第8章氣體吸收

GASABSORPTION2/5/20231

利用混合氣體中各組分在液體中溶解度的差異而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收。吸收操作時某些易溶組分進入液相形成溶液，不溶或難溶組分仍留在氣相，從而實現(xiàn)混合氣體的分離。8.1.1吸收的原理8.1概述2/5/20232吸收質或溶質（absorbate)：混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體或載體（inertgases）：不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑（absorbent）：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。吸收液（absorptionsolution）：吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質A。吸收尾氣（absorptiontailgas）：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質A。吸收塔混合氣體(A+B)吸收液(A+S)吸收劑(S)吸收尾氣(A+B)2/5/202338.1.2吸收的目的1．制取產(chǎn)品

例如，用98%的硫酸吸收SO3氣體制取發(fā)煙硫酸，用水吸收氯化氫制取31%的工業(yè)鹽酸，用氨水吸收CO2生產(chǎn)碳酸氫銨等。

2．從氣體中回收有用的組分

例如，用硫酸從煤氣中回收氨生成硫胺；用洗油從煤氣中回收粗苯等。

3．除去有害組分以凈化氣體

主要包括原料氣凈化和尾氣、廢氣的凈化以保護環(huán)境。例如用水或堿液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳，燃煤鍋爐煙氣、冶煉廢氣等脫SO2等。2/5/20234

物理吸收：吸收過程溶質與溶劑不發(fā)生顯著的化學反應，可視為單純的氣體溶解于液相的過程。

化學吸收：溶質與溶劑有顯著的化學反應發(fā)生。

單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計。

多組分吸收：有兩個或兩個以上組分被吸收。

等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過程。非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過程。8.1.3吸收分類2/5/202358.1.4吸收設備和流程2/5/202362．吸收流程吸收與解吸流程含苯煤氣脫苯煤氣洗油苯水過熱蒸汽加熱器冷卻器2/5/202378.1.5吸收劑的選擇1．溶解度 對溶質組分有較大的溶解度；2．選擇性 對溶質組分有良好的選擇性，即對其它組分基本不吸收或吸收甚微；3．揮發(fā)性 應不易揮發(fā)；4．粘性 粘度要低；5．其它 無毒、無腐蝕性、不易燃燒、不發(fā)泡、價廉易得，并具有化學穩(wěn)定性等要求。2/5/20238溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時溶質在氣相和液相中的濃度關系曲線。120溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC8.2.1平衡溶解度8.2

氣液相平衡2/5/20239在相同條件下，NH3在水中的溶解度較SO2大得多。用水作吸收劑時，稱NH3為易溶氣體，SO2為中等溶解氣體，溶解度更小的氣體則為難溶氣體(如O2在30℃和溶質的分壓為40kPa的條件下，1kg水中溶解的質量僅為0.014g)。

2/5/202310吸收劑、溫度T、P一定時，不同物質的溶解度不同。

溫度、溶液的濃度一定時，溶液上方分壓越大的物質越難溶。對于同一種氣體，分壓一定時，溫度T越高，溶解度越小。對于同一種氣體，溫度T一定時，分壓P越大，溶解度越大。加壓和降溫對吸收操作有利。

2/5/2023118.2.2亨利定律當總壓不太高時，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即溶質在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。1用吸收質在溶液中的摩爾分數(shù)x表示

pe——溶質在氣相中的平衡分壓，kPa；

x——溶質在液相中的摩爾分數(shù)；

E——亨利系數(shù)，單位:Pa。

亨利系數(shù)的值隨物系的特性及溫度而異；物系一定，E值一般隨溫度的上升而增大；在同一溶劑中，難溶氣體E值很大，易溶氣體E值很小。2/5/2023122用溶液中吸收質的物質的量濃度c表示c——溶質在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；H——溶解度系數(shù)，單位：(Pa·m3)/kmol。

