化工原理第五章吸收超详细讲解

化工原理第五章吸收超详细讲解2024/3/28化工原理第五章吸收超详细讲解三、吸收的应用：制取产品，净化气体，回收有用组分。

四、吸收分类：利用混合气体中各组分溶解度的差异分离气体物理吸收:特点：弱结合、游离、可逆、易解吸速率：gl扩散速率极限：达gl相平衡化学吸收：

A—S发生化学反应而分离气体特点：强结合，不可逆速率：反应或扩散速率极限：化学平衡(本章只讨论物理吸收)化工原理第五章吸收超详细讲解五、吸收流程：

在连续操作的立式吸收塔中，气↑，液↓逆流接触进行传质。3要分离和回收A：则采用吸收—解吸联合流程。1要使气相中A被吸收完全-净化气体：则采用单程(单塔或多塔)吸收。2希望液相A的浓度高-制取产品：则采用液相循环吸收。化工原理第五章吸收超详细讲解吸收—解吸联合流程化工原理第五章吸收超详细讲解喷淋塔：气相连续

液膜塔(填料塔)：气相连续鼓泡塔：

液相连续4吸收塔（1）喷淋塔化工原理第五章吸收超详细讲解（2）填料塔化工原理第五章吸收超详细讲解（3）鼓泡塔化工原理第五章吸收超详细讲解六、吸收剂的选取原则：高选择性、低蒸气压、低粘度、低价格、无毒无污染。化工原理第五章吸收超详细讲解七、要解决的问题：

1.吸收极限—相平衡理论

2.吸收速率—双膜理论。

3.填料塔吸收面积的计算。

4.强化吸收的途径。

八、常见的吸收体系溶解度易溶：NH3,SO3,NO2,HCl—H2O中等：SO2,Cl2,H2S—H2O难溶：O2,H2,CO,CO2—H2O

化工原理第五章吸收超详细讲解§2吸收相平衡

当物理吸收达到两相平衡A(g)A(l)时，溶质A在气液两相中的浓度不变，且服从亨利定律关系。NA(g→l)=NA(l→g)(NA—molA/molS)亨利定律：在温度一定、总压不太高(＜5atm)时,大多数中等或难溶体系吸收平衡时的液相浓度与其气相分压成正比。∵气液两相浓度有多种表示法，∴亨利定律有多种形式。化工原理第五章吸收超详细讲解1、以pA～xA表示的亨利定律

pA*=ExA或xA*=pA/E即xA*∝pA

pA*—A的气相平衡分压(与浓度为xA的液相平衡)，

xA—液相A的摩尔分数(实际浓度)。

xA*—A的液相平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)，

pA—气相A的分压(实际浓度)。

E—亨利系数—Pa或atm,E↑,xA*↓,即吸收体系的亨利系数越大,气体越难溶。附表九可查E值。2、以pA～CA表示的亨利定律

p*A=CA/H或C*A=HpA

即C*A∝pA

CA—液相A的物质的量浓度(实际浓度)—kmol/m3（CA=nA/V）.C*A—液相A的平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)化工原理第五章吸收超详细讲解

H—溶解度系数—kmol/(m3*Pa)orkmol/(m3*atm),H↑,CA*↑,即吸收体系的溶解度系数越大，气体越易溶。

对一定的吸收体系(质A，剂S确定)，E和H为常数，都反映A在S中的溶解度大小。E～H关系？先找CA～xA关系：即E∝1/H，E↑，H↓，气体在该吸收剂中越难溶。xA～CA关系：-化工原理第五章吸收超详细讲解3、以yA～xA表示的亨利定律

∵A的气相摩尔分数yA=pA/p总=nA/n总

∴y*A=p*A/P=(ExA)/P=mxA或x*A=yA/m即x*A∝yA

m=E/P——相平衡系数(无因次)，E↑,m↑,气体越难溶。例5-1解：空气-水体系，已知p空气=P总和E，求液相平衡浓度(以x*A和cm3/100g水溶液表示)x*A=pA/E=101325/6.73*109=1.51*10-5(mol空气/mol水)即水中空气含量≈0.00151mol空气/100molH2O即100mol(1800g)水中含空气0.00151mol0.0015*22.4*103cm3=33.6cm3(标态)故水中空气含量33.6cm3/1800g=1.86(标态)cm3/100g水化工原理第五章吸收超详细讲解例5-2

