化工原理第八章氣體吸收

化工原理第八章氣體吸收2024/3/28化工原理第八章氣體吸收一、氣體吸收在化工中的應(yīng)用吸收是將氣體混合物與適當(dāng)?shù)囊后w接觸，利用個(gè)組分在液體中溶解度的差異而使氣體中不同組分分離的操作。混合氣體中，能夠溶解于液體中的組分稱為吸收質(zhì)或溶質(zhì)；不能溶解的組分稱為惰性氣體；吸收操作所用的溶劑稱為吸收劑；溶有溶質(zhì)的溶液稱為吸收液或簡(jiǎn)稱溶液；派出的氣體稱為吸收尾氣。吸收操作是氣體混合物的主要分離方法，化工生產(chǎn)中它有以下幾種具體的應(yīng)用：１．化工產(chǎn)品２．分離氣體混合物３．從氣體中回收有用組分４．氣體凈化(原料氣的凈化和尾氣、廢氣的凈化)５．生化工程化工原理第八章氣體吸收二、吸收過(guò)程分類按照吸收過(guò)程是否伴有化學(xué)反應(yīng)將吸收區(qū)分為化學(xué)吸收和物理吸收兩大類。在氣體吸收中，若混合氣體中只有一個(gè)組分在吸收劑中有一定的溶解度，其余的組分的溶解度可以忽略，這樣的吸收過(guò)程稱為單組分吸收。如果有兩個(gè)或更多的組分能溶解于吸收劑中，這一過(guò)程稱為多組分吸收。在吸收過(guò)程中，當(dāng)氣體溶解于液體中時(shí)，通常有溶解熱產(chǎn)生，若進(jìn)行伴有放熱的化學(xué)吸收時(shí)，還要放出反應(yīng)熱，因此隨著吸收過(guò)程的進(jìn)行液相溫度要逐漸增高，這樣的吸收稱為非等溫吸收。但若熱效應(yīng)很小，或被吸收的組分濃度很低，且吸收劑的用量較大，則溫度的變化不顯著，此時(shí)吸收過(guò)程可認(rèn)為是等溫吸收。化工原理第八章氣體吸收三、工業(yè)吸收過(guò)程工業(yè)的吸收過(guò)程常在吸收塔中進(jìn)行。生產(chǎn)中除少部分直接獲得液體產(chǎn)品的吸收操作外，一般的吸收過(guò)程都要求對(duì)吸收后的溶劑進(jìn)行再生，即在另一稱之為解析他的設(shè)備中進(jìn)行于吸收相反的操作－解吸。因此，一個(gè)完整地吸收分離過(guò)程一般包括吸收和解吸兩部分?；ぴ淼诎苏職怏w吸收8.2吸收過(guò)程相平衡基礎(chǔ)化工原理第八章氣體吸收8.2.1氣液相平衡關(guān)系氣體混合物與溶劑S相接觸時(shí)，將發(fā)生溶質(zhì)氣體向液相的轉(zhuǎn)移，使得溶液中溶質(zhì)（A）的濃度增加。充分接觸后的氣液兩相，液相中溶質(zhì)達(dá)到飽和，此時(shí)瞬間內(nèi)進(jìn)入液相的溶質(zhì)分子數(shù)與從液相逸出的溶質(zhì)分子數(shù)恰好相抵，在宏觀上過(guò)程就像停止一樣，這種狀態(tài)稱為相際動(dòng)平衡，簡(jiǎn)稱相平衡或平衡。對(duì)于單組分物理吸收，組分?jǐn)?shù)c=3（溶質(zhì)A、惰性氣體B、溶劑S），相數(shù)（氣、液），自由度數(shù)F應(yīng)為即在溫度、總壓和氣、液組成共四個(gè)變量中，有三個(gè)是自變量，另一個(gè)是它們的函數(shù)。化工原理第八章氣體吸收在一定的操作溫度和壓力下，溶質(zhì)在液相中的溶解度由其相中的組成決定。在總壓不很高的情況下，可以認(rèn)為氣體在液體中的溶解度只取決于該氣體的分壓，而與總壓無(wú)關(guān)。于是，與得函數(shù)關(guān)系可寫成