H是溫度的函數(shù)，H值隨溫度升高而增大。易溶氣體H值小，難溶氣體H值大。H與E的關系設溶液的密度為，濃度為c，溶質和溶劑的摩爾質量分別為M和Ms

注意：有些教材上用2/5/2023133用氣液相中溶質的摩爾分數(shù)表示m——相平衡常數(shù)，是溫度和壓強的函數(shù)。

溫度升高、總壓下降則m值變大；m值越大，表明氣體的溶解度越小。若總壓為P，m和E之間的關系為m=E/P。

若為稀溶液，則有：2/5/202314例8-1：在常壓及20℃下，測得氨在水中的平衡數(shù)據(jù)為：濃度為0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分壓為400Pa，在該濃度范圍下相平衡關系可用亨利定律表示，試求亨利系數(shù)E，溶解度系數(shù)H，及相平衡常數(shù)m。（氨水密度可取為1000kg/m3）

解：由亨利定律表達式知：2/5/202315∴亨利系數(shù)為

又

，而

∴相平衡常數(shù)

∴溶解度系數(shù)為：

2/5/202316或由各系數(shù)間的關系求出其它系數(shù)

2/5/2023178.3

擴散和單相傳質

平衡關系只能回答混合氣體中溶質氣體能否進入液相這個問題，至于進入液相速率大小，卻無法解決，后者屬于傳質的機理問題。本節(jié)的內(nèi)容是結合吸收操作來說明傳質的基本原理，作為分析吸收操作與計算吸收設備的依據(jù)。

2/5/202318吸收過程

氣相主體液相主體相界面pz1z2pi

ci

c氣膜液膜(1)溶質從氣相主體轉移到相界面。即氣相內(nèi)的物質傳遞(2)溶質在相界面處的溶解，由氣相進入液相。(3)溶質由相界轉移到液相主體。即液相內(nèi)的物質傳遞。2/5/202319分子擴散：

一相內(nèi)部存在濃度差異時，由于分子的無規(guī)則運動而引起的物質傳遞。1．菲克定律

擴散速率

：單位時間內(nèi)通過單位面積傳遞的物質的量，單位：mol/(m2s)

。8.3.1分子擴散—菲克定律

ABABAB2/5/202320J-------傳質速率，單位為mol/(m2s)D-------擴散系數(shù)，單位為m2/sc-------吸收質的濃度，單位為mol/m3z-------擴散距離，單位為mA-------相間傳質接觸面積，單位為m22/5/2023212.等分子反向擴散定態(tài)條件下，對積分，得：因c=n/V，且pV=nRT，故c=p/RT，JAJBTPpA2pB2TPpA1pB1122/5/202322（1）主體流動：因溶質Ａ擴散到界面后溶解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，使得混合物向界面處的流動。（2）主體流動的特點：

1）因分子本身擴散引起的宏觀流動。

2）A、B在主體流動中方向相同，流動速度正比于摩爾分率。

3單向擴散12JAJBNb,ANb,B總體流動NbNA2/5/202323（3）單向擴散傳質速率方程12JAJBNb,ANb,B總體流動NbNA2/5/202324——微分式2/5/202325氣相擴散——積分式2/5/2023262/5/202327——積分式——積分式液相：、——漂流因數(shù)，無因次2/5/202328漂流因數(shù)意義：其大小反映主體流動對傳質速率的影響程度，其值為主體流動使傳質速率較單純分子擴散增大的倍數(shù)。漂流因數(shù)的影響因素：濃度高，漂流因數(shù)大，主體流動的影響大。低濃度時，漂流因數(shù)近似等于1，主體流動的影響小。2/5/2023298.3.2擴散系數(shù)擴散系數(shù)的意義：單位濃度梯度下的擴散通量，反映某組分在一定介質中的擴散能力，是物質特性常數(shù)之一；單位：m2/s。

