北京化工大学化工原理下册

第八章气体吸收8.1概述8.2吸收过程相平衡基础8.3吸收过程模型及传质速率方程8.4吸收（或脱吸）塔计算8.5其他类型吸收一、气体吸收在化工中的应用吸收是将气体混合物与适当的液体接触，利用个组分在液体中溶解度的差异而使气体中不同组分分离的操作。混合气体中，能够溶解于液体中的组分称为吸收质或溶质；不能溶解的组分称为惰性气体；吸收操作所用的溶剂称为吸收剂；溶有溶质的溶液称为吸收液或简称溶液；派出的气体称为吸收尾气。吸收操作是气体混合物的主要分离方法，化工生产中它有以下几种具体的应用：１．化工产品２．分离气体混合物３．从气体中回收有用组分４．气体净化(原料气的净化和尾气、废气的净化)５．生化工程二、吸收过程分类按照吸收过程是否伴有化学反应将吸收区分为化学吸收和物理吸收两大类。在气体吸收中，若混合气体中只有一个组分在吸收剂中有一定的溶解度，其余的组分的溶解度可以忽略，这样的吸收过程称为单组分吸收。如果有两个或更多的组分能溶解于吸收剂中，这一过程称为多组分吸收。在吸收过程中，当气体溶解于液体中时，通常有溶解热产生，若进行伴有放热的化学吸收时，还要放出反应热，因此随着吸收过程的进行液相温度要逐渐增高，这样的吸收称为非等温吸收。但若热效应很小，或被吸收的组分浓度很低，且吸收剂的用量较大，则温度的变化不显著，此时吸收过程可认为是等温吸收。三、工业吸收过程工业的吸收过程常在吸收塔中进行。生产中除少部分直接获得液体产品的吸收操作外，一般的吸收过程都要求对吸收后的溶剂进行再生，即在另一称之为解析他的设备中进行于吸收相反的操作－解吸。因此，一个完整地吸收分离过程一般包括吸收和解吸两部分。8.2吸收过程相平衡基础8.2.1气液相平衡关系气体混合物与溶剂S相接触时，将发生溶质气体向液相的转移，使得溶液中溶质（A）的浓度增加。充分接触后的气液两相，液相中溶质达到饱和，此时瞬间内进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相抵，在宏观上过程就像停止一样，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。对于单组分物理吸收，组分数c=3（溶质A、惰性气体B、溶剂S），相数（气、液），自由度数F应为即在温度、总压和气、液组成共四个变量中，有三个是自变量，另一个是它们的函数。23223Fc在一定的操作温度和压力下，溶质在液相中的溶解度由其相中的组成决定。在总压不很高的情况下，可以认为气体在液体中的溶解度只取决于该气体的分压，而与总压无关。于是，与得函数关系可写成当然，也可以选择液相的浓度作自变量，这时，在一定温度下的气相平衡分压和的函数：气液平衡关系一般通过实验方法对具体物系进行测定。Ap*AcAp*()AAcfpAc*ApAc*()AApfc8.2.2亨利定律亨利定律是稀溶液重要的经验定律，在低压（通常指总压小于0.5MPa）和一定温度下，气液相达到平衡状态时，其数学表达式如下：若溶质在液相中的浓度用物质的量浓度ｃ表示，则亨利定律可表示成：若溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x与y表示，则亨利定律可表示成*AApEx*AAcpH*ymx•8.3吸收过程模型及传质速率方程吸收剂Nxi气yi(a)吸收塔Nyixixy（b)浓度分布8.3.1双膜模型在吸收中的应用气体吸收是把气相中的溶质传到液相的过程，即相际间的传质。它由气相与界面的对流传质、界面上溶质组分的溶解、界面与液相的对流传质三个步骤串联而成。由膜模型传质理论，气相传质速率可表示为令得同理，由膜模型理论，液相传质速率式为令得()()GiAGGiGppNkppkPPPyGkkP()AyiNkyy()()iLALiLLccNkcckCCCxLkkC()AxiNkxx线上。