復(fù)旦大學(xué) 化工原理 第五章 吸收

第五章吸收

利用混合氣體中各組分在液體中溶解度的差異而使氣體中各組分實現(xiàn)分離的操作，稱為吸收。

第一節(jié)概述一.吸收操作的目的回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品或循環(huán)使用；除去氣體中的有害成分，使氣體凈化以便進一步加工處理；或除去工業(yè)放空尾氣中的有害物，以免污染大氣。實際過程往往同時兼有凈化與回收雙重目的。例如：在煉焦制取城市煤氣的生產(chǎn)過程中，焦?fàn)t煤氣內(nèi)含有少量的苯、甲苯等碳氫化合物的蒸汽(約35g/m3)。應(yīng)回收利用苯、甲苯；同時，苯、甲苯對人體有害，必須予以除去。其大致過程如下：

采用吸收操作以實現(xiàn)氣體混合物的分離，必須解決：選擇合適的溶劑；提供傳質(zhì)設(shè)備以實現(xiàn)氣液兩相的接觸；溶劑的再生。二.吸收操作的分類物理吸收：氣體中各組分因在溶劑中的物理溶解度不同而被分離的吸收操作；化學(xué)吸收：利用化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)吸收操作的方法，稱為化學(xué)吸收。

對化學(xué)吸收一般應(yīng)滿足以下條件：1.化學(xué)反應(yīng)的可逆性；2.具有較高的反應(yīng)速率。三.吸收設(shè)備的氣液兩相接觸方式四.吸收劑的選擇

吸收操作的成功與否，很大程度取決于溶劑的性能。溶劑選擇的依據(jù)是：對溶質(zhì)有較大的溶解度；有較好的選擇性；溶劑的蒸汽壓要低；吸收后的溶劑要便于再生；溶劑應(yīng)盡可能滿足價廉、易得、無毒等經(jīng)濟和安全條件。

第二節(jié)氣液相平衡一.氣體在液體中的溶解度

氣液兩相處于平衡狀態(tài)時，溶質(zhì)在液相中的濃度稱為溶解度。溶解度與溫度、溶質(zhì)在氣相中的分壓有關(guān)。例如：氨在水中的溶解度曲線。由溶解度曲線可知：1.不同溫度下的曲線均過原點；2.同溫度下，分壓愈大溶解度愈大；3.同一分壓下，溫度愈低溶解度愈大；4.低濃度區(qū)，溶解度曲線呈線性。二.亨利定律

稀溶液的溶解度曲線通常近似地為一直線。此時，溶解度與氣相溶質(zhì)的平衡分壓PA*

之間服從亨利定律。PA*=Ex

當(dāng)以其他單位表示溶質(zhì)組分在兩相中的濃度時，亨利定律也會有其他形式。如：

PA*=cA/H

以及y*=mx式中：PA*—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?jǐn)?shù)；E—亨利系數(shù)，kPa；

cA—液相中溶質(zhì)的摩爾濃度，kmol溶質(zhì)/m3

溶液；

H—溶解度系數(shù)，kmol溶質(zhì)/kPa.m3

溶液；

y*—溶質(zhì)在氣相中的平衡摩爾分?jǐn)?shù)；m—相平衡常數(shù)。

當(dāng)氣液兩相的組成用摩爾比表示時，若溶質(zhì)在液相中的濃度較低，則氣液平衡關(guān)系為：Y*=mX式中：Y*—溶質(zhì)在氣相中的平衡摩爾比；

X—溶質(zhì)在液相中的摩爾比。摩爾比的定義為：三.氣液相平衡與吸收過程的關(guān)系判斷過程進行的方向例如：在1atm、200C的條件下。將含氨10%(體積）的混合氣體通入x=0.1的氨水中。問：氣相中的氨溶入氨水中，還是氨水中的氨解吸至氣體中，還是既不吸收也不解吸。2.指明過程進行的極限Y2min=mx2

x1max=y1/m3.計算過程的推動力以氣相濃度差表示的吸收推動力：y–y*以液相濃度差表示的吸收推動力：x*–x式中：y*=mx；x*=y/m第三節(jié)吸收過程的傳質(zhì)速率一.分子擴散與費克定律

