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1、Absorption,吸 收,第 五 章,原理:利用气体中各组分溶于某溶剂的溶解度的不同来分离气体混合物的操作称吸收。,吸收剂,气体,y,x,气相主体,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,yi,xi,y,x,第一节 概述 Introduction,液相主体,气相主体,相界面,液相扩散,气相扩散,xi,yi,x,y,解吸:使吸收的气体从溶液中逃逸出来的操作称为解吸或脱吸。解吸为吸收的反过程。,吸收剂,气体,y,x,1.选择合适的溶剂； 2.实现气液传质、吸收气体； 3.溶剂的再生。 吸收操作中，吸收剂的性能是关键。对吸收剂的要求是：溶解度大、对要吸收的气体选择性好、溶剂的蒸汽压较低、易于再生等
2、。 吸收设备主要有板式塔和填料塔，本章主要讨论填料塔。,吸收操作三大问题：,吸收工艺,填料塔,板式塔,连续接触（微分接触）气、液两相的浓度呈连续变化。,级式接触气、液两相组成呈阶跃变化。,规整填料 塑料丝网波纹填料,散装填料 塑料鲍尔环填料,吸收剂再生吸收与解吸联合,溶质： 混合气体中的溶解组分，以A表示。 惰性气体： 不溶或难溶组分，以B表示。 吸收剂： 吸收操作中所用的溶剂，以S表示。 吸收液： 吸收后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。 尾气： 吸收后排出气体，含惰性气体B和少量的溶质A。 物理吸收： 溶质与溶剂不发生化学反应，如用水吸收二氧化碳。 化学吸收： 溶质与溶剂发生化学反应，
3、如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。 单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收 多组分吸收：混合气体中有两个或两个以上组分被吸收 溶解热： 气体溶解于液体时所释放的热量 非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程 等温吸收： 体系温度变化不显著的吸收过程,专业名词,（1）制取产品 溶质为产品成分，如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液。 （2）分离混合气体 溶质和惰性组分均为产品成分，如从焦炉气或城市煤气中分离苯。 （3）气体净化 溶质为有害成分，除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气
4、脱除SO2 。,用途,一.气体在液体中的溶解度,第二节 气液相平衡 Phase equilibria of gases and liquids,溶解度/g(NH3)/1000g(H2O),1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,吸收实验,易溶气体 难溶气体 中溶气体,溶解温度 溶解压力 溶质种类 溶剂性质,气体溶解难易程度,影响溶解度因素,二、亨利定律,稀溶液上方气相中溶质分压与液相中溶质的摩尔分数成正比。亨利系数 上式称为亨
5、利(Henry)定律。溶液越稀，上式越准确。理论上只有很稀的溶液才有上述规律。气体溶解过程一般可以认为服从上述定律。 若液相浓度表示方法不同，亨利定律有不同形式，但实际上描述的是同一体系的平衡状况。,1. 亨利定律：,若液相浓度用体积摩尔浓度表示，则式中H为溶解度系数。 若气液两相浓度都用摩尔分率表示，则式中m为相平衡常数。 吸收过程中溶剂没有显著的汽化，惰性气体不溶于液相，可以近似认为惰性气体和溶剂的量在整个吸收过程中不发生变化。用摩尔比的浓度表示比较方便。,定义摩尔比为于是有关系相平衡关系可表示为对很稀的溶液，有,2. 亨利定律各系数间的关系,设溶液的总浓度为c,则于是,y,x,o,y*=
6、f(x),Q,y,x,y*,x*,y的平衡浓度为x*，xx*，系统向平衡移动，液相浓度降低，溶质 A 由液相向气相移动。,x的平衡浓度为y*，yPA2, pB1pB2 联通管内隔板打开时，A组分将向右扩散，B组分将向左扩散。讨论稳定状态，各位置组分分压不变。 因为总压相等，两组分扩散量必然相同，否则总压会发生变化。对扩散速率 JA=-JB 由于 P=pA+pB=常数,pA1pB1,pA2pB2,P,P,A,B,再由费克定律所以 DAB=DBA=D 积分可得,三、组分A通过静止组分B扩散,整体移动：由于A溶于液相，B不溶于液相，A在界面溶于液相后，必然有混合物来补充A溶解后的空间，形成了整体移动
