气体吸收过程课件

化工原理第五章气体吸收主讲人：曹华6/8/20231ProcessSystemPrinciple

教学内容相际传质理论气液相平衡理论吸收过程概述吸收过程计算6/8/20232ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述吸收的概念

传质过程：将均相物系混合物分离为较净或几乎纯态的物质时，利用原物系中各组分间某种物性的差异，从而将均相物系形成一个两相物质，达到分离的目的。过程工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元操作。

物质在相间的转移过程称为物质传递过程（简称传质过程）。吸收：利用混合气体中各组分在液相吸收剂中溶解度的差异而实现气体混合分离的操作称为吸收。6/8/20233ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述吸收的概念所用液体称为吸收剂（或溶剂）。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。

吸收操作的目的：

（1）分离和净化原料气：

原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从合成氨所用的原料气中分离出CO2、CO、H2S等杂质。

（2）分离和吸收气体中的有用组分：如从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。

6/8/20234ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述吸收的概念

（3）某些产品的制取：

选择适当的工艺和溶剂进行SO2、H2S吸收是废气治理中应用较广的方法。

如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的HCl、SO3­和NO2制取盐酸、硫酸和硝酸。

（4）废气的治理：6/8/20235ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述工业吸收过程图5-1吸收与解吸流程

6/8/20236ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述吸收操作需要解决的问题

选择合适的溶剂，选择性溶解被分离的组分：吸收剂的选择时要从以下几方面来考虑：

①对被吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。即对溶质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。

②要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。

③要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。

④腐蚀性要小,以减小设备费用和维修费。

⑤粘度要低，以利于传质及输送；比热要小，使再生时的耗热量较小；不易燃烧，以利于安全生产。

⑥吸收后的溶剂应易于再生。

6/8/20237ProcessSystemPrinciple图5-2两类吸收设备

吸收过程概述吸收操作需要解决的问题提供适当的传质设备，实现气液两相的接触：6/8/20238ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述吸收类型

（1）物理吸收：气体各组分因在溶剂中溶解度的不同而被分离的吸收操作，称～。

1、物理吸收和化学吸收：例：（2）化学吸收：利用化学反应进行的吸收操作，称～。

2、单组分吸收与多组分吸收（1）单组分吸收：在吸收过程中，若混合气体中只有一个组分被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂，则称之为单组分吸收；（2）多组分吸收：如果混合气体中有两个或多个组分进入液相，则称为多组分吸收。6/8/20239ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述吸收类型（1）等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收；

3、等温吸收与非等温吸收（2）非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热很大，液相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收过程。

4、低浓度吸收与高浓度吸收

（1）高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分A的摩尔分数大于0.1，且被吸收的数量多时，称为高浓度吸收；（2）低浓度吸收：如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于0.1时，吸收称为低浓度吸收。低浓度吸收的特点：气液两相流经吸收塔的流率为常数；低浓度的吸收可视为等温吸收。6/8/202310ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述相组成的表示方法

对于均相混合物，每一种物质称为该混合物的一个组分，该组分在混合物中的相对数量关系称为该组分的组成。

在传质过程中，气液两相的组成是不断变化的。

1、质量分数wi

混合物中某组分的质量与混合物的质量之比。

2、摩尔分数xi

混合物中某组分的物质的量与混合物的物质的量之比。对于只有两组分的混合物：6/8/202311ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述相组成的表示方法

3、摩尔比XA

对于由组分A和组分B组成的双组分物系，以组分B为基准，两组分的物质的量的比值称为摩尔比，用XA表示。它与摩尔分数的关系为：6/8/202312ProcessSystemPrinciple

吸收过程概述吸收操作假设

吸收操作假设：

（1）气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶解度极低而可忽略不计，视为惰性气体。

（2）溶剂的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略。即：气相中仅包含一个惰性组分和一个可溶解组分；液相中则包含着可溶解组分（溶质）和溶剂。6/8/202313ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度的概念：

平衡分压：溶质Ａ与溶剂接触，在进行溶解的过程中，随着溶质在溶液中浓度C1的逐渐提高，传质速率将逐渐减慢，最后降到零，C1达到一最大限度Ｈ。这时称气液达到了平衡，Ｈ称为平衡溶解度。简称为溶解度。气液平衡时，气相中溶质的分压为平衡分压。

