吸收技术-吸收基础知识

Contents目1

认识气体吸收过程2认识填料吸收塔3吸收基础知识4吸收工艺条件的确定录化工单元操作技术吸收技术5填料吸收塔的设计与计算化工单元操作技术吸收技术吸收过程的相平衡关系

化工单元操作技术吸收技术（一）气体的溶解度气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。化工单元操作技术吸收技术在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系。平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如果要使一种气体在溶液中达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解度增高。化工单元操作技术吸收技术溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。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)。化工单元操作技术吸收技术

当总压不高时,在一定温度下,稀溶液上方气体溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比。表达式为:亨利定律——亨利定律式中：pA*——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，kPa。化工单元操作技术吸收技术E:亨利系数，由实验测定，单位与压强单位一致。T

E

溶解度。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；E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；E的单位与气相分压的压强单位一致。化工单元操作技术吸收技术

当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有y*——与组成为x的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；c——溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；m——相平衡常数；H——溶解度系数；kmol/(m3

kPa)；三个比例系数之间的关系：化工单元操作技术吸收技术

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很小时化工单元操作技术吸收技术亨利定律的不同表达形式p*=c/Hy*=mxm:相平衡常数H：溶解度系数，单位kmol/(kN·m)，H=

/Ems摩尔分数：摩尔分数是指在混合物中某组分的摩尔数nA占混合物总摩尔数n的分率。

液相：气相：化工单元操作技术吸收技术Y*=mX

摩尔比是指混合物中某组分A的摩尔数与惰性组分B的摩尔数之比。摩尔分数与摩尔比的关系为化工单元操作技术吸收技术相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和(x<x*)，故液相有吸收溶质A的能力。相对于液相浓度x而言，气相浓度为过饱和(y>y*)，溶质A由气相向液相转移。气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。1、判断过程进行方向相平衡与吸收的关系化工单元操作技术吸收技术相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(x>x*)，故液相有释放溶质A的能力。相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和(y<y*)，溶质A由液相向气相转移。气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。化工单元操作技术吸收技术相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质A。相对于液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质A不发生转移。气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。化工单元操作技术吸收技术例在常压101.33kPa，温度25℃下，溶质组成为0.05(摩尔分数)的CO2-空气混合物与浓度为1.1×10-3kmol/m3的CO2水溶液接触，试判断传质方向。已知常压，25℃下CO2在水中的亨利系数E为1.660×105kPa解：将亨利系数换算为相平衡常数，即实际溶液中溶质的摩尔分数为：判断传质方向，由液相分析：故CO2由气相传递到液相，进行吸收。由气相分析：结论同上，该过程为吸收。化工单元操作技术吸收技术2、计算过程推动力吸收塔VY1LX1VY2LX2(X,Y)X*-XY-Y*(X`,Y`)XYXYY*X*Y`*X`Y`X`*Y`*-YX`-X`*化工单元操作技术吸收技术3、判断过程进行极限吸收塔VY1LX1VY2LX2设塔足够高，则：L减小，X1增大，X1max=X1*=Y1/m;L增大，Y2减小，Y2min=Y2*=mX2Contents目1

认识气体吸收过程2认识填料吸收塔3吸收基础知识4吸收工艺条件的确定录化工单元操作技术吸收技术5填料吸收塔的设计与计算化工单元操作技术吸收技术

吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：(1)溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2)溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3)溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。吸收传质机理

化工单元操作技术吸收技术

在一相内部有浓度差的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象，可由菲克定律描述。DAB:扩散系数,m2/s；dCA/dz:物质A的浓度梯度,kmol/m4;JA:分子扩散通量，kmol/(m2·

s)（一）传质基本方式1、分子扩散菲克定律：化工单元操作技术吸收技术凭藉流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。发生在流动着的流体与相界面之间的传质过程。2、涡流扩散3、对流传质在滞流内层主要是分子扩散；在过渡层既有分子扩散，也有对流扩散；在湍流主体中主要是对流扩散。化工单元操作技术吸收技术1.气液两流体相接触处为相界面，其两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜，可以认为它们是由气液两流体的滞流层组成，即虚拟的层流膜层，吸收质以分子扩散方式通过这两个膜层。2.全部浓度变化集中在这两个膜层内。3.在相界面处，气液浓度达成平衡，即界面上没有阻力。（二）双膜理论通过以上假设，就把整个吸收过程简化为吸收质经过双膜层的过程，吸收阻力就是双膜的阻力。故该理论又称为双膜阻力理论。化工单元操作技术吸收技术双膜理论双膜模型的基本假设：（1）相互接触的气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧分别存在着稳定的气膜和液膜。膜内流体流动状态为层流，溶质A以分子扩散方式通过气膜和液膜，由气相主体传递到液相主体。（2）相界面处，气液两相达到相平衡，界面处无扩散阻力。（3）在气膜和液膜以外的气液主体中，由于流体的充分湍动，溶质A的浓度均匀，溶质主要以涡流扩散的形式传质。化工单元操作技术吸收技术