7、。 特点：这种扩散过程不仅有A向界面扩散的运动，还有混合物向界面扩散的整体移动。 在界面附近，A的分压减少，B的分压增加，但总压不变。,设B组分由于压力差引起的扩散速率为JB，由整体移动扩散的量为NBM，两者方向相反，数值相等，因为B组分没有表观传递。JB=-NBM(=-JA) A组分整体移动速率A组分从气相主体到气液界面的速率,积分上式得(5-17) P/pBm称为漂流因子，其值总是大于1。其值越大，表明整体移动比例越大。当气相中A的浓度极低时， P/pBm约等于1。用气相浓度C表示推动力时 (5-18),pA1+pB1 = pA2+pB2,五、单相内的对流传质,工业中湍流流体与某一界面间的
8、传质最为常见，其中既有分子扩散又有湍流扩散，情况较复杂。 1. 单相内对流传质的有效膜模型 湿壁塔： 吸收剂由塔顶注入成液膜沿 管内壁流下。气体由下方进 入，两流体逆流接触传质。 气体呈湍流，但气液界面处 仍有一层层流内层。层流膜 内为分子扩散，湍流主体内 为湍流扩散。 分子 涡流,气体在湍流主体 pA 浓度压力变化很 小，到层流膜中变化 很大。如图所示。 阻力主要集中在层流 膜及附近区域。将层 流膜内压降直线延长 与气相主体平均压力 线相交。G点处开始 压降明显。 认为扩散传质速率等于 ZG ZG 通过厚度ZG的膜的分子 扩散速率。,G,G,pAG,pAi,2. 气相传质速率方程,按分子扩散
9、规律有效膜厚度ZG实际上不能计算也难于测定，所以将推动力前都归并为一常数，一起通过实验确定。因此,气膜传质系数,3. 液相传质速率方程,依照式(5-18)，用液相传质推动力表示传质速率,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,吸收过程可分为三个步骤： （1）溶质由气相主体扩散至界面气相一侧，即气相内传质； （2）溶质在界面上溶解，即通过界面的传质； （3）溶质由界面液相一侧扩散至液相主体，即液相内传质。,六、两相间传质的双膜理论,由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世纪二十年代提出。 双膜理论的基本论点是：,（1）相互接触的两流体间存在着相界面，界面两侧各存在着
10、一个很薄的流体层，等效厚度为 ZG 和 ZL 。溶质以分子扩散方式通过。,（2）界面无传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。,（3）膜层以外两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。,气相主体,液相主体,相界面,pi = ci / H,p,ZG,Z2,pi,ci,c,气 膜,液 膜,双膜理论,双膜理论将吸收过程简化为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。,七、总传质速率方程,前面虽然得出了气相或液相传质速率表达式，但实际应用很困难，因为界面压力和界面浓度很难确定。下面用双膜理论建立总传质速率方程。以pA-pA*为气相总推动力， cA*-cA
11、为液相总推动力，可将总传质速率方程写为,气相总传质系数 液相总传质系数,1. 总传质速率方程,对稳态传质过程，分别用气相侧或液相侧的压力或浓度差作推动力，有：若相平衡关系服从亨利定律，则所以(5-27),2. 总传质系数与膜传质系数的关系,同样可得所以(5-28)KG=HKL界面浓度,3. 气膜控制与液膜控制,(1)当溶质溶解度很大，1/HkL1/kG , 所以KL kL 传质阻力集中在液相一侧的液膜内，称液膜控制。 此时， 气相界面分压 pi pA, 液膜推动力 ci -cA cA*- cA,pA,pi,PA*,cA*,ci,cA,八、传质速率方程的各种形式,低浓度时其它总阻力与膜阻力关系,第四节 吸收塔的计算 Calculation of absorption tower,一、物料衡算和操作线方程 二、吸收剂的用量与最小液气比 三、填料层高度的计算 四、吸收塔操作计算 五、解吸塔的计算,以逆流操作的填料塔为例：,气相减少的溶质量等于液相增加的溶质量,1代表塔内填料层底截面； 2代表填料层顶截面； G 惰性气体B的摩尔流率kmol/s； L 吸收剂S的摩尔流率kmol/s； Y 溶质气相比摩尔分数； X 溶质液相比摩尔分数。,
