第五章吸收

1、第五章第五章 吸收吸收Absorption 第一節(jié) 概述 吸收利用氣體混合物中各組分在液體中溶解度的差異,對氣體中不同組分進(jìn)行分離的單元操作。 所用液體為吸收劑（溶劑），被吸收的氣體為溶質(zhì)（吸收質(zhì)），不被溶解的稱惰性氣體或載體。 吸收操作的目的： 回收混合氣體中的有用物質(zhì)； 除去有害成分以凈化氣體； 制取液體產(chǎn)品。解吸(disorption, stripping) (脫吸) 將吸收得到的溶質(zhì)氣體從液體中分離出來的操作。 解吸經(jīng)常伴隨吸收構(gòu)成生產(chǎn)上的一個(gè)完整的流程。如圖： 合成氨原料氣 的凈化，以得 到較純凈的二 氧化碳?xì)怏w。乙醇胺乙醇胺CO230%130高溫低壓 進(jìn)行吸收操作必須解決下列三方面

2、的問題 選擇合適的溶劑（吸收劑）。 提供傳質(zhì)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)氣液兩相的接觸。 溶劑的再生。溶劑的性能是吸收操作良好與否的關(guān)鍵： 對吸收組分有較大的溶解度； 對所吸收的氣體有較好的選擇性； 由較低的蒸汽壓，減少揮發(fā)損失； 吸收后的溶劑應(yīng)易于再生。吸收設(shè)備一般為塔式設(shè)備，可分兩大類：板式塔 tray tower 填料塔 packed tower 板式塔填料塔幾種吸收分類 物理吸收-溶質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，（水吸收二氧化碳）； 化學(xué)吸收-溶質(zhì)與溶劑之間發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，（硫酸吸收氨）； 單組分吸收-溶劑只吸收一種組分； 多組分吸收-溶劑吸收兩種組分以上； 等溫吸收-吸收過程中溫度變化不大；

3、非等溫吸收-吸收過程中溫度發(fā)生改變。 第二節(jié) 氣液相平衡51 氣體在液體中的溶解度平衡溶解度簡稱溶解度 solubility在恒定溫度和壓力下氣液兩相接觸時(shí)發(fā)生溶質(zhì)氣體向液相轉(zhuǎn)移達(dá)飽和狀態(tài)，這時(shí)兩相達(dá)到相平衡，此時(shí)溶質(zhì)在液相中的濃度稱為平衡溶解度。 溶解度與溫度、壓力有關(guān)，平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相中的分壓稱平衡分壓。溶質(zhì)組分在兩相中的組成服從相平衡關(guān)系氨在水中的溶解度 氧在水中的溶解度 52 亨利定律 Henrys law一、亨利定律 當(dāng)總壓不高 （一般小于500 kPa ）時(shí)， 在一定溫度下，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓p*A與液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)xA成正比 p*A= E xA E-比例系數(shù)，稱為

4、Henry系數(shù)， kPa。 一般 E 值隨溫度升高而增大。（176頁表5-1）Henrys law 其它幾種表達(dá)形式 氣相組成用溶質(zhì)的分壓p*A ，液相組成用溶質(zhì)的濃度CA表示 p*A=CA/H H溶解度常數(shù)，kmol/(m3kPa) 氣、液相組成分別用溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)y 與x表示 y* = m x m相平衡常數(shù)。在吸收過程中，惰性氣體與溶劑的量可以認(rèn)為均不發(fā)生變化，故以二者的量為基準(zhǔn)引入摩爾比，使計(jì)算簡化。 定義為：氣相中惰性氣體摩爾數(shù)氣相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)液相中溶劑的摩爾數(shù)液相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)yyYxxX11由上兩式可得mXYXmXmmXYmxyYYyXXx*111 11* 11*當(dāng)溶液濃度很低時(shí)

5、得：將上兩式代入二、Henrys law各系數(shù)間的關(guān)系1、H和E之間的關(guān)系由 p*A= E xA 和 p*A=CA/H可得 H =CA/ E xA而 CA = C xA C為溶液總濃度表示為L-溶液的密度，kg/m3。MmkmolkmolcL3溶劑溶質(zhì)由于溶液很稀，故溶液密度可近似用溶劑密度代替 Ls 質(zhì)量用溶劑的質(zhì)量代替 則 c s s/M 因此ssAAAssAEMExcHxMc 代入2、E和m之間的關(guān)系 由理想氣體分壓定律 p*A = y*A P，代入 P*A= E xA = y*A P 比較 y*A = m xA E xA = m xA P 得 m = E/P P - 為總壓 ，kPa。

