氣體吸收過(guò)程課件

化工原理第五章氣體吸收主講人：曹華6/8/20231ProcessSystemPrinciple

教學(xué)內(nèi)容相際傳質(zhì)理論氣液相平衡理論吸收過(guò)程概述吸收過(guò)程計(jì)算6/8/20232ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述吸收的概念

傳質(zhì)過(guò)程：將均相物系混合物分離為較凈或幾乎純態(tài)的物質(zhì)時(shí)，利用原物系中各組分間某種物性的差異，從而將均相物系形成一個(gè)兩相物質(zhì)，達(dá)到分離的目的。過(guò)程工業(yè)中常見(jiàn)的傳質(zhì)過(guò)程有蒸餾、吸收、干燥、萃取和吸附等單元操作。

物質(zhì)在相間的轉(zhuǎn)移過(guò)程稱(chēng)為物質(zhì)傳遞過(guò)程（簡(jiǎn)稱(chēng)傳質(zhì)過(guò)程）。吸收：利用混合氣體中各組分在液相吸收劑中溶解度的差異而實(shí)現(xiàn)氣體混合分離的操作稱(chēng)為吸收。6/8/20233ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述吸收的概念所用液體稱(chēng)為吸收劑（或溶劑）。氣體中被溶解的組分稱(chēng)為吸收質(zhì)或溶質(zhì)。不被溶解的組分稱(chēng)為惰性氣體或載體。

吸收操作的目的：

（1）分離和凈化原料氣：

原料氣在加工以前，其中無(wú)用的或有害的成分都要預(yù)先除去。如從合成氨所用的原料氣中分離出CO2、CO、H2S等雜質(zhì)。

（2）分離和吸收氣體中的有用組分：如從合成氨廠的放空氣中用水回收氨；從焦?fàn)t煤氣中以洗油回收粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸氣和從某些干燥廢氣中回收有機(jī)溶劑蒸氣等。

6/8/20234ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述吸收的概念

（3）某些產(chǎn)品的制?。?/p>

選擇適當(dāng)?shù)墓に嚭腿軇┻M(jìn)行SO2、H2S吸收是廢氣治理中應(yīng)用較廣的方法。

如制酸工業(yè)中用水分別吸收混合氣體中的HCl、SO3-和NO2制取鹽酸、硫酸和硝酸。

（4）廢氣的治理：6/8/20235ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述工業(yè)吸收過(guò)程圖5-1吸收與解吸流程

6/8/20236ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述吸收操作需要解決的問(wèn)題

選擇合適的溶劑，選擇性溶解被分離的組分：吸收劑的選擇時(shí)要從以下幾方面來(lái)考慮：

①對(duì)被吸收的組分要有較大的溶解度，且有較好的選擇性。即對(duì)溶質(zhì)的溶解度要大，而對(duì)惰性氣體幾乎不溶解。

②要有較低的蒸氣壓，以減少吸收過(guò)程中溶劑的揮發(fā)損失。

③要有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，以免使用過(guò)程中變質(zhì)。

④腐蝕性要小,以減小設(shè)備費(fèi)用和維修費(fèi)。

⑤粘度要低，以利于傳質(zhì)及輸送；比熱要小，使再生時(shí)的耗熱量較小；不易燃燒，以利于安全生產(chǎn)。

⑥吸收后的溶劑應(yīng)易于再生。

6/8/20237ProcessSystemPrinciple圖5-2兩類(lèi)吸收設(shè)備

吸收過(guò)程概述吸收操作需要解決的問(wèn)題提供適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣液兩相的接觸：6/8/20238ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述吸收類(lèi)型

（1）物理吸收：氣體各組分因在溶劑中溶解度的不同而被分離的吸收操作，稱(chēng)～。

1、物理吸收和化學(xué)吸收：例：（2）化學(xué)吸收：利用化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的吸收操作，稱(chēng)～。

