第八章气体吸收 8.1教学基本要求：(10学时) 概述工业吸收过程：气体吸收的目的、原理及实施方法：吸收过程的经济性与吸收剂 的选择原则。 气液相平衡亨利定律，温度、总压对平衡的影响。 封扩散与单相传质分子扩散、对流传质与双膜理论 相际传质相际传质速率方程，传质分系数和总系数的关系：溶解度对两相传质阻力分 配的影响。 吸收过程数学描述低浓度气体吸收的假定：物料衡算、传质速率：传质单元高度和传 质单元数的计算。 吸收过程设计吸收过程设计中参数的选择，最小液气比。 吸收操作影响吸收结果的操作因素分析。 8.2基本概念： 吸收的目的和基本依据吸收的目的是分离气体混合物，吸收的基本依据是混合物中各 组份在溶剂中的溶解度不同。 主要操作费 溶剂再生费用，溶剂损失费用 解吸方法升温、减压、吹气。 选择吸收溶剂的主要依据溶解度大，选择性高，再生方便，蒸汽压低损失小。 相平衡常数及影响因素m、B、H均随温度上升而增大，E、H与总压无关，m反比于总 压。 漂流因子P/P表示了主体流动对传质的贡献 (气、液)扩散系数的影响因素 气体扩散系数与温度、压力有关：液体扩散系数与温 度、粘度有关。 传质机理分子扩散、对流传质。 气液相际物质传递步骤气相对流，相界面溶解，液相对流。 有效膜理论与溶质渗透理论的结果差别有效膜理论获得的结果为k∝D,溶质渗透理 论考忠到微元传质的非定态性， 得的结果为kcD 传质速率方程式传质速率为浓度差推动力与传质系数的乘积。因工程上浓度有多种表 达，推动力也就有多种形式，传质系数也有多种形式，使用时注意一一对应。 传质阻力控制传质总阻力可分为两部分，气相阻力和液相阻力。当y<kx时，为气 相阻力控制：当ky>kx时，为液相阻力控制。 低浓度气体吸收特点①G、L为常量，②等温过程，③传质系数沿塔高不变。 建立操作线方程的依据塔段的物料衡算。 返混少量流体自身由下游返回至上游的现象。 最小液气比完成指定分离任务所需塔高为无穷大时的液气比。 NOG的计算方法对数平均推动力法，吸收因数法，数值积分法。 OG的含义塔段为一个传质单元高，气体流经一个传质单元的浓度变化等于该单元内 的平均推动力 常用设备的0G值0.15~1.5m。 吸收剂三要素及对吸收结果的影响吸收剂三要素是指t、x、L。t↓，x!,L↑均有 利于吸收
76 第八章 气体吸收 8.1 教学基本要求：（10 学时） 概述 工业吸收过程；气体吸收的目的、原理及实施方法；吸收过程的经济性与吸收剂 的选择原则。 气液相平衡 亨利定律，温度、总压对平衡的影响。 扩散与单相传质 分子扩散、对流传质与双膜理论。 相际传质 相际传质速率方程，传质分系数和总系数的关系；溶解度对两相传质阻力分 配的影响。 吸收过程数学描述 低浓度气体吸收的假定；物料衡算、传质速率；传质单元高度和传 质单元数的计算。 吸收过程设计 吸收过程设计中参数的选择，最小液气比。 吸收操作 影响吸收结果的操作因素分析。 8.2 基本概念： 吸收的目的和基本依据 吸收的目的是分离气体混合物，吸收的基本依据是混合物中各 组份在溶剂中的溶解度不同。 主要操作费 溶剂再生费用，溶剂损失费用。 解吸方法 升温、减压、吹气。 选择吸收溶剂的主要依据 溶解度大，选择性高，再生方便，蒸汽压低损失小。 相平衡常数及影响因素 m、E、H 均随温度上升而增大，E、H 与总压无关，m 反比于总 压。 漂流因子 P/PBm表示了主体流动对传质的贡献。 (气、液)扩散系数的影响因素 气体扩散系数与温度、压力有关；液体扩散系数与温 度、粘度有关。 传质机理 分子扩散、对流传质。 气液相际物质传递步骤 气相对流，相界面溶解，液相对流。 有效膜理论与溶质渗透理论的结果差别 有效膜理论获得的结果为 k∝D，溶质渗透理 论考虑到微元传质的非定态性，获得的结果为 k∝D 0.5。 传质速率方程式 传质速率为浓度差推动力与传质系数的乘积。因工程上浓度有多种表 达，推动力也就有多种形式，传质系数也有多种形式，使用时注意一一对应。 传质阻力控制 传质总阻力可分为两部分，气相阻力和液相阻力。当 mky<<kx 时，为气 相阻力控制；当 mky>>kx 时，为液相阻力控制。 低浓度气体吸收特点 ①G、L 为常量，②等温过程，③传质系数沿塔高不变。 建立操作线方程的依据 塔段的物料衡算。 返混 少量流体自身由下游返回至上游的现象。 最小液气比 完成指定分离任务所需塔高为无穷大时的液气比。 NOG 的计算方法 对数平均推动力法，吸收因数法，数值积分法。 HOG 的含义 塔段为一个传质单元高，气体流经一个传质单元的浓度变化等于该单元内 的平均推动力。 常用设备的 HOG 值 0.15～1.5 m。 吸收剂三要素及对吸收结果的影响 吸收剂三要素是指 t、x2、L。t↓，x2↓，L↑均有 利于吸收
