第五章-气体吸收1课件

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2023/12/61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2023/12/62一、吸收过程与设备2023/12/63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2023/12/64二、气体操作的应用（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。吸收的依据混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。2023/12/65（2）选择性高；（3）再生容易；（4）挥发性小；（5）粘度低；（6）化学稳定性高；（7）腐蚀性低；（8）无毒、无害、价廉等。选择原则：经济、合理。（1）溶解度大；三、吸收剂的选择2023/12/66（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（4）高浓度吸收和低浓度吸收四、吸收过程的分类2023/12/67第二节吸收过程的气液相平衡关系

一、气体在液体中的平衡溶解度

二、亨利定律

三、气液相平衡关系在吸收中的应用2023/12/68一、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。饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。2023/12/69平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。平衡状态的因素

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

）2023/12/610氨在水中的溶解度2023/12/61120℃下SO2在水中的溶解度2023/12/612几种气体在水中的溶解度曲线2023/12/613讨论：（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）相同的总压及摩尔分率，

cO2<cCO2<cSO2<cNH3氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体2023/12/614（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2023/12/615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。2023/12/6161）（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与E的关系：2023/12/617H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。2023/12/618m与E的关系：m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体

2）2023/12/6193）2023/12/620三、相平衡关系在吸收中的应用（一）判断过程进行的方向pA

pA*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：2023/12/621y·Pyx··ABCxy*y*y2023/12/622（1）逆流吸收，塔高无限，V，y2V，y1L，x2L，x1（2）逆流吸收，塔高无限，净化气体为目的：制取液相产品为目的：（二）指明过程进行的极限过程极限：相平衡。2023/12/623（2）在x～y图上·APyy*xx*（三）确定过程的推动力（1）吸收过程推动力的表达式

y-y*或x*

-x或2023/12/624练习：在操作条件25℃、压力为101.3kPa下，，用CO2含量为0.0001（摩尔分数）的水溶液与含CO210%（体积分数）的CO2的空气混合气在一容器充分接触。（1）判断CO2的传质方向，且用气相摩尔分数表示过程的推动力；（2）设压力增加到506.5kPa，则CO2的传质方向如何？并用液相分数表示过程的推动力。2023/12/625第三节单相内传质一、

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、等摩尔反向扩散三、组分A通过静止组分B的扩散（单向扩散）五、单相内对流传质2023/12/626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；对流传质。2023/12/627分子扩散：在静止或层流流体内部，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（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，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2023/12/628JA——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2023/12/629理想气体：=分子扩散两种形式：等摩尔反向扩散，组分A通过静止组分B的扩散（单向扩散）。2023/12/630JAJBTPCA2CB2TPCA1CB112二、等摩尔反向扩散2023/12/631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。

总浓度一定=2023/12/632

JA=－JB

DAB=DBA=D等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=液相：2023/12/633讨论1）NA=气相：2023/12/6342）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。3）等摩尔反方向扩散发生在蒸馏过程中。ccB1cA1cA2cB2扩散距离z0zc2023/12/63512JAJBNMcA/cNMcB/cNMNA（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。（2）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率。三、组分A通过静止组分B的扩散（单向扩散）2023/12/636——微分式2023/12/637在气相扩散——积分式——积分式——积分式液相：2023/12/638（4）讨论1）、——漂流因子或移动因子，无因次2023/12/639漂流因子意义：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。漂流因子的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。3）单向扩散体现在吸收过程中。2023/12/640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2023/12/641（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/s2023/12/642五、单相内的对流传质涡流扩散：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。2023/12/643——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：2023/12/644TTWtWt热流体冷流体pAGpAicAicAL气相液相zTztzGzLE（一）单相内对流传质的有效膜模型单相内对流传质过程2023/12/6451）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。2023/12/646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。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。2023/12/647——以分压差表示推动力的气膜对流传质系数，

kmol/（m2·s·kPa）。=传质系数×吸收的推动力（二）气相传质速率方程2023/12/648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膜传质分系数，kmol/（m2·s）；各气相传质分系数之间的关系：带入上式与比较2023/12/649液相传质速率方程有以下几种形式：（二）液相传质速率方程2023/12/650kL——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜对流传质分系数，kmol/（m2·s·kmol/m3）；——以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜对流传质分系数，kmol/（m2·s）；各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）2023/12/651六、两相间传质的双模理论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）双膜理论pAGpAicAicAL气相液相zGzLE2023/12/652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2023/12/653（一）气相传质速率方程——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）；——以气相摩尔比差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；七、总传质速率方程2023/12/654（二）液相总传质速率方程