2、單組分吸收與多組分吸收（1）單組分吸收：在吸收過(guò)程中，若混合氣體中只有一個(gè)組分被吸收，其余組分可認(rèn)為不溶于吸收劑，則稱(chēng)之為單組分吸收；（2）多組分吸收：如果混合氣體中有兩個(gè)或多個(gè)組分進(jìn)入液相，則稱(chēng)為多組分吸收。6/8/20239ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述吸收類(lèi)型（1）等溫吸收：氣體溶于液體中時(shí)常伴隨熱效應(yīng)，若熱效應(yīng)很小，或被吸收的組分在氣相中的濃度很低，而吸收劑用量很大，液相的溫度變化不顯著，則可認(rèn)為是等溫吸收；

3、等溫吸收與非等溫吸收（2）非等溫吸收：若吸收過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)熱很大，液相的溫度明顯變化，則該吸收過(guò)程為非等溫吸收過(guò)程。

4、低濃度吸收與高濃度吸收

（1）高濃度吸收：通常根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)定當(dāng)混合氣中溶質(zhì)組分A的摩爾分?jǐn)?shù)大于0.1，且被吸收的數(shù)量多時(shí)，稱(chēng)為高濃度吸收；（2）低濃度吸收：如果溶質(zhì)在氣液兩相中摩爾分?jǐn)?shù)均小于0.1時(shí)，吸收稱(chēng)為低濃度吸收。低濃度吸收的特點(diǎn)：氣液兩相流經(jīng)吸收塔的流率為常數(shù)；低濃度的吸收可視為等溫吸收。6/8/202310ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述相組成的表示方法

對(duì)于均相混合物，每一種物質(zhì)稱(chēng)為該混合物的一個(gè)組分，該組分在混合物中的相對(duì)數(shù)量關(guān)系稱(chēng)為該組分的組成。

在傳質(zhì)過(guò)程中，氣液兩相的組成是不斷變化的。

1、質(zhì)量分?jǐn)?shù)wi

混合物中某組分的質(zhì)量與混合物的質(zhì)量之比。

2、摩爾分?jǐn)?shù)xi

混合物中某組分的物質(zhì)的量與混合物的物質(zhì)的量之比。對(duì)于只有兩組分的混合物：6/8/202311ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述相組成的表示方法

3、摩爾比XA

對(duì)于由組分A和組分B組成的雙組分物系，以組分B為基準(zhǔn)，兩組分的物質(zhì)的量的比值稱(chēng)為摩爾比，用XA表示。它與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系為：6/8/202312ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程概述吸收操作假設(shè)

吸收操作假設(shè)：

（1）氣體混合物中只有一個(gè)組分溶于溶劑，其余組分在溶劑中的溶解度極低而可忽略不計(jì)，視為惰性氣體。

（2）溶劑的蒸汽壓很低，其揮發(fā)損失可以忽略。即：氣相中僅包含一個(gè)惰性組分和一個(gè)可溶解組分；液相中則包含著可溶解組分（溶質(zhì)）和溶劑。6/8/202313ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論平衡溶解度平衡溶解度的概念：

平衡分壓：溶質(zhì)Ａ與溶劑接觸，在進(jìn)行溶解的過(guò)程中，隨著溶質(zhì)在溶液中濃度C1的逐漸提高，傳質(zhì)速率將逐漸減慢，最后降到零，C1達(dá)到一最大限度Ｈ。這時(shí)稱(chēng)氣液達(dá)到了平衡，Ｈ稱(chēng)為平衡溶解度。簡(jiǎn)稱(chēng)為溶解度。氣液平衡時(shí)，氣相中溶質(zhì)的分壓為平衡分壓。

