浙大化工原理第九章-气体吸收-第五次课

解吸塔的计算 解吸方法
降低气体溶解度（减压、加温）和降低气相主体的 溶质分压（如气提或汽提）都有利于解吸过程的进行。
减压解吸 应用解吸剂进行解吸
气提：惰性气体 汽提：水蒸气
解吸塔的计算
工业解吸过程通常是将 溶液由塔顶引入，惰性气 体或蒸汽由塔底引入，使 两相在塔内逆流接触传质。 适用于吸收操作的设备同 样适用于解吸操作。
同），溶质在界面上溶解，溶质A在液相中传递并与
液相中组分
相界面
B发生反应。 吸收剂
pA 气相主体
液相主体
pA
界面
cA
pAi cAi
cA 物理吸收
气体
气相扩散
化学吸收 液相扩散
化学吸收 (Chemical absorption) 化学吸收历程 （1）反应速率中等、不可逆
气液
界面
PQ
yA
反应区
xAi
xB
RA
对于化学反应可以忽略（RA=0）、无总体流动的稳定 物理吸收过程，求解上式得到膜内浓度分布为直线方
程
cA cAi cAi cA
z
NA
DAB
dcA dz
z0
DAB
cAi cA
kc cAi cA
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收速率与增强因子
对稳定的化学吸收过程（RA≠0），传质微分方程变为 非齐次，等效液膜的浓度边界条件也发生相应变化。 以拟一级反应为例，求解传质微分方程
kg
PD RTp Bm
Re G B ScG
气相修伍德准数
ShG
kg
RTpBm P
l D
传质系数
气体通过填料层的雷诺数
Re G
deu0 G
4G
aG
气相施密特准数
Sc G
G G D
上式是由湿壁塔中汽液传质的实验数据关联得到，除了用 于湿壁塔（l 为湿壁塔塔径）外，也可用于拉西环填料塔 （l 为拉西环填料的外径）。
1
A
X1 X2
X
* 2
X
* 2
A
A=L/(MV) 为吸收因子。
传质系数
任何一个化工单元操作，过程进行的速率是决定该单元 设备大小的关键因素。
吸收塔填料层高度计算式中的传质系数（如 ky，KY 等）
在吸收计算中具有十分重要的意义。
传质系数包含了传质过程速率计算中一切复杂的、不易 确定的影响因素，其数值的大小主要取决于物系的性质、 操作条件及设备的性能（填料特性）三个方面。由于影响 因素十分复杂，传质系数的计算难以通过理论模型解决， 迄今为止也尚无通用的计算方法可循。
传质系数
传质系数的准数关联式
经验公式的应用对象可以说具有专一性，仍不能适应越 来越广泛的应用场合与体系。
根据传递现象动力学相似基本原则推导出来并通过实验 确定模型参数的准数方程则有更宽的适用范围。
常用准数：主要有修伍德数 Sh、雷诺数 Re 及施密特数 Sc 等。
计算气相传质系数的准数关联式
ShG ReG ScG
G — 混合气体的密度 kg/m3；
T — 温度 K；
G — 混合气体的粘度 Ns/m2 ；
G — 气体的空塔质量速度；
de — 填料层中流体通道的当量直径，de=4a/，（a 为填 料的比表面 m2/m3， 为填料层的空隙率 m3/m3）；
u0 — 气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔
传质系数的获取途径：（1）实验测定；（2）针对特定 体系的经验公式；（3）适用范围更广的准数关联式。
传质系数
传质系数的实验测定
对实际操作的物系，若相平衡关系为直线，则填料层高度
计算式为
Z
V
Y1 Y2
KY a Ym
上式也可写为高度为 Z 的填料段的平均传质速率方程
GA V Y1 Y2 KY FYm GA V Y1 Y2 KY aVp Ym
注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计计算时，设计体系的 物性、操作条件及设备性能应与实验测定时的情况相同或相近。
传质系数
传质系数的经验公式
实际上很难对每一具体设计条件下的传质系数都直接进 行实验测定。为此，不少研究者针对某些典型的系统和条 件进行研究，在所测定的大量数据基础上提出了对一定的 物系在一定条件范围内的传质系数经验公式。
t℃
10
15
20
25
30
0.0093 0.0102 0.0116 0.0128 0.0143
传质系数
常压下用水吸收二氧化碳
