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(shí)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(jìn)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(shí)際過(guò)程往往同時(shí)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(guò)程中，焦?fàn)t煤氣內(nèi)含有少量的苯、甲苯等碳?xì)浠衔锏恼羝?約35g/m3)。應(yīng)回收利用苯、甲苯；同時(shí)，苯、甲苯對(duì)人體有害，必須予以除去。其大致過(guò)程如下：

采用吸收操作以實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)吸收操作的方法，稱為化學(xué)吸收。

對(duì)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(duì)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(jià)廉、易得、無(wú)毒等經(jīng)濟(jì)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(shí)，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(guò)原點(diǎn)；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(shí)，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(shí)，亨利定律也會(huì)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(shí)，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(guò)程的關(guān)系判斷過(guò)程進(jìn)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(wèn)：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(guò)程進(jìn)行的極限Y2min=mx2

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

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

分子擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是分子的微觀隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，對(duì)恒溫、恒壓下的一維穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散其統(tǒng)計(jì)規(guī)律可用宏觀的方式來(lái)表達(dá)，即費(fèi)克定律：式中：JA—組分A的擴(kuò)散速率，kmol/m2.s；

dcA/dZ—組分A沿?cái)U(kuò)散方向Z上的濃度梯度，kmol/m4；

DAB—分子的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。二.A、B組分的等摩爾反向擴(kuò)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(fèi)克定律有：

JA=-JB

對(duì)費(fèi)克定律表達(dá)式進(jìn)行積分，可得反向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)速率方程式：或三.組分A的單向擴(kuò)散

當(dāng)混合氣體中B組分靜止，只有A組分進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，可得A組分的單向擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)

當(dāng)氣相擴(kuò)散或A、B兩組分性質(zhì)相似的液相擴(kuò)散，有：

DAB=DBA=D

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

今在1atm，480C下測(cè)定四氯化碳在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，測(cè)得時(shí)間q與距離Z的關(guān)系如下：q/ks09.3424.946.774.8109.0Z/mm102030405060五.對(duì)流傳質(zhì)

對(duì)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(shí)存在有分子擴(kuò)散和湍流擴(kuò)散。1.對(duì)流對(duì)傳質(zhì)的貢獻(xiàn)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(fèi)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(shí)的傳質(zhì)速率最大。2.對(duì)流傳質(zhì)速率

對(duì)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(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)測(cè)定。3.單相傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式

當(dāng)吸收操作在填料塔或板式塔內(nèi)進(jìn)行時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定；只有在降膜塔內(nèi)進(jìn)行的吸收操作，可通過(guò)經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式來(lái)估算傳質(zhì)系數(shù)。對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)k（以摩爾濃度差為推動(dòng)力，m/s）時(shí)，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(kuò)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(guò)程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，它包括三個(gè)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(lái)說(shuō)，溶解過(guò)程極易進(jìn)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(duì)于一個(gè)穩(wěn)態(tài)的吸收操作過(guò)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(dòng)力的總傳質(zhì)速率方程

NA=Ky(y–y*)式中：Ky—?dú)庀嗫倐髻|(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s);b.以(x*-x)為推動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(duì)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(cè)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(jì)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(jìn)塔的混合氣體中溶質(zhì)濃度不高時(shí)（如：小于10%）；通常稱為低濃度氣體吸收，此類吸收問(wèn)題可作如下假定：在整個(gè)吸收過(guò)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(shí)，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(shí)際情況確定。如：3.適宜的液氣比

實(shí)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(jì)核算決定。操作費(fèi)與設(shè)備費(fèi)之和有一最低點(diǎn)，通常把總費(fèi)用最低時(shí)的液氣比作為適宜的液氣比。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(jì)算1.填料層高度的基本計(jì)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(jìn)行測(cè)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—?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度，m；

NOG

—?dú)庀嗫倐髻|(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(jì)算對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法當(dāng)平衡線在操作范圍內(nèi)為一直線時(shí)，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(shí)有式中：