相平衡關(guān)系：

平衡時(shí)溶質(zhì)組分在氣液兩相中的濃度關(guān)系為相平衡關(guān)系。6/8/202314ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論平衡溶解度平衡溶解度曲線：氣液相平衡關(guān)系用二維坐標(biāo)繪成的關(guān)系曲線稱(chēng)為溶解度曲線。圖5-2氨在水中的溶解度圖5-420℃下SO2在水中的溶解度6/8/202315ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論平衡溶解度從圖中可以看到：在相同的溫度和分壓條件下，不同的溶質(zhì)在同一個(gè)溶劑中的溶解度不同；同一個(gè)物系，在相同溫度下，分壓越高，則溶解度越大；分壓一定，溫度越低，則溶解度越大。這說(shuō)明在較高分壓和較低溫度下有利于吸收操作，而減壓和升溫則有利于解吸操作過(guò)程。6/8/202316ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論平衡溶解度亨利定律：

當(dāng)總壓不高（一般小于５×105N·Cm-2)時(shí)，在一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關(guān)系：

PA*=E·xA式中：PA*---溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓,KN/m2

xA---溶質(zhì)在液相中的摩爾分率

E---享利系數(shù)，kN/m2

亨利定律的其它表示方法：6/8/202317ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論平衡溶解度

yA*==m·xA設(shè)：P---總壓所以享利系數(shù)E、m之間的關(guān)系為：式中：yA*---溶質(zhì)在氣相的摩爾分率；

m---相平衡常數(shù)，無(wú)因次。則：如果氣液兩相的組成均以摩爾比表示時(shí),則上式可寫(xiě)成：6/8/202318ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論平衡溶解度

整理后得到：

當(dāng)溶液很稀時(shí)，XA很小，上式可簡(jiǎn)化得到：6/8/202319ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論相平衡關(guān)系的應(yīng)用判斷傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的方向：

設(shè)101.3kpa、20℃下，稀氨在水中的相平衡方程：ye==0.94x圖5-5判斷吸收過(guò)程的方向6/8/202320ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論相平衡關(guān)系的應(yīng)用指明過(guò)程的極限：

圖5-6指明吸收過(guò)程的極限6/8/202321ProcessSystemPrinciple

氣液相平衡理論相平衡關(guān)系的應(yīng)用計(jì)算過(guò)程的推動(dòng)力：

圖5-7計(jì)算吸收過(guò)程的推動(dòng)力yA*xA*6/8/202322ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程相際傳質(zhì)過(guò)程的步驟：

吸收過(guò)程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞。

傳遞過(guò)程包括三個(gè)步驟：

①溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。

②溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生的溶解過(guò)程；

③溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。物質(zhì)傳遞機(jī)理：①分子擴(kuò)散：濃度差。②渦流擴(kuò)散：流體的宏觀運(yùn)動(dòng)。6/8/202323ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散：當(dāng)流體內(nèi)部存在著某組分的濃度差時(shí)，由于物質(zhì)分子無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，該組分由濃度較高處轉(zhuǎn)移到濃度較低處，這種傳質(zhì)方式稱(chēng)為分子擴(kuò)散。

渦流擴(kuò)散：是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的湍流流動(dòng)和渦流運(yùn)動(dòng)將物質(zhì)由高濃度處轉(zhuǎn)移至低濃度處的現(xiàn)象。6/8/202324ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流對(duì)傳質(zhì)的貢獻(xiàn)：圖5-12MN截面上可溶組分的濃度分布

1－靜止流體；2－滯流；3－湍流對(duì)流傳質(zhì)：流動(dòng)流體與相界面之間的物質(zhì)傳遞稱(chēng)為對(duì)流傳質(zhì)。參見(jiàn)圖5-12所示。6/8/202325ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論對(duì)流擴(kuò)散對(duì)流傳質(zhì)速率：對(duì)流傳質(zhì)現(xiàn)象復(fù)雜，傳質(zhì)速率難以解析求得，必須依靠實(shí)驗(yàn)測(cè)得。氣相與界面的傳質(zhì)速率式可寫(xiě)成：式中：p、pi--溶質(zhì)A在氣相主體與界面處的分壓，kPa

