1、 第 4 章 氣體吸收 Gas Absorption主要內(nèi)容1 概述2 吸收相平衡3 傳質(zhì)機(jī)理與傳質(zhì)速率3.1分子擴(kuò)散3.2氣相中穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散3.3傳質(zhì)機(jī)理3.4 吸收速率式八月 222主要內(nèi)容4 吸收塔的計(jì)算4.1 物料衡算4.2 吸收用量的確定4.3填料層高度的計(jì)算4.4吸收塔理論板數(shù)的計(jì)算5 吸收系數(shù)6 脫吸及其它條件的吸收八月 2234.1概述4.1.1基本概念一、吸收過程若使混合氣體與適當(dāng)?shù)娜軇┙佑|，氣體中一個(gè)或幾個(gè)組分便溶解于液體中形成溶液，而不溶解的組分則留在氣相中，從而實(shí)現(xiàn)其分離。 吸收依據(jù)是混合氣體中各組分在同一溶劑中溶解度的不同。汽液接觸方式同精餾相同吸收塔(absorpt

2、ion tower)板式吸收塔、填料吸收塔(packing absorption tower)逆流吸收(counter-current absorption)。 八月 224基本概念解吸(desorption)將被溶解于液相的氣體組分釋放出來的操作。解吸是吸收的逆過程，目的是實(shí)現(xiàn)溶劑與被溶解組分的分離，回收溶劑（溶劑再生）常用解吸方法吹氣、減壓、加熱吸收解吸一般是并存的，互相影響。若吸收的目的為制取某種溶液，則無須解吸八月 225吸收-脫吸流程-用洗油吸收焦?fàn)t煤氣中的苯例：從焦?fàn)t煤氣中回收粗苯。煤氣由塔底進(jìn)入吸收塔，其中的粗苯蒸氣被塔頂淋下的洗油吸收后，由塔頂送出。富含粗苯的溶液經(jīng)升溫后從解吸

3、塔的塔頂進(jìn)入，塔底直接通入過熱蒸汽氣，將溶液中的粗苯逐出，并帶出塔頂，一道進(jìn)入冷凝器，冷凝后的水和粗苯經(jīng)分層后分別引出；解吸塔底的洗油含苯量已很低，經(jīng)冷卻后再送往吸收塔塔頂循環(huán)使用。 八月 226二、吸收分類吸收的分類按溶劑溶質(zhì)是否反應(yīng)分化學(xué)吸收與 物理吸收按能溶解組分?jǐn)?shù)分單組分吸收和多組分吸收按液相溫度是否變化 等溫吸收（低濃度吸收）和 變溫吸收化工原理講的是單組分、等溫、物理吸收八月 227三、吸收設(shè)備-填料吸收塔填料吸收塔為一圓形筒體，筒內(nèi)分層裝有一定高度的填料。自塔上部進(jìn)入的液體通過分布器均勻噴灑于塔截面上。在填料層內(nèi)沿填料表面呈膜狀流下。各層填料之間設(shè)有液體再分布器，將液體重新均勻分

4、布于塔截面上，再進(jìn)入下層填料。氣體自塔下部進(jìn)入，通過填料縫隙中自由空間，從塔上部排出。離開填料層的氣體可能夾帶少量霧狀液滴，因此有時(shí)需要在塔頂安裝除沫器。氣液兩相在填料層內(nèi)進(jìn)行傳質(zhì)。 八月 228填料類型拉西環(huán)填料鮑爾環(huán)填料階梯環(huán)填料矩鞍環(huán)填料規(guī)整填料等 規(guī)整填料： TUGRID格柵 組合式板網(wǎng) 金屬（孔）板波紋 組片式波紋填料八月 2210四、吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用吸收目的凈化或精制氣體為除去原料氣中所含的雜質(zhì)，吸收是最常用的方法。如用乙醇胺液脫出石油裂解氣或天然氣中的硫化氫；用于合成氨生產(chǎn)的氮?dú)浠旌蠚庵械腃O2和CO的凈化；在接觸法生產(chǎn)硫酸中二氧化硫的干燥等。分離氣體混合物用以得到目的產(chǎn)物