當(dāng)然，也可以選擇液相的濃度作自變量，這時(shí)，在一定溫度下的氣相平衡分壓和的函數(shù)：

氣液平衡關(guān)系一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)具體物系進(jìn)行測(cè)定。化工原理第八章氣體吸收8.2.2亨利定律亨利定律是稀溶液重要的經(jīng)驗(yàn)定律，在低壓（通常指總壓小于0.5MPa）和一定溫度下，氣液相達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：若溶質(zhì)在液相中的濃度用物質(zhì)的量濃度ｃ表示，則亨利定律可表示成：

若溶質(zhì)在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x與y表示，則亨利定律可表示成

化工原理第八章氣體吸收8.3吸收過(guò)程模型及傳質(zhì)速率方程化工原理第八章氣體吸收8.3.1雙膜模型在吸收中的應(yīng)用氣體吸收是把氣相中的溶質(zhì)傳到液相的過(guò)程，即相際間的傳質(zhì)。它由氣相與界面的對(duì)流傳質(zhì)、界面上溶質(zhì)組分的溶解、界面與液相的對(duì)流傳質(zhì)三個(gè)步驟串聯(lián)而成。化工原理第八章氣體吸收由膜模型傳質(zhì)理論，氣相傳質(zhì)速率可表示為令得同理，由膜模型理論，液相傳質(zhì)速率式為

令

得化工原理第八章氣體吸收線上。若在Ｐ點(diǎn)附近兩項(xiàng)組成x，y所涉及的范圍內(nèi)，平衡縣可近似看成斜率為m的直線（若服從亨利定律，則ｍ為相平衡常數(shù)）則或8.3.2傳質(zhì)速率方程一、傳質(zhì)速率方程如圖所示，吸收塔一截面氣液兩相主體濃度在上可用一點(diǎn)a表示。此點(diǎn)一般不在平衡線上。如雙膜模型假設(shè)成立，表示界面上兩相組成關(guān)系的點(diǎn)Ｐ必位于平衡化工原理第八章氣體吸收濃度組成表示法

摩爾分率物質(zhì)得量濃度或分壓

傳質(zhì)速率方程

其中

總傳質(zhì)系數(shù)

不同的推動(dòng)力所對(duì)應(yīng)的不同傳質(zhì)系數(shù)和速率方程。

表8—1傳質(zhì)速率方程的各種形式化工原理第八章氣體吸收

二、界面濃度的求取當(dāng)ｍ隨濃度變化時(shí)，用分傳質(zhì)速率方程式計(jì)算更加方便，界面濃度與存在關(guān)系有：（1）有雙膜模型理論，與在平衡線上。如果平衡線以表示，則。（2）可導(dǎo)出平衡關(guān)系與上式聯(lián)立可求解界面濃度與。在用作圖法求解時(shí)，從氣、液兩相的實(shí)際濃度點(diǎn)ａ出發(fā)，作斜率為的一條直線，此直線與平衡線的交點(diǎn)即為所求的界面濃度（）。化工原理第八章氣體吸收三、傳質(zhì)阻力分析總傳質(zhì)阻力為氣相分傳質(zhì)阻力與液相分傳質(zhì)阻力之和。若分傳質(zhì)阻力中，則總傳質(zhì)阻力。此時(shí)的傳質(zhì)阻力集中于氣相，稱為氣相阻力控制（亦稱氣膜控制）。氣相阻力控制的條件是：（１）或。此時(shí)若描繪于圖上，則連接氣、液實(shí)際濃度點(diǎn)ａ（x，y）與界面濃度點(diǎn)ｂ（）的直線ab很陡。（２）溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度很大，即平衡線斜率ｍ很小，相平衡曲線平坦。化工原理第八章氣體吸收同時(shí)由圖８－６(a)可知，在氣相阻力控制條件下，以氣相摩爾分率差表示的分傳質(zhì)推動(dòng)力接近于總推動(dòng)力，總推動(dòng)力主要用于克服氣相阻力。圖８－６兩相中的吸收傳質(zhì)阻力示意圖化工原理第八章氣體吸收液相阻力控制的條件是：（１），或。圖８－６（b）中連接氣、液實(shí)際濃度（x，y）與界面濃度（）的直線ab較平坦。（2）溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度很小，即平衡線斜率m很大，相平衡曲線OE很陡。同時(shí)，由圖８－６（b）可知，在液相阻力控制條件下，以液相摩爾分率差表示的分傳質(zhì)推動(dòng)力