；

Y、Yi--溶質(zhì)A在氣相主體與界面處的摩爾比；

kG--以分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，

kmol/(s·m2·kPa)

kY--以摩爾比差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(s·m2)6/8/202326ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論對(duì)流擴(kuò)散液相與界面的傳質(zhì)速率式可寫(xiě)成：式中：c、ci--溶質(zhì)A的主體濃度和界面濃度，kmol/m3

；

X、Xi--溶質(zhì)A在主體與界面處的摩爾比；

kL--以濃度差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s

；

kX--以摩爾比差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(s·m2)6/8/202327ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論對(duì)流傳質(zhì)理論有效膜理論：圖5-13有效膜理論

②全部傳質(zhì)阻力集中與該兩層靜止膜中；

③膜中的傳質(zhì)是定態(tài)的分子擴(kuò)散。

①

氣液界面兩側(cè)各存在一層靜止的氣膜和液膜，其厚度為δG和δL；簡(jiǎn)化假設(shè)：6/8/202328ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程吸收過(guò)程的相際傳質(zhì)是由氣相與界面的對(duì)流傳質(zhì)、界面上溶質(zhì)組分的溶解、液相與界面的對(duì)流傳質(zhì)三個(gè)過(guò)程串聯(lián)而成。圖5-15相際傳質(zhì)6/8/202329ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程（1）相際傳質(zhì)過(guò)程的速率方程：氣相傳質(zhì)過(guò)程的速率方程：液相傳質(zhì)過(guò)程的速率方程：界面上氣體的溶解沒(méi)有阻力，則界面上氣液兩相組成服從相平衡方程：對(duì)稀溶液，物系服從亨利定律：或在計(jì)算范圍內(nèi)，平衡線可近似作直線處理，即：6/8/202330ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程圖5-16主體含量與界面含量的圖示6/8/202331ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程傳質(zhì)速率可寫(xiě)成推動(dòng)力與阻力之比：將上式最右端分子、分母均乘以m，將推動(dòng)力加和以及阻力加和即得：6/8/202332ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程又：所以：其中：

KY---

稱(chēng)以氣相摩爾比差（Y-YA*）為推動(dòng)力的總傳熱系數(shù)，kmol/（s·m2）。同理：其中：

KX---

稱(chēng)以液相摩爾比差（XA*-X）為推動(dòng)力的總傳熱系數(shù)，kmol/（s·m2）。6/8/202333ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程其中：（2）傳質(zhì)速率方程的各種表達(dá)形式即：吸收方程為：解吸方程為：6/8/202334ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程（3）傳質(zhì)阻力的控制步驟

氣相阻力控制過(guò)程：當(dāng)則表明易溶氣體的液膜阻力很小，吸收過(guò)程的總阻力集中在氣膜內(nèi)，這種氣膜阻力控制著整個(gè)吸收過(guò)程的速率的情況，稱(chēng)為氣膜控制。6/8/202335ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程當(dāng)則液相阻力控制過(guò)程：例題：總壓為101.3kPa、溫度為303K下用水吸收混合氣中的氨，操作條件下的氣液平衡關(guān)系為y＝1.20x。已知?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)kY為5.31×104kmoI／(s·m2)，液相傳質(zhì)系數(shù)kX為5.33×103

kmol／(s·m2)，并在塔的某一截面上測(cè)得氨的氣相摩爾比Y為0.05，液相摩爾比X為0.012。試求該截面上的傳質(zhì)速率及氣液界面上兩相的摩爾分?jǐn)?shù)。當(dāng)則6/8/202336ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程解：總傳質(zhì)系數(shù)：與實(shí)際液相組成成平衡的氣相組成為：傳質(zhì)速率為：聯(lián)立求解以下兩式：6/8/202337ProcessSystemPrinciple

