第五章吸收

1、第五章第五章 吸收吸收Absorption 第一节 概述 吸收利用气体混合物中各组分在液体中溶解度的差异,对气体中不同组分进行分离的单元操作。 所用液体为吸收剂（溶剂），被吸收的气体为溶质（吸收质），不被溶解的称惰性气体或载体。 吸收操作的目的： 回收混合气体中的有用物质； 除去有害成分以净化气体； 制取液体产品。解吸(disorption, stripping) (脱吸) 将吸收得到的溶质气体从液体中分离出来的操作。 解吸经常伴随吸收构成生产上的一个完整的流程。如图： 合成氨原料气 的净化，以得 到较纯净的二 氧化碳气体。乙醇胺乙醇胺CO230%130高温低压 进行吸收操作必须解决下列三方面

2、的问题 选择合适的溶剂（吸收剂）。 提供传质设备以实现气液两相的接触。 溶剂的再生。溶剂的性能是吸收操作良好与否的关键： 对吸收组分有较大的溶解度； 对所吸收的气体有较好的选择性； 由较低的蒸汽压，减少挥发损失； 吸收后的溶剂应易于再生。吸收设备一般为塔式设备，可分两大类：板式塔 tray tower 填料塔 packed tower 板式塔填料塔几种吸收分类 物理吸收-溶质与溶剂之间不发生显著的化学反应，（水吸收二氧化碳）； 化学吸收-溶质与溶剂之间发生显著的化学反应，（硫酸吸收氨）； 单组分吸收-溶剂只吸收一种组分； 多组分吸收-溶剂吸收两种组分以上； 等温吸收-吸收过程中温度变化不大；

3、非等温吸收-吸收过程中温度发生改变。 第二节 气液相平衡51 气体在液体中的溶解度平衡溶解度简称溶解度 solubility在恒定温度和压力下气液两相接触时发生溶质气体向液相转移达饱和状态，这时两相达到相平衡，此时溶质在液相中的浓度称为平衡溶解度。 溶解度与温度、压力有关，平衡时溶质在气相中的分压称平衡分压。溶质组分在两相中的组成服从相平衡关系氨在水中的溶解度 氧在水中的溶解度 52 亨利定律 Henrys law一、亨利定律 当总压不高 （一般小于500 kPa ）时， 在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压p*A与液相中溶质的摩尔分数xA成正比 p*A= E xA E-比例系数，称为

4、Henry系数， kPa。 一般 E 值随温度升高而增大。（176页表5-1）Henrys law 其它几种表达形式 气相组成用溶质的分压p*A ，液相组成用溶质的浓度CA表示 p*A=CA/H H溶解度常数，kmol/(m3kPa) 气、液相组成分别用溶质的摩尔分数y 与x表示 y* = m x m相平衡常数。在吸收过程中，惰性气体与溶剂的量可以认为均不发生变化，故以二者的量为基准引入摩尔比，使计算简化。 定义为：气相中惰性气体摩尔数气相中溶质的摩尔数液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数yyYxxX11由上两式可得mXYXmXmmXYmxyYYyXXx*111 11* 11*当溶液浓度很低时

5、得：将上两式代入二、Henrys law各系数间的关系1、H和E之间的关系由 p*A= E xA 和 p*A=CA/H可得 H =CA/ E xA而 CA = C xA C为溶液总浓度表示为L-溶液的密度，kg/m3。MmkmolkmolcL3溶剂溶质由于溶液很稀，故溶液密度可近似用溶剂密度代替 Ls 质量用溶剂的质量代替 则 c s s/M 因此ssAAAssAEMExcHxMc 代入2、E和m之间的关系 由理想气体分压定律 p*A = y*A P，代入 P*A= E xA = y*A P 比较 y*A = m xA E xA = m xA P 得 m = E/P P - 为总压 ，kPa。

6、53 相平衡与吸收过程的关系 气液两相接触，若发生传质过程，是吸收还是解吸要看溶质在气相中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定。气液平衡线气液平衡线平衡是过程的极限。 实际分压（或浓度）与平衡分压（或平衡浓度）的偏离程度表示吸收过程的推动力 driving force。 以气相分压差表示吸收推动力 （pA - pA*） 以液相浓度差表示吸收推动力 （xA* - xA） 相平衡指明了传质过程的方向。第三节 吸收过程的速率液体对气体的吸收包括三个步骤：某组分从气相主体传递到气、液两相界面；在相界面上溶解而进入液相；从液相一侧界面向液相主体传递。相内传质的基本方式有两种：分子扩散 molecular

