化工原理：第八章 气体吸收

1、第八章 气体吸收 通过本章学习，应掌握吸收的基本概念和吸收过 程的平衡关系与速率关系；掌握低组成气体吸收的计 算方法；了解吸收系数的获取途径；掌握填料塔的 结构、填料的类型、填料塔的流体力学性能与操作特 性。 学习目的 与要求 8.1 吸收过程概述 8.1.1 吸收的原理与流程 第八章 气体吸收 原料气 AB 吸收剂 S 尾气 B(含微量A) 溶液 S+A 一、气体吸收的原理 吸 收 塔 形成两相体系的方法 引入一液相（吸收剂） 各组分在吸收剂中溶 解度不同。 分离物系 气体混合物 传质原理 二、气体吸收的流程 吸收过程 吸收过程：溶质溶解于吸收剂中 逆流操作 解吸过程：溶质从溶液中释放出 并

2、流操作 气体吸收过程在吸收塔中进行。 吸收 解吸 具有吸收剂再生的连续吸收流程 8.1 吸收过程概述 8.1.1 吸收的原理与流程 8.1.2 气体吸收的分类与应用 第八章 气体吸收 一、气体吸收的分类 气体 吸收 按被吸收 组分数目 单组分吸收 按吸收有 无化反 按溶质组 成的高低 低组成吸收 多组分吸收 物理吸收 化学吸收 高组成吸收 气体吸收过程的分类方法 一、气体吸收的分类 气体 吸收 按气液接 触方式 常规吸收 按吸收的 温度变化 膜基吸收 等温吸收 非等温吸收 本章讨论重点 单组分低组成的常规等温物理吸收过程。 二、气体吸收的工业应用 v净化或精制气体 示例：合成氨工艺中合成气中的

3、净化脱碳。 示例：用水吸收氯化氢气体制取盐酸。 v回收混合气体中所需的组分 示例：用洗油处理焦炉气以回收芳烃。 v工业废气的治理 示例：废气中含有SO2、H2S等有害气的脱除。 气体吸收的应用场合 v制取某种气体的液态产品 8.1 吸收过程概述 8.1.1 吸收的原理与流程 8.1.2 气体吸收的分类与应用 8.1.3 吸收剂的选择 第八章 气体吸收 吸收剂的选择 吸收剂选择的原则 v溶解度 v选择性 v挥发度 v黏度 v其它 吸收剂对溶质组分的溶解度要大。 吸收剂应对溶质组分有较大溶解度，而 对混合气体中的其它组分溶解度甚微。 吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小。 吸收剂在操作温度下的黏度要低

4、。 无毒、无腐蚀、不易燃易爆、不发泡、冰 点低、价廉易得，且化学性质稳定。 对于对于化学吸收化学吸收：由于存在化学反：由于存在化学反 应，所以溶解度应，所以溶解度；若；若S 循环使循环使 用，则化学反应必须可逆。用，则化学反应必须可逆。 对于对于物理吸收物理吸收：希望溶解度对：希望溶解度对 T 的敏感性强些，以便的敏感性强些，以便 S 循环使用。循环使用。 8.1 吸收过程概述 8.2 吸收过程的相平衡关系 8.2.1 气体在液体中的溶解度 第八章 气体吸收 一、溶解度曲线 液体 S 气体（AB） A 溶解 A 逸出 )( AA xfp A x 平衡方程 达平衡状态时 气体在液体 中的溶解度

5、气相分压 液相组成 A p 在一定温度和压力下，令 某气体混合物（AB）与液体 S 接触。 A p曲线 A x 溶解度曲线 P289，图835 氨在水中的溶解度 400 50 易溶 二氧化硫在水中的溶解度 50 68 中等溶解度 氧在水中的溶解度 50 0.002 难溶 二、温度和压力对溶解度的影响 温度的影响 v 加压和降温 对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度 随温度的升高而减小。 对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气 相分压的升高而增大。 压力的影响 注意 v 减压和升温 有利于 吸 收操作 有利于 解吸操 作 8.1 吸收过程概述 8.2 吸收过程的相平衡关系 8.2.1 气体在液

