化工原理讲稿 气体吸收

两相相内传质速率可用下面的形式表达为：
NA
DG
RT1
P pBm
p
pi
令kG
DG
RT1
P pBm
N A kG p pi
NA
DL
2
cm cSm
(ci
c)
令kL
DL
2
cm cSm
N A kL (ci c)
DG、DL —— 溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数； P/pBm —— 气相扩散漂流因子； cm/cBm —— 液相扩散漂流因子； 1、2 —— 界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。
气体吸收
第一节 概述 第二节 吸收过程的相平衡关系 第三节 吸收过程的机理及传质速率方程 第四节 吸收（或解吸)塔的计算 第五节 传质系数和传质理论 第六节 其他条件下的吸收
第一节 概述
1.吸收定义 利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异，使某些易
溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相， 从而实现混合气体的分离。
式通过此两膜层。
气相主体
气 膜
相界面
液 膜
液相主体
(2) 界面上气液两相呈平衡。
p
Ci
(3) 在膜层以外的两相主体区
无传质阻力，相际的传质阻力集
中在两个膜层内。
pi
1
2 C
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散 的串联过程。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。
气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(M点)：
y
ye=f(x)
ye
溶质解吸
y
M
释放溶质
o
xe
xx
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将 发生从液相到气相的传质，即解吸过程。
第二节 吸收过程的相平衡关系
气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(K点)：
y ye=f(x)
yye
K
o
xe x x
N A kG ( pG pi )
气相
N A kL (Ci C)
液相
或
NA ky ( y yi )
N A kx (xi x)
气相 液相
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
对气相，当总压不很高时，根据分压定律可知：
y pG p
yi
pi p
NA
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kG ( pG
pi )
pkG (
pG p
pi p
结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系 从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状 态。
第二节 吸收过程的相平衡关系
2.传质过程的限度
对吸收而言： 若保持液相浓度x不变，气相 y 浓度y最低只能降到与之相平
y
衡的浓度ye，即ymin=ye； 若保持气相浓度y不变，则液 相浓度x最高也只能升高到与 ye 气相浓度y相平衡的浓度xe，
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
➢ 由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 和 2 以及界面上浓度 pi 和 Ci 都难以确定；
➢ 双膜理论存在着很大的局限性，例如对高度湍动的两流体间的传质 体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及 物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；另外按双膜 理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式的结果 相差较大；
(xe-x)：以液相摩尔分数差 表示的传质推动力。
传质推动力的表示方法可以 不同，但效果一样。
（y-ye） ye
o
（xe-x）
x
xe x
例题2
用煤油从苯–空气混合气体中吸收苯，入塔气体中含苯2% （体积），吸收后浓度降为0.01%（体积），入塔煤油中含 苯 0.02% （ 摩 尔 分 数 ） 。 操 作 温 度 为 50℃ ， 压 力 为 200 kN/m2 ， 操 作 条 件 下 相 平 衡 关 系 为 pe=80xkN/m2 。 求 ：（1）塔顶处气相推动力；（2）若改善吸收设备的吸 收效果，提高吸收率，则出口液体浓度极限是多少？
一、吸收过程的气液相平衡关系 二、亨利定律 三、传质过程的方向、限度及推动力
第二节 吸收过程的相平衡关系
一、吸收过程的气液相平衡关系
1.气体在液体中的溶解度 在一定的温度与压力下、当气体混合物与一定量的溶剂 接触时，气相中的溶质便向液相中转移，直至液相中溶质 达到饱和为止，这时，我们称之为达到了相平衡状态。达 到了相平衡状态时气相中溶质的分压，称平衡分压；液相 中溶质的浓度称为平衡浓度（或溶解度）。
)
pkG ( y
yi )
N A ky ( y yi )
ky pkG
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
同理可推 x CL CM
xi
Ci CM
NA
kL (Ci
C)
CM
kL
(
Ci CM
C CM
)
CM
kL
( xi
x)
N A kx (xi x)
kx CM kL
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
第二节 吸收过程的相平衡关系
即
Ye
1
mX (1 m) X
X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Ye —— 与X呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度； 当X很小时
Ye mX
摩尔比浓度表示的 亨利定律
第二节 吸收过程的相平衡关系
例题1 1atm下，浓度为0.02（摩尔分数）的稀氨水在20℃时氨
的平衡分压为1.666kPa，其相平衡关系服从亨利定律，氨 水密度可近似取1000kg/m3。求：E、 m 、 H 。
第二节 吸收过程的相平衡关系
三、传质过程的方向、限度及推动力
1.传质过程的方向
气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(N点)：
y
N
ye=f(x)
y
释放溶质
ye
吸收溶质
o
x
xe x
结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气 相到液相的传质，即吸收过程。
第二节 吸收过程的相平衡关系
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
一、 吸收过程的机理 二、 传质速率方程式
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
一、吸收过程的机理
吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传递过程，可 分为三个步骤：
(1) 溶质由气相主体扩散至两相界面 (气相内传质)； (2) 溶质在界面上溶解(通过界面的传质)； (3) 溶质由相界面扩散至液相主体(液相内传质)。
第二节 吸收过程的相平衡关系
3.传质过程的推动力
未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，
过程传质推动力越大，传质过程进行越快。