化学吸收与物理吸收的区别溶质是否与液相组分发生化学反应。 增强因子化学吸收速率与物理吸收速率之比。 容积过程慢反应使吸收成容积过程 表面过程快反应使吸收成表面过程 8.3基本内容： 一、概述 个完整的吸收过程包括吸收和溶剂再生，而溶剂再生的最简单方法就是解吸。 1.吸收的目的 吸收的目的是分离气体混合物、除去气体中的有害成分（气体净化）。 2.吸收过程的依据（原理） 气体中各组分在溶剂中的溶解度的不同。 吸收过程必须解决的问题：1)选合适的溶剂一选择性吸收：2)提供适当的传质设备 气→液：3)溶剂的再生一往往要解吸、精馏 3.溶剂选 选择溶剂的主要要求是：1)对溶质的溶解度要大：2)选择性要高：3)再生方便。 4.吸收设备 按接触方式可分为两种：级式接触，如板式塔：微分接触，如填料塔。 5.常用解吸方法 升温 、吹气。 二、气液相平衡 1.溶解度曲线 纯水可以吸收空气中的氨，因为氨在水中有一定的溶解度。那么，溶解度与哪些主要因 素有关呢？溶解度与气相分压、温度有关。通常，将它表达成气相分压与温度、液相浓度的 关系。由物化中所学相平衡=，可得 Pyo=xPO 或 乃=x 0. 分压与温度、浓度有关。低浓度时，近似为直线，服从亨利定律： P.=Ex 8-1 式中x为液相摩尔分率。也可表达为 儿=x 8-2 式中y为气相摩尔分率，m=三 ·也可表达为p.=HC,其中C为摩尔浓度，H、M,E Ps E,H,m都称为亨利常数。温度上升，E,H,m均随之上升。总压上升，E,H不变，m下降。 2。过程进行的方向、极限和推动力 气液相平衡指出了过程进行的极限。如果气液两相不平衡，高逸度相向低逸度相传质。 所以，根据相平衡可以确定过程进行的方向，如吸收还是解吸。过程的推动力可以用同一相
77 化学吸收与物理吸收的区别 溶质是否与液相组分发生化学反应。 增强因子 化学吸收速率与物理吸收速率之比。 容积过程 慢反应使吸收成容积过程。 表面过程 快反应使吸收成表面过程。 8.3 基本内容： 一、概述 一个完整的吸收过程包括吸收和溶剂再生，而溶剂再生的最简单方法就是解吸。 1．吸收的目的 吸收的目的是分离气体混合物、除去气体中的有害成分(气体净化)。 2．吸收过程的依据(原理) 气体中各组分在溶剂中的溶解度的不同。 吸收过程必须解决的问题：1）选合适的溶剂—选择性吸收；2）提供适当的传质设备— 气→液；3）溶剂的再生—往往要解吸、精馏。 3．溶剂选择 选择溶剂的主要要求是：1）对溶质的溶解度要大；2）选择性要高；3）再生方便。 4．吸收设备 按接触方式可分为两种： 级式接触，如板式塔；微分接触，如填料塔。 5．常用解吸方法 升温、减压、吹气。 二、气液相平衡 1．溶解度曲线 纯水可以吸收空气中的氨，因为氨在水中有一定的溶解度。那么，溶解度与哪些主要因 素有关呢？溶解度与气相分压、温度有关。通常，将它表达成气相分压与温度、液相浓度的 关系。由物化中所学相平衡 V l f = f ，可得 0 i i i i Pi Py φ = x r 或 i i i i i r P Py x φ = 0 分压与温度、浓度有关。低浓度时，近似为直线，服从亨利定律： p Ex e = 8-1 式中 x 为液相摩尔分率。也可表达为 y mx e = 8-2 式中 y 为气相摩尔分率， P E m = 。也可表达为 pe = HC ，其中C 为摩尔浓度， S MSE H ρ ≈ 。 E,H,m 都称为亨利常数。温度上升，E,H,m 均随之上升。总压上升，E,H 不变，m 下降。 2．过程进行的方向、极限和推动力 气液相平衡指出了过程进行的极限。如果气液两相不平衡，高逸度相向低逸度相传质。 所以，根据相平衡可以确定过程进行的方向，如吸收还是解吸。过程的推动力可以用同一相