若在Ｐ点附近两项组成x，y所涉及的范围内，平衡县可近似看成斜率为m的直线（若服从亨利定律，则ｍ为相平衡常数）则或8.3.2传质速率方程一、传质速率方程如图所示，吸收塔一截面气液两相主体浓度在上可用一点a表示。此点一般不在平衡线上。如双膜模型假设成立，表示界面上两相组成关系的点Ｐ必位于平衡yyiy*aEPB0xxix*A斜率图8－4主体浓度与截面浓度示意图yx*()iimxxyy*()/iiyymxx()AyiNkyy**()()()xiyxkxxkyykxx()AGGiNkpp**()()()xiLGGLLGLkcckppkcc**,GGLLcHpcHpyGkPkxLkCkyGKPKxLKCK11yyxKmkk111xyxKkmk111LGLKkHk11LGLKHkkyxGLKmKKHK浓度组成表示法摩尔分率物质得量浓度或分压传质速率方程其中总传质系数不同的推动力所对应的不同传质系数和速率方程。表8—1传质速率方程的各种形式二、界面浓度的求取当ｍ随浓度变化时，用分传质速率方程式计算更加方便，界面浓度与存在关系有：（1）有双膜模型理论，与在平衡线上。如果平衡线以表示，则。（2）可导出平衡关系与上式联立可求解界面浓度与。在用作图法求解时，从气、液两相的实际浓度点ａ出发，作斜率为的一条直线，此直线与平衡线的交点即为所求的界面浓度（）。iyixiyix()yfx()iiyfxixiyyykxxk,iixyixiy/xykk三、传质阻力分析总传质阻力为气相分传质阻力与液相分传质阻力之和。若分传质阻力中，则总传质阻力。此时的传质阻力集中于气相，称为气相阻力控制（亦称气膜控制）。气相阻力控制的条件是：（１）或。此时若描绘于图上，则连接气、液实际浓度点ａ（x，y）与界面浓度点ｂ（）的直线ab很陡。（２）溶质在吸收剂中的溶解度很大，即平衡线斜率ｍ很小，相平衡曲线平坦。1yxmkk11yyKkyxkk1xykk,iixy同时由图８－６(a)可知，在气相阻力控制条件下，以气相摩尔分率差表示的分传质推动力接近于总推动力，总推动力主要用于克服气相阻力。xxi0y*yiya斜率mx*b(a)气相阻力控制xxix*0y*yiyab液相阻力控制（b）图８－６两相中的吸收传质阻力示意图()iyy*()yy液相阻力控制的条件是：（１），或。图８－６（b）中连接气、液实际浓度（x，y）与界面浓度（）的直线ab较平坦。（2）溶质在吸收剂中的溶解度很小，即平衡线斜率m很大，相平衡曲线OE很陡。同时，由图８－６（b）可知，在液相阻力控制条件下，以液相摩尔分率差表示的分传质推动力接近于总传质推动力，总推动力主要用于克服液相阻力。yxkk1xykk,iixy()ixx*()xx•8.4吸收（或脱吸）塔计算以不变的量作为物料恒算的基准：对于气体，是其中惰性气体Ｂ的流率；而对于液体，则是其中溶剂Ｓ的流率：与此相应，气液相组成应采用摩尔比表示：GayaLaxaG，yL，xGbLbybxb图8－7吸收塔气、液流率及组成8.4.1物料恒算和操作线方程一、全塔物料恒算稳定操作的逆流吸收塔内气、液流率和组成如图８－７所示，其中以下标ａ代表塔顶，下标ｂ代表塔底，A、B、S分别代表溶质、惰性气体和溶剂。BGSL(1)BGGy(1)SLLx1yYy1xXx对图８－７所示的吸收过程作全塔物料恒算，如下：式中，，，分别代表塔顶、塔底气液相摩尔比。吸收操作时，表征吸收程度有两种方式，即：（１）吸收目的是为回收有用物质，通常以吸收率表示：（２）吸收的目的是为了除去气体混合物中的有害物质，一般直接规定出塔气中有害物质的残余浓度。