第4章-气体吸收

第4章吸收1、掌握的内容相组成的表示法及换算；亨利定律各种表达式及相互间的关系；分子扩散、菲克定律及其在等分子反向扩散和单向扩散的应用；对流传质概念；双膜理论要点；吸收的物料衡算、操作线方程及图示方法；最小液气比概念及吸收剂用量的确定；填料层高度的计算，传质单元高度与传质单元数的定义、物理意义，传质单元数的计算（平推动力法和吸收因数法）；吸收塔的设计计算本章学习要求本章学习要求2、熟悉的内容各种形式的传质速率方程、传质系数和传质推动力的对应关系；各种传质系数间的关系；气膜控制与液膜控制；吸收剂的选择；吸收塔的操作型分析；解吸的特点及计算。3、了解的内容分子扩散系数及影响因素；塔高计算基本方程的推导。

一、什么是吸收？4.1概述吸收：溶质——气相液相解吸（脱吸）：溶质——液相气相溶质——A；惰性气体——B（未溶解的组份）；S——溶剂；吸收液——S+A；吸收尾气——（A）+B。二、吸收的目的1．制取产品

例如，用94.3%的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化氢制取37%的工业盐酸，用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。2．从气体中回收有用的组分例如，用硫酸从废气中回收氨生成硫酸铵；用洗油从煤气中回收粗苯等。3．除去有害组分以净化气体主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶炼废气脱SO2等。4.1概述三、吸收的依据为达到吸收分离气体混合物的目的，要用什么物质（溶剂，吸收剂），其分离的依据是什么？气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度不同，若各组分在吸收剂中的溶解度差异越大，吸收的选择性越好例如欲分离氨气＋空气的混合物，可选择水做溶剂，因为氨水在水中的溶解度很大，而空气几乎不溶于水。

密闭容器水（溶剂）

氨气(浓度高)＋空气(惰性气体)(溶质，被吸收组分)氨气（浓度低）＋空气

总压溶质（A）分压与溶液中A的浓度成平衡的气相分压

吸收，解吸，平衡，

——吸收总推动力图4-1四、吸收分类五、吸收设备和流程板式塔和填料塔

2．吸收流程(3)吸收剂在吸收塔内再循环流程(4)吸收-解吸流程从合成氨原料气中回收CO2的流程

在工业上，两种形式的塔设备大多情况均为连续操作，即设备内的参数都不随时间变化，称为定态连续过程。当然也可以间歇操作的非定态过程，很少见，故后面除特殊说明外，均指连续定态操作。

采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题：

①选择合适的溶剂，能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分；

②提供适当的传质设备（多为填料塔，也有板式塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气相转移到液相（吸收）或液相转移到气相(解吸)；

③溶剂的再生，即脱除溶解于其中的被分离组分以便循环使用。除了直接制取溶液产品只需单独吸收外，一般都要进行解吸操作，使溶剂再生循环使用。

总之，一个完整的吸收分离过程一般包括吸收和解吸两个组成部分。

溶剂的选择

①溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡分压要低。这样，从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需溶剂量较少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；就过程速率而言，溶质平衡分压↓，过程推动力大，传质速率快，所需设备尺寸小。

②溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。

③溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。

④溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质

⑤溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；

⑥溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。

⑦溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。

吸收操作的经济性

吸收总费用＝设备(塔、换热器等)折旧费

＋操作费(占比重大)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溶剂的再生费用，即解吸操作费用

(在三者中占比例最大)。本章所作的基本假定

①单组分吸收,其余组分可视为一个惰性组分。②溶剂的蒸汽压很低，因此气相中不含溶剂蒸汽。4.2气液相平衡

吸收（传质）与传热两个过程的相似处：传热与吸收过程均由三步构成（解释三步相似），但两个过程也有不同处：传热的推动力是两流体的温度差，过程的极限是两流体的温度相等；吸收的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相的浓度相等。这是由于气液之间的相平衡不同于冷热流体之间的热平衡，气液相平衡关系是吸收过程的重要基础，4.2.1平衡溶解度