5、或回收其中一些組分，如石油裂解氣的油吸收，將C2以上的組分與甲烷、氫分開；用N甲基吡咯烷酮作溶劑，將天然氣部分氧化所得裂解氣中的乙炔分離出來；焦?fàn)t氣的油吸收以回收苯等。八月 2211工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過程將最終氣態(tài)產(chǎn)品制成溶液或中間產(chǎn)品將氣體中需用的組分以指定的溶劑吸收出來，成為液態(tài)的產(chǎn)品或半成品，如用水吸收氯化氫氣體制成鹽酸；在甲醇蒸汽氧化后用水吸收甲醛蒸汽制甲醛溶液；用水吸收丙烯腈作為中間產(chǎn)物等。廢氣治理 很多工業(yè)廢氣中SO2 、NOx （主要是NO及NO2 ），汞蒸汽等有害成分，雖然濃度一般很低，但對(duì)人體和環(huán)境的危害甚大，而必須進(jìn)行治理，例如:煙道氣除去SO2的凈化；液氯冷凝后的廢氣除去氯

6、氣的凈化以及工業(yè)放空尾氣中的氯化氫等各種有害氣體。八月 2212六、吸收劑的選擇 溶解度大；選擇性好；再生性能好；具有良好的物理性質(zhì)；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性；對(duì)金屬設(shè)備腐蝕性小；廉價(jià)、易得。八月 22131.2 吸收與精餾的比較原理不同。 吸收是根據(jù)各組分溶解度不同分離氣體混合物的。 精餾利用組分間相對(duì)揮發(fā)度不同分離液體混合物。設(shè)備通用，但塔式不同。 精餾有簡單塔和復(fù)雜塔。 最簡單的吸收為精餾中的復(fù)雜精餾，即兩股進(jìn)料，兩股出料。 八月 2214精餾與吸收傳質(zhì)形式不同。吸收是單向傳質(zhì)，精餾是雙向傳質(zhì)。在精餾操作中，汽液兩相接觸，汽相中的較重組分向液相中傳質(zhì)（冷凝），液相中的較輕組分向汽相

7、中傳質(zhì)（汽化），所以傳質(zhì)過程是在兩相中交替進(jìn)行。對(duì)于吸收系統(tǒng)，一般吸收劑是不易揮發(fā)的液體，氣相中的某些組分不斷溶解到不易揮發(fā)的吸收劑中，屬于單向傳質(zhì)。 八月 2215精餾與吸收溫度范圍、變化不同。在精餾過程中，由于氣化潛熱與冷凝潛熱相互利用，在整個(gè)塔內(nèi)的溫度變化范圍不是很大，而且從塔頂向下，溫度逐漸升高。每塊板上由于組成改變而引起的溫度變化，可用泡露點(diǎn)方程定出。吸收過程由于氣相中易溶組分溶解到溶劑中，會(huì)放出溶解熱，這一熱效應(yīng)會(huì)使液相和氣相的溫度都升高，溫度升高又影響相平衡關(guān)系，因而氣相中各組分沿塔高的溶解量分布不均衡，這就導(dǎo)致了溶解熱的大小以至吸收溫度變化是不均勻的，所以不能用精餾中常用的泡露

8、點(diǎn)方程來確定吸收塔中溫度沿塔高的分布，通常要采用熱量衡算來確定溫度的分布。八月 22164.2 物理吸收的相平衡 氣體混合物中的組分不易冷凝成液體，然而它們可溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┲小Ｒ虼藲怏w的溶解度即為吸收和解吸的相平衡。一、氣體的溶解度1）溫度、壓力對(duì)氣體溶解度的影響加壓、降溫溶解度增大；升溫，降壓，溶解度減小對(duì)工程有何指導(dǎo)意義？在吸收過程中，為何常采用加壓操作？而解吸常采用加熱、減壓措施？八月 2217吸收相平衡2）相平衡與吸收過程的關(guān)系傳質(zhì)的方向趨于相平衡傳質(zhì)的推動(dòng)力實(shí)際濃度與平衡濃度的差值傳質(zhì)的極限相平衡八月 2218二、亨利定律(Henrys law）1）低壓下的平衡關(guān)系 HenryLa

