m2·s；

CB—组分B在混合物中摩尔浓度kmol/m3

；

DBA—组分B在A、B混合中的扩散系数，m2/s。（以上两式中负号，表示分子扩散方向是沿其浓度降低方向进行）费克定律形式与牛顿粘性定律、付立叶定律相类似。

对于理想气体：

DABdPAPA

JA=-————CA=——RTdZRT

第二十页，共九十二页，2022年，8月28日2、等摩尔逆向扩散条件：总压相同、大容器、保持气体浓度均匀

且PA1>PA2PB1<PB2以上扩散过程为定态分子扩散，且两组分相互扩散的物质量相等称为等摩尔逆向扩散，扩散通量可表示为pA1pA2pB1pB2p

p

JAJB

JA=-JB第二十一页，共九十二页，2022年，8月28日

等摩尔逆向扩散其扩散通量则有以下关系：

JA=-JB

而dCAJA=-DAB——dZ

dCBJB=-DBA——dZ将上式积分，等摩尔逆向扩散通量可写为：

DDJA=———（PA1-PA2）=——（CA1-CA2）

RTZZ

DDJB=———（PB1-PB2）=——（CB1-CB2）

RTZZ第二十二页，共九十二页，2022年，8月28日

∵P=PA+PB=常数（C

=CA+CB=常数）

则dPdPAdPB——=——+——=0dzdzdz

即dPAdPBdCAdCB

——=-————=-——dzdzdzdz

∴DAB=DBA=D若选择固定的，垂直扩散方向的截面为基准，观察扩散传质的速率。对于定态分子扩散则有

NA=JA

同理有NB=JB

由以上讨论可知，等摩尔逆向扩散过程传质速率的大小主要是分子扩散的贡献。第二十三页，共九十二页，2022年，8月28日3、单向扩散（组分A通过静止的组分B的扩散）

有A、B双组分气体，A组分溶解于液相，B组分不溶于液相

总体流动：

总体流动使A、B组分向截面的扩散通量同时提高

气相主体相界面NANmNAmNBmc0=cA+cBcB1cA1cB2cA2JAJB第二十四页，共九十二页，2022年，8月28日

物质的传递：分子扩散JA=-JB

总体流动NM=NAM+NBM有总体流动时的传质速率：

对于B组分有：NB=JB+NBM=0

即：JB=-NBM

NAMPA

且———=———NBMPBJB=-NBM=-JA第二十五页，共九十二页，2022年，8月28日

对于A组分，其传递速率：

NA=JA+NAM=JA+NBMPA/PB

NA=（1+PA/PB）JA即：

D

PAdPA

NA=-——（1+——）——RTPBdZ

D

P

dPA

NA=-———————RTP–PAdZ

两边分解变量，第二十六页，共九十二页，2022年，8月28日

dPdPA∫NAdZ=-∫—————RTP–PA

（稳态吸收过程，且操作条件一定时，NA、D、P、T均为常数）

积分得：

DPP-PA2NA=———ln————RTZP–PA1

或写为：DPPA1-PA2PB2NA=———————ln——RTZPB2–PB1PB1

此式称为分子扩散速率方程。第二十七页，共九十二页，2022年，8月28日整理为

DP

NA=—————（PA1-PA2）

RTZPBm

式中：PBm—组分B分压的对数平均值。

P

/PBm

——称漂流因数，无量纲。

漂流因数反映流动对传质的影响。通常其值>1表明有总体流动而使A物质的传递速率比单纯的分子扩散速率大。当混合气体中组分A的浓度很低时其值近似等于1。上式也可写成：

DC

NA=————（CA1-CA2）

ZCBm

式中：CBm—组分B浓度的对数平均值，kmol/m3。

C

—混合物的总浓度，kmol/m3，（C

=CA+CB）

**该式同样适用于液相。

第二十八页，共九十二页，2022年，8月28日4、分子扩散系数

D，

m2/s

物性参数之一，表示物质在介质中的扩散能力。

影响因素：物质的种类温度T↑，D↑

浓度C↑，D↓（组分在气体中扩散，浓度的影响可忽略）

压力P↑，D↓（组分在液体中扩散，压力的影响可忽略）

确定方法：实验测定（查手册）或根据实验方程式计算。

根据实验方程式估算D，使用方便，但误差较大。

通常，气体的扩散系数0.1——1.0cm2/s

液体的扩散系数1×10-5——5×10-5cm2/s

由于气体的扩散系数大于液体的扩散系数，因此一般气体中的扩散速率比液体中的扩散速率高（约100倍）。

第二十九页，共九十二页，2022年，8月28日二涡流扩散与对流传质

1、涡流扩散

湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，称为涡流扩散。

表示方法，借助于费克定律形式

dCA

JA=-Dq———dZDq为涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况有关。2、对流扩散速率

即有分子扩散又有涡流扩散

dCA

JA=-（Dq+D）———dZ

层流区Dq=0；湍流区分子扩散可忽略；过渡区两者均不可忽略

第三十页，共九十二页，2022年，8月28日3、对流传质理论

为进一步解决对实际传质过程速率的描述，提出以下模型基本思想

（1）单相内的对流传质的有效膜模型（湿壁塔）1）模型要点:

*相界面处存在一层虚拟的停滞膜;

*膜外为流体流动的湍流区,

*停滞膜非常薄,膜内无物质累积,为稳态分子扩散.