D的影響因素：A、B、T、P、濃度D的來源：查手冊；半經(jīng)驗公式；測定2/5/202330（1）氣相中的D范圍：10-5～10-4m2/s經(jīng)驗公式（2）液相中的D范圍：10-10～10-9m2/s2/5/202331例8-2：有一直立的玻璃管，底端封死，內(nèi)充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空氣通過，5小時后，管內(nèi)液面降到距管口20.5mm，管內(nèi)液體溫度保持293K，大氣壓為100kPa，此條件下，丙酮的飽和蒸氣壓為24kPa。求丙酮在空氣中的擴散系數(shù)。空氣丙酮2/5/202332單位面積液面汽化的速率用液面高度變化的速率：=解2/5/2023332/5/2023348.3.3.對流傳質1．渦流擴散渦流擴散：流體作湍流運動時，若流體內(nèi)部存在濃度梯度，流體質點便會靠質點的無規(guī)則運動，相互碰撞和混合，組分從高濃度向低濃度方向傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流散。2/5/202335——渦流擴散速率，kmol/(m2·s)；——渦流擴散系數(shù)，m2/s。注意：渦流擴散系數(shù)與分子擴散系數(shù)不同，不是物性常數(shù)，其值與流體流動狀態(tài)及所處的位置有關?？倲U散通量：2/5/2023362對流傳質模型相際對流傳質三大模型：雙膜（有效膜）模型*溶質滲透模型表面更新模型2/5/202337雙膜理論

由W.K.Lewis

和W.G.Whitman

在上世紀二十年代提出，是最早出現(xiàn)的傳質理論。雙膜理論的基本論點是：

(1)相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側各存在著一個很?。ǖ刃Ш穸确謩e為1和2）的流體膜層。溶質以分子擴散方式通過此兩膜層。(2)相界面沒有傳質阻力，即溶質在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。(3)在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動劇烈，傳質速率高，傳質阻力可以忽略不計，相際的傳質阻力集中在兩個膜層內(nèi)。

氣相主體液相主體相界面pi=H

ci

p12pi

ci

c氣膜液膜2/5/202338按雙膜理論，傳質系數(shù)與擴散系數(shù)成正比，這與實驗所得的關聯(lián)式地結果相差較大；由此理論所得的傳質系數(shù)計算式形式簡單，但等效膜層厚度1和2以及界面上濃度pi和ci

都難以確定；雙膜理論存在著很大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質體系，相界面是不穩(wěn)定的，因此界面兩側存在穩(wěn)定的等效膜層以及物質以分子擴散方式通過此兩膜層的假設都難以成立；該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質過程的計算中得到了廣泛承認，仍是傳質過程及設備設計的依據(jù)；本書后續(xù)部分也將以該理論為討論問題的基礎。2/5/202339溶質滲透理論工業(yè)設備中進行的氣液傳質過程，相界面上的流體總是不斷地與主流混合而暴露出新的接觸表面。赫格比（Higbie）認為流體在相界面上暴露的時間很短，溶質不可能在膜內(nèi)建立起如雙膜理論假設的那種穩(wěn)定的濃度分布。溶質通過分子擴散由表面不斷地向主體滲透，每一瞬時均有不同的瞬時濃度分布和與之對應的界面瞬時擴散速率（與界面上的濃度梯度成正比）。流體表面暴露的時間越長，膜內(nèi)濃度分布曲線就越平緩，界面上溶質擴散速率隨之下降。界面cAicA0距相界面的距離液相濃度cA增加2/5/202340直到時間為c時，膜內(nèi)流體與主流發(fā)生一次完全混合而使?jié)舛戎匦戮鶆蚝蟀l(fā)生下一輪的表面暴露和膜內(nèi)擴散。c稱為汽、液接觸時間或溶質滲透時間，是溶質滲透理論的模型參數(shù)，氣、液界面上的傳質速率應是該時段內(nèi)的平均值。由該理論解析求得液相傳質系數(shù)該理論指出傳質系數(shù)與擴散系數(shù)DAB的0.5次方成正比，比雙膜理論更加接近于實驗值，表明其對傳質機理分析更加接近實際。2/5/202341表面更新理論丹克瓦茨（Danckwerts）認為氣液接觸表面是在連續(xù)不斷地更新，而不是每隔一定的周期c才發(fā)生一次。處于表面的流體單元隨時都有可能被更新，無論其在表面停留時間（齡期）的長短，被更新的機率相等。引入一個模型參數(shù)S來表達任何齡期的流體表面單元在單位時間內(nèi)被更新的機率（更新頻率）。由于不同齡期的流體單元其表面瞬時傳質速率不一樣，將齡期為0→∞的全部單元的瞬時傳質速率進行加權平均，解析求得傳質系數(shù)為2/5/202342該理論得出的傳質系數(shù)正比于擴散系數(shù)DAB的0.5次方；該理論的模型參數(shù)是表面更新機率S，而不是接觸時間c；目前還不能對c和S進行理論預測，因此用上述兩個理論來預測傳質系數(shù)還有困難；溶質滲透理論和表面更新理論指出了強化傳質的方向，即降低接觸時間或增加表面更新機率。2/5/202343——以分壓表示推動力的氣相對流傳質系數(shù)，kmol/m2·s·kPa）。DG：氣相對流傳質系數(shù)3．單相對流傳質速率方程（1）氣相對流傳質速率方程ppicic氣相液相GLE2/5/202344——以氣相摩爾分率表示推動力的氣相對流傳質分系數(shù)，kmol/（m2·s）；令2/5/202345同理（2）液相對流傳質速率方程kL—以液相組成摩爾濃度表示推動力的液相對流傳質系數(shù)，(m·s)-1；