解：SO2-水体系,20℃时溶液的浓度为2.5%(质量百分比),求气相SO2的平衡分压,查附表九知：E=0.36×107Pa，将质量百分比ω→xA。∴p*A=ExA=0.36*107*0.00716=25.78kPa化工原理第五章吸收超详细讲解例5-3：含NH320%(yA1)的NH3-空气混合气体100m3,用水恒温吸收至混合体中含氨5%(yA2),求NH3被吸收的体积。解：由于吸收前后混合气体总体积变化，以吸收前混合气体总体积100m3为基准计算：VNH3吸收=VNH3前-VNH3后吸收前：VNH3前=V总前*20%(yA1)=100*20%=20m3吸收后：VNH3后=V总后(无法求得)*5%(yA2)而:VB=V空气=100-20=80m3(吸收前后VB不变)VNH3后=VB*(VNH3后/VB)

化工原理第五章吸收超详细讲解若能求出每份惰性组分空气含NH3的分数VNH3残/V空气，则吸收后残存的VNH3残可求。

而VNH3后/V空气=(VNH3残/V后总)/(V空气/V后总)=yA2/yB2

=yA2/(1-yA2)=5%/(1-5%)=5/95(份NH3/份空气)

∴VNH3后=5/95*80=4.2m3VNH3吸收=20-4.2=15.8m3

上例中利用惰性气体量在吸收前后不变的特点，求出吸收后惰性气体中吸收质A的含量分率，再乘以惰气的量(vB-m3B,ornB-molB)，即可求吸收后气体中残存A的量，进而求A被吸收的量。惰性气体B中吸收质A的含量分率：化工原理第五章吸收超详细讲解吸收前1：nA1/nB=(nA1/n总1)/(nB/n总1)=yA1/yB1=YA1=yA1/(1-yA1)吸收后2：nA2/nB=(nA2/n总2)/(nB/n总2)=yA2/yB2=YA2=yA2/(1-yA2)由此提示我们：要求A被吸收的量，要用到A在惰性气体B中A的含量分率yA/yB，令为YA。定义：YA–摩尔比/比摩尔分数(率)上例用比摩尔分率计算：VNH3＝VB(YA1-YA2)吸收前：YA1=yA1/yB2=yA1/(1-yA1)=0.2/0.8=0.25吸收后：YA2=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=0.05/0.95=0.053被吸收NH3的体积：VNH3＝80*(0.25-0.053)=15.8m3

化工原理第五章吸收超详细讲解YA:每mol惰气中所含A的mol数。起始时--YA1,终了时--YA24、以YA~XA比摩尔分率表示的亨利定律XA：每mol吸收剂中所含A的mol数。吸收从XA1→XA2化工原理第五章吸收超详细讲解即:或:YA*=mXAXA*=YA/m

由y*A=mxA得：化工原理第五章吸收超详细讲解注意：

1吸收达平衡时：YA*=mXA或XA*=YA/m，但两方程的意

义不同，YA*与YA不同。

2yA=nA/nTYA=yA/yB=nA/nBxA=n`A/n`TXA=xA/xS=n`A/nS

3溶解度mA—g(A)/100g(S)

xA、CA、XA与mA的关系：

xA=n`A/n`T=(mA/MA)/(mA/MA+100/MS)

XA=n`A/nS=(mA/MA)/(100/MS)

CA=n`A/VT=[ρT（溶液）×mA/(100+mA)]/MA

kmol/m3

4长期放置的吸收体系是平衡体系，在平衡体系中引入气

体或溶液,平衡将被破坏,可能再吸收(pA>p*A或xA<x*A),

也可能解吸(pA<p*A或xA>x*A)。化工原理第五章吸收超详细讲解例5-4已知总压P=101.325kPa及PA～mA(mA—g(A)/1000g(S))的关系，求YA～XA关系：解：先转变成yA～xA关系：

yA=nA/n总=pA/p

xA=nA`/n总`=(mA/MA)/(mA/MA+1000/MS)