*对流传质阻力全部集中于停滞膜内

第三十一页，共九十二页，2022年，8月28日ci气相主体c相界面123

1-湍流2-层流3-静止第三十二页，共九十二页，2022年，8月28日2）传质速率方程

按上述有效膜模型，在气相中的传质过程速率可表示为

DP

NA=—————（PA-PAi）

RTZGPBm

写成NA=kG（PA-Pi）

或NA=ky（yA-yi）

式中kG—以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol/（m2skPa）。

ky—以摩尔分数差表示推动力的气膜传质系数，kmol/（m2s）。

PA

、Pi—气相主体和界面处A组分的分压，kPa；

yA

、yi—气相主体和界面处A组分的摩尔分数。

同理可得：第三十三页，共九十二页，2022年，8月28日在液相中的传质过程度速率可表示为

DC

NA=————（CAi-CA）

ZLCBm

写成NA=kL（Ci-CA）或NA=kx（xi-xA）

kL—以摩尔浓度差表示推动力的液膜传质系数，m/s；

kx—以摩尔分数差表示推动力的液膜传质系数，kmol/（m2s）。；

CA

、Ci—液相主体和界面处A组分的浓度，kmol/m3

；

xi

、xA—液相主体和界面处A组分的摩尔分数。

3）kG

与ky、kx与kL关系：

ky=PkGkx=CkL

kG

、ky、kx、kL

相当于对流传热的传热膜系数α，影响因素较多，通常用经验关联式确定，或根据经验取值第三十四页，共九十二页，2022年，8月28日（2）溶质渗透模型

模型要点：考虑溶质在膜内积累形成浓度梯度的过渡过程☆相界面上，液、气组成达到平衡,即使传质推动力为零。☆溶质向界面液膜纵深y向渗透，膜内渗透过程为非稳态分子扩散过程。☆液膜之外为稳态扩散（3）表面更新模型

模型要点：

☆液体表面始终处于不断为液体微团更新过程之中。☆溶质组分以非稳态分子扩散方式传递到液体微团中。☆相界面上各液体微团暴露于气相的时间不同，符合随机的“寿命”分布规律

（界面上气液成平衡状态）

第三十五页，共九十二页，2022年，8月28日三、两相间传质（一）吸收过程的双膜模型相界面picipc气相主体液相主体气膜液膜第三十六页，共九十二页，2022年，8月28日双膜理论三个基本点：

①存在稳定相界面，相界面上气液相平衡；②界面两侧分别为有效膜，膜内的传质以分子扩散方式进行；

③传质阻力全部集中在虚拟膜内，膜外的主体中高度湍流传质阻力为零。

双膜理论的局限性：

①对于湿壁塔、低气速填料塔等具有固定传质界面的吸收设备有意义；②对具有自由相界面的气液吸收系统，当气流速度较高时，相接触面就不再是稳定的状态，这种情况下双膜理论与实验结果不符合