—以液相組成摩爾分率表示推動力的液相對流傳質系數(shù)，kmol/（m2·s）；ppicic氣相液相GLE2/5/2023464對流傳質系數(shù)的求解SherwoodNumberReynoldsNumberSchmidtNumber2/5/202347根據(jù)雙膜理論8.4相際傳質

8.4.1相際傳質速率

2/5/202348同理令：

——以氣相壓差表示推動力的氣相總傳質系數(shù)

——以氣相摩爾分率差表示推動力的氣相總傳質系數(shù)2/5/202349用液相組成表示吸收推動力

——以液相濃度差表示推動力的液相總傳質系數(shù)——以液相摩爾分率差表示推動力的液相總傳質系數(shù)2/5/202350總傳質系數(shù)之間的關系

2/5/2023518.4.2傳質阻力和速率控制傳質阻力相間傳質總阻力=液相(膜)阻力+氣相(膜)阻力2/5/202352傳質速率的控制步驟（1）氣膜控制氣膜控制：易溶氣體，傳質阻力主要集中在氣相，此吸收過程為氣相阻力控制（氣膜控制）。H較小，易溶氣體氣膜控制的特點：.pIpicce2/5/202353（2）液膜控制液膜控制：難溶氣體，傳質阻力主要集中在液相，此吸收過程為液相阻力控制（液膜控制）液膜控制的特點：H較大，難溶氣體.2/5/202354同理：氣膜控制：液膜控制：m小，易溶氣體m大，難溶氣體2/5/2023558.5低含量氣體的吸收G、L——通過吸收塔的氣體和液體的摩爾流率；kmol/(m2s)

；y——混合氣體中溶質的摩爾分率；

x——溶液中溶質的摩爾分率。下標“1”代表填料層下底截面—濃端，下標“2”代表填料層上頂截面—稀端。特點：（1）.G，L為常量（2）.等溫吸收（3）.傳質系數(shù)為常數(shù)G,y2G,y1L,x2L,xG,yL,x12/5/2023561、全塔物料衡算塔底到塔頂對溶質做物料衡算