的浓度与平衡浓度差（如）来表示。 例1含氨气体y=0.10,在1013kPa,20℃下与稀氨水x=0.05接触，试求过程的方向、推 动力。己知y=0.94x。 解1：由y.=0.94×0.05=0.047<y=0.1 ,<y气相向液相传质，吸收。推动力少=0.1-0.047=0.053。 解2：另种判别方向的方法。由飞=上=01=0.106>x=0.05 m0.94 x。>x气相向液相传质，吸收。推动力xx=0.106-0.05=0.056。 三、扩散和单相传质 1.分子扩散（两组分） 分子打散速率可以用FiCk定律表示 J=-Da dc 8-3 对于气体，当压力、温度一定时，总浓度不变 Cu-C+C,-RT C S+A 这样 A+B d 告 CB A 气相 液相 对于双组分DB=Da=D -N 所以，扩散速率 J4=-J8 当存在主体流动N时，如图8.1所示。此时， 图8.1分子扩散 净物流为N=NM+J4+Ja 由于J,=-J,所以N=N 而 N=N +Ng 对于A组分，传递速率N,为扩散流J与净物流N中夹带x之和，即 N,=,+,=,+N,,号 8-4 此式为扩散速率方程。 2.扩散速率方程应用 ①等分子反向扩散N4=-NB
78 的浓度与平衡浓度差(如 y-ye)来表示。 例 1 含氨气体 y=0.10，在 101.3kPa，20℃下与稀氨水 x=0.05 接触，试求过程的方向、推 动力。已知 y x e = 0.94 。 解 1：由 ye = 0.94×0.05 = 0.047 < y = 0.1 y y e < 气相向液相传质，吸收。推动力 y-ye=0.1-0.047=0.053。 解 2：另一种判别方向的方法。由 0.106 0.94 0.1 = = = m y xe > x = 0.05 x x e > 气相向液相传质，吸收。推动力 xe-x=0.106-0.05=0.056。 三、扩散和单相传质 1．分子扩散(两组分) 分子扩散速率可以用 Fick 定律表示 dz dC J D A A = − AB 8-3 对于气体，当压力、温度一定时，总浓度不变 RT P CM = CA +CB = 这样 dz dC dz dCA B = − 而 dz dC J D B B = − BA 对于双组分 DAB = DBA = D 所以，扩散速率 A B J = −J 当存在主体流动 NM时，如图 8.1 所示。此时， 图 8.1 分子扩散 净物流为 M A B N = N + J + J 由于 A B J = −J ，所以 N = NM 而 N = NA + NB 对于 A 组分，传递速率 NA为扩散流 JA与净物流 N 中夹带 xA之和，即 A A A A NA N = J + Nx = J + ( M A B C C N ) 8-4 此式为扩散速率方程。 2．扩散速率方程应用 ①等分子反向扩散 NA = −NB
如煤的燃烧，O,从气相扩散至固体表面，CO,从固体表面扩散至气相。这时 N,=J,=-DdC 浓度线性分布 N,-gCn-Ca） 8-5 ②单向扩散N。=0 如气液吸收，溶质A从气相扩散至液相，惰性组分B没有传递。这时 N,+N号 N,1-S)=-D Cv d 浓度非线性分布，积分后 _DCv-(Ca-Ca) NA二6CN 8-6 式中C则-Cm二C血，L为漂流因子≥1，漂流因子体现了主体流动对传质的贡献。对 于A组分低含量吸收，有CL1。 CBM 3.扩散系数 P,量级10m Tl.8 气体扩散系数Dx Pa 液体村敬系数D五级1产 4.对流传质 类似于传热中的牛顿冷却定律，对流传质速率为 N4=k,(C,-C) 8-7 Na=kg(p-P) 8-8 界面i N4=k(y-) 8-9 图8.2传质步骤 N.=k,(x,-x) 8-10 多
79 如煤的燃烧，O2 从气相扩散至固体表面，CO2 从固体表面扩散至气相。这时 dz dC N J D A A = A = − 浓度线性分布 ( ) A CA1 CA2 D N − δ = 8-5 ②单向扩散 = 0 NB 如气液吸收，溶质 A 从气相扩散至液相，惰性组分 B 没有传递。这时 M A A A A C C N = J + N 即 dz dC D C C N A M A A (1− ) = − 浓度非线性分布，积分后 ( ) A1 A2 BM M A C C C D C N − δ = 8-6 式中 1 2 2 1 ln B B B B BM C C C C C − = ， BM M C C 为漂流因子≥1。漂流因子体现了主体流动对传质的贡献。对 于 A 组分低含量吸收，有 ≈1 BM M C C 。 3．扩散系数 气体扩散系数 P T D 1.81 ∝ ， 量级 10-5 m 2 /s 液体扩散系数 µ T D ∝ ，量级 10-9~-10 m 2 /s 4．对流传质 类似于传热中的牛顿冷却定律，对流传质速率为 N k (C C) A = L i − 8-7 ( ) A g p pi N = k − 8-8 ( ) A y i N = k y − y 8-9 图 8.2 传质步骤 N k (x x) A = x i − 8-10