——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）；——以液相摩尔比差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；2023/12/655根据双膜理论（三）总传质系数与单相传质分系数之间的关系系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线2023/12/656（四）总传质系数之间的关系

2023/12/657（五）传质速率的控制相间传质总阻力=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。1.传质阻力2023/12/6582.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：.pAIpAicAcAi2023/12/659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.2023/12/660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2023/12/661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、吸收塔的操作计算五、解吸塔的计算2023/12/662传质设备：2023/12/663操作型：核算；操作条件与吸收结果的关系。计算依据：物料衡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2023/12/664一、物料衡算与操作线方程物料衡算定态，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+LX1V（Y1－Y2）=L（X1－X2）V,Y2V,Y1L,X2L,X1

——A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。2023/12/665X1=X2＋V（Y1－Y2）/L操作线方程式及操作线逆流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX2=VY2+LXY2=Y1（1－

）2023/12/666同理：逆流吸收操作线具有如下特点：XY1Y2X1X2ABY2023/12/6673）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；2023/12/6685）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*2023/12/669二、吸收剂的用量最小液气比B1Y1Y2ABOEXYX2X1X*1P2023/12/670（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2023/12/671X*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2023/12/6722023/12/673（二）操作液气比2023/12/674三、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：

——塔截面积，㎡;GA——A的流率，kmol/(s)；G——惰性气体流率，kmol/(s)；L——吸收剂流率，kmol/(s)。2023/12/675a——单位体积填料的有效传质面积，㎡/m3。填料层高度2023/12/676同理：2023/12/677——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。

（二）传质单元数与传质单元高度

2023/12/678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2023/12/679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。2023/12/680（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:2023/12/681传质单元高度变化范围：0.10～1.0m。各种传质单元高度之间的关系平衡线斜率为m

2023/12/682同理：比较上式：（三）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2023/12/683同理：2023/12/684平衡线与操作线平行时，当、时，对数平均推动力可用算术平均推动力。注意：平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。2023/12/6852.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：2023/12/686S——解吸因数（脱吸因数）2023/12/687注意：图的适用范围为<0.05及S<1。

3.图解积分法平衡线曲线时图解积分法步骤如下：2023/12/688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。2023/12/689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2023/12/690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、2023/12/691NOG不变2023/12/692（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’X22023/12/693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？2023/12/694解：（1）（2）2023/12/695（3）2023/12/696

19×0.30=5.7mZ需要=5.7m<Z实际＝7m，故该塔合适2023/12/697解吸过程：溶质从吸收液中分离出的操作，称为解吸。解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生循环使用。五、解吸塔的计算（一）解吸条件及传质方向传质方向：溶质由液相向气相传递。或条件：或或推动力：或2023/12/6981．气提解吸：2．减压解吸：3．加热解吸：（二）解吸方法或解吸能耗大，整个吸收过程的能耗主要在解吸。2023/12/699（三）解吸塔的计算（解吸塔塔高及载气量）G,Y1G,Y2L，X1,L,X2V,YL,X,1.物料衡算与操作线方程G（Y1

－Y2）=L（X1

－X2

）全塔物料衡算：操作线：L—吸收液流量，kmol/m2·s;G—载气流量，kmol/m2·s;2023/12/6100BY2X2X1AY1Y*=f(X)A*2023/12/61012.最小气液比和载气流量的确定

物系和操作条件一定，完成一定分离任务,推动力为零,塔高无穷大时对应的气液比为最小气液比。以表示。对应的气体用量为最小用量，记作Gmin。