9、w 是稀溶液的性質(zhì)HenryLaw具有多種形式p*=Exp* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，Kpa。X溶質(zhì)在液相中的摩爾分率。E亨利系數(shù)，其值隨物系而異，Kpa亨利常數(shù) E=f(T)。溫度升高，E增大八月 2219二、亨利定律2）高壓下的平衡關(guān)系HP 不僅與溶劑的和溶質(zhì)的性質(zhì)、系統(tǒng)的溫度有關(guān)，還與系統(tǒng)的總壓有關(guān)。八月 2220亨利定律y* = mxy*與液相成平衡的氣相中溶質(zhì)摩爾分率x液相中溶質(zhì)的摩爾分率m相平衡常數(shù)，無因次m隨物系、溫度、壓強(qiáng)而變化。m和E的關(guān)系：m=E/P對(duì)不同氣體，m大者，難則溶解度八月 2221亨利定律P* = C/H 溶解度系數(shù)H=/(E Ms)P*溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，

10、KpaC單位體積溶液中溶質(zhì)的摩爾數(shù)（摩爾濃度）mol /m3H溶解度系數(shù),Kmol/KN m對(duì)不同氣體，H大者，則易溶因?yàn)闈舛缺硎痉椒ú煌?，亨利定律有多種表達(dá)形式，都表示平衡時(shí)氣相與液相組成之間的平衡關(guān)系。八月 2222亨利定律Y* =m X (低濃度下成立） Y*與液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾比X液相中溶質(zhì)的摩爾比m相平衡常數(shù)八月 2223三、 相平衡與吸收過程的關(guān)系1、 判別過程的方向當(dāng)氣相實(shí)際濃度大于平衡濃度時(shí)，傳質(zhì)方向是氣相到液相，為吸收；反之為解吸，當(dāng)液相實(shí)際濃度大于平衡濃度時(shí)，傳質(zhì)方向?yàn)橐合嗟綒庀?，為解吸；反之為吸收。八?22242 、指明過程的極限八月 2225 3、計(jì)算過程的

11、推動(dòng)力推動(dòng)力：實(shí)際濃度與平衡濃度的偏離程度濃度表示法：摩爾濃度、摩爾分?jǐn)?shù)、分壓等八月 2226傳質(zhì)推動(dòng)力 吸收推動(dòng)力解吸推動(dòng)力八月 22273 傳質(zhì)機(jī)理與傳質(zhì)速率質(zhì)量傳遞中，氣液接觸方式不同，處理方法也不同，本章主要以微分接觸為例。傳質(zhì)與傳熱有類似性吸收中的傳質(zhì)步驟：1）氣相主體中的物質(zhì)擴(kuò)散；2）氣液界面上的擴(kuò)散；3）液相主體的物質(zhì)擴(kuò)散。八月 2228傳質(zhì)機(jī)理傳質(zhì)機(jī)理分子擴(kuò)散靠分子熱運(yùn)動(dòng)傳質(zhì)。渦流擴(kuò)散依靠質(zhì)點(diǎn)相對(duì)位移的產(chǎn)生傳遞物質(zhì)。對(duì)流擴(kuò)散分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散的總和?？傔^程速率取決于單相傳質(zhì)速率。分析思路先討論分子擴(kuò)散的機(jī)理，再討論對(duì)流擴(kuò)散機(jī)理，并寫出相應(yīng)的傳質(zhì)速率式八月 2229單相中物質(zhì)的分