接近于總傳質(zhì)推動(dòng)力

，總推動(dòng)力主要用于克服液相阻力?；ぴ淼诎苏職怏w吸收8.4吸收（或脫吸）塔計(jì)算化工原理第八章氣體吸收以不變的量作為物料恒算的基準(zhǔn)：對(duì)于氣體，是其中惰性氣體Ｂ的流率；而對(duì)于液體，則是其中溶劑Ｓ的流率：與此相應(yīng)，氣液相組成應(yīng)采用摩爾比表示：

8.4.1物料恒算和操作線方程一、全塔物料恒算

穩(wěn)定操作的逆流吸收塔內(nèi)氣、液流率和組成如圖８－７所示，其中以下標(biāo)ａ代表塔頂，下標(biāo)ｂ代表塔底，A、B、S分別代表溶質(zhì)、惰性氣體和溶劑?；ぴ淼诎苏職怏w吸收對(duì)圖８－７所示的吸收過(guò)程作全塔物料恒算，如下：式中，，，分別代表塔頂、塔底氣液相摩爾比。吸收操作時(shí)，表征吸收程度有兩種方式，即：（１）吸收目的是為回收有用物質(zhì)，通常以吸收率表示：

（２）吸收的目的是為了除去氣體混合物中的有害物質(zhì)，一般直接規(guī)定出塔氣中有害物質(zhì)的殘余濃度?；ぴ淼诎苏職怏w吸收二、操作線方程及操作線為確定吸收塔內(nèi)任一塔截面上相互接觸的氣、液組成間的關(guān)系，可對(duì)吸收塔塔頂和任一截面間（即圖８－７種虛線所示的范圍）作物料恒算如下，即為逆流吸收塔的操作線方程式：

整理得

同理，亦可對(duì)塔底與任一截面間作物料恒算，得

整理得

化工原理第八章氣體吸收8.4.2吸收劑用量的確定關(guān)于吸收劑用量，從能耗的角度考慮，希望流量要小，但限于氣體在液體中的溶解度，流率小到一定程度則達(dá)不到吸收要求，故需合理選取。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下取吸收劑用量為最小用量的1.2~2.0倍是比較適宜的，即

或最小液氣比可用圖解法或計(jì)算求出。操作線與平衡線在點(diǎn)相交，從而

或

化工原理第八章氣體吸收如果平衡曲線呈現(xiàn)如圖８－１０種所示的形狀，則應(yīng)過(guò)點(diǎn)A作平衡曲線的切線，找到水平線與此切線的交點(diǎn)，按下式計(jì)算最小液氣比，即

或

化工原理第八章氣體吸收8.4.3低濃度氣體吸收時(shí)的填料層高度

當(dāng)進(jìn)塔混合氣中的溶質(zhì)濃度不高（例如小于５％～１０％）時(shí)，通常稱為低濃度氣體吸收。計(jì)算此類吸收問(wèn)題時(shí)可作如下假設(shè)而不致引入顯著誤差（對(duì)應(yīng)于圖８－７種的流程）：（1）氣液相流量可視為常量。（2）吸收過(guò)程可視為等溫吸收。（3）傳質(zhì)系數(shù)可視為常量。化工原理第八章氣體吸收對(duì)于低濃度氣體的吸收，可近似的用氣、液流經(jīng)全塔的混合氣體與液體的流率Ｇ、Ｌ代替惰性組分的流率、，并以摩爾分率、代替摩爾比Ｙ、Ｘ，有：或

