《化工原理》第6章 气体吸收.

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第6章 气体吸收
6.3.4 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。
(6-19)
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第6章 气体吸收
由式(6-16)可知
Y mX ,Yi mX i
将上两式代入式(6-19)得，
NA

kY
(Y
Y i)
k
X
(Yi m

Y m
)
NA
Y Yi 1 kY
Yi Y m kX
Y Y
1 kY m kX
令
1 1m KY kY k X
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第6章 气体吸收
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。

Y Yi 1/ kY
(6-17)
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。
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2. 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
Y mX
(6-16)
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第6章 气体吸收
6.3 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。
K Y kY 或
1 1 KY kY
1
1
即收吸质收的总吸阻收力速率KY 主主要要受由气气膜膜一吸方收的阻吸力收kY 阻所力构所成控。制这，就故是称说为，气吸
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。
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第6章 气体吸收
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。
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第6章 气体吸收
图6-1 氨在水中的溶解度 图6-2 二氧化硫在水中的溶解度 图6-3 氧在水中的溶解度
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第6章 气体吸收
6.2.2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。
（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。
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第6章 气体吸收
6.4 吸收过程的计算
6.4.1 全塔物料衡算——操作线方程
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：
N A kY (Y Yi ) k X ( X i X )
第6章 气体吸收
6.1 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。
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第6章 气体吸收
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。
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第6章 气体吸收
2.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：
1 KY 1 m
kY k X
（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，
KX kX
或 1 1
KX kX
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。
NA kX (Xi X)
NA

Xi X 1/ kX
(6-18)
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。
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第6章 气体吸收
3. 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。
则
NA

X X 1 KX
KX (X
X)
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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：
NA KX (X X )
（6-21）
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)。
p Ex
(6-10)
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。
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第6章 气体吸收
2. 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：
p C H
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。
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第6章 气体吸收
5.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。
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
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
6.1.2 吸收过程的分类 6.1.3 吸收剂的选择
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第6章 气体吸收
6.2 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。
（6-22）
或
1 1m KY kY k X
（6-22a）
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以及
KX
1 1
1

kY m kX
（6-23）
或
1 1 1 K X kY m kX
（6-23a）
式中 m—相平衡常数，由式6—14，m E 求出；
P
1 、1 KY KX
—与推动力（ΔY、ΔX）对应的总阻力。
则
NA
Y Y
1 KY
KY (Y
Y)
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第6章 气体吸收
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
N A KY (Y Y )
X X NA 1 1
kY m kX 1 1 1 K X kY m k X
（6-20）
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第6章 气体吸收
6.3.2 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
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第6章 气体吸收
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。
(6-11)
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第6章 气体吸收
3. 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：
y mx
(6-13)
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。
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第6章 气体吸收
4. 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
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。
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第6章 气体吸收
3. 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，
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第6章 气体吸收
6.2.3 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：
时，对于单组分吸收则由式(6-6)可知：
x X ,y Y
将上两式代人式(6-13)得1 X
1Y
即
Y
X
m
1Y
1 X
(6-15)
Y
mX
1 (1 m) X
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
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第6章 气体吸收
6.3.3 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；
N A kY (Y Yi )
亦即
NA