6、53 相平衡與吸收過程的關(guān)系 氣液兩相接觸，若發(fā)生傳質(zhì)過程，是吸收還是解吸要看溶質(zhì)在氣相中的分壓與其液相的平衡分壓間的關(guān)系而定。氣液平衡線氣液平衡線平衡是過程的極限。 實(shí)際分壓（或濃度）與平衡分壓（或平衡濃度）的偏離程度表示吸收過程的推動(dòng)力 driving force。 以氣相分壓差表示吸收推動(dòng)力 （pA - pA*） 以液相濃度差表示吸收推動(dòng)力 （xA* - xA） 相平衡指明了傳質(zhì)過程的方向。第三節(jié) 吸收過程的速率液體對氣體的吸收包括三個(gè)步驟：某組分從氣相主體傳遞到氣、液兩相界面；在相界面上溶解而進(jìn)入液相；從液相一側(cè)界面向液相主體傳遞。相內(nèi)傳質(zhì)的基本方式有兩種：分子擴(kuò)散 molecular

7、 diffusion湍流擴(kuò)散 turbulent diffusion 又稱渦流擴(kuò)散 eddy diffusion54 molecular diffusion and Ficks law 分子擴(kuò)散當(dāng)流體內(nèi)部存在濃度差時(shí)，因微觀的分子熱運(yùn)動(dòng)使組分從高濃度處向低濃度處轉(zhuǎn)移。 單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積擴(kuò)散的物質(zhì)量稱為擴(kuò)散速率 rate of diffusion ( J) 單位 kmol/(m2s) DAB -分子擴(kuò)散系數(shù), A在B中擴(kuò)散， m2/s ； dcA/dZ-組分A在擴(kuò)散方向上 Z 的濃度梯度， kmol/m4. （上式為 Ficks law ）dZdcDJAABAFicks law 只適用于雙

8、組分混合物 對于理想氣體混合物，F(xiàn)icks law表達(dá)式為 pA-氣體混合物中組分的分壓, kPa； T -熱力學(xué)溫度，K ; R -摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(kmol K) 負(fù)號表示擴(kuò)散向組分A濃度降低方向進(jìn)行，與濃度梯度方向相反。 dZdpRTDJAABA55 等摩爾逆向擴(kuò)散(雙組分) equimolar counter diffusion JA = -JB, dpA/dZ = -dpB/dZ DAB= DBA= D 等摩爾擴(kuò)散范圍 Z1=0,Z2=Z ；p =pA1pA2 積分 得dZdpRTDJAABA2121AAAAAccZDppRTZDJ56 組分A通過靜止組分B的擴(kuò)散 di

9、ffusion of A through stagnant BA、B雙組分氣體混合物與液體溶劑接觸，組分A溶解于液相，組分B不溶于液相，因此，吸收過程是組分A通過“靜止”組分B的單方向擴(kuò)散 unidirectional diffusion傳遞速率表示為 NA , (NB) 式中21AABmAppppRTZDN1212lnBBBBBmppppp 式中 p/pBm 稱為漂流因子或移動(dòng)因子 drift factor 根據(jù)氣體混合物的濃度c與壓力p的關(guān)系 此式也適用于液相。 例題183頁21ABmN c AABmBmAAccccZDRTpRTpc得代入上式和57 分子擴(kuò)散系數(shù) 表示物質(zhì)在介質(zhì)中的擴(kuò)散能

10、力。其值隨介質(zhì)的種類、溫度、濃度及壓力而不同，一般由實(shí)驗(yàn)確定。氣體的擴(kuò)散系數(shù)一般在0.11 cm2/s之間；液體擴(kuò)散系數(shù)比氣體小得多約在110-5 510-5 cm2/s之間。183頁 表5-2、表5-3184頁例題（自學(xué)）58 單相內(nèi)的對流傳質(zhì)一、單相內(nèi)對流傳質(zhì)的有效膜模型取濕壁塔 wetted wall column一段分析 擴(kuò)散推動(dòng)力為壓差，實(shí)質(zhì)上是把單相內(nèi)的傳質(zhì)阻力看作為全部集中在一層虛擬的流體膜層內(nèi)。（膜模型） Film model有效層流膜（虛擬膜）層流膜渦流擴(kuò)散區(qū)分子擴(kuò)散二、氣相傳質(zhì)速率方程式AiAGBmGAppppRTZDNNA -氣相對流傳質(zhì)速率，kmol/(m2s).式中有