物料恒算式也可作：

化工原理第八章氣體吸收一、填料層高度的計(jì)算進(jìn)行填料計(jì)算時(shí)，傳質(zhì)速率方程和物料恒算式應(yīng)對(duì)填料層的微分高度列出，然后幾分得到填料層總高度?；ぴ淼诎苏職怏w吸收若以氣、液相摩爾分率差為總傳質(zhì)推動(dòng)力計(jì)算傳質(zhì)速率，得：，對(duì)于穩(wěn)定的低濃度氣體的吸收過(guò)程，Ｇ、Ｌ、ａ均不隨時(shí)間而變，且在塔內(nèi)不同截面位置上均為定值，總傳質(zhì)系數(shù)、在全塔范圍內(nèi)也可視為常數(shù)，則，若選用氣、液相摩爾分率差作為分傳質(zhì)推動(dòng)力來(lái)計(jì)算傳質(zhì)速率，同理可得,化工原理第八章氣體吸收若將傳質(zhì)單元的概念應(yīng)用于以業(yè)相摩爾分率差作為總船只推動(dòng)力的情形，則可得

式中，

令

則以氣相摩爾分率差為總傳質(zhì)推動(dòng)力的填料層高度計(jì)算式可寫成：二、傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度化工原理第八章氣體吸收填料層高度計(jì)算式傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)相互關(guān)系

氣相總傳質(zhì)單元高度液相總傳質(zhì)單元高度氣相傳質(zhì)單元高度

液相傳質(zhì)單元高度氣相總傳質(zhì)單元數(shù)液相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相傳質(zhì)單元數(shù)

液相傳質(zhì)單元數(shù)由式（8－18）、（8－21）可得

相應(yīng)的傳質(zhì)單元數(shù)及傳質(zhì)單元高度表示如下表。表8—2傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)化工原理第八章氣體吸收三、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算（１）對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法在吸收操作所涉及的組成范圍內(nèi)，若相平衡關(guān)系可用直線方程表示，即相平衡關(guān)系服從亨利定律；或在操作組成范圍內(nèi)平衡關(guān)系為直線，此時(shí)傳質(zhì)推動(dòng)力和分別隨ｙ和x呈線性變化，推動(dòng)力或相對(duì)于x或y的變化率均為常數(shù)，從而

化工原理第八章氣體吸收令稱為氣相對(duì)數(shù)平均傳質(zhì)推動(dòng)力化工原理第八章氣體吸收用同樣的方法，可得式中

稱為液相對(duì)數(shù)平均傳質(zhì)推動(dòng)力。化工原理第八章氣體吸收２）吸收因數(shù)法除對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法，也可將相平衡關(guān)系與操作線方程代入中，直接積分求取得：也常寫成

同理也可以推出以液相濃度為總傳質(zhì)推動(dòng)力的傳質(zhì)單元數(shù)的表達(dá)式化工原理第八章氣體吸收當(dāng)平衡關(guān)系不滿足亨利定律，但可近似地以直線表示時(shí)，則變成

