吸收过程及设备的选择与操作

5.1概述5.1.1化工生产中的传质过程

5.1.2相组成表示法

5.1.3气体吸收过程5.1.1化工生产中的传质过程传质分离过程：依靠物质从一相到另一相传递过程，叫传质分离过程。传质分离依据：依据混合物中各组分在两相间平衡分配不同。（1）气体吸收

选择一定的溶剂（外界引入第二相）造成两相，处理气体混合物。

（2）液体蒸馏

对于液体混合物加热，使混合物内部造成两相，利用不同组分挥发性的差异，使得液体混合物得以分离。（3）固体干燥

对含一定湿分的固体提供一定的热量，使溶剂汽化，利用湿分压差，使湿分从固体表面或内部转移到气相，从而将含湿分的固体物料得以净化。5.1.2相组成表示法一、质量分数与摩尔分数质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分数。摩尔分数：在混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分数。气相：液相：质量分数与摩尔分数的关系：二、质量比与摩尔比质量比：混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比。摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩尔数之比。气相：液相：质量分数与质量比的关系：摩尔分数与摩尔比的关系：三、质量浓度与摩尔浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。质量浓度与质量分数的关系：摩尔浓度与摩尔分数的关系：c—混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3；

—混合物液相的密度，kg/m3。四、气体总压与理想气体中组分的分压总压与某组分分压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系:摩尔浓度与分压之间的关系:pA=pyA5.1.3气体吸收过程一、气体吸收的目的1.分离混合气体以获得一定的组分;2.除去有害组分以净化或精制气体;3.制备某种气体的溶液;4.工业废气的治理。二、吸收的依据混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。三、吸收过程及设备四、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五、吸收分类1.物理吸收和化学吸收；2.单组分吸收和多组分吸收；3.等温吸收和非等温吸收；3.高浓度吸收和低浓度吸收。选择原则：经济、合理。六、吸收剂的选择要求1.溶解度大；2.选择性高；3.再生容易；4.挥发性小；5.黏度低；6.化学稳定性高；7.腐蚀性低；8.无毒、无害、价廉等。5.2气液平衡5.2.1气液相平衡关系5.2.2相平衡关系在吸收过程中的应用5.2.1气液相平衡关系一、溶解度曲线平衡状态：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。饱和浓度：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。相律分析：

F＝C－

＋2=3－2+2=3当压力不太高、温度一定时

p*A

=f1（x）y*=f2（x）

p*A

=f3（cA）氨在水中的溶解度液相中氨的摩尔数气相中氨的分压60℃50℃40℃30℃20℃下SO2在水中的溶解度101.3kPa202.6kPaxyt=293KCO2NH310ncA,kmol/m3pA,kPa几种气体在水中的溶解度曲线讨论：（2）温度和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）p、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）相同的总压及摩尔分数，

cO2

<cCO2

<cSO2

<cNH3

氧气为难溶气体，氨气为易溶气体二、亨利定律1.亨利定律内容总压不高时，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数成正比，其比例系数为亨利系数。

——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——亨利常数，单位同压强单位。讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、T。物系一定，2）E大，溶解度小，难溶气体

E小，溶解度大，易溶气体3）E的来源：实验测得；查手册（1）2.亨利定律其他形式H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）cA——摩尔浓度，kmol/m3；

H与E的关系：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与E的关系：m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体2）（3）5.2.2相平衡关系在吸收过程中的应用一、判断过程进行的方向y

y*或x*

>x或

A由气相向液相传质，吸收过程平衡状态A由液相向气相传质，解吸过程吸收过程：y·Pyx··ABCxy*y*y二、指明过程进行的极限过程极限：相平衡1.逆流吸收，塔高无限2.逆流吸收，塔高无限V，y2V，y1L，x2L，x1三、确定过程的推动力1.吸收过程推动力的表达式、y-

y*、x*

-x、2.在X～Y图上·APYY*XX*、Y-

Y*【例5-1】某系统温度为10℃，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气？=101.3×0.21=21.27kPa查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为1×106kPa。3.57×10-4kmol/m3

W=3.57×10-4×32×1000=11.42g/m3CA=HpA*【例5-2】在总压101.3kPa，温度30℃的条件下,SO2摩尔分数为0.3的混合气体与SO2摩尔分数为0.01的水溶液相接触，试问：（1）SO2的传质方向；（2）其他条件不变，温度降到0℃时SO2的传质方向；（3）其他条件不变，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分数差及气相摩尔数差表示的传质推动力。5.3.1分子扩散5.3.2单相分子扩散5.3.3单相对流传质5.3.4界面上的浓度5.3分子扩散与单相传质吸收过程：

（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；对流扩散分子扩散现象：一、分子扩散与菲克定律5.3.1分子扩散分子扩散：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。扩散通量：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，以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。JA——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理想气体：=5.3.2单相分子扩散分子扩散两种形式：等摩尔反向扩散，单向扩散。一、等摩尔反向扩散及速率方程

