《化工原理》第6章 气体吸收

第6章气体吸收6.1概述6.2吸收过程的相平衡关系6.3吸收机理与吸收速率6.4吸收过程的计算6.5填料塔6.6解吸第6章气体吸收26.1概述6.1.1气体吸收过程及其在工业上的应用吸收是分离气体混合物的重要单元操作。这种操作是使气体混合物与选择的某种液体相接触，利用混合气体中各组分在该液体中溶解度的差异，有选择地使混合气体中一种或几种组分溶于此液体而形成溶液，其他未溶解的组分仍保留在气相中，以达到从气体混合物中分离出某些组分的目的。6.1.2吸收过程的分类6.1.3吸收剂的选择第6章气体吸收36.2吸收过程的相平衡关系6.2.1相组成的表示方法1．质量分率。混合物中某组分的质量与混合物总质量的比值，称为该组分的质量分率，以xW表示。2．摩尔分率。混合物中某组分的千摩尔数与混合物总千摩尔数的比值，称为该组分的摩尔分率，以x表示。3．比质量分率。混合物中某两个组分的质量之比称为比质量分率，以XW(或YW)表示。4．比摩尔分率。混合物中某两个组分的千摩尔数之比称为比摩尔分率，以X(或Y)表示。第6章气体吸收45.质量浓度。单位体积中所含组分的质量，称为该组分的质量浓度，以CW表示。6.摩尔浓度。单位体积中所含组分的千摩尔数，称为该组分的摩尔浓度，以C表示。7.气体混合物的组成。气体混合物中各组分的组成，除了可用上述方法表示外，还可以用组分的分压和分体积来表示。根据道尔顿分压定律和理想气体状态方程式可以证明，理想气体混合物中某一组分的摩尔分率等于该组分的分压与混合气体总压之比，即压力分率，也等于该组分的分体积与混合气体总体积之比，即体积分率。第6章气体吸收56.2.2气体在液体中的溶解度平衡状态下，溶液上方气相中溶质上的分压称为当时条件下的平衡分压；而液相中所含溶质气体的组成，称为在当时条件下气体在液体中的平衡溶解度，简称溶解度。习惯上，溶解度是用溶解在单位质量的液体溶剂中溶质气体的质量来表示，单位为：kg气体溶质/kg液体溶剂。溶解度随物系、温度和压强的不同而异，通常由实验测定。图6-1、图6-2、图6-3分别表示氨、二氧化硫和氧在水中的溶解度与其气相平衡分压之间的关系(以温度为参数)。图中的关系线称为溶解度曲线。第6章气体吸收6图6-2二氧化硫在水中的溶解度图6-1氨在水中的溶解度图6-3氧在水中的溶解度第6章气体吸收76.2.3气、液相平衡关系—亨利定律亨利定律是描述互成平衡的气、液两相间组成关系的数学表达式。它适用于溶解度曲线中低浓度的直线部分。由于相组成有多种表示方法，致使亨利定律有多种形式。1.p—x关系当气相组成用分压p表示，液相组成用摩尔分率x表示时，吸收质在液相中的组成与其在气相中的平衡分压成正比，其数学表达式为：式中p*—溶质在气相中的平衡分压，kPa；x—溶质在液相中的摩尔分率；E—亨利系数，kPa。Exp(6-10)第6章气体吸收82.p—C关系当液相组成以摩尔浓度表示，而气相组成仍以分压表示时，则亨利定律具有如下形式：式中C—溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H—溶解度系数，kmol/m3﹒kPa。HCp(6-11)第6章气体吸收93.y—x关系若溶质在气相与液相中的组成分别用摩尔分率y与x表示，则亨利定律又可写成如下形式：式中y*—与液相组成平衡时溶质在气相中的摩尔分率；m—相平衡常数，无因次。mxy(6-13)第6章气体吸收104.Y—X关系若溶质在液相和气相中的组成分别用比摩尔分率X及Y表示时，对于单组分吸收则由式(6-6)可知：将上两式代人式(6-13)得即当稀溶液中溶质的组成很小时，即X值很小时，(1-m)X项很小，可忽略不计。式(6-15)的分母趋近于1，则式(6-15)可简化为Y1YyX1Xx,XXmYY11XmmXY)1(1mXY(6-15)(6-16)第6章气体吸收116.3吸收机理与吸收速率6.3.1传质的基本方式吸收过程是溶质从气相转移到液相的传质过程。由于溶质从气相转移到液相是通过扩散进行的，因此传质过程也称为扩散过程。