第九章

氣體吸收

GasAbsorption解吸塔的計算使溶解于液相中的氣體釋放出來的操作稱為解吸或脫吸。氣、液相濃度（y,x）在平衡線下方（Q點）：yxoy*=f(x)Qyxy*x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)解吸是吸收的逆過程，相際傳質(zhì)推動力為(y*-y)或(x-x*)。解吸塔的計算降低氣體溶解度（減壓、加溫）和降低氣相主體的溶質(zhì)分壓（如氣提或汽提）都有利于解吸過程的進(jìn)行。解吸方法減壓解吸應(yīng)用解吸劑進(jìn)行解吸

氣提：惰性氣體汽提：水蒸氣解吸塔的計算V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X逆流解吸塔工業(yè)解吸過程通常是將溶液由塔頂引入，惰性氣體或蒸汽由塔底引入，使兩相在塔內(nèi)逆流接觸傳質(zhì)。適用于吸收操作的設(shè)備同樣適用于解吸操作。前述的氣液傳質(zhì)理論和吸收過程的計算方法均可用于解吸過程，相對應(yīng)的計算式形式也類似。傳質(zhì)方向稀端濃端解吸的操作線方程與吸收操作線方程在形式完全相同，只是解吸塔的稀端（X2、Y2）在塔底。當(dāng)溶液的處理量L、進(jìn)出塔濃度X1、X2以及解吸氣進(jìn)塔組成Y2確定后，氣體出塔濃度Y1與氣體用量V直接相關(guān)。YX0Y*=f(X)Y1X2Y2BX1(L/V)maxAYX0Y*=f(X)Y1X2Y2B(L/V)maxCX1Y1max=Y1*CA解吸塔的最小氣液比解吸塔的計算Y1max解吸塔填料層高度計算式的推導(dǎo)，可采用與吸收塔完全相同的方法，但式中涉及到的推動力（濃度差）的前后項要調(diào)換。如：當(dāng)平衡關(guān)系可用Y*=MX表達(dá)時，可推得與吸收過程NOL計算式完全類似的解吸過程的NOL計算式：

A=L/(MV)為吸收因子。填料層高度計算式解吸塔的計算傳質(zhì)系數(shù)任何一個化工單元操作，過程進(jìn)行的速率是決定該單元設(shè)備大小的關(guān)鍵因素。吸收塔填料層高度計算式中的傳質(zhì)系數(shù)（如ky，KY等）在吸收計算中具有十分重要的意義。傳質(zhì)系數(shù)包含了傳質(zhì)過程速率計算中一切復(fù)雜的、不易確定的影響因素，其數(shù)值的大小主要取決于物系的性質(zhì)、操作條件及設(shè)備的性能（填料特性）三個方面。由于影響因素十分復(fù)雜，傳質(zhì)系數(shù)的計算難以通過理論模型解決，迄今為止也尚無通用的計算方法可循。傳質(zhì)系數(shù)的獲取途徑：（1）實驗測定；（2）針對特定體系的經(jīng)驗公式；（3）適用范圍更廣的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。對實際操作的物系，若相平衡關(guān)系為直線，則填料層高度計算式為上式也可寫為高度為Z的填料段的平均傳質(zhì)速率方程式中F=Za為傳質(zhì)面積，Vp=Z為填料裝填體積。當(dāng)填料和填料裝填方式一定，對一定塔徑的吸收或解吸塔，在穩(wěn)定操作狀況下測得進(jìn)、出塔氣、液流量和測量段Z兩端處的氣、液濃度后，根據(jù)物料衡算及平衡關(guān)系即可算出傳質(zhì)負(fù)荷GA和平均傳質(zhì)推動力。填料的幾何特征和測試設(shè)備的尺寸已知，由上兩式可計算出以氣相為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)系數(shù)KY或總體積傳質(zhì)系數(shù)KYa。注意：實驗測定的傳質(zhì)系數(shù)用于吸收或解吸塔設(shè)計計算時，設(shè)計體系的物性、操作條件及設(shè)備性能應(yīng)與實驗測定時的情況相同或相近。傳質(zhì)系數(shù)的實驗測定傳質(zhì)系數(shù)實際上很難對每一具體設(shè)計條件下的傳質(zhì)系數(shù)都直接進(jìn)行實驗測定。為此，不少研究者針對某些典型的系統(tǒng)和條件進(jìn)行研究，在所測定的大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了對一定的物系在一定條件范圍內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗公式。用水吸收二氧化硫適用條件：（1）氣體的空塔質(zhì)量流速G為320~4150kg/(m2h)，液體的空塔質(zhì)量流速W為4400~58500kg/(m2h)；（2）直徑為25mm的環(huán)形填料。傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗公式傳質(zhì)系數(shù)用水吸收氨用水吸收氨屬易溶氣體的吸收，吸收阻力主要在氣膜側(cè)。用填充12.5mm陶瓷環(huán)形填料塔實測數(shù)據(jù)得出的計算氣相傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗公式為kga——氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3.h.kPa)；kca——液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3.h.kmol/m3)；G——氣相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2.h)；W——液相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2.h)；——與溫度有關(guān)的常數(shù)，其值列于下表。t℃10152025300.00930.01020.01160.01280.0143傳質(zhì)系數(shù)常壓下用水吸收二氧化碳式中U為液相的噴淋密度，m3/(m2h)。適用條件：（1）直徑為10~32mm陶瓷環(huán)填料塔；（2）噴淋密度U為3~20m3/(m2h)；（3）氣體的空塔質(zhì)量速度G為130~580kg/(m2h)；（4）操作溫度為21~27℃。在上述操作條件下，用水在常壓下吸收CO2的液相體積傳質(zhì)系數(shù)kca的大小主要取決于液相的噴淋密度，而氣體的質(zhì)量流速G基本無影響。用水吸收二氧化碳屬難溶氣體吸收，吸收阻力主要在液膜側(cè)。計算液相體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗公式為傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗公式的應(yīng)用對象可以說具有專一性，仍不能適應(yīng)越來越廣泛的應(yīng)用場合與體系。根據(jù)傳遞現(xiàn)象動力學(xué)相似基本原則推導(dǎo)出來并通過實驗確定模型參數(shù)的準(zhǔn)數(shù)方程則有更寬的適用范圍。常用準(zhǔn)數(shù)：主要有修伍德數(shù)Sh、雷諾數(shù)Re