11、效層流膜（氣膜）厚度不能直接計(jì)算，也難于測定。對于一定物系，D為定值；操作條件一定時(shí)，p、T、pBm亦為定值；在一定流動(dòng)狀態(tài)下，ZG 也為定值。若令BmGGppRTZDk省去下標(biāo)中的G則氣相傳質(zhì)速率方程為氣膜傳質(zhì)阻力氣膜傳質(zhì)推動(dòng)力GiAiAGAkppppkN1kG- gas-film mass-transfer coefficient kmol/(m2 s kPa)(pA-pi)-溶質(zhì)在氣相主體與界面間的分壓差。三、液相傳質(zhì)速率方程 根據(jù)前面的討論液相傳質(zhì)速率59 兩相間傳質(zhì)的雙膜理論 two-film theory 基本論點(diǎn)： 氣液兩相接觸的相界面兩側(cè)，分別存在著呈層流流動(dòng)的穩(wěn)定膜層。溶質(zhì)必

12、須以分子擴(kuò)散的方式連續(xù)通過這兩個(gè)膜層。 在相界面上氣液兩相互成平衡。 濃度梯度全部集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。雙膜理論示意圖510 總傳質(zhì)速率方程式 以吸收過程的總推動(dòng)力來表示傳質(zhì)速率LAAAALAGAAAAGAKccccKNKppppKN11*氣相推動(dòng)力液相推動(dòng)力氣相傳質(zhì)系數(shù)液相傳質(zhì)系數(shù)P*A- 與液相主體濃度平衡的氣相平衡分壓，kPa;C*A- 與氣相主體分壓平衡的液相平衡濃度，kmol/m3二、總傳質(zhì)系數(shù)與氣、液膜傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系 若吸收過程物系的平衡關(guān)系服從亨利定律 P*A=cA/HpApiP*AcAciC*A0O 操作點(diǎn)I界面氣膜阻力液膜阻力平衡線斜率=1/HLAiGiAAAiAiiAiAkcc

13、kppNccppccppH111*由穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)關(guān)系從圖中可知 將上式右端的分子、分母均除以H，并根據(jù)串聯(lián)過程加和性原則，利用前頁斜率關(guān)系得到比較總傳質(zhì)速率方程LGGGAAAHkkKKppN111 1*得到比較總傳質(zhì)速率方程同理，液相總傳質(zhì)系數(shù)KL與 kL、kG關(guān)系LLGLAALGAALGAiiAAHKkkHKcckkHcckkHccHppNGL*K 1K1 111為兩種總傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系則有三、氣、液兩相界面的濃度由氣、液傳質(zhì)速率方程pApiP*AcA ci c*AGLiAiAGLAiiAkkccppkkccppGLiAiAGLAiiAkkccppkkccpp操作點(diǎn)OI界面平衡線氣膜阻力液膜阻力四

14、、氣膜控制與液膜控制 gas-film control 溶質(zhì)溶解度很大，即 H 很大，傳質(zhì)阻力集中在氣膜中。此時(shí) 1/HkL 1/kG , 由 可得 KGkG 。 例如氯化氫溶解于水或稀鹽酸中、氨溶解于水或稀氨水中可看作 gas-film control。gas-film control 幾點(diǎn)說明 氣膜控制時(shí)，液相界面濃度ci cA,氣膜推動(dòng)力 pA -pi pA -p*A ； 溶解度系數(shù)H很大時(shí)，平衡線斜率很小。此時(shí)較小的氣相分壓 能與較大的液相濃度c*A相平衡。 氣膜控制時(shí)，要提高總傳質(zhì)系數(shù)KG，應(yīng)加大氣相湍動(dòng)程度。liquid-film control 溶質(zhì)的溶解度很小， H/kG 1/

15、kL 。 因此 KL kL 。 液膜控制時(shí)要提高總傳質(zhì)系數(shù) KL，應(yīng)增大液相湍動(dòng)程度。 用水吸收氧或氫是典型的液膜控制。 對中等溶解度的溶質(zhì)，兩種阻力均不可忽視，要提高總傳質(zhì)系數(shù)，必須同時(shí)增大氣相和液相的湍動(dòng)程度。511 傳質(zhì)速率方程式的各種表示形式 穩(wěn)態(tài)吸收過程傳質(zhì)速率方程匯總 傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)推動(dòng)力有相互對應(yīng)關(guān)系，即兩者的范疇要一致；兩者的單位要一致。XXKYYKXXkYYkNxxKyyKxxkyykNccKppKcckppkNXYiXiYAxyixiyAAALAAGAiLiAGA*第四節(jié) 吸收塔的計(jì)算吸收塔計(jì)算的主要內(nèi)容是：確定吸收劑的用量；填料層高度；塔設(shè)備的主要尺寸（塔徑和塔高）。 本