第三十七页，共九十二页，2022年，8月28日（二）总传质速率方程

吸收速率N：

单位相际传质面积上单位时间内吸收的溶质量，kmol/m2s。

对于定态吸收操作过程，吸收塔任一部位上，相界面两侧的气、液膜层中的传质速率应是相等的。因此，其中任何一侧有效膜中的传质速率都能代表该部位上的吸收速率。

气膜吸收传质速率

NA=kG（PA-Pi）液膜吸收传质速率

NA=kL（Ci-CA）=kL（Pi-PA*

）/H

（下标i为相界面处的气相分压，上标*为与液相平衡的平衡分压）第三十八页，共九十二页，2022年，8月28日根据加比定律得：

（PA-Pi）+（Pi-PA*

）

NA=————————————1/kG+H/kL

写成

NA=KG（PA-PA*

）

1

其中KG=————————1/kG+H/kL

上式为以分压差表示推动力的气相总传质速率方程。式中：（P

-P

*

）——以分压差表示的吸收过程总推动力；

KG——以分压差表示推动力的气相总传质系数；

1/KG——为吸收过程总阻力；

1/kG——为气膜阻力；

H/kL——为液膜阻力。

第三十九页，共九十二页，2022年，8月28日同理可得：

NA=KL（CA*

-CA）

1KL=——————1/HkG+1/kL

KL——以浓度差表示推动力的液相总传质系数。上式为以浓度差表示推动力的液相总传质速率方程。

总传质速率方程的各种不同形式：

NA=KG（PA-PA*

）=KL（CA*

-CA）

=kG（PA-Pi

）=kL（Ci-CA）

NA=Ky（yA–yA*

）=Kx（xA*

-xA）

=ky（yA-yi

）=kx（xi–xA）

NA=KY（YA-YA*

）=KX（XA*

-XA）

=kY（YA-Yi

）=kX（Xi-XA）

（注意传质系数的单位，都等于：kmol/m2s传质推动力）

第四十页，共九十二页，2022年，8月28日

(三）传质系数之间的关系

KGH=KL

ky=PkGkx=CkL

Ky=PKGKx=CKL

低浓度时KY≈Ky≈PKG

KX≈Kx≈CKL第四十一页，共九十二页，2022年，8月28日（四）界面浓度与传质阻力的控制步骤

1、总传质阻力与液膜阻力和气膜阻力关系

∵总传质阻力=液膜阻力+气膜阻力

即11H111——=——+——或——=——+——KGkGkLKLHkGkL

11∴KG=——————KL=——————1/kG+H/kL1/HkG+1/kL

11

或KY=——————KX=——————1/kY+m/kX1/mkY+1/kX

第四十二页，共九十二页，2022年，8月28日2、液膜阻力控制与气膜阻力控制

（溶解度与传质系数的关系）

①当气体溶解度很大时，H很小

1KG=——————1/kG+H/kL

此时KG≈kG

，Ci≈CA

，称为气相阻力控制过程。

（即m很小，KY≈kY

，Xi≈XA

）

此时传质阻力主要集中于气膜中，要强化吸收过程，关键要提高kG或ky值。

第四十三页，共九十二页，2022年，8月28日②当气体溶解度很小时，H很大

1KL=——————1/HkG+1/kL

此时KL≈kL

，Pi≈PA

，称为液相阻力控制过程。

（即m很大，KX≈kX

，Yi≈YA

）

此时传质阻力主要集中于液膜中，要强化吸收过程，关键要提高kL或kx值。③当体溶解度中等时总传质阻力中气膜阻力与液膜阻力均不能忽略。此时要强化吸收过程，必须同时提高kG与kL值（或ky与kx值）。第四十四页，共九十二页，2022年，8月28日

3、界面浓度的确定

已知kL、kG时，过操作点（PA、CA）作斜率为（-kL/kG）的直线，与平衡线交点的坐标（Pi、Ci）即为所求气液相界面的浓度。

或已知kx、ky时，过操作点（yA、xA）作斜率为（-kx/ky）的直线，与平衡线交点的坐标（yi、xi）即为所求气液相界面的浓度。

第四十五页，共九十二页，2022年，8月28日

p（-kL/kG）

Pi

Cic

A平衡曲线第四十六页，共九十二页，2022年，8月28日

气膜控制液膜控制yyi

xxixxiyyi平衡曲线第四十七页，共九十二页，2022年，8月28日5—4吸收塔（填料塔）计算

＊概述

1、解决吸收过程问题都可联立以下三式求解

①全塔物料衡算式G（y1–y2）=L（x1-x2）②相平衡方程式y*

=mx③吸收过程基本方程式NA=传质推动力/传质阻力

2、吸收塔内气液相对流动方向

并流：逆流：推动力大吸收率高（有利于降低出塔气体的浓度）吸收剂用量少（有利于提高出塔吸收液的浓度）但处理量受限制--液体用量的计算--填料高度的计算第四十八页，共九十二页，2022年，8月28日＊吸收过程的数学描述

计算前提：低浓度、等温、逆流、连续定态

即L、G、K可认为常数。

低浓度的吸收，通常是指混合气中溶质组成y1<10%的吸收过程。一、吸收塔的物料衡算及操作线方程物料衡算主要目的是为关联吸收塔由任意塔截面上气液相组成x-y间的关系，即吸收塔操作线方程。

第四十九页，共九十二页，2022年，8月28日

对塔中任一载面至塔底作物料衡算有：

Gy1+Lx=Gy+Lx1

LLy=——x+（y1-—x1）

GG

**上式称为操作线方程。

**式中L/G称为液气比。

**当x1、y1、L/G一定时，

y与x为线性关系。Gy2Lx2Gy1Lx1GyLx第五十页，共九十二页，2022年，8月28日又对全塔作物料衡算有：

Gy1+Lx2=Gy2+Lx1

即

L/G=（y1–y2

）/（x1–x2）

或

G（y1–y2）=L（x1-x2）

该式称为物料衡算式。

物料衡算式为解决问题的基本方程式之一。BADy1yy2