12、子擴(kuò)散什么是分子擴(kuò)散？ 在一相內(nèi)部有濃度差存在時(shí)，由于分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)引起的物質(zhì)傳遞，簡稱擴(kuò)散。擴(kuò)散的快慢用擴(kuò)散通量表示擴(kuò)散通量在單位時(shí)間內(nèi)單位截面積上擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量；kmol/m2 s ，用 J表示。菲克定律（Ficks Law）當(dāng)A在AB中擴(kuò)散時(shí)，任一點(diǎn)的擴(kuò)散通量與該位置上的濃度梯度成正比。對(duì)于一維擴(kuò)散：八月 2230（1）分子擴(kuò)散-菲克定律 只要流體內(nèi)部有濃度梯度，就會(huì)產(chǎn)生分子擴(kuò)散，在恒溫恒壓下，一維分子擴(kuò)散速率可用費(fèi)克定律表達(dá)如下 ： 濃度梯度 指向濃度增加的方向，而擴(kuò)散向濃度降低的方 向進(jìn)行，故式中加負(fù)號(hào)。DAB 為組分A在雙組分混合物A、B中的擴(kuò)散系數(shù)。 八月 2231雙組分混

13、合物中的分子擴(kuò)散 對(duì)雙組分混合物，在總濃度（對(duì)氣相也可說總壓）各處相等及 常數(shù)的前提下，也有 (前提為 常數(shù)，對(duì)氣壓為總壓 不變) A、B兩組分的分子擴(kuò)散速率大小相等，方向相反，否則就不能保證總濃度 （或總壓 ）不變。 八月 2232擴(kuò)散系數(shù)D物性常數(shù) D = f (物質(zhì)種類，溫度，壓強(qiáng)，濃度）來源 1）實(shí)驗(yàn)測定 2）常用物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)可查相關(guān)手冊、文獻(xiàn) 3）經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算1）氣體擴(kuò)散系數(shù) 氣體擴(kuò)散系數(shù) D T3/2/P （Maxwell-Gilliland 公式）溫克爾曼法（Winkelmann s Method)測定氣體擴(kuò)散系數(shù)原理（例題） 液體物質(zhì)表面汽化穿過空氣層的擴(kuò)散是單向擴(kuò)散八

14、月 2233擴(kuò)散系數(shù)例2-5 用溫克爾曼法測定CCI4 蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)。豎直細(xì)管中盛有CCI4 液體，令空氣在橫向管中快速通過，以保證管口處CCI4 分壓接近于零。已知：溫度、壓力，記錄液面到管口的距離隨時(shí)間的變化值 求： 該條件下CCI4 蒸汽在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)解：豎直管內(nèi)通過靜止氣體層的擴(kuò)散為單向擴(kuò)散，且為一非定態(tài)過程，但因擴(kuò)散距離z的變化緩慢，故可作為擬定態(tài)處理。擴(kuò)散速率可表示： 八月 2234對(duì)流傳質(zhì)理論1、雙膜理論（又稱雙膜模型或雙阻力理論要點(diǎn)： 1）汽液間有一穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一有效滯流膜，膜內(nèi)物質(zhì)靠分子擴(kuò)散傳遞； 2）汽液界面上，汽液兩相滿足相平衡關(guān)系； 3）汽、

15、液主體因湍流程度較高，濃度均一。八月 2235 傳質(zhì)速率方程的各種表達(dá)形式相平衡方程吸收傳質(zhì)速率方程吸收或解吸的總傳質(zhì)系數(shù) 八月 2236傳質(zhì)速率方程特別提示：速率形式多種，傳質(zhì)阻力與推動(dòng)力表現(xiàn)形式應(yīng)匹配各傳質(zhì)速率式中，任何傳質(zhì)系數(shù)的單位均可表示為： kmol/(m2s 單位推動(dòng)力)每一公式僅適用于氣液主體濃度保持不變的條件，吸收塔中不同截面上企業(yè)向濃度不同，吸收速率不同。總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系成立的前提是；在涉及的濃度范圍內(nèi)，平衡關(guān)系為直線。傳質(zhì)速率=傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)推動(dòng)力關(guān)系式氣膜控制液膜控制八月 2237總阻力與分阻力關(guān)系八月 2238氣、液相濃度均用摩爾分率表示根據(jù)氣膜速率式根據(jù)液膜速率式由

