化工原理 第八章 气体吸收

1、1、第八章气体吸收，8.1概括8.2吸收过程平衡基础8.3吸收过程模型和传速方程8.4吸收(或解吸)塔计算8.5其他类型的吸收，2，1、气体吸收在化工中的应用吸收使气体混合物与适当的液体接触，利用个别成分在液体中的溶解度的差异在混合气体中可以溶解于液体的成分称为吸收质，将不能溶解的成分称为惰性气体，在吸收操作中使用的溶剂称为吸收剂，将溶解了溶质的溶液称为吸收液，或者仅称为溶液，放出的气体称为吸收废气。 吸收操作是气体混合物的主要分离方法，在化学工业生产中有以下具体应用：1.化学工业产品2 .分离气体混合物3 .从气体中回收有用成分4 .气体净化(原料气体的净化和废气、废气的净化)5.生物化学工

2、序，3，2 .吸收过程的分类根据吸收过程是否伴有化学反应在气体吸收中，如果混合气体中的成分在吸收剂中具有一定的溶解度，就可以忽略剩馀成分的溶解度，这样的吸收过程被称为单成分吸收。 如果两种以上的成分能溶解在吸收剂中，这个过程称为多成分吸收。 在吸收过程中气体溶解于液体时，通常产生溶解热，进行伴随发热的化学吸收时反应热就会放出，随着吸收过程的进行液相温度变高的吸收被称为非等温吸收。 但是，热效应小或被吸收的成分浓度低，如果吸收剂的使用量多，温度的变化就不明显，吸收过程被认为是等温吸收。 四、三、工业吸收过程工业吸收过程经常在吸收塔内进行。 虽然在生产中很少直接得到液体制品的吸收操作，但在一般的吸

3、收过程中要求使吸收后的溶剂再生，即在被称为别的分析的设备中，要求进行与吸收相反的操作解吸。 因此，完全的吸收分离过程通常包括吸收和解吸两部分。 在5、8.2吸收过程平衡的基础上，6、8.2.1气液相平衡关系的气体混合物与溶剂s接触时，溶质气体向液相转移，溶液中溶质(a )的浓度增加。 充分接触的气液两相，在液相中的溶质达到饱和时，瞬间进入液相的溶质分子的数量和从液相中逃逸的溶质分子的数量正好相抵消，就像宏观上过程停止一样，把这种状态称为“相间动平衡”，简称为相平衡或平衡。 对于一种液体的物理吸收，组分数c=3(溶质a、惰性气体b、溶剂s )、相数(气、液)、自由度数f是温度、总压力和气、液组成

4、4个变量中的3个是自变量，另一个是它们的函数。 7、在一定的操作温度和压力下，溶质在液相中的溶解度取决于其相中的组成。 在总压不太高的情况下，气体在液体中的溶解度与总压无关，可以认为仅依赖于该气体的分压。 并且，与得到的函数的关系自不必说，也可以选择液相的浓度作为自变量，但这种情况下，一定温度下的气相平衡分压和的函数：气液平衡关系一般通过实验来测定具体的关系。 八、八， 8.2.2亨利定律是稀溶液的重要经验法则，当低压(通常总压力小于0.5MPa )和一定温度下气液相处于平衡状态时，其数学公式表示如下：溶质在液相中的浓度用物质的量浓度c表示，亨利定律分别摩尔溶质在液相和气相中的浓度亨利定律是将

5、气体吸收应用于8.3吸收过程模型和传递速度方程，10、8.3.1二膜模型的吸收是气相中溶质传递到液相的过程，即相互间的传递物质。 气相和界面的对流质、界面溶质成分的溶解、界面和液相的对流质三个步骤串联。11、膜模型的遗传理论，气的遗传速度可以同样表现，膜模型的理论，液的遗传速度公式，12、在线。 在关于p点附近的两个组成x、y的范围内，平衡县可以近似为斜率为m的直线(根据亨利定律，m为平衡常数)，或者，8.3.2的传播速度方程式1、传播速度方程式如图所示，吸收塔的截面气液二相主体浓度可以用上点a表示。 这一点一般不在平衡线上。 当双层膜模型假设成立时，界面上表示两相组成关系的点p必定在平衡、1