()()BbasbaGYYLXX(1)(1)BaabbGGyGy(1)(1)saabbLLxLxaYaXbYbX1baabbYYYYY被吸收的溶质进塔气中的溶质aY二、操作线方程及操作线为确定吸收塔内任一塔截面上相互接触的气、液组成间的关系，可对吸收塔塔顶和任一截面间（即图８－７种虚线所示的范围）作物料恒算如下，即为逆流吸收塔的操作线方程式：整理得同理，亦可对塔底与任一截面间作物料恒算，得整理得()()BaSaGYYLXX()SSaaBBLLYXYXGG()()BbSbGYYLXX()SSbbBBLLYXYXGG8.4.2吸收剂用量的确定关于吸收剂用量，从能耗的角度考虑，希望流量要小，但限于气体在液体中的溶解度，流率小到一定程度则达不到吸收要求，故需合理选取。根据生产实践经验，一般情况下取吸收剂用量为最小用量的1.2~2.0倍是比较适宜的，即或最小液气比可用图解法或计算求出。操作线与平衡线在点相交，从而或min(1.12.0)SSBBLLGGmin(1.12.0)SSLL*(,)bbCXY*minSbaBbaLYYGXX*minbaSBbaYYLGXX如果平衡曲线呈现如图８－１０种所示的形状，则应过点A作平衡曲线的切线，找到水平线与此切线的交点，按下式计算最小液气比，即或B1B2CEYYbYaA0XaXbXb'X'bXLS1LS2(LS)min图8－9吸收剂用量对操作线的影响及最小液气比B'BYYbYa0XaXbXb'XTA图8－10特殊平衡线下的最小液气比bYY'B'minSbaBbaLYYGXXmin'()baSBbaYYLGXX8.4.3低浓度气体吸收时的填料层高度当进塔混合气中的溶质浓度不高（例如小于５％～１０％）时，通常称为低浓度气体吸收。计算此类吸收问题时可作如下假设而不致引入显著误差（对应于图８－７种的流程）：（1）气液相流量可视为常量。（2）吸收过程可视为等温吸收。（3）传质系数可视为常量。对于低浓度气体的吸收，可近似的用气、液流经全塔的混合气体与液体的流率Ｇ、Ｌ代替惰性组分的流率、，并以摩尔分率、代替摩尔比Ｙ、Ｘ，有：或物料恒算式也可作：BGSLyx()()aaGyyLxx()aaLLyxyxGG()bbLLyxyxGGdh气体出G，ya液体进L,xayxy+dyx+dxh气体进G，yb图8－11填料层高度计算示意一、填料层高度的计算进行填料计算时，传质速率方程和物料恒算式应对填料层的微分高度列出，然后几分得到填料层总高度。若以气、液相摩尔分率差为总传质推动力计算传质速率，得：，对于稳定的低浓度气体的吸收过程，Ｇ、Ｌ、ａ均不随时间而变，且在塔内不同截面位置上均为定值，总传质系数、在全塔范围内也可视为常数，则，若选用气、液相摩尔分率差作为分传质推动力来计算传质速率，同理可得,AN*()bayyyGdyhKyya*()baxxxLdyhKxxaxKyK*()bayyyGdyhKayy*()baxxxLdyhKaxxAN()bayyyiGdyhkayy()baxxxiLdxhkaxx若将传质单元的概念应用于以业相摩尔分率差作为总船只推动力的情形，则可得式中，令则以气相摩尔分率差为总传质推动力的填料层高度计算式可写成：二、传质单元数与传质单元高度*()bayOGydyNyyOGyGHKaOGOGhNHOLOLhNH*()baxOLxdxNxxOLxLHKa填料层高度计算式传质单元高度传质单元数相互关系气相总传质单元高度液相总传质单元高度气相传质单元高度液相传质单元高度气相总传质单元数液相总传质单元数气相传质单元数液相传质单元数由式（8－18）、（8－21）可得OGOGhHNOLOLhHNGGhHNLLhHNOGyGHKaOLxLHKaGyGHkaLxLHka*bayOGydyNyy*baxOLxdxNxxbayGyidyNyybaxLxidxNxxOGGLmGHHHLOLLGLHHHmG0OGLmGHHL相应的传质单元数及传质单元高度表示如下表。表8—2传质单元高度与传质单元数三、传质单元数的计算（１）对数平均推动力法在吸收操作所涉及的组成范围内，若相平衡关系可用直线方程表示，即相平衡关系服从亨利定律；或在操作组成范围内平衡关系为直线，此时传质推