當(dāng)流體內(nèi)部某一組分存在濃度差時，則因微觀的分子熱運動使組分從濃度高處擴散到濃度低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴散。

分子擴散的實質(zhì)是分子的微觀隨機運動，對恒溫、恒壓下的一維穩(wěn)態(tài)擴散其統(tǒng)計規(guī)律可用宏觀的方式來表達，即費克定律：式中：JA—組分A的擴散速率，kmol/m2.s；

dcA/dZ—組分A沿擴散方向Z上的濃度梯度，kmol/m4；

DAB—分子的擴散系數(shù)，m2/s。二.A、B組分的等摩爾反向擴散

若混合氣體的總濃度各處相等，即：

c=cA+cB=常數(shù)則根據(jù)費克定律有：

JA=-JB

對費克定律表達式進行積分，可得反向擴散時的傳質(zhì)速率方程式：或三.組分A的單向擴散

當(dāng)混合氣體中B組分靜止，只有A組分進行擴散時，可得A組分的單向擴散傳質(zhì)速率方程式：或式中：其中：c/cBm

、p/pBm

稱為“漂流因子”。四.分子擴散系數(shù)

當(dāng)氣相擴散或A、B兩組分性質(zhì)相似的液相擴散，有：

DAB=DBA=D

擴散系數(shù)在一般的物理手冊上均能查到，但當(dāng)使用溫度和壓力發(fā)生改變時，可用下式進行修正：當(dāng)手冊上查不到時，需自行測定。例如：

今在1atm，480C下測定四氯化碳在空氣中的擴散系數(shù)，測得時間q與距離Z的關(guān)系如下：q/ks09.3424.946.774.8109.0Z/mm102030405060五.對流傳質(zhì)

對流傳質(zhì)通常是指流體與某一界面之間的傳質(zhì)，其中同時存在有分子擴散和湍流擴散。1.對流對傳質(zhì)的貢獻線1.靜止層濃度梯度最小線2.層流濃度梯度其次線3.湍流濃度梯度最大

根據(jù)費克定律，濃度梯度愈大，則傳質(zhì)的速率就愈大。因此，在同樣濃度條件下，湍流時的傳質(zhì)速率最大。2.對流傳質(zhì)速率

對流傳質(zhì)現(xiàn)象極為復(fù)雜，傳質(zhì)速率一般難以解析求解，必須依靠實驗測定。仿照牛頓冷卻定律公式，有：氣相傳質(zhì)速率NA=kG(PA–Pi)NA=ky(y–yi)NA=kY(Y–Yi)液相傳質(zhì)速率NA=kL(ci–cA)NA=kx(xi–x)NA=kX(Xi–X)其中傳質(zhì)系數(shù)kG

、ky

、kY

、kL

、kx

、kX

通常由實驗測定。3.單相傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式

當(dāng)吸收操作在填料塔或板式塔內(nèi)進行時，傳質(zhì)系數(shù)需通過實驗測定；只有在降膜塔內(nèi)進行的吸收操作，可通過經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式來估算傳質(zhì)系數(shù)。對流傳質(zhì)系數(shù)k（以摩爾濃度差為推動力，m/s）時，有：

Sh=0.023Re0.83Sc0.33

使用條件：Re>2100，Sc=0.6~3000。式中：Sh=kd/D;Re=dur/m；Sc=m/(rD)。其中：d—降膜塔的內(nèi)徑，m；D—流體的擴散系數(shù)，m2/s；

u—流體流速，m/s；r—流體密度，kg/m3

；

m—流體粘度，Pa.s。六.相際傳質(zhì)

吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，它包括三個步驟：溶質(zhì)由氣相主體向相界面的傳遞；溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相；溶質(zhì)自相界面被傳遞至液相主體。一般來說，溶解過程極易進行，其阻力很小。故可認(rèn)為界面上氣液兩相的溶質(zhì)濃度滿足相平衡關(guān)系。

對于一個穩(wěn)態(tài)的吸收操作過程，溶質(zhì)在氣相的傳質(zhì)速率應(yīng)與在液相的傳質(zhì)速率相同。而可以推導(dǎo)出溶質(zhì)在相際的總傳質(zhì)速率方程式。1.相際總傳質(zhì)速率方程以(y-y*)為推動力的總傳質(zhì)速率方程