6、体中的溶解度 8.2.2 亨利定律 第八章 气体吸收 一、亨利定律的表达式 亨利定律用于说明 当总压不高（一般不超过500kPa）时，在恒 定的温度下，稀溶液（或难溶气体）上方的气体 溶质平衡分压与该溶质在液相中的组成之间的关 系。 因互成平衡的汽、液两相组成各可采用不同 的表示方法，所以亨利定律也有不同的表达形式。 一、亨利定律的表达式 若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩 尔分数x表示，亨利定律为 E 亨利系数，kPa 溶解度亨利系数(P30表81） 1. p x关系 Exp v 易溶气体注意 v 难溶气体 E 小 E 大 若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩 尔浓度 c 表示，亨

7、利定律为 H 溶解度系数，kmol/(m3kPa) 溶解度溶解度系数 2. p c关系 H c p * 一、亨利定律的表达式 v 易溶气体注意 v 难溶气体 H 大 H 小 EH关系关系： 溶液：浓度溶液：浓度c kmol/m3, 密度密度 kg/ m3； 1m3溶液中：溶液中：A有有c kmol； S有有( -cMA)/MS kmol。 A在液相中的摩尔分率：在液相中的摩尔分率： ( () ) x c c cM M cM c MMA S S SA + + - - + +- - ( () ) p EcM c MM S SA * + +- - ( () ) 1 H EM c MM S SA +

8、+- - 对于稀溶液对于稀溶液，溶质，溶质A的浓度很低的浓度很低 S EM H (8-7) 可见：可见：H=f (1/E) , H溶解度溶解度 若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数 y、x表示 ，亨利定律为 m 相平衡常数 溶解度相平衡常数 3. y x关系 mxy * 一、亨利定律的表达式 v 易溶气体注意 v 难溶气体 m 小 m 大 x X X +1 y Y Y +1 X X m Y Y + +1*1 * 由 得 整理得 对于低组成吸收 ()1- m X 1 简化得 mXY * 一、亨利定律的表达式 ()Xm mX Y -+ 11 * 4. Y X关系 亨利定律表达式可改写为以下形式：

9、 E p x * Hpc * m y x * m Y X* 一、亨利定律的表达式 二、各系数的换算关系 推导可得亨利定律表达式各系数间的关系如下： H EM S 总 p E m mMp H S 1 总 EH 关系 Em 关系 Hm 关系 溶液 密度 溶剂 S 的摩尔 质量 8.1 吸收过程概述 8.2 吸收过程的相平衡关系 8.2.1 气体在液体中的溶解度 8.2.2 亨利定律 8.2.3 相平衡关系在吸收中的应用 第八章 气体吸收 一、判断传质进行的方向 设某瞬时，气相中溶质的实际组成为y，溶液 中溶质的实际组成为x。 若 传质方向由气相到液相 进行吸收过程 若 传质方向由液相到气相 进行解

10、吸过程 *yy *xx *yy *xx 二、确定传质的推动力 以气相表示的传质 推动力 以液相表示的传质 推动力 *yyy- xxx-* 吸收推动力示意图 *x *y *yyy- xxx-* y*=mx 三、指明传质进行的极限 对于逆流吸收塔 液相出口最大组成 气相出口最低组成 X2 X1 Y1 Y2 min2 Y max1 X 2 * 2 mXY m Y X 1* 1 问：问：(1)将发生吸收还是解吸？将发生吸收还是解吸？ (2)以分压差表示的推动力为多少？以分压差表示的推动力为多少？ (3)如气体与水溶液逆流接触，空气中的如气体与水溶液逆流接触，空气中的CO2含量含量 最低可能降到多少？最

11、低可能降到多少？ 解解： (1)判断过程方向判断过程方向 CO2气相中分压气相中分压 pCO2 = P y =10000.06=60 kPa 查得查得25下下CO2溶解在水里的溶解在水里的 E=1.66105 kPa 例例 在在P=1000kPa，T=25下，含下，含CO2 y=0.06的的 空气与含空气与含CO2为为0.1g/L的水溶液接触，的水溶液接触， CO2水溶液的浓度很低，水溶液的浓度很低，溶液的总摩尔浓度溶液的总摩尔浓度 可以按水处理可以按水处理 ( P=1000kPa，T=25)： 3 /4 .55 18 997 mkmol M C CO2在水中的摩尔分数在水中的摩尔分数(溶解度