在一定的温度T与总压P下，使一定量的溶剂与溶质接触，溶质便由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时液相中溶质达到饱和，浓度达到一最大限度Xe（为液相中溶质A的摩尔分数，下标e代表平衡），这时称气液两相达到相平衡，称为平衡溶解度，简称为溶解度

注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是停止了。这种状态称为相际动态平衡，简称相平衡。

4.2.1平衡溶解度

溶质在气、液相间的平衡关系是分析判断溶质在相间传递过程中的方向、极限以及确定传递过程推动力大小的依据。总压P不很高时，溶解度只取决于该气体在气相中的分压，与P无关。溶解度曲线与物系、温度、压力等因素有关，

溶解平衡——动态平衡气相分压——平衡分压（饱和分压）；液相中溶质的组成——平衡组成（溶解度：以单位质量（体积）溶剂中的溶质）

图4-5几种气体在水中的溶解度曲线易溶气体溶解度大的气体如NH3难溶气体溶解度小的气体如O2、CO2

溶解度适中的气体介乎其间的如SO2

2）一定温度下，气体溶解度随气相分压增加而增大；3）稀溶液的溶解度曲线为直线。1）同样温度、压力下，不同物质的溶解度不同；加压对吸收过程有利。结论：加压和降温有利于吸收操作过程；而减压和升温则有利于解吸操作过程。4.2.1平衡溶解度

亨利定律总压不高（不超过5×105Pa）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。4.2.1平衡溶解度

为溶液的总摩尔浓度，

1.判别过程的方向①y>ye或x<xe

吸收（Pe>PA吸收）y<ye或x>xe

解吸（PA<Pe

解吸）4.2.2相平衡和吸收过程的关系4.2.2相平衡吸收过程的关系

2.指明过程的极限

3.计算过程的推动力

推动力y-ye

或xe-x

注意推动力不等于y-x！【例】在总压101.3kPa，温度30℃的条件下,SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问:1.从液相分析SO2的传质方向；2.从气相分析，其它条件不变，温度降到0℃SO2的传质方向；3.其它条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔分率差表示的传质推动力。解：(1)查得在总压101.3kPa，温度30℃条件下SO2在水中的亨利系数E=4450kPa

所以

47.44

从液相分析<x=0.01故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。（2）查得在总压101.3kPa，温度0℃的条件下，SO2在水中的亨利系数E=1670kPa从气相分析y*=mx=16.49×0.01=0.16<y=0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。=16.49（3）在总压202.6kPa，温度30℃条件下，SO2在水中的亨利系数E=4450kPa从气相分析y*=mx=23.94×0.01=0.24<y=0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。

=23.94

以液相摩尔分数表示的吸收推动力为:∆x=x*－x=0.0125－0.01=0.0025以气相摩尔分数表示的吸收推动力为:∆y=y

－

y*=0.3－0.24=0.06结论：1.降低操作温度，E

、m，溶质在液相中的溶解度增加，有利于吸收；2.压力不太高时，P,E变化忽略不计；但m使溶质在液相中的溶解度增加，有利于吸收。4.3吸收速率

吸收过程涉及两相间的物质传递，它包括三个步骤：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。

通常，第②步即界面上发生的溶解过程很容易进行，其阻力很小，故认为相界面上的溶解推动力亦很小，

无论是气相还是液相，物质传递的机理包括以下两种。

⑴分子扩散。类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。本章仅讨论因浓度梯度而造成的分子扩散速率。发生在静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。

⑵对流传质。是凭藉流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为对流传质。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是对流传质。