及施密特數(shù)Sc

等。計算氣相傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式氣相修伍德準(zhǔn)數(shù)傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式傳質(zhì)系數(shù)氣體通過填料層的雷諾數(shù)氣相施密特準(zhǔn)數(shù)傳質(zhì)系數(shù)上式是由濕壁塔中汽液傳質(zhì)的實驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)得到，除了用于濕壁塔（l為濕壁塔塔徑）外，也可用于拉西環(huán)填料塔（l為拉西環(huán)填料的外徑）。適用范圍:ReG=2×103~3.5×104,ScG=0.6~2.5,P=101~303

kPa(絕壓)應(yīng)用場合濕壁塔0.0230.830.44填料塔0.0660.80.33模型參數(shù):D — 溶質(zhì)在氣相中的分子擴散系數(shù)m2/s；P/pm— 氣相漂流因子；kg — 氣相傳質(zhì)系數(shù)kmol/(m2skPa)；

R — 通用氣體常數(shù)kJ/(kmolK)；l — 特征尺寸m；G — 混合氣體的密度kg/m3；T — 溫度K；G — 混合氣體的粘度Ns/m2；G — 氣體的空塔質(zhì)量速度；de — 填料層中流體通道的當(dāng)量直徑，de=4a/，（a為填料的比表面m2/m3，為填料層的空隙率m3/m3）；u0 — 氣體在填料空隙中的實際流速，u0=u/（u為空塔氣速m/s）；傳質(zhì)系數(shù)液相修伍德準(zhǔn)數(shù)液體通過填料層的雷諾數(shù)液相施密特準(zhǔn)數(shù)液相的伽利略（Callilio）準(zhǔn)數(shù)a —填料比表面積m2/m3