12、溶解度0.1g/L液液)： 4 101 . 4 4 .55 44/1 . 0 - - C c x 与水溶液达平衡的分压与水溶液达平衡的分压 kPaExpCO8 . 6101 . 41066. 1 45* 2 - - pCO2 = 60 kPa * 22 COCO pp (2)(2)推动力推动力 kPappp COCO 2 .538 . 660 * 22 - - - - (3)吸收过程的极限吸收过程的极限 气体与水溶液逆流接触，极限时吸收塔有无气体与水溶液逆流接触，极限时吸收塔有无 限多块塔板或填料吸收塔无限高，出口气体中限多块塔板或填料吸收塔无限高，出口气体中 CO2含量最低可能降到与进塔的水

13、溶液达平衡的含量最低可能降到与进塔的水溶液达平衡的 分压分压kPapp COCO 8 . 6 * min, 22 或或0068. 01000/8 . 6/ * min 2 Ppy CO 8.1 吸收过程概述 8.2 吸收过程的相平衡关系 8.3 吸收过程的速率关系 第八章 气体吸收 8.3.1 膜吸收速率方程 一、气膜吸收速率方程 气膜内的吸收速率方程可表示为 )( iGA ppkN- ()Nkyy Ayi - G i A k pp N /1 - y i A k yy N /1 - G k/1 气膜阻力 y k/1 比较得 Gy kpk 总 由道尔顿分压定律 ypp 总 ii ypp 总 )(

14、)()( iGiGiGA yypkypypkppkN- 总总总 一、气膜吸收速率方程 )(cckN i LA - ()xxkN ixA - L i A k cc N /1 - x i A k xx N /1 - L k/1 x k/1 二、液膜吸收速率方程 液膜阻力 液膜内的吸收速率方程可表示为 比较得 Lx kck 总 )()()(xxckxcxckcckN iiiALLL - 总总总 由 ii xcc 总 xcc 总 二、液膜吸收速率方程 稳态下，气、液两膜中的传质速率相等，即 ()()Nkppkcc AGiLi - )( i G L i cc k k pp- 直线 通过定点A (c，p)

15、 斜率kL / kG 三、界面组成的确定 界面组成的确定 8.3 吸收过程的速率关系 8.3.1 膜吸收速率方程 第八章 气体吸收 8.3.2 总吸收速率方程 一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程 所涉及的浓度范围内为直线 H c p* 根据双膜模型，相界面上两相互成平衡 p c H i i )( iGA ppkN- ()()*ppHkcckN iLiLA - ()*pp Hk N i L A - 由此得 整理得 由 相加得 * 11 pp kHk N GL A - + )( i G A pp k N - 一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 令

16、 则() *ppKN GA - KG GLG kHkK 111 + 气相总吸收系数，kmol/(m2skPa) 总阻力液膜阻力气膜阻力 气相总吸收 速率方程式 一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 对于易溶气体，H值很大 GL kHk 11 液膜阻力 气膜阻力控 制整个吸收 过程的速率 气膜 控制 示例：水吸收氨 GG kK 11 气膜阻力 气膜控制示意图 i pppp- * 一、以(p- p*)表示的总吸收速率方程 设吸收系统服从亨利定律或平衡关系在过程 所涉及的浓度范围内为直线 H c p * 根据双膜模型，相界面上两相互成平衡 p c H i i 二、以(c*- c)表示的总吸收速率

17、方程 )(cckN iLA - ()() iGiGA ccHkppkN-*/ () i G A cc k HN -* 由此得 整理得 由 相加得 cc k H k N GL A - +* 1 )(cc k N i L A - 二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程 令 则()ccKN LA -* KL LGL kk H K 11 + 液相总吸收系数，m/s 总阻力 气膜阻力液膜阻力 液相总吸收 速率方程式 二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程 对于难溶气体，H值很小 LG kk H1 气膜阻力 示例：水吸收氧 11 Kk LL 液膜阻力 液膜控制示意图 cccc i -* 液膜阻力控 制