再转化成YA～XA关系：YA=yA/(1-yA)XA=xA/(1-xA)亦可直接求：YA=pA/pB=pA/(pT-pA)XA=nA`/nS=(mA/MA)/(1000/MS)化工原理第五章吸收超详细讲解作业：P1857练习：P1856化工原理第五章吸收超详细讲解§5-3吸收速率

吸收速率决定吸收达到平衡的时间，决定吸收操作的生产强度，是吸收设备选型和设备设计的重要依据。二、扩散1、分子扩散：物质以分子热运动方式穿过静止或滞流流体的传递过程——特点：传递速率慢。2、对流扩散：物质以相对运动方式穿过湍流流体的传递过程——特点：传递速率快。一、吸收速率定义：NA=dnA/dτ对于稳定吸收过程：NA=nA/τ

mol(A)/s

吸收过程是物质的相转移过程，通过扩散方式进行。化工原理第五章吸收超详细讲解三、费克分子扩散定律如图:单位时间内穿过面积为A，厚度为δ的扩散层的吸收质A的物质的量D—扩散系数m2/s

分子扩散模型四、吸收机理——双膜理论实际吸收过程一般在喷淋塔、填料塔、鼓泡塔中进行。无论采用那种吸收塔，吸收过程都存在气—液相界面，类比间壁传热提出了双膜理论以导出吸收速率。如图：化工原理第五章吸收超详细讲解1气液两相主体因湍流使A以对流扩散方式传递，传递速率快,浓度一致，忽略湍流主体中对流扩散的阻力。2相界面两侧存在滞流的气膜和液膜，双膜中A以分子扩散方式传递，传递速率慢，浓度下降很快，整个传质过程的阻力全部集中在双膜中。3到达相界面的A能无阻力地瞬时溶于液相，且界面上气液两相达平衡,即：pi=ci/H。双膜理论要点：化工原理第五章吸收超详细讲解将对流给热视为壁附近滞流层的热传导过程—付立叶定律将吸收视为A穿过相界面附近滞流双膜的分子扩散过程—费克定律传热过程吸收过程理论实质化工原理第五章吸收超详细讲解α1--高温流体传热膜(分)系数

α2--低温流体传热膜(分)系数kg-气膜吸收分系数kl-液膜吸收分系数化工原理第五章吸收超详细讲解五、费克分子扩散定律的应用

当A分子通过分子热运动的碰撞而传递时，其传递速率：δg,δl—气膜、液膜厚度,由于在膜层中有部分对流传质,真正的分子扩散距离δ＜δg,δl。对气膜：用pB/pT对δg加以较正：=kgA(p-pi)TTkg-气膜吸收分系数化工原理第五章吸收超详细讲解对液膜：用CS/(CA+CS)=CS/CT对δl加以较正：=klA(Ci-C)所以，可用界面附近气膜中的扩散速率：NA=kgA(p-pi)或液膜中的扩散速率：NA=klA(Ci-C)计算吸收速率。kl-液膜吸收分系数化工原理第五章吸收超详细讲解作业：P18512、13化工原理第五章吸收超详细讲解kg、ky—分别以分压pA、气相摩尔分率yA表示的气膜吸收分系数。2液膜吸收分速率方程kl、kx—分别以物质的量浓度cA