16、章根據(jù)填料塔進(jìn)行討論，氣液兩相作逆流流動(dòng)。512 物料衡算與操作線方程 通過吸收塔的惰性氣體量不變化，氣、液組成用摩爾比計(jì)算較為方便。對虛線范圍進(jìn)行物料衡算 LX+VY1=LX1+VY V(Y1-Y)=L(X1-X)或 Y=(L/V)X+(Y1-X1L/V) 為吸收操作線方程 Operating line方程中各項(xiàng)物理意義V-通過吸收塔的惰性氣體流量，kmol/sL-溶劑流量，kmol/s;Y-氣相摩爾比 kmol溶質(zhì)/ kmol惰性氣體，X-液相摩爾比 kmol溶質(zhì)/ kmol溶劑.在穩(wěn)定吸收的條件下 V、L、Y1、X1均為定值，故吸收操作線是一直線方程，斜率為 L/V，截距為 (Y1-X1

17、L/V)。若對全塔進(jìn)行物料衡算1122XVLYXVLYY1Y2X2X1平衡線Y*=f (X)BA操作線 由于吸收過程氣相溶質(zhì)的分壓總是大于液相中溶質(zhì)的平衡分壓，所以吸收操作線總是在平衡線的上方。513 吸收劑用量與最小液氣比 吸收劑用量是影響吸收操作的重要因素之一，它直接影響設(shè)備尺寸和操作費(fèi)用。當(dāng)氣體處理量一定時(shí)，操作線的斜率 L/V 取決于吸收劑用量的多少。 氣體的處理量、進(jìn)塔氣體組成 Y1 、吸收劑的入塔組成 X2 以及分離要求都是設(shè)計(jì)規(guī)定的。 當(dāng)吸收是為了回收有用物質(zhì)，其回收率 =(Y1-Y2)/Y1 .操作線的斜率 L/V稱為吸收劑的單位耗用量或液氣比，其值的變化影響討論如下(L/VL

18、/V)min 極限情況推動(dòng)力減小(Y-Y*)若增加吸收劑用量從上圖可知 操作線斜率L/V增大，并遠(yuǎn)離平衡線，吸收過程推動(dòng)力(Y-Y*)加大，在單位時(shí)間內(nèi)吸收同量溶質(zhì)時(shí)設(shè)備尺寸可以減小。但溶液濃度變稀、吸收劑再生需解吸的設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)用增大。 若減少吸收劑用量，則與上情況相反。 若減少到使操作線與平衡線相交或相切，此時(shí)吸收劑用量為最小吸收劑用量Lmin，其液氣比為最小液氣比(L/V)min .最小液氣比可由物料衡算求得 對平衡曲線與操作線相交的情況若氣液濃度都很低，平衡關(guān)系可以用 Henry定率表示，則上式改寫為 對平衡曲線與操作線相切的情況 通常作設(shè)計(jì)計(jì)算，先求最小液氣比，然后乘以一經(jīng)驗(yàn)倍數(shù)（

19、1.12.0）得適宜液氣比。例題1942*121minXXYYVL2min, 121minXXYYVL2121minXmYYYVL514 填料層高度的計(jì)算一、填料層高度的基本計(jì)算式取一逆流連續(xù)吸收塔中任意截面 m-n的微元高度填料層dZ氣液兩相接觸面積為 dA=dZ塔的橫截面積，m2;每m3填料的有效氣液 傳質(zhì)面積，m2/m3. Y2L,X2X1V,Y1YXY+dYX+dXdZmn氣液兩相流經(jīng)dZ段，單位時(shí)間內(nèi)通過接觸面積dA，從氣相向液相轉(zhuǎn)移的溶質(zhì)的量為 NAdA=NAdZ, 氣相減少的溶質(zhì)量為 VdY，液相增多的溶質(zhì)量為 LdX，這三者應(yīng)相等 NAdZ = VdY= LdX 。 結(jié)合傳質(zhì)速