⑴费克定律只要流体内部有浓度梯度，就会产生分子扩散，在恒温恒压下，一维分子扩散速率可用费克定律表达如下：

浓度梯度指向浓度增加的方向，而扩散向浓度降低的方向进行，故式中加－负号。DAB为组分A在双组分混合物A、B中的扩散系数。

总浓度层流气层（气膜）气相主体液相主体4.3.2扩散系数

扩散系数是物质的一种传递性质。它在传质中的作用与导热系数在传热中的作用相类似，但比导热系数更为复杂：一种物质的扩散总是相对于其他物质而言的，所以它至少要涉及两种物质，同一组分在不同混合物中的扩散系数是不一样的；扩散系数还与体系的温度、总压（气相）或浓度（液相）有关。目前，扩散系数可由以下3种途径获得：①由试验测得。试验测定是求物质扩散系数的根本途径②从现有的手册中查得。③

借助某些经验的或半经验的公式进行估算（查不到D又缺乏进行试验测定的条件时）。

4.3.2扩散系数

(1)

组分在气体中的扩散系数表4-1列出总压在101.3kpa下某些气体在空气中的扩散系数数值，由表可见气体扩散系数的值约为

经分子运动论的理论推导与试验修正，可以得到估算气体扩散系数的半经验式，如式（4-11）所示。对一定物系气体D与绝对温度T的1.81次方成正比，与压强p成反比。(2)组分在液体中的扩散系数

表4-2列出了某些物质在液体中的扩散系数，由于液体中的分子要比气体中的分子密集的多，可以预计其扩散系数要比气体中的扩

散系数小的多,由表4-2知，液体中的扩散系数的数量级约为10-5cm2/s，为气相中的万分之一（气相约10-1～1cm2/s）。

由于液体中的扩散在理论上还不成熟，用半经验式估算流体扩散系数不如气体可靠。此外，液体中组分的浓度对扩散系数有很大的影响。对很稀的非电解溶液可按（4-12）估算。此式亦不须记住，但须记住式，D与T成正比，与黏度成反比。

4.3.3对流传质

（1）对流对传质的贡献通常传质设备中的流体都是流动的，流动流体与相界面之间的物质传递称为对流传质（如前述溶质由气相主体传到相界面及由相界面传到液相主体）。流体的流动加快了相内的物质传递，层流及湍流两种流动加快传质的原因如下：溶质A组分在垂直于流动方向上的传质机理仍为分子扩散，但流动改变了横截面MN上的浓度分布，以气相和相界面的传质为例，组分A的浓度分布由静止气体的直线1变为曲线2，根据分子扩散速率方程式:

①层流流动溶质A组分在垂直于流动方向上的传质机理仍为分子扩散，但流动改变了横截面MN上的浓度分布，以气相和相界面的传质为例，组分A的浓度分布由静止气体的直线1变为曲线2，根据分子扩散速率方程式:由于相界面处浓度梯度变大，强化了传质。

4.3.3对流传质

②湍流流动湍流主体中流体产生大量的漩涡，引起流体质点间的剧烈混合，促进了横向（传质方向）的物质传递，流体主体的浓度分布被均化，浓度分布如曲线3所示。界面处的浓度梯度进一步变大，在主体浓度与界面浓度差相等的情况下，传质速率得到进一步的提高。（2）传质速率对流传质现象极为复杂，以湍流流动为例：在湍流主体中存在大量漩涡，传质只要靠涡流扩散；靠近界面附近有一层很薄的层流底层，传质主要靠分子扩散；在湍流主体和层流底层之间的过渡区漩涡扩散和分子扩散都存在。对流扩散速率可仿照分子扩散的速率写成：

不像D那样是物性参数，它与流体的湍动程度有关，也与流体质点的位置有关，难于用试验的方法测定，它的表达式形式好看但不好用，因而不能将代入的表达式中积分求出对流传质速率、怎么办？目前一般是仿照对流给热，将对流传质速率方程写成类似于牛顿冷却定律或的形式，即认为正比于流体主体浓度与界面浓度之差，但与对流传热不同的是气液两相的浓度都可用不同的单位表示，所以可写成多种形式：气相与界面间的