、摩尔分数xA表示的液膜吸收分系数。六、吸收速率方程

1气膜吸收分速率方程或表示为:或表示为：ky=kg×pT化工原理第五章吸收超详细讲解3气相吸收总速率方程——pi、Ci、yi、xi难求,设法消去p-pi—气相主体与界面上A的分压差。ci-c—界面上与液相主体中A的浓度差。吸收过程中，气相浓度↓，用某处的实际分压与该气相能下降到的最低值之差表示推动力，而气相所能降到的最低分压是与该气相相接触的液相达平衡的平衡分压pA*。NA=kgA(p-pi)=klA(ci-c)=klAH(pi-p﹡)HHHHp*是与液相主体浓度C平衡的分压化工原理第五章吸收超详细讲解KG,Ky,KY---以分压,摩尔分率yA,比摩尔分率YA表示推动力的气相吸收总系数。1/KG=1/kg+1/klHTTTTT化工原理第五章吸收超详细讲解4液相吸收总速率方程KL,Kx,KX—以c,x,X表示推动力的液相吸总系数。HHHHH化工原理第五章吸收超详细讲解注意：以不同浓度表示推动力△，其数值和单位各不相同，但NA总是相同的，单位—molA/s，通过K、k(吸收总系数和分系数)来调节NA的数值和单位。化工原理第五章吸收超详细讲解七、强化传质吸收的途径和措施∵吸收速率NA=KAΔ即：总阻力=气膜阻力+液膜阻力1/KG=1/kg+1/klH1/KL=H/kg+1/klKG/KL=HHHH1、提高K值H化工原理第五章吸收超详细讲解②对难溶体系：H小，m大，

则：1/KL≈1/kl，1/Kx≈1/kx

即：总阻力≈液膜阻力——液膜控制

应选用鼓泡塔吸收，以搅拌液体，使液膜阻力↓。

又∵k∝1/δ，故加大气液两相的相对速度，Re↑，δ↓，k↑，亦可提高K值。①对易溶体系：H大，m小，则：1/KG≈1/kg，1/Ky≈1/ky即：总阻力≈气膜阻力——气膜控制应选用填料塔或喷淋塔吸收，以搅拌气体，使气膜阻力↓。1/KG=1/kg+1/klH化工原理第五章吸收超详细讲解3增大气液接触面积A①、增大气液两相的分散度。②、开发和采用比表面积σ（m2/m3）大的填料。2增大吸收推动力△①采用逆流吸收。②若Δ=y-y*or:Δ=Y-Y*y和Y恒定，可减小y*、Y*∵y*=mx,Y*=mX，∴增大吸收剂用量，则x和X↓，y*和Y*都↓，Δ↑。又m=E/P=ρS/PHMS

∴↑P;使用MS大的吸收剂，可使m↓,Δ↑；

↓T，H↑，m↓，Δ↑。P169化工原理第五章吸收超详细讲解规整填料：化工原理第五章吸收超详细讲解

要求完成一定吸收任务所需传质面积A，要用NA=KA△，先求：NA、K、△(Y-Y*)~X。

一、填料塔的物料衡算式——操作线方程

如图：G—molB/s情性气体的摩尔流量

（工艺条件所确定）L—molS/s—吸收剂的摩尔流量(人为确定)在稳定吸收过程中：对全塔进行物料衡算得：

NA=G(Y1-Y2)=L(X1-X2)

.....(1)—可求NA

式中：G,Y1,Y2,X2，均为定值，只X1和L变。从塔顶至任一截面M-M作物料衡算得：§5—4填料吸收塔的计算化工原理第五章吸收超详细讲解

上式是一条直线方程,在Y~X相图上为一直线,两端点为(X1,Y1),(X2,Y2)。斜率L/G—液气比。

由于(X1,Y1),(X2,Y2)分别是塔底和塔顶的气液相实际组成，所以，直线上任意一点的坐标都表示塔中某一截面上实际的气液组成—操作线方程。二、L/G～X1～△关系