方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推
动力。 y
对吸收过程：
(y-ye)：以气相摩尔分数差 表示的传质推动力；
y
ye=f(x) M
讨论：
亨利系数的值随物系的特性及温度而异； 物系一定，E值一般随温度的上升而增大； 难溶气体E值很大，易溶气体E值很小； E的单位与压强单位一致。
第二节 吸收过程的相平衡关系
2．用溶解度系数表示的亨利定律
pe
C H
C —— 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； H —— 溶解度系数；kmol/(m3kPa)。
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：吸收操作得到的溶液，主要成分溶剂S和溶质A。 吸收尾气：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和 少量的溶质A。 解吸或脱吸：与吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而 转移到气相的过程。
大量实验表明，溶解度与平衡分压有关。
第二节 吸收过程的相平衡关系
2.溶解度曲线
第二节 吸收过程的相平衡关系
结论：
➢气体的气相分压（组成）越高，溶解度越大
➢气体的温度越高，溶解度越小
启示：吸收操作应在低温、高压下进行； 脱吸操作应在高温、低压下进行。
第二节 吸收过程的相平衡关系
二、亨利定律（Henry’s law）
H
EMs
易溶气体H值大；难溶气体H值小。
第二节 吸收过程的相平衡关系
3．用相平衡常数表示的亨利定律
ye mx
pe Ex
pe E x pp
m E P
相平衡常数
➢相平衡常数m是温度及总压的函数; ➢m值愈小，表明该气体的溶解度愈大; ➢温度降低、总压升高则m值变小，有利于吸收操作。
第二节 吸收过程的相平衡关系
溶液中溶质的摩尔浓度和摩尔分率及溶液的总摩尔浓度之 间的关系为
C Cm x
Cm —— 溶液的总摩尔浓度，kmol/m3； x —— 溶质在溶液中的摩尔分数。
第二节 吸收过程的相平衡关系
pe
Cm H
x
所以
H Cm
E
对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此cm≈/Ms，其中为 溶液的密度，Ms为溶剂的摩尔质量。
o
即xmax=xe。
ye=f(x) N
x
xe x
第二节 吸收过程的相平衡关系
y ye=f(x)
ye
y
M
o
对解吸而言：
xe
xx
若保持液相浓度x不变，气相浓度y最高只能升到与之相平
衡的浓度ye，即 ymax=ye； 若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最低也只能降到与气
相浓度y相平衡的浓度xe，即 xmin=xe。
第一节 概述
2. 吸收操作实例：石油液化气脱除硫化氢
第一节 概述
3. 吸收过程的分类
❖物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应。如用水吸收 二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。 ❖化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用NaOH吸收CO2、 用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的 气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。 ❖单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解 度甚小其吸收量可忽略不计。 ❖多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。 ❖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。
相界面
气相主体
液相主体
溶解
气相扩散
液相扩散
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
1.双膜理论
由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世纪二十年代提出，是最早出 现的传质理论。双膜理论的基本论点是：
(1) 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着
一个很薄（等效厚度分别为1和2）的流体膜层。溶质以分子扩散方
气, p2
液, x2
混合气体, p1
吸 收 塔
液, x1
例题3
含溶质A 且摩尔分率为x=0.2的溶液与压力为 2atm, y=0.15的气体等温接触,平衡关系为：pe=1.2x(atm)， 则此时将发生 过程。用气相组成和液相组成表示 的总传质推动力分别为Δy= ，Δx= （摩尔分 率）。如系统温度略有增高，则Δy将 。如系统总 压略有增高，则Δx将 。
第一节 概述
4. 吸收过程在石油化工中的应用
(1) 回收有用组分 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目 的。如用洗油从焦炉气或城市煤气中分离苯，用烃类从石油裂解气中 回收乙烯、丙烯等。 (2) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收 SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液等。 (3) 气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合 成氨原料气脱H2S、脱CO2；液化气中脱除硫化氢等。
4．用摩尔比浓度表示的亨利定律
在低浓度气体吸收计算中，通常采用摩尔比浓度Y（或X） 表示组成。
Y 气相中溶质 A的摩尔数 y 气相中惰气 B的摩尔数 1 y
y Y 1Y
X 液相中溶质 A的摩尔数 x 液相中溶剂 S的摩尔数 1 x
x X 1 X
ye mx
Ye m X 1 Ye 1 X
1.亨利定律 当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似 为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正 比。
pe Ex —— 亨利定律
式中： pe —— 溶质在气相中的平衡分压，kPa； E —— 亨利系数，kPa。 x —— 溶质在液相中的摩尔分数；
第二节 吸收过程的相平衡关系
对于稳定的吸收过程，气、液两相中的传质速率相等：
NA kG ( pG pi ) kL (Ci CL ) ky ( y yi ) kx (xi x)
➢ 该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体 相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了 广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；
➢ 本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。
第三节 吸收过程的机理及传质速率方程
二、 传质速率方程式
在吸收过程中，相际传质由三个步骤串联而成。按照 流体与界面间的对流传质速率方程式，可将传质速率分 别写成：
第一节 概述
5.气液两相的接触方式
连续接触(也称微分接触)
溶剂 溶剂
级式接触：
气体
气体
a 微分接触
b 级式接触
图9-2 填料塔和板式塔
第一节 概述
6. 吸收剂的选择 ①溶解度大； ②选择性好； ③挥发度低； ④粘度低； ⑤无毒、无腐蚀； ⑥不易燃、不易发泡、价廉易得、稳定。
第二节 吸收过程的相平衡关系