7、 diffusion湍流扩散 turbulent diffusion 又称涡流扩散 eddy diffusion54 molecular diffusion and Ficks law 分子扩散当流体内部存在浓度差时，因微观的分子热运动使组分从高浓度处向低浓度处转移。 单位时间内通过单位面积扩散的物质量称为扩散速率 rate of diffusion ( J) 单位 kmol/(m2s) DAB -分子扩散系数, A在B中扩散， m2/s ； dcA/dZ-组分A在扩散方向上 Z 的浓度梯度， kmol/m4. （上式为 Ficks law ）dZdcDJAABAFicks law 只适用于双

8、组分混合物 对于理想气体混合物，Ficks law表达式为 pA-气体混合物中组分的分压, kPa； T -热力学温度，K ; R -摩尔气体常数，8.314 J/(kmol K) 负号表示扩散向组分A浓度降低方向进行，与浓度梯度方向相反。 dZdpRTDJAABA55 等摩尔逆向扩散(双组分) equimolar counter diffusion JA = -JB, dpA/dZ = -dpB/dZ DAB= DBA= D 等摩尔扩散范围 Z1=0,Z2=Z ；p =pA1pA2 积分 得dZdpRTDJAABA2121AAAAAccZDppRTZDJ56 组分A通过静止组分B的扩散 di

9、ffusion of A through stagnant BA、B双组分气体混合物与液体溶剂接触，组分A溶解于液相，组分B不溶于液相，因此，吸收过程是组分A通过“静止”组分B的单方向扩散 unidirectional diffusion传递速率表示为 NA , (NB) 式中21AABmAppppRTZDN1212lnBBBBBmppppp 式中 p/pBm 称为漂流因子或移动因子 drift factor 根据气体混合物的浓度c与压力p的关系 此式也适用于液相。 例题183页21ABmN c AABmBmAAccccZDRTpRTpc得代入上式和57 分子扩散系数 表示物质在介质中的扩散能

10、力。其值随介质的种类、温度、浓度及压力而不同，一般由实验确定。气体的扩散系数一般在0.11 cm2/s之间；液体扩散系数比气体小得多约在110-5 510-5 cm2/s之间。183页 表5-2、表5-3184页例题（自学）58 单相内的对流传质一、单相内对流传质的有效膜模型取湿壁塔 wetted wall column一段分析 扩散推动力为压差，实质上是把单相内的传质阻力看作为全部集中在一层虚拟的流体膜层内。（膜模型） Film model有效层流膜（虚拟膜）层流膜涡流扩散区分子扩散二、气相传质速率方程式AiAGBmGAppppRTZDNNA -气相对流传质速率，kmol/(m2s).式中有

11、效层流膜（气膜）厚度不能直接计算，也难于测定。对于一定物系，D为定值；操作条件一定时，p、T、pBm亦为定值；在一定流动状态下，ZG 也为定值。若令BmGGppRTZDk省去下标中的G则气相传质速率方程为气膜传质阻力气膜传质推动力GiAiAGAkppppkN1kG- gas-film mass-transfer coefficient kmol/(m2 s kPa)(pA-pi)-溶质在气相主体与界面间的分压差。三、液相传质速率方程 根据前面的讨论液相传质速率59 两相间传质的双膜理论 two-film theory 基本论点： 气液两相接触的相界面两侧，分别存在着呈层流流动的稳定膜层。溶质必

12、须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层。 在相界面上气液两相互成平衡。 浓度梯度全部集中在两个膜层内。双膜理论示意图510 总传质速率方程式 以吸收过程的总推动力来表示传质速率LAAAALAGAAAAGAKccccKNKppppKN11*气相推动力液相推动力气相传质系数液相传质系数P*A- 与液相主体浓度平衡的气相平衡分压，kPa;C*A- 与气相主体分压平衡的液相平衡浓度，kmol/m3二、总传质系数与气、液膜传质系数的关系 若吸收过程物系的平衡关系服从亨利定律 P*A=cA/HpApiP*AcAciC*A0O 操作点I界面气膜阻力液膜阻力平衡线斜率=1/HLAiGiAAAiAiiAiAkcc