式中：以分压差表示推动力的气相传质系数

4.3.3对流传质

4.3.3对流传质

上述处理方法实际上是将一组流体主体浓度和界面浓度之差作为对流传质的推动力，而将影响对流传质的众多因素包括到气相（或液相）传质系数中。现在问题归结到如何得到各种具体条件下的传质系数（用试验测定的方法），

4.3.3对流传质

然而，实际使用的传质设备形式各样（各种填料塔和板式塔），塔内流动情况十分复杂，两相的接触面液往往难以确定，这使对流传质分系数（气相或液相）的一般准数关联式远不及传热那样完善和可靠。同学们以后设计塔设备时要查阅有关的文献资料找出自己的设计条件相近的传质系数关联式，有条件应通过试验测定。4.3.5对流传质理论

为了揭示对流传质系数的物理本质，从理论上说明各因素对它的影响，不少研究者采用数学模型法加以研究，提出了多种传质模型。我们先简要回顾数学模型法的主要研究步骤：

①将复杂的真实过程本省简化成易于用数学方程式描述的物理模型；②对所得到的物理模型进行数学描述即建立数学模型；③通过试验对数学模型的合理性进行检验并测定模型参数。

4.3.5对流传质理论

不同的研究者对过程的理解不同从而导出不同的模型，下面简要介绍三个重要的产值模型。

（1）有效膜理论（惠特曼Whitman，1923年）

a、气液相界面两侧各存在一层静止的或作层流流动的气膜和液膜，其厚度分别为和，气相或液相主体内由于流体高度湍动混合均匀故不存在浓度差，所有浓度差集中于有效气膜和液膜内，故气相和液相的传质阻力也全部集中于该两层有效膜内；

b、静止或层流有效膜中的传质是定态的分子扩散。

4.3.5对流传质理论（2）溶质渗透理论（希格比Higbie，1935年）

希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合，使液体的浓度均匀化，在时间内，液相中发生的不再是定态的扩散过程，而是非定态的扩散过程。根据上述假设经数学描述得到：

与试验结果较吻合，但难以测定。4.3.5对流传质理论（3）表面更新理论（丹克沃茨Danckwerts,1951年）

丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新传质过程大大强化，其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质。定义S为表面更新频率，经过数学描述并求解得到：

与试验结果较吻合，但S难求。

综上所述，溶质渗透理论和表面更新理论比有效膜理论更接近实际情况，但或S难以测定，将它们用于传质过程的设计仍有一段距离，故目前用于传质设备设计主要还是有效膜理论。4.4相际传质

溶质从一个相转移到另一个相称为相际传质或两相间的传质。吸收过程的相际传质是由气相与界面间的对流传质、界面上溶质组分的溶解、液相与界面间的对流传质三个过程串联而成。解决吸收过程相际传质速率问题目前是用双膜模型。（1）双膜模型①在相互接触的气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧分别存在着一个很薄的有效层流气膜和液膜，被吸收的溶质组分只能分子扩散的方式通过这两层膜，气相和液相的浓度变化（即推动力）及阻力均分别几种在这两层膜中，故气相与界相

界面与液相

4.4相际传质

②相界面上不存在传质阻力，所需传质推动力等零，即在界面上气、液两相浓度成平衡，。

对稀溶液：（通过原点的直线）

或在计算范围内平衡线近似为直线：

4.4相际传质（2）相际传质速率方程我们讨论的是定态传质问题，气相与界面间的传质速率应等于界面与液相的传质速率，即

4.4相际传质对稀溶液(总阻力＝气膜阻力＋液膜阻力，符合双膜模型)