相平衡关系：

平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。6/8/202314ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度曲线：气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。图5-2氨在水中的溶解度图5-420℃下SO2在水中的溶解度6/8/202315ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论平衡溶解度从图中可以看到：在相同的温度和分压条件下，不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度不同；同一个物系，在相同温度下，分压越高，则溶解度越大；分压一定，温度越低，则溶解度越大。这说明在较高分压和较低温度下有利于吸收操作，而减压和升温则有利于解吸操作过程。6/8/202316ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论平衡溶解度亨利定律：

当总压不高（一般小于５×105N·Cm-2)时，在一定温度下，稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：

PA*=E·xA式中：PA*---溶质在气相中的平衡分压,KN/m2

xA---溶质在液相中的摩尔分率

E---享利系数，kN/m2

亨利定律的其它表示方法：6/8/202317ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论平衡溶解度

yA*==m·xA设：P---总压所以享利系数E、m之间的关系为：式中：yA*---溶质在气相的摩尔分率；

m---相平衡常数，无因次。则：如果气液两相的组成均以摩尔比表示时,则上式可写成：6/8/202318ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论平衡溶解度

整理后得到：

当溶液很稀时，XA很小，上式可简化得到：6/8/202319ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论相平衡关系的应用判断传质过程进行的方向：

设101.3kpa、20℃下，稀氨在水中的相平衡方程：ye==0.94x图5-5判断吸收过程的方向6/8/202320ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论相平衡关系的应用指明过程的极限：

图5-6指明吸收过程的极限6/8/202321ProcessSystemPrinciple

气液相平衡理论相平衡关系的应用计算过程的推动力：

图5-7计算吸收过程的推动力yA*xA*6/8/202322ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程相际传质过程的步骤：

吸收过程涉及两相间的物质传递。

传递过程包括三个步骤：

①溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递。

②溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；

③溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。物质传递机理：①分子扩散：浓度差。②涡流扩散：流体的宏观运动。6/8/202323ProcessSystemPrinciple

相际传质理论分子扩散分子扩散：当流体内部存在着某组分的浓度差时，由于物质分子无规则的热运动，该组分由浓度较高处转移到浓度较低处，这种传质方式称为分子扩散。

涡流扩散：是依靠流体质点的湍流流动和涡流运动将物质由高浓度处转移至低浓度处的现象。6/8/202324ProcessSystemPrinciple

相际传质理论对流扩散对流对传质的贡献：图5-12MN截面上可溶组分的浓度分布

1－静止流体；2－滞流；3－湍流对流传质：流动流体与相界面之间的物质传递称为对流传质。参见图5-12所示。6/8/202325ProcessSystemPrinciple

相际传质理论对流扩散对流传质速率：对流传质现象复杂，传质速率难以解析求得，必须依靠实验测得。气相与界面的传质速率式可写成：式中：p、pi--溶质A在气相主体与界面处的分压，kPa

；

Y、Yi--溶质A在气相主体与界面处的摩尔比；

kG--以分压差表示推动力的气相传质系数，

kmol/(s·m2·kPa)

kY--以摩尔比差表示推动力的气相传质系数，kmol/(s·m2)6/8/202326ProcessSystemPrinciple

相际传质理论对流扩散液相与界面的传质速率式可写成：式中：c、ci--溶质A的主体浓度和界面浓度，kmol/m3

；

X、Xi--溶质A在主体与界面处的摩尔比；

kL--以浓度差表示推动力的液相传质系数，m/s

；

kX--以摩尔比差表示推动力的液相传质系数，kmol/(s·m2)6/8/202327ProcessSystemPrinciple

相际传质理论对流传质理论有效膜理论：图5-13有效膜理论

②全部传质阻力集中与该两层静止膜中；

③膜中的传质是定态的分子扩散。

①

气液界面两侧各存在一层静止的气膜和液膜，其厚度为δG和δL；简化假设：6/8/202328ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程吸收过程的相际传质是由气相与界面的对流传质、界面上溶质组分的溶解、液相与界面的对流传质三个过程串联而成。图5-15相际传质6/8/202329ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程（1）相际传质过程的速率方程：气相传质过程的速率方程：液相传质过程的速率方程：界面上气体的溶解没有阻力，则界面上气液两相组成服从相平衡方程：对稀溶液，物系服从亨利定律：或在计算范围内，平衡线可近似作直线处理，即：6/8/202330ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程图5-16主体含量与界面含量的图示6/8/202331ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程传质速率可写成推动力与阻力之比：将上式最右端分子、分母均乘以m，将推动力加和以及阻力加和即得：6/8/202332ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程又：所以：其中：