20、率方程N(yùn)A=kY(Y-Yi)=kX(Xi-X)=KY(Y-Y*)=KX(X*-X)結(jié)合兩式得XXKLdXYYKVdYXXkLdXYYkVdYdZXYiXiY*式中為單位體積填料層內(nèi)氣液兩相有效傳質(zhì)面積，與設(shè)備大小填料特性有關(guān)，同時(shí)受流體物性和流動(dòng)狀況影響，難以測定。因此，常把與傳質(zhì)系數(shù)(kY、kX、KY、KX)的乘積視為一體(kY kX KY KX) ，一起測定。并稱其為體積傳質(zhì)系數(shù)，單位是 kmol/(m3s), 或者 kmol/(m2s), 對穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔 V、L、均為定值 對低濃度氣體吸收，體積傳質(zhì)系數(shù)近似為常數(shù)或取平均值。 積分上式 上式為低濃度氣體穩(wěn)態(tài)吸收塔計(jì)算填料層高度的基本公

21、式。12121212*XXXYYYXXiXYYiYXXdXKLYYVKVXXdXkLYYdYkVZ二、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)填料層高度=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)傳質(zhì)單元高度(height of transfer unit)氣相傳質(zhì)單元高度 HG=V/(kY);液相傳質(zhì)單元高度 HL=L/(kX);氣相總傳質(zhì)單元高度 HoG=V/(KY);液相總傳質(zhì)單元高度 HoL=L/(KX).傳質(zhì)單元數(shù) number of transfer unit 氣相傳質(zhì)單元數(shù) NG 液相傳質(zhì)單元數(shù) NL 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) NOG 液相總傳質(zhì)單元數(shù) NOL12121212*XXOLYYOGXXiLYYiGXXdXNYY

22、dYNXXdXNYYdYN 各種傳質(zhì)單元高度之間的關(guān)系 當(dāng)氣液平衡線的斜率為m時(shí),由 該項(xiàng)稱為吸收因數(shù) absorption factorLGOLXYXLGOGXYYXYYHHmVLHkmkKHLmVHHkLLmVkVKVkmkK 111 ,V/ 11可推得同理，由求得式中各項(xiàng)乘以由上面推導(dǎo)的兩個(gè)關(guān)系式 可求出OLOGOLOLOGOGOLOGNmVLNNHNHZHLmVH 所以由于三、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 如何求算傳質(zhì)單元數(shù)是計(jì)算填料層高度的關(guān)鍵問題。1、對數(shù)平均推動(dòng)力法平衡線與操作線均為直線的條件下，氣相總傳質(zhì)單元數(shù) NOG=(Y1-Y2)/YmYm-氣相對數(shù)平均推動(dòng)力。氣相對數(shù)平均推動(dòng)力Ym

23、*22*11*22*112121lnlnYYYYYYYYYYYYYmBAY1Y2X1X2Y1Y2Y*1Y*2O當(dāng) Y1/Y2 1 0.05范圍內(nèi)使用較為準(zhǔn)確，否則 應(yīng)使用關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算。 bmXYbmXY2122bmXYbmXY2122傳質(zhì)單元數(shù)圖解 L/mV1.12.03、圖解積分法與數(shù)值積分法氣液平衡線為曲線，操作線為直線，兩線間距離處處不等。曲線下面積即為 NOG推動(dòng)力方法較繁，不易準(zhǔn)確。Simpson數(shù)值積分法在Y2Y1之間作偶數(shù)等分,見前頁圖 a，對每一個(gè)Y值算出對應(yīng)的f(Y)=1/(Y-Y*)，用Y0代替塔頂組成Y2, Yn代替塔底組成Y1,令fi=f(Yi),然后按下式 越多，計(jì)算越準(zhǔn)確。，可取任意偶數(shù)求積，式中步長為n n , 42242431012432100iiiinYYnnnYffYYnYYffffffffdYYfn515 吸收塔操作計(jì)算 對于填料吸收塔，不論是設(shè)計(jì)計(jì)算（求填料層高度），還是操作計(jì)算，都要用到物料衡算（操作線方程式）、氣液相平衡關(guān)系（對稀溶液，用亨利定律表達(dá)式）和傳質(zhì)速率方程式（傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)推動(dòng)力），以及由它們聯(lián)立求得的填料層高度計(jì)算式（ Z=傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)）。 當(dāng)求解端點(diǎn)組成或液氣比時(shí)，用吸收因數(shù)法比較方便。例題202 5