将吸收体系的相平衡线与操作线，绘在同一X～Y相图上平衡线：操作线：(过(X1,Y1)，(X2,Y2)两点)化工原理第五章吸收超详细讲解气相推动力Y-Y*

塔顶Y2-Y2*;塔底Y1-Y1*

XYX1液相推动力X*-X

塔顶X2*-X2塔底X1*-X1,

实际上仅由L决定：L↑,L/G↑,图②,Δ↑,X1↓;L↓,L/G↓,图中③④,

Δ↓，X1↑。即：吸收推动力大小取决于操作线偏离平衡线的程度，由操作线斜率L/G确定。是操作线到平衡线的纵向距离，从ΔY2→ΔY1。是平衡线到操作线的横向距离，从ΔX2→ΔX1。化工原理第五章吸收超详细讲解对操作线方程变形有：式中G,Y1,Y2,X2,均由工艺条件确定,只有X1~L变。2、L↓，L/G↓，图中③线ΔY1、ΔX1都↓，但X1↑1、L↑,L/G↑,图中②线ΔY1，ΔX1都↑，但X1↓。三、吸收剂用量L的确定即：X1和Δ由L而定，如何确定L？化工原理第五章吸收超详细讲解当X1=X1*时：L=LM－最小吸收剂用量，LM/G——最小液气比(图中④线)

。3、L再↓，L/G再↓，操作线与平衡线相交(切)，则X1↗到X1*(=Y1/m),达最大值;而L下降到(Lmin=)LM。4、L再↘,则:不到塔底,气液已达平衡X1=X1*,塔下部无用。即：即：

而X1*=Y1/m，Y1、Y2、X2、G、m已知，所以LM或LM/G可求。化工原理第五章吸收超详细讲解实际吸收剂用量四、液相出口浓度X1的计算知L可求X1。求X1和L步骤小结：据：或：~~~~~化工原理第五章吸收超详细讲解1求2求X1*：

X1*=Y1/m

而m=E/P=CT/PH=ρS/MSPH或：据Y1到平衡线上查得X1*(只有气液平衡数据)。若qv—混合气体体积流量—m3/h，则：TTTT化工原理第五章吸收超详细讲解3求最小液气比LM/G：4求实际液气比L/G：L/G=(1.2~2.0)LM/G

求吸收剂用量：L=[L/G]*G=(1.2~2.0)[LM/G]*G5求X1：

据可求X1。若不需求L—molS/s，可据P161例5-5、例5-6下式求X1。~化工原理第五章吸收超详细讲解作业：P18618(Y*=26.7X)化工原理第五章吸收超详细讲解五、吸收推动力Δ的计算由前面的讨论知：NA=KYA(Y-Y*)=KXA(X*-X)塔底处气液两相推动力：ΔY1=Y1-Y1*

和ΔX1=X1*-X1塔顶处气液两相推动力：ΔY2=Y2-Y2*和

ΔX2=X2*-X2

类似于求Δtm=(T–t)m，先找d(T-t)～dA关系，找d(Y-Y*)～dA，然后积分。∵(Y1-Y1*)≠(Y2-Y2*)(X1*-X1)≠(X2*-X2)故须取平均值，对服从亨利定律的吸收体系：以(Y-Y*)为例求：

(Y-Y*)m=ΔYmΔX1ΔY2ΔX2ΔY1化工原理第五章吸收超详细讲解如图：在吸收塔中取一微元高度dH，dH内填料的表面积dA,在dH内作物料衡算：衡算方向：塔顶→塔底(浓度↗)底底顶化工原理第五章吸收超详细讲解上式积分得：对应化工原理第五章吸收超详细讲解代入上式得：化工原理第五章吸收超详细讲解注意：①1表示塔底的脚标，2表示塔顶的脚标。②计算ΔYm时，Y1,Y2,m,X2,Y2*易求,关键在于求Y1*，要求Y1*→X1→L/G→LM/G→X1*→Y1。③计算ΔXm时,X1*=Y1/m,X2*=Y2/m,X2=x2/1-x2

