过程原理第五章 吸收

6.3.1 总传质速率方程
1. 吸收过程的单相传质速率方程
气相： N A kG ( pG pi )
液相： N A k L (ci cL )
kG－－气膜传质系数或称气相分传质系 数(kmol/(m2.s.kPa))； kL－－液膜传质系数(liquid-film mass-transfer coefficient) 或称气相分传质系数(kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s)；



x 呈平衡的气相组成，摩 y 呈平衡的液相组成，摩
尔分率； 尔分率；
K y , K x 以气相、液相总摩尔分 总传质系数，
2
率差 ( y , x ) 为推动力的
kmol /( m s )
1 Ky

1 ky

m kx
1 Kx

1 mk y

1 kx
若为气膜控制，则有：
K y ky
不断变化，选不变组分为基准：
X—kmol吸收质/kmol吸收剂，kmolA/kmolS Y—kmol吸收质/kmol惰性气体，kmolA/kmolS
X x 1 x , Y y 1 y x X 1 X , y Y 1Y
将其代入 y* m x 中得：
Y* 1 Y * m X 1 X Y* m X 1 (1 m) X
若为液膜控制，则有：
K x kx
5. 传质速率方程小结 注意：“对应”一是传质阻力与传质推动力所涉及的区间
要一致；二是传质系数与传质推动力所使用的单位要一致。
气相
N
A
液相
两相间

两相间

k G ( pG p i ) k L ( c i c L ) K G ( pG p L ) K L ( c G c L )
则有： pG pi cL ci kL kG
pG pi
cL
c
2. 总传质速率方程的建立
NA pG pi 1 kG
1 kG

pi pL 1 Hk L


pG pi
pL

NA
pG p L 1 Hk L
cL
1 KG 1 kG 1 Hk
L
ci
气相阻力
L
液相阻力
6.4.1 物料衡算与操作线方程
讨论稳定逆流吸收过程，如图所示。
L X V Y1 L X 1 V Y
V,Y2
L,X2
V,Y
L,X V,Y1
V (Y Y1 ) L( X X 1 )
或： Y L V X (Y1 L V X1 )
L,X1
式中的X，Y如果用塔顶的组成X2，Y2代替，则成为全塔
5.1 概 述
气体
溶解度
液体
吸收在工业中的应用大致有以下几种：
（1）分离混合气体以获得一定的组分：用硫酸
处理焦炉气以回收其中的氨；
（2）除去有害组分以净化气体：用水或碱液脱
除合成氨原料气中的CO2;
（3）制备某种气体的溶液：用水吸收NO2以制
备HNO3等 。
解吸：在化工工业中，常常需要将吸收得到的溶质气体从 溶液中分离出来，这种使溶质从溶液里脱除的过程称为解吸 (disorption stripping)。
y 2 0 . 02
Y2 y2 1-y 2 0 . 02 1 0 . 02 0 . 02
p A 2 py 2 101 . 3 0 . 02 2 . 026 kPa
c A2 n A2 V p A2 RT 2 . 026 8 . 314 298 8 . 018 10 kmol/m
N A K G ( pG p )
KG－－气相总传质系数，其单位与kG相同。
同理，若以液相浓度代替气相压力，则有：
N
A

cG ci H kG


ci c L 1 kL

cG c L H kG 1 kL

1 KL

H kG

1 kL
或 KL (
H kG

1 kL
)
-1
N A K L (cG cL )
一个完整的吸收分离操作应包括吸收和解吸两个过程。
用吸收操作分离气体混合物时须解决下述三个问题：
（1） 选择合适的溶剂；
（2）提供传质设备以实现气液两相的接触，使溶质从气 相转移至液相; （3） 溶剂的再生。
吸收剂的选择依据：
（1）对需吸收的组分要有适当的溶解度；
（2）对所处理的气体要有较好的选择性； （3）要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发 损失，较好的化学稳定性，以免使用过程中变质； （4）吸收后的溶剂应易于再生。 此外，溶剂应有较低的粘度，不易起泡，还应尽可能满足 来源丰富，价格低廉、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。

比较两式可知,两总传质系数间的关系：
KG H K L
3. 总传质速率方程的分析
N A K G ( pG pL )