相際傳質(zhì)理論相際傳質(zhì)過(guò)程求出界面上兩項(xiàng)含量為：氣相傳質(zhì)阻力占總阻力的比例為：6/8/202338ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程計(jì)算全塔物料衡算圖5-17吸收塔內(nèi)兩項(xiàng)含量的變化圖5-17為定態(tài)操作的填料吸收塔。其橫截面面積為A，單位體積內(nèi)具有的有效表面（吸收）為α（m2/m3）?；旌蠚怏w自下而上流動(dòng)，流率VB（kmol/s）；吸收劑自上而下流動(dòng)，流率Ls（kmol/s）。

①溶質(zhì)氣相含量小于5％～10％；

②VB、Ls為常量；

③吸收過(guò)程是等溫的；（1）低含量氣體吸收的特點(diǎn)：VB,Y1YxVB,Y2Ls,x2Ls,x16/8/202339ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程計(jì)算全塔物料衡算（3）全塔物料衡算：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)吸收劑吸收的溶質(zhì)的量為：定義吸收過(guò)程的吸收率為單位時(shí)間內(nèi)在塔內(nèi)被吸收的溶質(zhì)的量GA與氣相帶入塔內(nèi)的溶質(zhì)的量VB×Y1的比值即：6/8/202340ProcessSystemPrinciple用上式可以計(jì)算塔底溶液的濃度，也或計(jì)算出塔氣體的濃度，判斷分離是否達(dá)到要求。（4）吸收過(guò)程操作線方程從塔的任意截面到塔底做物料衡算得：吸收過(guò)程計(jì)算逆流操作線方程將上式整理后得到：上式表示了在逆流操作的吸收塔內(nèi)任一截面上氣液兩相內(nèi)溶質(zhì)組成的關(guān)系，稱(chēng)為吸收逆流操作線方程。6/8/202341ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程計(jì)算逆流操作線方程在穩(wěn)定操作中，該操作線方程在Y—X坐標(biāo)系中是一條直線。它的斜率是Ls/VB，在Y軸上的截距是[Y1-（LS/VB)×X1]。對(duì)于吸收過(guò)程而言，它總是位于平衡線的上方。該直線的斜率Ls/VB稱(chēng)為吸收操作的液氣比。圖5-18逆流吸收的操作線6/8/202342ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程計(jì)算吸收推動(dòng)力從右側(cè)圖中可以看到，吸收塔中

每一個(gè)截面上的傳質(zhì)推動(dòng)力是不同的，因此在進(jìn)行全塔傳質(zhì)推動(dòng)力計(jì)算時(shí)，不能用某一個(gè)截面上的推動(dòng)力代替全塔的吸收推動(dòng)力。若吸收平衡線是一條直線，則可以用進(jìn)出口處的對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力來(lái)表示全塔吸收推動(dòng)力。圖5-18逆流吸收的操作線6/8/202343ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算方法

ΔY1—塔底氣相推動(dòng)力，ΔY1=Y1-Y1*

ΔY2—塔頂氣相推動(dòng)力，ΔY2=Y2-Y2*或

ΔX1—塔底液相推動(dòng)力，ΔX1=X1-X1*

ΔX2—塔頂液相推動(dòng)力，ΔX2=X2-X2*6/8/202344ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程計(jì)算最小液氣比吸收劑用量的選擇和最小液氣比：圖5-22最小液氣比6/8/202345ProcessSystemPrinciple

吸收過(guò)程計(jì)算最小液氣比一般而言，最小液氣比：當(dāng)進(jìn)口氣體的組成一定，吸收劑的初始濃度一定時(shí)，出口氣體中溶質(zhì)的濃度取決于吸收劑的用量。用量越大，出口氣體中溶質(zhì)的濃度越小，反之，則越大。當(dāng)吸收劑用量小到一定數(shù)量時(shí)，出口處吸收劑的濃度與氣相中溶質(zhì)的濃度成平衡，這是理論上吸收液能達(dá)到