6、3、对应不同推进力的不同传递系数和速度方程上。 表8-1的传递速度方程式的各种形式、14、2、界面浓度的求法，当m随浓度变化时，用传递速度方程式计算更为方便，与界面浓度有存在关系： (1)有双膜模型理论，在平衡线上。 如果平衡线用表示。 (2)平衡关系和上式联立可求出界面浓度。 作为曲线图法求解的情况下，从气液二相的实际浓度点a开始，形成倾斜的直线，该直线和平衡线的交点成为能求出的界面浓度() 15、三、传质阻力分析总传质阻力为气相分传质阻力和液相分传质阻力之和。 如果在分递质阻力中的话，总递质阻力。 此时的传递阻力集中于气相，也被称为气相阻力控制(也称为气体膜控制)。 气相电阻控制的条件可以

7、是(1)或。 此时，如果描绘在图中，则连接气液实浓度点a(x，y )和界面浓度点b ()直线ab变得陡峭. (2)溶质在吸收剂中的溶解度大，即平衡线的斜率m小，相平衡曲线平坦。 同时从图8-6(a )可以看出，在气相阻力控制条件下，以气相摩尔分数差表示的分传递物质推动力接近总推动力，总推动力主要用于克服气相阻力。 图8-6两相中吸收传递物质电阻示意图，17、液相电阻控制的条件为(1)或。 在图8-6(b )中，连接气液实际浓度(x，y )和界面浓度()的直线ab是平坦的。 (2)溶质在吸收剂中的溶解度小，即平衡线的斜率m大，相平衡曲线OE陡峭。 此外，从图8-6(b )可以看出，在液相阻力控制

8、条件下，由液相摩尔分数差表示的分传递物质推动力接近总传递物质推动力，总推动力主要用于克服液相阻力。 18，8.4吸收(或解吸)塔的计算，19，以不变量为材料的一定标准：相对于气体，其中惰性气体b的流量液体，其中溶剂s的流量：相应地，气液相组成用摩尔比表示：8.4.1物质的恒算和操作线方程式1，全塔物质的恒算稳定操作的逆流这里，以下符号a表示塔顶，下标b表示塔底，a、b、s分别表示溶质、惰性气体和溶剂。 20、图8-7所示的吸收过程为全塔材料的恒算。 式中、分别表示塔顶、塔底气液相摩尔比。 在吸收操作时，要表现吸收的程度，(1)吸收的目的是回收有用物质，通常以吸收率表示，(2)吸收的目的是除去混

9、合气体中的有害物质，一般直接规定塔气体中的有害物质的残浓度。21、2、操作线方程式及操作线是决定吸收塔内任一塔截面上相互接触的气体、液体组成的关系的，可以将吸收塔塔顶和任一截面间(即图87的虚线所示的范围)作为材料常数，为逆流吸收塔的操作线方程式：也可以同样地整理， 可以将塔底和任一截面间作为材料常数进行整理，关于22 8.4.2吸收剂的使用量的确定吸收剂的使用量，从能量消耗的观点出发，优选流量小，但被气体在液体中的溶解度限制，流量在一定程度上小时无法达到吸收要求，因此，需要合理地选择根据生产实践经验，一般吸收剂的使用量为最小使用量的1.22.0倍比较合适，即最小液体气体比可以图形化或计算求出

10、。 如果操作线和平衡线在点相交，因此23、平衡曲线形成图8-10所示的形状，则越过点a形成平衡曲线的切线，找到水平线和该切线的交点，用下式计算最小液气比，即，24、8.4.3低浓度气体吸收时的填充剂层的高度，在入塔混合气体中在计算这种吸收问题时，可以假设不导入有意义的误差(对应于图8-7的流程):(1)气液相流量可以视为常数。 (2)吸收过程可视为等温吸收。 (3)传递系数可以视为常数。 25、对于低浓度气体的吸收，代替惰性成分的流量，气体、液体在全塔中流动的混合气体和液体的流量g，l近似，代替摩尔分数、摩尔比y、x，材料的一定式也可以： 26，另一方面，在通过填充层的高度计算进行填充剂的计算

11、时，传递速度方程式和材料的一定式是填充剂层的微分27、把气液相摩尔分数差作为总传递物质推动力计算传递速度，对于稳定的低浓度气体的吸收过程，g、l、a不随时间变化，在塔内的不同截面位置一定，如果在总传递物质系数、全塔范围也可以看作常数，就可以采用气液相摩尔分数差作为传递物质推动力进行传递可以相同，如果将28个继质单元概念应用于以业相摩尔分数差为总船推进力的情况，式中，以气相摩尔分数差为总继质推进力的填充剂层高度计的计算式可以如下表所示写：二、继质单元数和继质单元的高度，29、对应的继质单元数表8-2的物质传递单元的高度和物质传递单元数、30、3、物质传递单元数的计算(1)对数平均推进力法在与吸收