4.4相际传质思考题：①若平衡关系为

，

上式成立否？为什么？

②为得到以为总推动力的总传质（相对传质）速率方程，该如何处理？

4.4相际传质③你能导出解吸时的总传质（相际传质）速率方程吗？若能请导出其表达式，并与吸收的方程比较。

解吸时总推动力与吸收相反，但总传质系数与吸收相同。

4.4.2传质阻力的控制步骤

总传质阻力为气膜传质阻力与液膜传质阻力之和，即

(1)气膜阻力控制

，此时的传质阻力主要集中于

气膜，称这种情况为“气膜阻力控制”。4.4.2传质阻力的控制步骤(2)液膜阻力控制当

时，即此时的传质阻力只要集中于液膜称这种情况为“液膜阻力控制”。4.5低含量气体吸收（进塔混合气中溶质含量）

以逆流填料吸收塔为例（1）低含量气体吸收的特点

①G、L可视为常量②吸收过程时等温③传质系数为常量

在吸收过程中G、L没有变化，当稳定操作时，吸收质在气相中减少的量应等于在液相中增加的量，则可列出下列物料衡算式：

在塔内任一截面M-M；的气液两相中，吸收质的浓度分别为y和x，则可以在Ｍ—Ｍ与塔顶截面之间作物料衡算得出(2)吸收塔中的物料衡算---操作线方程y2y——操作线方程操作线在X-Y坐标图上为一直线1.通过(xA1,yA1)和(xA2,,yA2)两点2.斜率=L/G

.3.操作线上的任一点,表示相应于吸收塔某一截面上气液两相的yA与xA的关系.4.操作线与平衡线间的距离是吸收的推动力

y-ye(两线在纵轴间的距离).或X-Xe(两线在横轴间的距离).y1y2y2y11(3)吸收剂的用量A、液气比:L/G不同液气比对吸收推动力的影响和吸收所得溶液浓度的影响如L/G=(x1-x2)/(y1-y2)y1,y,2,G,x2常由工艺条件所决定,此时:吸收的液气比越大,液相中吸收质的浓度X1越小,吸收的推动力越大.反之,液气比降低,X1提高,推动力下降.B、最小液气比当减小到图中的C时，操作线与平衡线相交与C点，塔底的气、液两相组成达到平衡，此时塔底推动力为零，所需塔高将为无穷大，显然这是液气比的下限，通常称之为吸收设计的最小液气比，可按物料衡算求得：最小液气比是一种极限状态，用表示，其相应的吸收剂的用量为最小吸收剂的用量，用(L/G)min表示。吸收剂最小液气比为:

G最小液气比是一种极限状态,其相应的吸收剂的用量为最小吸收剂的用量，用min表示。吸收剂最小液气比为:

吸收剂用量减少,推动力随之减小,要达到要求的吸收速率,需要增大气液接触面积,增大吸收塔尺寸.反之,增大吸收剂用量,推动力增大,可减小接触面积,但出塔液体吸收质浓度降低.最小液气比时，虽然吸收剂用量为最小，但塔底吸收推动力为零，所需吸收接触面积无穷大，设备投资加大；反之，增大吸收剂用量，吸收推动力随之增大，可减小接触面积，但操作费用增加。通常吸收剂的实际用量：L/G适宜=1.1~2.0(L/G)最小。实际计算中，先通过气液平衡关系y=m

xe由y1求出x1最大(xe)，继而求出最小液气比，再求出适宜液气比，以确定适宜的吸收剂用量。吸收塔中的传质速率接触面传质量dGA浓度变化dyGy1y2

dAX2X1(4)填料层高度的计算如图，取一微元填料层，其高度为dh,气液接触面积为dA,依据物料衡算，该微元段内气液之间吸收质的传递量dGA为：

dGA=GdyA=LcdXA又根据吸收速率方程，经过该微元填料层内气相和液相吸收质的变化量分别为：dGA=NAdA=KY(y-ye)dAdGA=NAdA=KX(Xe-XA)dA该微元填料层的气液接触面积dA=a•dhGdyA=KY(yA-ye)•a•dh

LdX=KX(Xe-X)•a•dh填料塔稳定操作时，G、L、a、S均为定值。对低浓度气体吸收，KY、KX