易求，关键在于求X1，求法同上。或直接用公式求：化工原理第五章吸收超详细讲解1以气相浓度表示的计算式：

又∵A=H填料*A0*αA0—填料塔横截面积，α—填料的有效比表面积，可近似用σ代替，σ—填料的比表面积。气相传质单元高度

气相传质单元高度，是气相吸收质的浓度变化量刚好等于过程平均推动力ΔYm时所需传质区域对应的填料层高度,是使浓度变化Y1-Y’=ΔYm所需H填料六、填料层高度的计算式：化工原理第五章吸收超详细讲解2液相表示计算式液相传质单元高度气相传质单元数—是经全塔吸收后气相浓度的变化量相当于过程平均推动力的倍数。化工原理第五章吸收超详细讲解例1、某吸收塔在常压下用清水吸收焦炉气中的氨。焦炉气在标准状态下含氨10g/m3，焦炉气的处理量为5000m3/h(标态)，吸收率不低于99%。水用量为最小用量的1.5倍。混合气体303K时进入吸收塔，在此条件下的平衡关系为：Y*=1.2X，试计算气相传质单元数nG。(塔径为1.4m,气相吸收总系数KYα=220kmol/(m3*h))，并求填料层高度H填料。解：X2=0，η=0.99，L=1.5LM

，Y*=1.2Xy1=10/17/1000/22.4=22.4/1700=0.01318G=5000*(1-0.01318)/22.4=220.3kmol/hY1=y1/(1-y1)=0.01318/(1-0.01318)=0.013356Y2=Y1(1-η)=0.0001336化工原理第五章吸收超详细讲解nG=Y1-Y2/ΔYm=(0.01336-0.0001336)/0.001256=0.01322/0.001256=10.53(个)X1*=Y1/m=0.013356/1.2=0.010984(L=1.5LM/G*G=?)X1=X1*/1.5=0.010984/1.5=0.007323Y1*=mX1=1.2×0.007323=0.008787Y2*=mX2=0ΔY1=0.013356-0.008787=0.004569ΔY2=0.0001336-0=0.0001336ΔY1/ΔY2=34.2

ΔYm=ΔY1-ΔY2/ln(ΔY1/ΔY2)=(0.004569-0.0001336)/ln34.2=0.004435/3.5322=0.001256

hG=G/KYαA0=220.3/220*0.785*1.42=0.6508m

H填料=hG*nG=0.6508*10.53=6.85m化工原理第五章吸收超详细讲解3、不服从亨利定律的体系填料层高度计算前面用过dNA=GdY=LdX=Ld(Y*/m)对不服从亨利定律的体系则无法寻得d(Y-Y*)～dNA关系,但仍有：化工原理第五章吸收超详细讲解步骤：①根据题给平衡数据换算为X～Y数据，在X～Y坐标图上作出平衡线（红色线）。②求出Y1,Y2,X2,在平衡线上据X2查得Y2*,据Y1查得X1*→LM/G→L/G→X1，据(X1,Y1),(X2,Y2)作出操作线（绿色线）。化工原理第五章吸收超详细讲解以Y对1/(Y-Y*)作图得一曲线，曲线下方Y1~Y2之间的面积即为nG。③在Y1→Y2之间取一组Y值，对每一个Y值，在操作线上查得对应的X值，据X到平衡线上查得对应的Y*，计算Y-Y*,并求得1/（Y-Y*）数据,列表：化工原理第五章吸收超详细讲解同理，对液相有：…液相传质单元数同理：在X1→X2之间取一组X值,据X到操作线查得Y,再据Y值到平衡线查得X*值，计算X*-X值和1/（X*-X）值，列表，作图可求：化工原理第五章吸收超详细讲解化工原理第五章吸收超详细讲解例2：在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦炉气中的苯，已知焦炉气进气流量为1000m3/h（常压25℃吸收），其中含苯3%，要求η=95%，洗油中原来含苯0.005%吸收条件下Y*=0.113X,L=1.2LM。求①每小时耗洗油多少？②nG解:Y1=y1/1-y1=0.03/1-0.03=0.03093Y2=Y1(1-η)=0.001546x2=0.00005X2=0.005/0.995≈x2Y2*=0.113X2≈0,

X1*=Y1/0.113=0.0309/0.113=0.2734

LM/G=Y1-Y2/X1*-X2=0.1074,化工原理第五章吸收超详细讲解G=1000*(1-y1)*273/298/22.4=39.67kmol/h,L=1.2LM=1.2(LM/G)*G=1.2*0.1074*3