KY---

称以气相摩尔比差（Y-YA*）为推动力的总传热系数，kmol/（s·m2）。同理：其中：

KX---

称以液相摩尔比差（XA*-X）为推动力的总传热系数，kmol/（s·m2）。6/8/202333ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程其中：（2）传质速率方程的各种表达形式即：吸收方程为：解吸方程为：6/8/202334ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程（3）传质阻力的控制步骤

气相阻力控制过程：当则表明易溶气体的液膜阻力很小，吸收过程的总阻力集中在气膜内，这种气膜阻力控制着整个吸收过程的速率的情况，称为气膜控制。6/8/202335ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程当则液相阻力控制过程：例题：总压为101.3kPa、温度为303K下用水吸收混合气中的氨，操作条件下的气液平衡关系为y＝1.20x。已知气相传质系数kY为5.31×104kmoI／(s·m2)，液相传质系数kX为5.33×103

kmol／(s·m2)，并在塔的某一截面上测得氨的气相摩尔比Y为0.05，液相摩尔比X为0.012。试求该截面上的传质速率及气液界面上两相的摩尔分数。当则6/8/202336ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程解：总传质系数：与实际液相组成成平衡的气相组成为：传质速率为：联立求解以下两式：6/8/202337ProcessSystemPrinciple

相际传质理论相际传质过程求出界面上两项含量为：气相传质阻力占总阻力的比例为：6/8/202338ProcessSystemPrinciple

吸收过程计算全塔物料衡算图5-17吸收塔内两项含量的变化图5-17为定态操作的填料吸收塔。其横截面面积为A，单位体积内具有的有效表面（吸收）为α（m2/m3）。混合气体自下而上流动，流率VB（kmol/s）；吸收剂自上而下流动，流率Ls（kmol/s）。

①溶质气相含量小于5％～10％；

②VB、Ls为常量；

③吸收过程是等温的；（1）低含量气体吸收的特点：VB,Y1YxVB,Y2Ls,x2Ls,x16/8/202339ProcessSystemPrinciple

吸收过程计算全塔物料衡算（3）全塔物料衡算：单位时间内吸收剂吸收的溶质的量为：定义吸收过程的吸收率为单位时间内在塔内被吸收的溶质的量GA与气相带入塔内的溶质的量VB×Y1的比值即：6/8/202340ProcessSystemPrinciple用上式可以计算塔底溶液的浓度，也或计算出塔气体的浓度，判断分离是否达到要求。（4）吸收过程操作线方程从塔的任意截面到塔底做物料衡算得：吸收过程计算逆流操作线方程将上式整理后得到：上式表示了在逆流操作的吸收塔内任一截面上气液两相内溶质组成的关系，称为吸收逆流操作线方程。6/8/202341ProcessSystemPrinciple

吸收过程计算逆流操作线方程在稳定操作中，该操作线方程在Y—X坐标系中是一条直线。它的斜率是Ls/VB，在Y轴上的截距是[Y1-（LS/VB)×X1]。对于吸收过程而言，它总是位于平衡线的上方。该直线的斜率Ls/VB称为吸收操作的液气比。图5-18逆流吸收的操作线6/8/202342ProcessSystemPrinciple

吸收过程计算吸收推动力从右侧图中可以看到，吸收塔中

每一个截面上的传质推动力是不同的，因此在进行全塔传质推动力计算时，不能用某一个截面上的推动力代替全塔的吸收推动力。若吸收平衡线是一条直线，则可以用进出口处的对数平均推动力来表示全塔吸收推动力。图5-18逆流吸收的操作线6/8/202343ProcessSystemPrinciple

吸收过程计算传质单元数计算方法

ΔY1—塔底气相推动力，ΔY1=Y1-Y1*

ΔY2—塔顶气相推动力，ΔY2=Y2-Y2*或

ΔX1—塔底液相推动力，ΔX1=X1-X1*

ΔX2—塔顶液相推动力，ΔX2=X2-X2*6/8/202344ProcessSystemPrinciple

吸收过程计算最小液气比吸收剂用量的选择和最小液气比：图5-22最小液气比6/8/202345ProcessSystemPrinciple

吸收过程计算最小液气比一般而言，最小液气比：当进口气体的组成一定，吸收剂的初始浓度一定时，出口气体中溶质的浓度取决于吸收剂的用量。用量越大，出口气体中溶质的浓度越小，反之，则越大。当吸收剂用量小到一定数量时，出口处吸收剂的浓度与气相中溶质的浓度成平衡，这是理论上吸收液能达到