式中，，化工原理第八章氣體吸收（3）其他計(jì)算方法傳質(zhì)單元數(shù)的求解，其實(shí)質(zhì)為如何確定定積分的值。當(dāng)平衡線不能作為直線。顯然上述對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法和吸收因數(shù)法已不能適用。此時(shí)，除按照定積分的物理意義用圖解積分外，還可采用數(shù)值積分，后者隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及相關(guān)工程計(jì)算軟件的開發(fā)和利用，已變得易于實(shí)現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。化工原理第八章氣體吸收8.4.4填料塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型分析填料吸收塔的計(jì)算問(wèn)題可分為設(shè)計(jì)型和操作型兩類，兩類問(wèn)題均可通過(guò)聯(lián)立全塔物料恒算式、填料層高度計(jì)算式及相平衡關(guān)系式求解。一、填料塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算設(shè)計(jì)型計(jì)算的特點(diǎn)是給定進(jìn)口溶質(zhì)濃度、進(jìn)塔混合氣的流率G、相平衡關(guān)系及分離要求，計(jì)算所需要的填料層高度。在給定條件下，要完成設(shè)計(jì)型計(jì)算尚需解決以下幾方面的問(wèn)題：（1）為計(jì)算塔高，必須確定傳質(zhì)系數(shù)。（2）氣、液流向的選擇。（3）吸收劑進(jìn)口濃度的確定。（4）吸收劑用量的確定?；ぴ淼诎苏職怏w吸收二、填料塔的吸收型計(jì)算吸收操作型計(jì)算特點(diǎn)是塔設(shè)備已給定（對(duì)填料塔則填料層高度h已知）計(jì)算的基本類型有：（1）校核現(xiàn)有的塔設(shè)備對(duì)制定的生產(chǎn)任務(wù)是否適用。如已知T、P、h、G、L、、，校核是否滿足要求；（2）考察某一操作條件改變時(shí)，吸收結(jié)果的變化情況或?yàn)檫_(dá)到制定的生產(chǎn)任務(wù)應(yīng)采取的調(diào)節(jié)措施。化工原理第八章氣體吸收同理，若液相濃度較高澤液相傳質(zhì)分系數(shù)也與液相濃度ｘ有關(guān)。綜上所述，可知高濃度氣體吸收的計(jì)算要比低濃的復(fù)雜得多。為考慮傳質(zhì)系數(shù)變化的影響，常選用氣相傳質(zhì)速率方程作為計(jì)算的基礎(chǔ)。有：8.4.5高濃度氣體吸收時(shí)填料層高度的計(jì)算當(dāng)入塔氣體的溶質(zhì)含量較高（例如超過(guò)10%），對(duì)低濃度氣體的簡(jiǎn)化處理方法顯然不在適用，高濃度氣體吸收時(shí)，按膜模型理論，氣相傳質(zhì)分系數(shù)表示為：化工原理第八章氣體吸收8.4.6塔板數(shù)吸收操作除用填料塔外，也可采用板式塔。板式塔的主要特點(diǎn)是：氣液兩相的接觸是在塔板上進(jìn)行的，故組成沿著塔高呈階躍式而不是連續(xù)式的變化。為計(jì)算板式塔完成吸收任務(wù)所需的塔板數(shù)，要應(yīng)用物料恒算和氣液平衡量關(guān)系，其常用方法是圖解法?；ぴ淼诎苏職怏w吸收一、梯級(jí)圖解法求理論塔板數(shù)在塔設(shè)備內(nèi)任一取一截面，設(shè)其位置落在第n-1與n塊板之間，對(duì)于塔頂、底作溶質(zhì)物料恒算，可得到操作線方程如下：在板式吸收塔計(jì)算中，為簡(jiǎn)明計(jì)，常引用“理論塔板”的概念，其定義是：氣液兩相在這種塔板上相遇時(shí)，因接觸良好、傳質(zhì)充分，以致兩相在離開塔板時(shí)已達(dá)到平衡。化工原理第八章氣體吸收代表離開各層理論板氣、液組成的點(diǎn)、，．．．，，都在圖８－１５的平衡線OE之上?；ぴ淼诎苏職怏w吸收一直類推到第層理論板之下（塔底），得到即二、解析法求理論塔板數(shù)當(dāng)平衡關(guān)系符合、操作線為直線時(shí)，用克列姆塞爾（Kremeser）等人提出的解析方法求理論塔板數(shù)。由于離開任一層理論塔板的液、氣組成，．．．，符合相平衡式，故有，．．．，有化工原理第八章氣體吸收對(duì)板式吸收塔而言，塔板上的事跡傳質(zhì)情況遠(yuǎn)不如理論塔板完善，故所需的實(shí)際塔板數(shù)較理論塔板數(shù)Ｎ為多，常用塔板效率來(lái)衡量這種差別。定義全塔板效率或總板效率為

包括了傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)因數(shù)，其值與物系和塔板結(jié)構(gòu)、操作條件有關(guān)。板式吸收塔的全塔板效率可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)圖確定，通常吸收塔的

范圍約為

?；ぴ淼诎苏職怏w吸收8.4.7解吸（脫吸）把溶液中的氣體溶質(zhì)釋放出來(lái)的過(guò)程稱為脫吸或解吸，其傳質(zhì)方向與吸收相反，為吸收的逆過(guò)程。其目的是為了實(shí)現(xiàn)溶劑再生，