用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜 侧。计算液相体积传质系数的经验公式为
kca 2.57U 0.96
式中 U 为液相的喷淋密度，m3/(m2h)。 适用条件： （1）直径为10~32mm 陶瓷环填料塔； （2）喷淋密度 U 为 3~20 m3/(m2 h)； （3）气体的空塔质量速度 G 为 130~580 kg/(m2 h)； （4）操作温度为21~27℃。 在上述操作条件下，用水在常压下吸收 CO2 的液相体积 传质系数 kca 的大小主要取决于液相的喷淋密度，而气体 的质量流速 G 基本无影响。
kc
八田数代表溶质在等效膜中的反应速率与扩散传质速 率的特征比，反应速率愈快其值愈大，在膜中消耗的 溶质越多；Ha=0则为物理吸收。
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收速率与增强因子
在液相主体浓度为零 (cA= 0) 的条件下对比下列两式
NA
DAB
dcA dZ
Z 0
DAB
cAi cA
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收：溶质与液相中组分具有显著化学反应的吸 收过程。
主要特点：选择性高，吸收速率高，吸收较彻底。如 用磷酸吸收空气中的氨。
反应对平衡的影响
设溶质 A 与液相中组分 B 发生如下可逆反应
A B AB
反应平衡常数
Ke
CAB CACB
化学吸收 (Chemical absorption)
4W
a L
Ga
gl
3
3 L
2 L
a —填料比表面积m2/m3 ；kc — 液膜传质系数，m/s； cSm/c —液相漂流因子； l — 特征尺寸，取填料直径m；
G —重力加速度，m/s2； L — 液体的粘度，N·s/m2； L —液体的密度 kg/m3；
D’ —溶质在液相中的分子扩散系数 m2/s； W —液体的空塔质量速度，kg/(m2·s)。
式中 F=Za 为传质面积，Vp= Z 为填料装填体积。
当填料和填料装填方式一定，对一定塔径的吸收或解吸塔，在稳定操作 状况下测得进、出塔气、液流量和测量段 Z 两端处的气、液浓度后，根据 物料衡算及平衡关系即可算出传质负荷 GA 和平均传质推动力。
填料的几何特征和测试设备的尺寸已知，由上两式可计算出以气相为基 准的总传质系数 KY 或总体积传质系数 KYa。
pA CA H
反应平衡常数 Ke越大，气相平衡分压 pA越低。 当化学反应为不可逆时，气相平衡分压为零或者说
相平衡常数m=0。
因此，可以说化学反应的存在，增加了可容组分的 溶解度。传质推动力增大。
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收历程
气相中可溶组分向气液界面传递（此与物理吸收相
（3）反应速率慢、不可逆
气液 界面 yA
xAi
反应区扩大 至全部液相
yAi
xA
慢速反应的化学吸收
化学反应改变了溶质在等效膜中的浓 度分布使之更加有利于液相传质。
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收速率与增强因子
吸收过程液相中溶质的浓度分布服从传质微分方程
DcA Dt
DAB2cA
前述的气液传质理论和 吸收过程的计算方法均可 用于解吸过程，相对应的 计算式形式也类似。
浓端
V, Y1 L, X1
传质方向
V, Y
L, X
V, Y2 L, X2
稀端
逆流解吸塔
解吸塔的计算
解吸塔的最小气液比
Y
L V
X
X 2 Y2
解吸的操作线方程与吸收操作线方程在形式完全相同，
只是解吸塔的稀端（X2、Y2）在塔底。 当溶液的处理量L、进出塔浓度X1、X2以及解吸气进塔
气速 m/s）；
传质系数
计算液相传质系数的准数关联式
Sh L 0.000595 Re L 0.67 Sc L 0.33 Ga 0.33
液相修伍 德准数
液相施密 液体通过填料 液相的伽利略 特准数 层的雷诺数 （Callilio）准数
ShL
kc
cSm c
l D
Sc L
L L D
Re L
组成Y2确定后，气体出塔浓度Y1与气体用量V直接相关。
Y Y1max=Y1*
Y1
Y*=f(X)
C
(L/V)max A