8.5.1吸收塔中的物料衡算—操作線方程——液氣比

進塔氣體量G和組成y1是吸收任務規(guī)定的，進塔吸收劑溫度和組成x2一般由工藝條件所確定，出塔氣體組成y2則由任務給定的吸收率

求出G,y2G,y1L,x2L,xG,yL,x12/5/2023572、操作線方程與操作線上式稱為吸收操作線方程，代表逆流操作時塔內(nèi)任一截面上的氣、液兩相組成y和x之間的關系。填料層任一截面與塔頂之間對溶質做物料衡算：G,y2G,y1L,x2L,xG,yL,x12/5/202358當L/G一定，操作線方程在y-x圖上為直線，稱為吸收操作線。斜率：液氣比L/G

，經(jīng)過點A(x1，y1)和B(x2，y2)yxoy=f(x)Ay1x1x2y2ByxxeyeP線上任一點的坐標P(x，y)代表了塔內(nèi)該截面上氣液兩相的組成。操作線上任一點P與平衡線間的垂直距離y=y-ye

為塔內(nèi)該截面上以氣相為基準的吸收傳質推動力；與平衡線的水平距離x=xe-x

為該截面上以液相為基準的吸收傳質推動力。兩線間垂直距離（y-ye）或水平距離（xe-x）的變化顯示了吸收過程推動力沿塔高的變化規(guī)律。y-yexe-x2/5/202359yxoy=f(x)Ay1x1x2y2BL/Gy-yeA’x1’x1e(L/G

)minC最小液氣比(L/G)min當L/G下降到某一值時，操作線將與平衡線相交或者相切，此時對應的液氣比稱為最小液氣比，用(L/G)min表示，而對應的x1則用x1e表示（最大出塔吸收液濃度）。L/G，斜率，操作線與平衡線的距離

,推動力，塔高,設備費用;L/G

，吸收劑用量，吸收劑出塔濃度x1,循環(huán)和再生費用。3、液汽比的選擇2/5/202360隨液氣比的減小，操作線與平衡線是相交還是相切取決于平衡線的形狀。yxoy=f(x)y1x2y2Bx1,max=x1e最小液氣比Cyxoy=f(x)y1x2y2Bx1e最小液氣比Cx1,max兩線在y1

處相交時，x1,max=x1e；兩線在中間某個濃度處相切時，x1,max<x1e

。2/5/202361最小液氣比的計算液氣比的選擇平衡線符合亨利定律，可用

表示

2/5/202362對填料層中高度為dH,傳質面積為dA的微分段作物料衡算,可得溶質在單位時間內(nèi)由氣相轉入液相的量。

填料塔內(nèi)氣、液組成y、x和傳質推動力y（或x）均隨塔高變化，故塔內(nèi)各截面上的吸收速率也不相同。G,y2G,y1L,x1L,x2yxHy+dydHx+dx8.5.2填料層高度的計算

1填料層高度的基本計算式

S:填料塔的截面積2/5/202363若填料塔的填料層高度為H，空塔截面積為S，則堆放填料的體積為HS，單位體積填料的有效表面積為

(m2·m-3),則傳質的接觸面積為：A=HS，dA=aSdH2/5/202364的單位

——氣相傳質單元數(shù)

2傳質單元數(shù)和傳質單元高度——氣相傳質單元高度

——液相傳質單元高度

——液相傳質單元數(shù)

2/5/202365

傳質單元數(shù)

NOG或NOL反映吸收過程的難易程度，其大小取決于分離任務和整個填料層平均推動力大小兩個方面。若任務所要求的氣體濃度變化越大，過程的推動力越小，則吸收越難，所需的傳質單元數(shù)越多。

NOG與氣相或液相進、出塔的濃度，液氣比以及物系的平衡關系有關，而與設備形式和設備中氣、液兩相的流動狀況等因素無關。設備選型前可先計算出過程所需的NOG或NOL。其