13、kppNccppccppH111*由稳态传质关系从图中可知 将上式右端的分子、分母均除以H，并根据串联过程加和性原则，利用前页斜率关系得到比较总传质速率方程LGGGAAAHkkKKppN111 1*得到比较总传质速率方程同理，液相总传质系数KL与 kL、kG关系LLGLAALGAALGAiiAAHKkkHKcckkHcckkHccHppNGL*K 1K1 111为两种总传质系数的关系则有三、气、液两相界面的浓度由气、液传质速率方程pApiP*AcA ci c*AGLiAiAGLAiiAkkccppkkccppGLiAiAGLAiiAkkccppkkccpp操作点OI界面平衡线气膜阻力液膜阻力四

14、、气膜控制与液膜控制 gas-film control 溶质溶解度很大，即 H 很大，传质阻力集中在气膜中。此时 1/HkL 1/kG , 由 可得 KGkG 。 例如氯化氢溶解于水或稀盐酸中、氨溶解于水或稀氨水中可看作 gas-film control。gas-film control 几点说明 气膜控制时，液相界面浓度ci cA,气膜推动力 pA -pi pA -p*A ； 溶解度系数H很大时，平衡线斜率很小。此时较小的气相分压 能与较大的液相浓度c*A相平衡。 气膜控制时，要提高总传质系数KG，应加大气相湍动程度。liquid-film control 溶质的溶解度很小， H/kG 1/

15、kL 。 因此 KL kL 。 液膜控制时要提高总传质系数 KL，应增大液相湍动程度。 用水吸收氧或氢是典型的液膜控制。 对中等溶解度的溶质，两种阻力均不可忽视，要提高总传质系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。511 传质速率方程式的各种表示形式 稳态吸收过程传质速率方程汇总 传质系数与传质推动力有相互对应关系，即两者的范畴要一致；两者的单位要一致。XXKYYKXXkYYkNxxKyyKxxkyykNccKppKcckppkNXYiXiYAxyixiyAAALAAGAiLiAGA*第四节 吸收塔的计算吸收塔计算的主要内容是：确定吸收剂的用量；填料层高度；塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。 本

16、章根据填料塔进行讨论，气液两相作逆流流动。512 物料衡算与操作线方程 通过吸收塔的惰性气体量不变化，气、液组成用摩尔比计算较为方便。对虚线范围进行物料衡算 LX+VY1=LX1+VY V(Y1-Y)=L(X1-X)或 Y=(L/V)X+(Y1-X1L/V) 为吸收操作线方程 Operating line方程中各项物理意义V-通过吸收塔的惰性气体流量，kmol/sL-溶剂流量，kmol/s;Y-气相摩尔比 kmol溶质/ kmol惰性气体，X-液相摩尔比 kmol溶质/ kmol溶剂.在稳定吸收的条件下 V、L、Y1、X1均为定值，故吸收操作线是一直线方程，斜率为 L/V，截距为 (Y1-X1

17、L/V)。若对全塔进行物料衡算1122XVLYXVLYY1Y2X2X1平衡线Y*=f (X)BA操作线 由于吸收过程气相溶质的分压总是大于液相中溶质的平衡分压，所以吸收操作线总是在平衡线的上方。513 吸收剂用量与最小液气比 吸收剂用量是影响吸收操作的重要因素之一，它直接影响设备尺寸和操作费用。当气体处理量一定时，操作线的斜率 L/V 取决于吸收剂用量的多少。 气体的处理量、进塔气体组成 Y1 、吸收剂的入塔组成 X2 以及分离要求都是设计规定的。 当吸收是为了回收有用物质，其回收率 =(Y1-Y2)/Y1 .操作线的斜率 L/V称为吸收剂的单位耗用量或液气比，其值的变化影响讨论如下(L/VL

18、/V)min 极限情况推动力减小(Y-Y*)若增加吸收剂用量从上图可知 操作线斜率L/V增大，并远离平衡线，吸收过程推动力(Y-Y*)加大，在单位时间内吸收同量溶质时设备尺寸可以减小。但溶液浓度变稀、吸收剂再生需解吸的设备费和操作费用增大。 若减少吸收剂用量，则与上情况相反。 若减少到使操作线与平衡线相交或相切，此时吸收剂用量为最小吸收剂用量Lmin，其液气比为最小液气比(L/V)min .最小液气比可由物料衡算求得 对平衡曲线与操作线相交的情况若气液浓度都很低，平衡关系可以用 Henry定率表示，则上式改写为 对平衡曲线与操作线相切的情况 通常作设计计算，先求最小液气比，然后乘以一经验倍数（