注意推动力与传质（分）系数的一一对应。 5.传质理论 ①有效膜理论认为，气液两相传质阻力可以看作两层有效静滞膜，分子定态扩散通过这 两层膜，结论为传质系数k心D ②溶质渗透理论、③表面更新理论引入了非定态扩散的概念，结论为传质系数 kcD5。这与实际情况比较接近。 四、相际传质 溶质从气相到液相的传质，经历三个步骤：①从气相主体对流传质到界面：②在界面上 溶解：③从界面对流传质到液相主体。 1.相际传质速率方程 气相对流传质N4=k,心y-y):界面相平衡为=，：液相对流传质N4=k,(:-x)。 将上述三式消去界面浓度x,y,如 4=-x=-y+mx-9=y=k,0-) 8-11 1,1 k k.k. 则K,十为传预系数。同样N,=（化一同得,工m, mk,k 2.阻力控制 式81中，心为总推动力总力人+”，即由两部分阻力组成当》 Ky ky ks kk 时，气相阻力控制，可得K,≈人，Km冰，y≈.。例如，水吸收N,C1等易溶物 系都是气相阻力控制。当 例如，水吸收，C0,0,等难溶物系都是液相阻力控制。 五、低含量气体吸收 1.低含量气体吸收的特点 当气体混合物中溶质含量低于5~10%时，可认为是低含量气体吸收。它有三个基本特 点：①气液相流率G,L沿塔为常量：②吸收过程是等温的，不必要进行热量衡算，相平衡关 系视作不变：③传质系数为常量，k,k,沿塔不变。这三个特点也即数学描述的基本假定。 2.过程的基本方程式 经数学描述获得 -是，产N 8-12
80 注意推动力与传质(分)系数的一一对应。 5．传质理论 ①有效膜理论认为，气液两相传质阻力可以看作两层有效静滞膜，分子定态扩散通过这 两层膜，结论为传质系数 k ∝ D ②溶质渗透理论、③表面更新理论引入了非定态扩散的概念，结论为传质系数 0.5 k ∝ D 。这与实际情况比较接近。 四、相际传质 溶质从气相到液相的传质，经历三个步骤：①从气相主体对流传质到界面；②在界面上 溶解；③从界面对流传质到液相主体。 1．相际传质速率方程 气相对流传质 ( ) A y i N = k y − y ；界面相平衡 i mxi y = ；液相对流传质 N k (x x) A = x i − 。 将上述三式消去界面浓度 i i x , y ，如 x i y i A k x x k y y N 1 1 − = − = y x i i k m k y y m x x + − + − = 1 ( ) ( ) 1 y e y x e K y y k m k y y = − + − = 8-11 则 y x y k m k K + = 1 1 为总传质系数。同样 N K (x x) A = x e − ，可得 y y x x mK mk k K = + = 1 1 1 。 2．阻力控制 式8-11中，y-ye为总推动力，总阻力 y y x k m K k = + 1 1 ，即由两部分阻力组成。当 y x k m k >> 1 时，气相阻力控制，可得 y y K ≈ k ， Kx ≈ mky ， i e y ≈ y 。例如，水吸收 NH3,HCl 等易溶物 系都是气相阻力控制。当 y x k m k << 1 时，液相阻力控制， Ky ≈ kx / m ， x x K ≈ k ， i e x ≈ x 。 例如，水吸收 H2,CO2,O2等难溶物系都是液相阻力控制。 五、低含量气体吸收 1．低含量气体吸收的特点 当气体混合物中溶质含量低于 5~10%时，可认为是低含量气体吸收。它有三个基本特 点:①气液相流率 G,L 沿塔为常量；②吸收过程是等温的，不必要进行热量衡算，相平衡关 系视作不变；③传质系数为常量， x y k ,k 沿塔不变。这三个特点也即数学描述的基本假定。 2．过程的基本方程式 经数学描述获得 ∫ ∫ − = = 1 0 2 y y y e H y y dy K a G H dh = HOG NOG 8-12