Y Y1max
Y*=f(X) (L/V)max
Y2
B
Y1
C
A
Y2
B源自文库
0
X2
X1
X
0
X2
X1
X
V
L
min
X1 X2 Y1max Y2
解吸塔的计算
填料层高度计算式
解吸塔填料层高度计算式的推导，可采用与吸收塔完全 相同的方法，但式中涉及到的推动力（浓度差）的前后项 要调换。
cA
cAi
chHa1 z HaV
chHa HaV
1ShHa1 z
1ShHa
N AR
DAB
dcA dz
z0
DAB
cAi
HaHaV 1 thHa
V 1HathHa 1
化学吸收 (Chemical absorption) 化学吸收速率与增强因子
Ha
kL* DAB /
kL* -八田数（Hatta Number）
用水吸收二氧化硫
kga 9.81104G0.7W 0.25 kca W 0.82
适用条件： （1）气体的空塔质量流速 G 为 320~4150kg/(m2h)，液体
的空塔质量流速 W 为 4400~58500 kg/(m2h)； （2）直径为25mm的环形填料。
传质系数
用水吸收氨
用水吸收氨属易溶气体的吸收，吸收阻力主要在气膜侧。 用填充 12.5mm 陶瓷环形填料塔实测数据得出的计算气相 传质系数经验公式为
如：当平衡关系可用Y* = MX 表达时，可推得与吸收过
程 NOL 计算式完全类似的解吸过程的 NOL 计算式：
NOL
X1 dX
1
ln
X1
X
* 1
X2 X X *
1 A
X2
X
* 2
N OL
X1 X2 X m
X m
X1
X
* 1
X2
X
* 2
ln
X1
X
* 1
X2
X
* 2
N OL
1
1
A
ln
yAi
xB=0 xA=0
中等反应速率，不可 逆反应的化学吸收
化学吸收 (Chemical absorption) 化学吸收历程 （2）反应速率快、不可逆
气液 界面
yA xAi
气液 界面
yA
xB
xB
yAi
xB=0 xA=0
yAi =0
快速反应的化学吸收
液 相 中 xB 足够高、
传递速率
又快时
化学吸收 (Chemical absorption) 化学吸收历程
kga 6.07104G0.9W 0.39
kga —— 气相传质系数，kmol/(m3.h.kPa)； kca —— 液相传质系数， kmol/(m3.h.kmol/m3)； G —— 气相空塔质量流速，kg/(m2.h)； W —— 液相空塔质量流速，kg/(m2.h)；
—— 与温度有关的常数，其值列于下表。
DAB
d2cA dz 2
kL*cA
0
z 0,
z ,
cA cAi
DAB
dcA dz
z
kLcA
V
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收速率与增强因子
z= 处的边界条件表示由该处扩散进入液相主体的溶 质全部被主体内的化学反应所消耗，V 代表与扩散传 质面积相对应的吸收液体积（m3/m2）。在上述条件 下解微分方程得到等效膜内的浓度分布双曲函数
适用范围: ReG = 2×103~3.5×104,ScG = 0.6~2.5,P = 101~303 kPa(绝压)
模型参数:
应用场合
湿壁塔
0.023
0.83
0.44
填料塔
0.066
0.8
0.33
传质系数
D — 溶质在气相中的分子扩散系数 m2/s； P/pm— 气相漂流因子； kg — 气相传质系数 kmol/(m2skPa) ； R — 通用气体常数 kJ/ (kmolK ) ； l — 特征尺寸 m ；
第九章 气体吸收 Gas Absorption
解吸塔的计算
气、液相浓度（y,x） y 在平衡线下方（Q点）：
y*
y y*
吸收溶质
y*=f(x)
x x*
y
使溶解于液相中的气 体释放出来的操作称为 o 解吸或脱吸。
Q 释放溶质 x* x x
解吸是吸收的逆过程，相际传质推动力为 (y*-y) 或 (x-x*)。
液相中组分A的总浓度为
C CA CAB CAB C CA
CA
1
C KeCB
当溶质组分A与纯溶剂的物理相平衡服从亨利定律时，
pA CA H
pA
1 H
1
C KeCB
气相平衡分压pA与液相中组 分A的总浓度C之间的关系
化学吸收 (Chemical absorption)
pA
1 H
1
C KeCB