16、總速率式（1）與（2）式相加，與（3）式比較得： 吸收過程的阻力控制（1）氣相阻力控制條件：或 m很?。ㄈ芙舛群艽螅?；易溶氣體：水吸收NH3，HCl。八月 2239條件：m很大（溶解度很小）；難溶氣體：水吸收CO2，O2等?；?吸收過程的阻力分析（2）液相阻力控制八月 22404 填料吸收塔的計(jì)算4.1 吸收塔的物料衡算全塔物料衡算（逆流吸收） Gy 1 +Lx 2 =Gy 2+ Lx 1式中：G氣相流量 kmol/s； L液相流量 kmol /s ； x,y液氣相組成摩爾分率。分離任務(wù)混合氣體流量，進(jìn)出口氣體濃度或溶質(zhì)回收率吸收劑流量、組成由設(shè)計(jì)者確定。 八月 2241吸收塔的操作線分段物料

17、恒算：對(duì)上段： Gy + Lx2 = Gy 2+ Lx對(duì)下段： Gy1 + Lx = Gy + Lx 1吸收塔的操作線為：八月 22424.2 吸收劑用量同回流比的選擇吸收劑用量L增大，操作線斜率L/G增大，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，所需傳質(zhì)面積減小，設(shè)備費(fèi)降低；但L增大，吸收液濃度降低，解吸負(fù)擔(dān)增大，操作費(fèi)用升高。最小液氣比 實(shí)際液氣比 L/G =（1.12.0） (L/G)min 八月 22434.3 填料層高度的計(jì)算塔高計(jì)算的命題形式： 已知：氣體y1 和G、相平衡關(guān)系、分離要求(y2 或回收率) 選擇：流向（逆流、并流）、溶劑進(jìn)口流量L和濃度x2 等 求：完成指定分離要求所需的塔高H？如何建立各

18、物理量之間的關(guān)系八月 2244低濃度氣體吸收過程的數(shù)學(xué)描述低含量氣體吸收的特點(diǎn) 1) G，L 為常量； 2) 等溫； 3)傳質(zhì)系數(shù)為常量。取微元控制體作物料衡算（忽略軸向的物質(zhì)擴(kuò)散）：八月 2245a- 填料的比表面積，m2 /m3 塔高計(jì)算積分式 式中 Ky a、Kx a分別為氣、液相容積傳質(zhì)系數(shù)，Kmol/m2s;a 為填料的有效比表面積，m2 /m3 。八月 2246傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度 令式中： 分別為氣相、液相總傳質(zhì)單元高度，m； 分別為氣相、液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。 傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度根據(jù)上述定義： 塔高=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù) 傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)的物理意義是什么呢？傳質(zhì)單元高度HOG、HOL與設(shè)備形式，操作條件有關(guān)，為完成一個(gè)傳質(zhì)單元所需的塔高，反映設(shè)備性能高低。傳質(zhì)單元數(shù)NOG、NOL與相平衡及分離要求有關(guān)，反映了分離過程的難易程度。 NOG =(Y1-Y2 )/Ym 八月 2248傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度塔高計(jì)算式傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)八月 2249操作線為：傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算方法兩相逆流接觸，如圖對(duì)控制體作物料衡算：八月 22逆流吸收操作線一、平衡線為直線時(shí)八月 2251對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法八月 2252S解吸因數(shù)，A吸收因數(shù)吸收因數(shù)法八月 2253吸收因數(shù)法該式包括 、 、 三個(gè)數(shù)群， 可將其繪制成圖。由圖可看