19、1.12.0）得适宜液气比。例题1942*121minXXYYVL2min, 121minXXYYVL2121minXmYYYVL514 填料层高度的计算一、填料层高度的基本计算式取一逆流连续吸收塔中任意截面 m-n的微元高度填料层dZ气液两相接触面积为 dA=dZ塔的横截面积，m2;每m3填料的有效气液 传质面积，m2/m3. Y2L,X2X1V,Y1YXY+dYX+dXdZmn气液两相流经dZ段，单位时间内通过接触面积dA，从气相向液相转移的溶质的量为 NAdA=NAdZ, 气相减少的溶质量为 VdY，液相增多的溶质量为 LdX，这三者应相等 NAdZ = VdY= LdX 。 结合传质速

20、率方程NA=kY(Y-Yi)=kX(Xi-X)=KY(Y-Y*)=KX(X*-X)结合两式得XXKLdXYYKVdYXXkLdXYYkVdYdZXYiXiY*式中为单位体积填料层内气液两相有效传质面积，与设备大小填料特性有关，同时受流体物性和流动状况影响，难以测定。因此，常把与传质系数(kY、kX、KY、KX)的乘积视为一体(kY kX KY KX) ，一起测定。并称其为体积传质系数，单位是 kmol/(m3s), 或者 kmol/(m2s), 对稳态操作的吸收塔 V、L、均为定值 对低浓度气体吸收，体积传质系数近似为常数或取平均值。 积分上式 上式为低浓度气体稳态吸收塔计算填料层高度的基本公

21、式。12121212*XXXYYYXXiXYYiYXXdXKLYYVKVXXdXkLYYdYkVZ二、传质单元高度与传质单元数填料层高度=传质单元高度传质单元数传质单元高度(height of transfer unit)气相传质单元高度 HG=V/(kY);液相传质单元高度 HL=L/(kX);气相总传质单元高度 HoG=V/(KY);液相总传质单元高度 HoL=L/(KX).传质单元数 number of transfer unit 气相传质单元数 NG 液相传质单元数 NL 气相总传质单元数 NOG 液相总传质单元数 NOL12121212*XXOLYYOGXXiLYYiGXXdXNYY

22、dYNXXdXNYYdYN 各种传质单元高度之间的关系 当气液平衡线的斜率为m时,由 该项称为吸收因数 absorption factorLGOLXYXLGOGXYYXYYHHmVLHkmkKHLmVHHkLLmVkVKVkmkK 111 ,V/ 11可推得同理，由求得式中各项乘以由上面推导的两个关系式 可求出OLOGOLOLOGOGOLOGNmVLNNHNHZHLmVH 所以由于三、传质单元数的计算 如何求算传质单元数是计算填料层高度的关键问题。1、对数平均推动力法平衡线与操作线均为直线的条件下，气相总传质单元数 NOG=(Y1-Y2)/YmYm-气相对数平均推动力。气相对数平均推动力Ym

23、*22*11*22*112121lnlnYYYYYYYYYYYYYmBAY1Y2X1X2Y1Y2Y*1Y*2O当 Y1/Y2 1 0.05范围内使用较为准确，否则 应使用关系式进行计算。 bmXYbmXY2122bmXYbmXY2122传质单元数图解 L/mV1.12.03、图解积分法与数值积分法气液平衡线为曲线，操作线为直线，两线间距离处处不等。曲线下面积即为 NOG推动力方法较繁，不易准确。Simpson数值积分法在Y2Y1之间作偶数等分,见前页图 a，对每一个Y值算出对应的f(Y)=1/(Y-Y*)，用Y0代替塔顶组成Y2, Yn代替塔底组成Y1,令fi=f(Yi),然后按下式 越多，计算越准确。，可取任意偶数求积，式中步长为n n , 42242431012432100iiiinYYnnnYffYYnYYffffffffdYYfn515 吸收塔操作计算 对于填料吸收塔，不论是设计计算（求填料层高度），还是操作计算，都要用到物料衡算（操作线方程式）、气液相平衡关系（对稀溶液，用亨利定律表达式）和传质速率方程式（传质系数传质推动力），以及由它们联立求得的填料层高度计算式（ Z=传质单元高度传质单元数）。 当求解端点组成或液气比时，用吸收因数法比较方便。例题202 5