扩散的基本方式有两种：分子扩散和涡流扩散。物质通过静止流体或作层流流动的流体（且传质方向与流体的流动方向垂直）时的扩散只是由于分子热运动的结果，这种借分子热运动来传递物质的现象，称为分子扩散。第6章气体吸收12物质在湍流流体中扩散时，主要是依靠流体质点的无规则运动而产生的漩涡，引起各部分流体间的强烈混合，在有浓度差存在的条件下，物质便朝其浓度降低的方向进行扩散。这种借流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象，称为涡流扩散。分子扩散和涡流扩散的共同作用称为对流扩散。对流扩散时，扩散物质不仅靠分子本身的扩散作用，并且依靠湍流流体的携带作用而转移，而且后一种作用是主要的。对流扩散速率比分子扩散的速率大得多。对流扩散速率主要决定于流体的湍流程度。第6章气体吸收136.3.2吸收机理——双膜理论双膜理论的模型如图6-4所示。图6-4气体吸收的双膜模型第6章气体吸收14其基本论点如下：1.相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面，相界面两侧分别存在着作层流流动的气膜或液膜，吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。2.无论气、液两相主体中吸收质的组成是否达到平衡，在相界面上，吸收质在气、液两相中的组成关系都假设已达到平衡。物质通过界面由一相进入另一相时，界面本身对扩散无阻力。因此，在相界面上，液相组成Xi是和气相组成Yi成平衡的。3.在两膜以外气、液两相的主体中，由于流体的充分湍动，吸收质的浓度基本上是均匀的，因而没有任何传质阻力或扩散阻力，即认为扩散阻力全部集中在两个膜层内。第6章气体吸收15根据双膜理论，吸收质必须以分子扩散的方式从气相主体先后通过此两薄膜而进入液相主体。所以，尽管气、液两膜很薄，两个膜层仍为主要的传质阻力或扩散阻力所在。根据双膜理论，在吸收过程中，吸收质从气相主体中以对流扩散的方式到达气膜边界，又以分子扩散的方式通过气膜到达气、液界面，在界面上吸收质不受任何阻力从气相进入液相，然后，在液相中以分子扩散的方式穿过液膜到达液膜边界，最后又以对流扩散的方式转移到液相主体。第6章气体吸收166.3.3吸收速率方程在吸收操作中，单位时间内单位相际传质面积上吸收的溶质量称为吸收速率。表示吸收速率与吸收推动力之间的关系式即为吸收速率方程式。1.气膜吸收速率方程式吸收质A以分子扩散方式通过气膜的吸收速率方程式，可表示为；亦即式中NA—吸收质A的分子扩散速率，kmol/m2.s；kY—气膜吸收系数，kmol/m2.s；Y、Yi—吸收质A在气相主体与相界面处的比摩尔分率。)(iYAYYkNYiAkYYN/1(6-17)第6章气体吸收172.液膜吸收速率方程式吸收质A以分子扩散方式通过液膜的吸收速率方程式，可表示为亦即式中NA—吸收质A的分子扩散速率，kmol/m2·s；kX—液膜吸收系数，kmol/m2·s；Xi、X—吸收质A在相界面与液相主体的比摩尔分率。)(XXkNiXAXiAkXXN/1(6-18)第6章气体吸收183.吸收速率总方程式在吸收过程中，因吸收质从气相溶入液相，而使气相总量和液相总量不断变化，这也使计算变得复杂。由于相界面上的组成Yi、Xi不易直接测定，因而在吸收计算中很少应用气、液膜的吸收速率方程式，而采用包括气液相的吸收速率总方程式。从双膜理论可知，式(6-17)和式(6-18)所表示的推动力(Y-Yi)和(Xi-X)中有一界面浓度，可按下述方法确定：从整个吸收过程来看，只要过程是稳定的，在两相界面上无积累或消耗，那么单位时间，单位相界面上通过气膜所传递的物质量，必与通过液膜传递的物质量相等。