12、操作有关的组成范围内，如果相平衡关系能够用直线方程式表现，则相平衡关系按照亨利法则或操作的结构范围内平衡关系为直线的情况下， 由于传质推进力和y和x分别线性变化，推进力或对x和y的变化率都是一定的，因此31，称为气相对数平均传质推进力，32，用同样的方法，式中可以称为液相对数平均传质推进力。 33，2 )除了吸收系数法对数平均推动力法，还可代入平衡关系和操作线方程式，直接积分求出：也可写为。 同样，也可以计算以液相浓度为总传递物质推动力的传递物质单元数的公式，34、平衡关系不满足亨利定律，但可以近似用直线表示时，公式中：平衡线不成为直线时。 显然，上述对数平均推动力法和吸收系数法不适用。 在这

13、种情况下，除了基于定积分的物理意义进行图解积分外，还可以采用数值积分，后者随着电子计算机技术的发展和相关工程计算软件的开发和利用，更容易实现并广泛应用。 36，8.4.4填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的计算问题分为设计型和操作型，两个问题都可以用联合全塔材料常数式、填料层高度表式和平衡关系式来解决。 一、填料塔的设计型计算设计型计算的特点是给出了进口溶质浓度、入塔混合气流量g、平衡关系和分离要求，并计算出所需填料层的高度。 在给定条件下完成设计型计算，需要解决以下问题： (1)计算塔高，必须确定遗传系数。 (2)气液流动的选择。 (3)吸收剂进口浓度的确定。 (4)吸收剂使用量的确定。3

14、7、二、填充塔的吸收型计算吸收操作型计算的特征是，塔设备指定的(对填充塔知道填充层的高度h )计算的基本类型如下： (1)验证现有塔设备是否适用于制定的生产任务。 如果知道了t、p、h、g、l、验证是否满足要求(2)在某个操作条件发生变化时，吸收结果的变化情况，考察为了完成制定的生产任务而应采取的调节措施。 38、同样，液相浓度高时，液相传递质量分数也与液相浓度x有关。 由此可见，高浓度气体吸收的计算比低浓度的计算复杂得多。 为了考虑遗传系数变化的影响，作为计算的基础，总是采用气体的遗传速度方程式。 有：8.4.5高浓度气体吸收时填充剂层高度的计算入塔气体的溶质含量高(如超过10% )时，低浓

15、度气体的简化处理方法明显不适用，高浓度气体吸收时，根据膜模型理论，气体传递质量系数为：39，8.4.5搁板数吸收操作板式塔的主要特征是，气液二相的接触是在塔上进行的，因此结构沿塔的高度呈阶梯状，不是连续式的变化。 为了计算板式塔完成吸收任务所需的板式数，必须应用材料的一定计算和气液平衡量的关系，其常用方法是图式解法。40、一、楼梯的图式解法求理论级数，取塔设备内的任意截面，其位置落在n-1和第n块板之间，对塔顶、底一定地计算溶质材料，可以得到操作线方程式：在板式吸收塔的计算中，为了简洁的计算，经常引用“理论级数”的概念41、各层理论板气，代表远离液体组成的点，都在图8-15的平衡线OE上。 类

16、推到第42层理论板下(塔底)，二、用分析法求出理论级数的平衡关系一致，操作线为直线时，用克里姆塞尔(Kremeser )等提出的解析方法求出理论级数。 离开任一层的理论架子的液体气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成气体组成定义全搁板效率或总搁板效率的包括遗传动力学系数，其值与物系和搁板结构、操作条件有关。 板式吸收塔的全塔板效率可由实验测定和经验相关图决定，通

17、常吸收塔的范围约为。 44，8.4.7解吸(解吸)溶液中气体溶质释放的过程称为解吸或解吸，其传播方向与吸收相反，是吸收的反过程。 其目的是实现溶剂的再生，回收溶质。 如果吸收的目的是制造溶液制品，就没有必要装卸。 化工生产中常见的解吸方法有： 1、惰性气体(气体萃取法) 2、直接水蒸气(汽提或萃取) 3、降低压力、45、8.5其他类型的吸收、46、8.5.1多成分吸收多成分吸收是指其混合物中的几个成分同时被吸收的过程多成分气体吸收一般分为贫吸收和富吸收两种。 其他气体中溶质成分的浓度不高称为贫，否则称为富。 通常，多成分吸收对起到重要作用的成分(称为关键成分)规定分离要求，因为是相同的操作条件和设备，所以其他成分的吸收量由平衡关系和各成分间的相互关