18、整个吸收 过程的速率 液膜 控制 二、以(c*- c)表示的总吸收速率方程 ()*yyKN yA - 同理，可导出 Ky PKK Gy 气相总吸收系数，kmol/(m2s) 气相总吸收 速率方程式 三、以(y- y*)表示的总吸收速率方程 ()xxKN xA -* 同理，可导出 Kx CKK Lx 液相总吸收系数，kmol/(m2s) 液相总吸收 速率方程式 四、以(x*- x)表示的总吸收速率方程 ()*YYKN YA - 同理，可导出 KY 总 pKKK GyY 对于低浓度吸收 气相总吸收系数，kmol/(m2s) 气相总吸收 速率方程式 五、以(Y- Y*)表示的总吸收速率方程 ()XX

19、KN XA -* 同理，可导出 KX 总 cKKK LxX 对于低浓度吸收 液相总吸收系数，kmol/(m2s) 液相总吸收 速率方程式 六、以(X*- X)表示的总吸收速率方程 8.3 吸收过程的速率关系 8.3.1 膜吸收速率方程 第八章 气体吸收 8.3.2 总吸收速率方程 8.3.3 吸收速率方程小结 吸收速率方程小结 使用吸收速率方程式应注意以下几点（P39表82）: （1）上述的各种吸收速率方程式是等效的。采 用任何吸收速率方程式均可计算吸收过程速率。 （2）任何吸收系数的单位都是kmol/(m2s单 位推动力)。 （3）必须注意各吸收速率方程式中的吸收系数 与吸收推动力的正确搭配

20、及其单位的一致性。P40 83） （4）上述各吸收速率方程式都是以气液组成保 持不变为前提的，因此只适合于描述稳态操作的吸 收塔内任一横截面上的速率关系，而不能直接用来 描述全塔的吸收速率。在塔内不同横截面上的气液 组成各不相同，其吸收速率也不相同。 （5）在使用与总吸收系数相对应的吸收速率方 程式时，在整个过程所涉及的浓度范围内，平衡关 系须为直线。 吸收速率方程小结 例例: 110 kPa下操作的氨吸收塔的某截面上，下操作的氨吸收塔的某截面上， 含氨含氨0.03摩摩 尔分数的气体与氨浓度为尔分数的气体与氨浓度为1 kmol/m3的氨水相遇，已知气的氨水相遇，已知气 膜传质系数膜传质系数 k

21、G=510-9 kmol/(m2.s.Pa) ，液膜传质系数，液膜传质系数 kL=1.5 10-4 kmol/(m2.Pa) ,H=7.310-4 kmol/(m3.kPa) 试计算：试计算： (1)气液界面上两相的组成；气液界面上两相的组成； (2)以分压差和体积摩尔浓度差表示的总推动力、总传质以分压差和体积摩尔浓度差表示的总推动力、总传质 系数和传质速率；系数和传质速率； (3)以摩尔分数差表示的气相总传质系数；以摩尔分数差表示的气相总传质系数； (4)气膜与液膜阻力的相对大小。气膜与液膜阻力的相对大小。 G L i i k k cc pp - - - - - - H c p i i Hk

22、k K LG G 11 1 + + 1 L GL H K Kk + yG K = P K G L i i k k cc pp - - - - - - 由由 界面上气液两相达平衡：界面上气液两相达平衡： H c p i i 4 103 . 7 - - i c () 9 45 105 105 . 1 1 101 . 103. 0 - - - - - - - - - - i i c p () 联立联立()、()得：得：p i =1. 45 103 Pa c i =1.06 kmol / m3 解：解： (1) 界面组成：界面组成： 总推动力总推动力 以分压差表示的以分压差表示的 p = p p * = p c / H 以体积摩尔浓度差表示的以体积摩尔浓度差表示的 c = c* c = p H c Pa1093. 1 103 . 7 1 100 . 3 3 4 3 - - - - 343 kmol/m19. 11103 . 7100 . 3 - - - - (2) 总推动力、总传质系数和传质速率；总推动力、总传质系数和传质速率； Hkk K LG G 11 1 + + 1 L GL H K Kk + 以分压差表示的以分压差表示的 以体积摩尔浓度差表示的以体积摩尔浓度差表示的 P