所以可写成：)()(XXkYYkNiXiYA(6-19)第6章气体吸收19iimXYmXY,)()(mYmYkYYkNiXiYAXYXiYiAkmkYYkmYYkYYN11XYYkmkK11)(1YYKKYYNYYA由式(6-16)可知将上两式代入式(6-19)得，令则第6章气体吸收20)(YYKNYAXYAkmkXXN11XYXkmkK111)(1XXKKXXNXXA由此可得出，以气相比摩尔分率差（ΔY）表示推动力的吸收速率总方程式：用同样方法可得令则（6-20）第6章气体吸收21由此可得出，以液相比摩尔分率差（ΔX）表示推动力的吸收速率总方程式：式中Y*—与液相主体组成X平衡的气相组成（比摩尔分率）；X*—与气相主体组成Y平衡的液相组成（比摩尔分率）；KY—气相吸收总系数(kmol/m2·s)；KX—液相吸收总系数(kmol/m2·s)。)(XXKNXA（6-21）第6章气体吸收226.3.4吸收总系数1.吸收系数的确定吸收系数往往是通过实验直接测得的，也可以用经验公式或用准数关联式的方法求算。实测数据是以生产设备或中间实验设备进行实验而测得的数据；或从手册及有关资料中查取相应的经验公式，计算出吸收膜系数后，再由公式求出吸收总系数。这类公式应用范围虽较窄，但计算较准确；准数关联式求得的数据，误差较大，计算也较为繁琐。工程上多采用经验公式来确定，选用时应注意其适用范围及经验公式的局限性。第6章气体吸收232.吸收总系数与吸收膜系数的关系在吸收计算中，要得到每一个具体过程中的吸收总系数是困难的。与传热中从对流传热系数出发求出总传热系数K，进而计算传热面积一样，在吸收计算中也可以从气膜和液膜吸收系数kY和kX求出吸收总系数KY和KX，由前述讨论可知：或XYYkmkK11XYYkmkK11（6-22a）（6-22）第6章气体吸收24以及或式中m—相平衡常数，由式6—14，求出；—与推动力（ΔY、ΔX）对应的总阻力。由此可见，吸收过程的总阻力等于气膜阻力和液膜阻力之和，符合双膜理论这一当初的设想。XYXkmkK111XYXkmkK111XYKK11、PEm（6-23）（6-23a）第6章气体吸收253.气体溶解度对吸收系数的影响(1)溶解度甚大的情况。当吸收质在液相中的溶解度甚大时，亨利系数E值很小，因此，当混合气体总压P一定时，相平衡常数m＝E/P亦很小，由式(6-22)可知，当甚小时，即吸收总阻力主要由气膜吸收阻力所构成。这就是说，吸收质的吸收速率主要受气膜一方的吸收阻力所控制，故称为气膜阻力控制。在这种情况下，气膜阻力是构成吸收阻力的主要矛盾，液膜阻力就可以忽略不计，而气相吸收总系数可用气膜吸收系数来代替。YYkKYYkK11YK1Yk1或第6章气体吸收26（2）溶解度甚小的情况。当吸收质在液相中的溶解度甚小时，亨利系数E值很大，相平衡常数m亦很大。由式(6-23)可知，当m甚大时，在这种情况下，液膜阻力构成了吸收阻力的主要矛盾，气膜阻力可忽略不计，而液相吸收总系数可用液膜吸收系数来代替，这种情况称为液膜阻力控制。（3）溶解度适中的情况。在这种情况下，气、液两相阻力都较显著，不容忽略。如符合亨利定律，可根据已知气膜及液膜吸收系数求取吸收总系数。XXkKXXkK11或第6章气体吸收271.物料衡算图6-5所示为一处于稳定操作状态下，气、液两相逆流接触的吸收塔，混合气体自下而上流动，吸收剂则自上而下流动。图6-5逆流吸收塔操作示意图6.4吸收过程的计算6.4.1全塔物料衡算——操作线方程第6章气体吸收28图中各个符号的意义如下：V—单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s；L—单位时间内通过吸收塔的吸收剂量，kmol/s；Yl、Y2—分别为进塔及出塔气体中吸收质的比摩尔分率；X1、X2—分别为出塔及进塔液体中吸收质的比摩尔分率。在吸收过程中，V和L的量没有变化；在气相中吸收质的组成是逐渐减小，而液相中的吸收质的组成是逐渐增大的。若无物料损失，对单位时间内进、出吸收塔的吸收质作物料衡算，可得下式：或1221LXVYLXVY)()(2121XXLYYV（6-28）第6章气体吸收29一般情况下，进塔混合气的组成与流量是吸收任务规定了的，如果所用吸收剂的组成与流量已经确定，