NA=Ky(y–y*)式中：Ky—氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s);b.以(x*-x)為推動力的總傳質(zhì)速率方程

NA=Kx(x*-x)式中：Kx—液相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s);2.界面濃度界面濃度的圖解求取界面濃度的解析求取3.傳質(zhì)的阻力a.氣膜控制

當(dāng)Ky

≈ky

時，表明相際傳質(zhì)的阻力主要集中在氣相，稱為氣膜阻力控制或氣膜控制。b.液膜控制

當(dāng)Kx

≈kx

時，表明相際傳質(zhì)的阻力主要集中在液相，稱為液膜阻力控制或液膜控制。對于一般的情況，氣膜與液膜的傳質(zhì)阻力均不可忽視。例：在總壓為101.3kPa，溫度為303K的條件下，用水吸收混合氣體中的氨。已知：操作條件下的氣液平衡關(guān)系為y=1.20x；氣相傳質(zhì)系數(shù)ky=5.31×10-4kmol/m2.s；液相傳質(zhì)系數(shù)kx=5.33×10-3kmol/m2.s。今在吸收塔的某一截面上測得，氨得氣相濃度y=0.05，液相濃度x=0.012。試求：1）該截面上的傳質(zhì)速率；

2）氣液相界面上的兩相濃度yi

及xi

；

3）氣相傳質(zhì)阻力占總阻力的比例。

第四節(jié)吸收塔的計算

多數(shù)工業(yè)吸收操作都是將混合氣體中少量的溶質(zhì)組分加以回收或除去。當(dāng)進塔的混合氣體中溶質(zhì)濃度不高時（如：小于10%）；通常稱為低濃度氣體吸收，此類吸收問題可作如下假定：在整個吸收過程中，混合氣體的摩爾流量qn,G

與吸收液的摩爾流量qn,L

保持恒定；等溫吸收；總傳質(zhì)系數(shù)為一常數(shù)。一.物料衡算與操作線方程1.全塔的物料衡算qn,G(y1–y2)=qn,L(x1–x2)2.操作線方程二.吸收劑的用量與最小液氣比1.分離要求的表示方法

工業(yè)上的吸收操作通常規(guī)定了處理量qn,G

以及y1

和x2;而分離要求指標(biāo)通常采用二種方式：回收有用物質(zhì)，規(guī)定回收率h

，其定義為：去除有害物質(zhì)，規(guī)定混合氣體的出口濃度y2

。2.最小液氣比

要滿足分離要求，吸收劑的用量不能太少；即便傳質(zhì)面積足夠大，還需要受氣液平衡關(guān)系的限制。當(dāng)氣液平衡關(guān)系滿足亨利定律時，有最小液氣比

若氣液平衡關(guān)系不滿足亨利定律，則最小液氣比需根據(jù)實際情況確定。如：3.適宜的液氣比

實際采用的液氣比必須大于最小液氣比。具體采用多大，要由經(jīng)濟核算決定。操作費與設(shè)備費之和有一最低點，通常把總費用最低時的液氣比作為適宜的液氣比。根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，適宜的液氣比一般取最小液氣比的1.1~2.0倍，即：三.填料層高度的計算1.填料層高度的基本計算式式中：qn,G—混合氣體的摩爾流率，kmol/s；

qn,L—吸收劑的摩爾流率，kmol/s；

a—每m3

填料所具有的有效傳質(zhì)面積，m2/m3

；

W—吸收塔的橫截面積，m2

。工程上通常將Kya、Kxa一起進行測定，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)。2.傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)令：式中：HOG—氣相總傳質(zhì)單元高度，m；

NOG

—氣相總傳質(zhì)單元數(shù)；

HOL—液相總傳質(zhì)單元高度，m；

NOL—液相總傳質(zhì)單元數(shù)。則：Z=HOGNOG;或Z=HOLNOL

3.傳質(zhì)單元數(shù)的計算對數(shù)平均推動力法當(dāng)平衡線在操作范圍內(nèi)為一直線時，有：其中：b.吸收因數(shù)法

當(dāng)氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律：y*=mx時有式中：