；kc—液膜傳質(zhì)系數(shù)，m/s；cSm/c —液相漂流因子；l—特征尺寸，取填料直徑m；G —重力加速度，m/s2；L—液體的粘度，N·s/m2；L —液體的密度kg/m3；D’ —溶質(zhì)在液相中的分子擴散系數(shù)m2/s；W —液體的空塔質(zhì)量速度，kg/(m2·s)。計算液相傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式傳質(zhì)系數(shù)化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收：溶質(zhì)與液相中組分具有顯著化學(xué)反應(yīng)的吸收過程。主要特點：選擇性高，吸收速率高，吸收較徹底。如用磷酸吸收空氣中的氨。反應(yīng)平衡常數(shù)設(shè)溶質(zhì)A與液相中組分B發(fā)生如下可逆反應(yīng)反應(yīng)對平衡的影響化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)液相中組分A的總濃度為當(dāng)溶質(zhì)組分A與純?nèi)軇┑奈锢硐嗥胶夥暮嗬蓵r，氣相平衡分壓pA與液相中組分A的總濃度C之間的關(guān)系反應(yīng)平衡常數(shù)Ke越大，氣相平衡分壓pA越低。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)為不可逆時，氣相平衡分壓為零或者說相平衡常數(shù)m=0。因此，可以說化學(xué)反應(yīng)的存在，增加了可容組分的溶解度。傳質(zhì)推動力增大。化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)氣相中可溶組分向氣液界面?zhèn)鬟f（此與物理吸收相同），溶質(zhì)在界面上溶解，溶質(zhì)A在液相中傳遞并與液相中組分B發(fā)生反應(yīng)。化學(xué)吸收歷程吸收劑氣體pAcA界面液相主體相界面氣相擴散液相擴散pAcAicA

pAi氣相主體物理吸收化學(xué)吸收化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)（1）反應(yīng)速率中等、不可逆化學(xué)吸收歷程氣液界面yAyAi反應(yīng)區(qū)xAixBxB=0xA=0PQ中等反應(yīng)速率，不可逆反應(yīng)的化學(xué)吸收化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)（2）反應(yīng)速率快、不可逆快速反應(yīng)的化學(xué)吸收氣液界面yAyAi=0xB液相中xB足夠高、傳遞速率又快時化學(xué)吸收歷程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)氣液界面yAyAixAixBxB=0xA=0（3）反應(yīng)速率慢、不可逆氣液界面yAyAixAixA慢速反應(yīng)的化學(xué)吸收反應(yīng)區(qū)擴大至全部液相化學(xué)反應(yīng)改變了溶質(zhì)在等效膜中的濃度分布使之更加有利于液相傳質(zhì)?；瘜W(xué)吸收歷程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)對于化學(xué)反應(yīng)可以忽略（RA=0）、無總體流動的穩(wěn)定物理吸收過程，求解上式得到膜內(nèi)濃度分布為直線方程吸收過程液相中溶質(zhì)的濃度分布服從傳質(zhì)微分方程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強因子對穩(wěn)定的化學(xué)吸收過程（RA≠0），傳質(zhì)微分方程變?yōu)榉驱R次，等效液膜的濃度邊界條件也發(fā)生相應(yīng)變化。以擬一級反應(yīng)為例，求解傳質(zhì)微分方程化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強因子z=處的邊界條件表示由該處擴散進(jìn)入液相主體的溶質(zhì)全部被主體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)所消耗，V

代表與擴散傳質(zhì)面積相對應(yīng)的吸收液體積（m3/m2）。在上述條件下解微分方程得到等效膜內(nèi)的濃度分布雙曲函數(shù)化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強因子化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強因子-八田數(shù)（HattaNumber）八田數(shù)代表溶質(zhì)在等效膜中的反應(yīng)速率與擴散傳質(zhì)速率的特征比，反應(yīng)速率愈快其值愈大，在膜中消耗的溶質(zhì)越多；Ha=0則為物理吸收?！瘜W(xué)吸收增強因子在液相主體濃度為零(cA=0)的條件下對比下列兩式可得化學(xué)吸收速率與物理吸收速率的比值化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強因子增強因子的物理意義還可以理解為化學(xué)吸收的液相傳質(zhì)系數(shù)是在cA=0條件下物理吸收液相傳質(zhì)系數(shù)的倍?；瘜W(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強因子根據(jù)增強因子與Ha的雙曲函數(shù)關(guān)系可以直接分析化學(xué)吸收速率反應(yīng)主要在液相主體中進(jìn)行，等效膜內(nèi)濃度分布與物理吸收接近。雖然反應(yīng)并不快，但由于液相主體持液量大，反應(yīng)消耗溶質(zhì)的能力強，因而主體濃度cA

=0。（1）慢反應(yīng)，Ha<<1，數(shù)學(xué)上有th(Ha)Ha，則（2）中等反應(yīng)速率，但及，則化學(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與增強因子（3）快反應(yīng)，Ha>3，數(shù)學(xué)上有th(Ha)1，則溶質(zhì)在等效膜內(nèi)全部反應(yīng)掉，不進(jìn)入液相主體?；瘜W(xué)吸收(Chemicalabsorption)化學(xué)吸收速率與