两相相内传质速率可用下面的形式表达为：DG、DL——溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；P/pBm——气相扩散漂流因子；cm/cBm——液相扩散漂流因子；

1、

2——界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。

双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。化工单元操作技术吸收技术按双膜理论，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；Contents目1

认识气体吸收过程2认识填料吸收塔3吸收基础知识4吸收工艺条件的确定录化工单元操作技术吸收技术5填料吸收塔的设计与计算化工单元操作技术吸收技术吸收速率

吸收设备中进行的传质过程为吸收过程，其传质速率即为吸收速率，所对应的传质速率方程即为吸收速率方程。气体吸收因过程的复杂性，传质速率(吸收速率)一般难以理论求解。根据推动力及阻力可写出速率关系式，单独根据气膜或液膜的推动力及阻力写出的速率关系式称为气膜或液膜吸收速率方程式，相应的吸收系数称为膜系数或分系数，用k表示，与传热中的对流传热系数相当。化工单元操作技术吸收技术传质速率方程——气相(气膜)传质速率方程

对于稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程(总传质速率方程)。类似于间壁式对流传热速率方程。由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。——液相(液膜)传质速率方程化工单元操作技术吸收技术1.气相传质速率方程kg—推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(s

m2

kPa)；ky—推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，kmol/(s

m2)；kY—推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/(s

m2)；p、y、Y—溶质A在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；pi

、yi、Yi—溶质A在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比。气相传质速率方程常用的表达形式有三种化工单元操作技术吸收技术

不同形式的传质速率方程物理意义一样，都代表单位时间内通过单位界面面积传递的溶质A的量；传质系数与传质推动力的表达方式有关，其倒数表达的是气相传质阻力；注意：不同单位的传质系数数值不同，但可根据组成表示法的相互关系进行换算。例：当气相总压不很高时，根据道尔顿分压定律p=Py，有对

y值较小的低浓度吸收：1.气相传质速率方程化工单元操作技术吸收技术2.液相传质速率方程液相传质速率方程常用的表达形式也有三种kc—推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；kx—推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/(s

m2)；kX—推动力为摩尔比之差的液相传质系数，kmol/(s

m2)；c、x、X—溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度；ci、xi、Xi—溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度。化工单元操作技术吸收技术

三个液相传质系数的倒数也分别为传质推动力以不同组成表示法表达时的液相传质阻力。同样，根据各种表示法的相互关系可推得式中cm为液相的总摩尔浓度。液相浓度很低时：2.液相传质速率方程化工单元操作技术吸收技术3.相界面的浓度

在气、液两相内传质速率的计算中，推动力项中含有溶质在相界面的浓度yi和

xi，可用计算方法或作图法得出。计算法：对稳定的吸收过程，气、液两相内传质速率应相等。若两相浓度均以摩尔分数表示，有当kx和ky为定值时，在直角坐标系中yi~xi关系是一条过定点（x,y）而斜率为-kx/ky的直线。根据双膜理论，界面处yi~xi应满足相平衡关系：若已知相平衡关系式以及气、液相传质系数ky、kx，将上两式联立就可求得当气、液相主体摩尔分率为y、x时所对应的界面处气、液相摩尔分率yi、xi。化工单元操作技术吸收技术作图法：yi、xi为直线与平衡线的交点坐标，直线上A点坐标为与之对应的气、液主体流的摩尔分数y、x。3.相界面的浓度化工单元操作技术吸收技术4.总传质速率方程

传递过程的阻力具有加和性。若以双膜理论为依据，则吸收过程的传质总阻力是气相传质阻力与液相传质阻力之和(相界面无阻力)。总传质速率为总传质推动力(y-y*)与总的传质阻力(1/Ky)之比。相平衡关系为直线对稀溶液，物系的相平衡关系服从亨利定律y*=mx。气相：液相：相际：比较可得：化工单元操作技术吸收技术以气相为基准的总传质速率方程Ky是以(y-y*)为推动力的总传质系数，单位为kmol/(s

m2)，其倒数为气、液两相传质总阻力。

总传质系数Ky（相际传质系数）与相内传质系数kx、ky的关系式，实质表达了总传质阻力1/Ky等于气相传质阻力1/ky与液相传质阻力m/kx之和。4.总传质速率方程化工单元操作技术吸收技术如将yi=mxi和y=mx*代入式，可得气相：液相：相际：比较可得：以液相为基准的总传质速率方程Kx是以(x*-x)为推动力的总传质系数，单位为kmol/(m2

s)。1/Kx代表了以液相为基准的吸收传质过程的总传质阻力，是以液相为基准的气、液两相相内传质阻力之和。4.总传质速率方程化工单元操作技术吸收技术对易溶气体，平衡常数m值小，平衡线很平，这时：传质阻力主要集中在气相