1.等摩尔反向扩散JAJBTppA2pB2TppA1pB112等摩尔反向扩散：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=D2.等分摩尔反向扩散传质速率方程传质速率定义：任一固定的空间位置上，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：3.讨论（1）（2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp（3）等摩尔反向扩散发生在蒸馏过程中。二、单向扩散及速率方程1.总体流动：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，使得混合物向界面处的流动。12JAJBNMcA/cNMcB/c总体流动NMNA2.总体流动的特点：（1）因分子本身扩散引起的宏观流动。（2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分数。3.单向扩散传质速率方程——微分式在气相扩散——积分式——积分式——积分式液相：4.讨论（1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系（2）、——漂流因数，无因次漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。（3）单向扩散体现在吸收过程中。三、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；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/s【例5-3】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。z空气丙酮5.3.3单相对流传质一、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，这种现象称为涡流扩散。——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：TTWtWt热流体冷流体

T

tpApAicAicA气相液相

G

LE二、有效膜模型1.单相内对流传质过程（1）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。2.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。三、单相对流传质速率方程1.气相对流传质速率方程有效膜厚δG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δG为E到相界面的垂直距离。——以分压差表示推动力的气相传质分系数，kmol/(m2·s·kPa）。=传质系数×吸收的推动力气相对流传质速率方程有以下几种形式：——以气相摩尔分率表示推动力的气相传质分系数，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）；

各气相传质分系数之间的关系：带入上式与比较2.液相对流传质速率方程液相传质速率方程有以下几种形式：kL——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相对流传质分系数，m／s；——以液相组成摩尔分率表示推动力的液相对流传质分系数，kmol/（m2·s）；液相传质分系数之间的关系：注意：对流传质系数=f(操作条件、流动状态、物性）——以液相摩尔比差表示推动力的液相传质分系数，

kmol/（m2·s）

5.3.4界面上的浓度定态传质=f（cAi）、cAi

一、一般情况二、平衡关系满足亨利定律、cAi

三、图解I（pAi，cAi）操作点OI（界面）cA/kmol/m3cApA/kPa05.4对流传质5.4.1两相对流传质模型5.4.2总传质速率方程5.4.3传质阻力与传质速率的控制5.4.1两相对流传质模型相际对流传质三大模型：双膜模型溶质渗透模型表面更新模型一、双膜模型pApAicAicA气相液相

G

LE二、双膜模型的基本论点（假设）

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5.4.2总传质速率方程

一、用气相组成表示吸收推动力——以气相分压差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s·kPa）；——以气相摩尔分数差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；——以气相摩尔比的差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；二、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，m/s；——以液相摩尔分数差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；——以液相摩尔比的差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；根据双膜理论系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线三、总传质系数与单相传质分系数之间的关系同理：用类似的方法得到四、总传质系数之间的关系

5.4.3传质阻力与传质速率的控制一、传质阻力相间传质总阻力=液相(膜)阻力+气相(膜)阻力注意:传质系数、传质阻力与推动力一一对应。二、传质速率的控制步骤1.气膜控制气膜控制：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较大，易溶气体气膜控制的特点：.pAGIpAicAcAi提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。2.液膜控制液膜控制：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较小，难溶气体.提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。同理：气膜控制：液膜控制：m小，易溶气体m大，难溶气体【例5-4】110kPa下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨0.03摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的氨水接触，已知气相传质系数kG=5×10-9kmol/(m2·s·Pa)，液相传质系数kL=1.5×10-4m/s，氨水的平衡关系可用亨利定律表示，H=7.3×10-4kmol/(m3·Pa)，试计算：（1）气液界面上的两相组成；（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总推动力、总传质系数、传质速率；（3）以摩尔分数差表示总推动力的气相总传质系数；（4）气膜与液膜阻力的相对大小。5.5吸收塔的计算5.5.1物料衡算与操作线方程5.5.2吸收剂用量的确定5.5.3填料层高度的计算5.5.4吸收塔的计算操作型：核算；操作条件与吸收结果的关系。计算依据：物料恒算；相平衡；吸收速率方程。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。5.5.1物料衡算与操作线方程一、物料衡算定态，假设S不挥发，B不溶于S全塔范围内，对A作物料衡算：VY1+LX2=VY2+LX1

V（Y1－Y2）=L（X1－X2）V，Y2V，Y1L，X2L，X2X1=X2＋V（Y1－Y2）/L二、操作线方程式及操作线1.逆流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX2=VY2+LXY2=Y1（1－

）

——A被吸收的百分数，称为回收率或吸收率。同理：逆流吸收操作线具有如下特点：XY1Y2X1X2ABY（3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。（2）操作线通过塔顶（稀端）A（X2，Y2）及塔底（浓端）B（X1，Y1）;（1）定态，L、V、Y1、X2恒定，操作线在X～Y