N A K L (cG cL )

pG
pi
pL


cL
ci
cG
（1）气膜控制
1 KG 1 kG 1 Hk
L
气相阻力
液相阻力
K G kG
稀溶液：X很小，分母趋于1，故可简化为： Y*=mX
例 在一常压、298K的吸收塔内，用水吸收混合气中的SO2。已知混合气 体中含SO2的体积百分比为20%，其余组分可看作惰性气体，出塔气体中含 SO2体积百分比为2%，试分别用摩尔分率、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气 体中SO2的组成。 解： 混合气可视为理想气体，以下标2表示出塔气体的状态。
第五章
吸收
本章要点：
（1）掌握气液相平衡原理；
（2）掌握吸收过程传质速率方程及影响速
率的因素；
（3）吸收塔的计算。
目 录
5.1 气液相平衡 5.4 高浓度气体吸收 5.1.1 相平衡关系及其表示方法 5.4.1 高浓度气体吸收的特点 5.2 传质机理与传质速率 5.4.2 非等温相平衡及操作线方程 5.2.1 分子扩散与传质 5.4.3 填料层高度计算 5.2.2 扩散系数 5.5 多组分吸收、化学吸收与解吸 5.2.3 涡流扩散与对流传质 5.5.1 多组分吸收 5.2.4 对流传质理论 5.5.2 化学吸收 5.2.5 吸收过程的双膜模型 5.5.3 解吸 5.3 低浓度气体吸收 5.6 吸收过程的几个问题 5.3.1 物料衡算及操作线方程 5.6.1 吸收剂的选择 5.3.2 填料层高度的计算 5.6.2 吸收操作参数的选择 5.3.3 传质单元数与传质单元高度 5.6.3 吸收流程 5.3.4 传质单元数的计算 5.7 填料塔 5.3.5 吸收过程塔板数的计算 5.7.1 填料塔和塔填料 5.7.2 填料塔的流体力学性能 5.7.3 填料塔的传质性能
E p
x
①m值的大小，同样可以判断溶解度大小，m增大，xA减
小，溶解度小。 ② m=f(T，p)，T增大，p减小，则m增大，不利于吸收。 ③ m值可由实验测定，也可由E计算得到。
（3）两相组成均用摩尔比表示：
吸收过程中，溶质从气相到液相，故溶液及气体总量都在
①此时有： ci c L , pG pi pG p L
N A kG ( pG pL )

② H很大即平衡线斜率很小，此时较 pG
O
小的气相分压与较大的液相浓度相平衡。
③ 对于气膜控制，要提高总传质系数 pi
L
I
KG应加大气相湍动程度。
p
cG

cL c i
（2）液膜控制
kx c kL K
x
K
y
p KG
cKL
6.4 吸收塔的计算
根据给定的吸收任务(处理气量及其初、终浓度)，在选定 溶剂，并得知其相平衡关系后，工艺计算主要内容有： （1）溶剂的用量(或循环量)及吸收液出口的浓度；
（2）填料塔的填料层高度或板式塔的塔板数目；
（3）塔直径的确定。由处理量和操作气速决定。
的物料衡算：
Y2
y 1 y
L V
L V

X 2 (Y1
L x
L V
X1)
L V X1)
V 1 x
(Y1
对于低浓度气体的吸收通常有
Y1 Y2 Y *1 Y *2
X≈x，Y≈y，则上式可写成：
y
X2 X1 X*2 X*1
L V
x ( y1
L V
x1 )
6.4.2 吸收剂用量与最小液气比
1 KL H kG 1 kL 气相阻力 液相阻力
K L kL
①此时有： pi pG , ci c L cG c L
N A k L (cG cL )

pG pi

O
I
②对于液膜控制，要提高总传质系数KL 应加大液相湍动程度。
pL
cG

cL
ci
4. 摩尔分率表示气、液相组成的传质速率方程
令 kx kL c
ci c

cL c
)
N A k x ( x i x)
相界面处的气液两相组成互成平衡，若服从亨利定律，则有：
yi m x i
可导出如下的传质速率方程:
NA Ky (y y )
N A K x ( x x)
式中： y 与液相组成 x 与气相组成
N
N
A