值大，分離任務艱巨，為避免塔過高應選用傳質性能優(yōu)良的填料。若NOG或NOL值過大，就應重新考慮所選溶劑或液氣比是否合理。1）傳質單元數(shù)2/5/202366傳質單元高度HOG或HOL則表示完成一個傳質單元分離任務所需的填料層高度，代表了吸收塔傳質性能的高低，主要與填料的性能和塔中氣、液兩相的流動狀況有關。

HOG或HOL值小，表示設備的性能高，完成相同傳質單元數(shù)的吸收任務所需塔的高度小。用傳質單元高度HOG、HOL或傳質系數(shù)Kya、Kxa

表征設備的傳質性能其實質是相同的。但隨氣、液流率改變Kya

或Kxa

的值變化較大，一般流率增加，Kya（或Kxa）增大。

HOG或HOL因分子分母同向變化的緣故，其變化幅度就較小。一般吸收設備的傳質單元高度在0.15~1.5m范圍內(nèi)。2）傳質單元高度2/5/2023678.5.3傳質單元數(shù)的計算方法

平衡線為直線時

對數(shù)平均推動力法吸收因數(shù)法平衡線為曲線時

圖解積分法近似梯級法√√2/5/2023681對數(shù)平均推動力法

吸收的操作線為直線，當平衡線也為直線時

——線性函數(shù)

2/5/202369對數(shù)平均推動力2/5/202370同理：2/5/2023712吸收因數(shù)法平衡關系用直線

表示時，將代入2/5/202372令

2/5/202373——脫吸因數(shù)。平衡線斜率和操作線斜率的比值無因次?！找驍?shù)

2/5/2023742/5/202375當平衡線為曲線不能用較簡單確切的函數(shù)式表達時，通?？刹捎脠D解積分法或數(shù)值積分法求解傳質單元數(shù)。圖解積分法的步驟為(1)以y-x作出平衡線；(2)以y-x作出操作線(3)在y2-y1范圍內(nèi)設不同的y值，求出（y－ye）值及1/(y－ye)

。3圖解積分法

yyoxy*=f(x)Ax1x2BxxePy-yexe-xy2y1yy1e2/5/202376(4)在y2到y(tǒng)1的范圍內(nèi)作y~1/(y－ye)曲線；yoy1y21/(y-ye)(5)計算曲線下陰影面積，此面積的值即為傳質單元數(shù)NOG。

2/5/2023778.5.4

吸收塔的計算類型2、操作型（校核型）計算1、設計型計算給定生產(chǎn)任務給定工藝條件設計滿足任務要求單元設備給定設備參數(shù)給定工藝條件求算能否滿足任務要求單元設備2/5/202378例8-3在一塔徑為0.8m的填料塔內(nèi)，用清水逆流吸收空氣中的氨，要求氨的吸收率為99.5%。已知空氣和氨的混合氣體質量流量為1400kg/h，氣體總壓為101.3kPa，其中氨的分壓為1.333kPa。若液氣比為最小液氣比的1.4倍，操作溫度（293K）下的氣液相平衡關系為y=0.75x，氣相總體積吸收系數(shù)Kyα為0.088kmol/m3·s，試求（1）每小時用水量；（2）用平均推動力法求出所需填料層高度。2/5/202379解：(1)

因混合氣中氨含量很少，故2/5/202380x1=x2+G(y1－y2)/L=0+

（２）2/5/202381例8-4某逆流吸收塔，用純?nèi)軇┪栈旌蠚怏w中的可溶組份，氣體入塔濃度y1=0.01,吸收率η為90%,平衡關系為y=2x,且知L/G=1.2(L/G)min,HOG=0.9m,試求：（1）填料層高度？（2）若該塔操作時，因解吸不良，導致入塔x2′=0.0005，其它入塔條件不變時，回收率′又為多少？2/5/202382解（1）：

由于是純?nèi)軇┪?，x2=0x1=(y1/m)/1.2=0.0042y2=0.01(1-0.9)=0.001y1e=2×0.0042=0.0084y2e=0L/G=1.2(L/G)minH=HOG×NOG=6.21