坐标上为一直线，斜率为L/V。L/V为吸收操作的液气比；（5）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；（4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平衡线OE下方。XABYK.YXX*Y*2.并流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX=VY2+LX2Y1Y2X2X1ABXY逆流与并流的比较：1）逆流推动力均匀，且2）Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相遇有利于提高X1；X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相遇有利于降低Y2。逆流与并流操作线练习Y3X2X1Y1Y2X2Y2X3CDABY1Y2Y3X1X2X3CDAB5.5.2吸收剂用量的确定B1Y1Y2ABOEXYX2X1X*1P一、最小液气比最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。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。平衡关系符合亨利定律时：2.平衡曲线为凸形曲线情况二、操作液气比【例5-5】某矿石焙烧炉排出含SO2的混合气体，除SO2外其余组分可看作惰性气体。冷却后送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的SO2。吸收塔的操作温度为20℃，压力为101.3kPa。混合气的流量为1000m3/h，其中含SO2体积百分数为9%，要求SO2的回收率为90%。若吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算：（1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成X1；（2）当用含SO20.0003（摩尔比）的水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？已知101.3kPa，20℃条件下SO2在水中的平衡数据与Y1相平衡的液相组成=0.0032

5.5.3填料层高度的计算一、传质单元数法

1.塔高计算基本关系式单位时间，dZ内吸收A的量：——塔截面积，m2;GA——A的流率，kmol/(m2·s)；G——混合气体流率，kmol/(m2·s)；L——吸收剂流率，kmol/(m2·s)。ZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1a——单位体积填料的有效传质面积，m2。填料层高度同理：——气相总体积传质系数，kmol/（m3·s）

——液相总体积传质系数，kmol/（m3·s）

填料层高度可用下面的通式计算：Z=传质单元高度×传质单元数体积传质系数的物理意义：在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。

2.传质单元数与传质单元高度

以为例（1）传质单元数、—液相总传质单元高度、总传质单元数；——气相传质单元高度、传质单元数；——液相传质单元高度、传质单元数。—气相总传质单元高度、总传质单元数；定义：气相总传质单元数传质单元数的意义：反映了取得一定吸收效果的难易程度。气体流经一段填料，溶质组成变化（Y1－Y2）等于该段填料平均吸收推动力（Y－Y*）m时，该段填料为一个传质单元。（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。传质单元高度影响因素：填料性能、流动状况体积总传质系数与传质单元高度的关系:

传质单元高度变化范围：0.15～1.5m。各种传质单元高度之间的关系：设平衡线斜率为m

同理：比较上式：3、传质单元数的计算（1）对数平均推动力法气液平衡线为直线操作线也为直线=Y－Y＊=AY+B

同理：注意：1）平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。=

2）平衡线与操作线平行时，3）当、时，对数平均推动力可用算术平均推动力。（2）吸收因数法平衡线为通过原点的直线，服从亨利定律

逆流为例：S——解吸因数（脱吸因数）讨论：m、y1、X2、S一定时：

注意：图的适用范围为>20及S<0.75。

1）的意义：反映了A吸收率的高低。

2）参数S的意义：反映了吸收过程推动力的大小，其值为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值。

S范围在0.7～0.83）4）——吸收因数（3）数值积分法平衡线为曲线时，图解积分法步骤如下：1）操作线上任取一点（X,Y），其推动力为(Y-Y*)。2）系列Y～作图得曲线。3）积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。Y1Y2oE二、等板高度法理论级:不平衡的气液两相在一段填料层内相互接触，离开该段填料的气液两相达到相平衡，此段填料为一个理论级。Z=HETP×NT

NT——完成分离任务，所需的理论级数；HETP——等板高度。等板高度：分离效果达到一个理论级所需的填料层高度。5.5.4

吸收塔的计算命题：物系、操作条件一定，计算达到指定分离要求所需塔高。分离要求：残余浓度Y2或溶质的回收率

一、设计型1.流向的选择

逆流特点：1)逆流推动力大，传质速率快；2）吸收液的浓度高；3）溶质的吸收率高；4）液体受到上升气体的曳力，限制了液体流量和气体流量。2、吸收剂进口浓度的选择及其最高允许浓度3、吸收剂流量的确定【例5-6】空气中含丙酮2%（体积百分数）的混合气以0.024kmol/(m2·s)的流率进入一填料塔，今用流率为0.065kmol/(m2·s)的清水逆流吸收混合气中的丙酮，要求丙酮的回收率为98.8%。已知操作压力为100kPa，操作温度下的亨利系数为177kPa，气相总体积吸收系数为0.0231kmol/(m3·s)，试用解吸因数法求填料层高度。【例5-7】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质量流量为1400kg/h，气体总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.333kPa。若实际吸收剂用量为最小用量的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。

二、吸收塔的操作型计算命题：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。

1.定性分析【例5-8】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何变化？（已知体积传质系数随流量变化关系为）

定性分析步骤：1）根据条件确定HOG、S；2）利用Z=NOG·HOG，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。

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？【例5-9】某填料吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮—空气混合气中的丙酮，操作液气比为2.0，丙酮的回收率为95%。已知该吸收为低浓度吸收，操作条件下气液平衡关系为，吸收过程为气膜控制，气相总体积吸收系数与气体流率的0.8次方成正比。（塔截面积为1㎡）（1）若气体流量增加15%，而液体流量及气、液进口组成不变，试求丙酮的回收率有何变化？（2）若丙酮回收率由95%提高到98%，而气体流量，