氣體吸收-理論部分

2023/2/31第1章

氣體吸收2015年8月12日晚23時30分左右，天津濱海新區開發區發生劇烈爆炸，爆炸火光沖天。國家地震臺網清晰記錄到了12日晚間天津發生的爆炸事故，從記錄結果看，共有兩次爆炸，間隔約30秒，第二次震級更高，相當于21噸TNT。等值換算，戰斧式巡航導彈的TNT當量約為454千克，即第一次爆炸相當于近7個戰斧式巡航導彈的能量，第二次爆炸的能量則接近于46個戰斧式巡航導彈落地爆炸。2023/2/32目前已檢測到氰化氫、甲苯、三氯甲烷和環氧乙烷等有毒氣體。氰化氫在空氣中的含量達到5.6%～12.8%時，具有爆炸性。氫氰酸屬于劇毒類。急性氰化氫中毒的臨床表現為患者呼出氣中有明顯的苦杏仁味，輕度中毒主要表現為胸悶、心悸、心率加快、頭痛、惡心、嘔吐、視物模糊。重度中毒主要表現呈深昏迷狀態，呼吸淺快，陣發性抽搐，甚至強直性痙攣。二次世界大戰中納粹德國常把氰化氫作為毒氣室的殺人毒氣使用。2023/2/33氰化氫廢氣吸收塔用Na2CO3溶液吸收氫氰酸，再加入Fe與CN-離子反應生成黃血鹽。2023/2/34吸收過程的概念

利用混合氣體中各組分(component)在液體中溶解度的差異而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收。吸收操作時某些易溶組分進入液相形成溶液(solution)，不溶或難溶組分仍留在氣相(gasphase)，從而實現混合氣體的分離。

吸收的推動力氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內由濃度差推動的傳質過程。吸收劑氣體yx界面氣相主體液相主體相界面氣相擴散液相擴散yixi第一節概述相組成如何表示？2023/2/35相關概念吸收質或溶質：混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體或載體：不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。吸收液：吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質A。吸收尾氣：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質A。吸收過程在吸收塔中進行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示。

吸收塔混合氣(A+B)吸收液(A+S)吸收劑(S)吸收尾氣(A+B)2023/2/36貧油吸收塔含苯煤氣解吸塔過熱蒸汽冷凝器粗苯水冷卻器換熱器補充新鮮洗油富油脫苯煤氣工業吸收過程工業吸收過程實例：2023/2/37吸收劑的選擇吸收劑性能的優劣，是決定吸收操作效果是否良好的關鍵。溶解度大；選擇性好；揮發度要小。此外所選用的溶劑盡可能滿足無腐蝕性，粘度小，無毒，不燃，價廉易得等條件。

2023/2/38吸收操作的用途制取產品用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林液，用水吸收氯化氫制鹽酸等

。(2)分離混合氣體吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達到分離目的。如石油餾分裂解生產出來的乙烯、丙烯，還與氫、甲烷等混在一起，可用分子量較大的液態烴把乙烯、丙烯吸收，使與甲烷、氫分離開來。(3)氣體凈化一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質。如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護環境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2，硝酸尾氣脫除NO2等。2023/2/39吸收操作的分類物理吸收(physicalabsorption)：吸收過程溶質與溶劑不發生顯著的化學反應，可視為單純的氣體溶解于液相的過程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等。化學吸收(chemicalabsorption)：溶質與溶劑有顯著的化學反應發生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等過程?；瘜W反應能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但溶液解吸再生較難。單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計。多組分吸收：有兩個或兩個以上組分被吸收。溶解熱：氣體溶解于液體時所釋放的熱量?；瘜W吸收時，還會有反應熱。非等溫吸收：體系溫度發生明顯變化的吸收過程。等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過程。2023/2/310氣液兩相的接觸方式連續接觸(也稱微分接觸)：氣、液兩相的濃度呈連續變化。如填料塔。級式接觸：氣、液兩相逐級接觸傳質，兩相的組成呈階躍變化。如板式塔。散裝填料塑料鮑爾環填料規整填料塑料絲網波紋填料2023/2/311本章重點講解單組分的等溫物理吸收。

氣體吸收是物質自氣相到液相的轉移，這是一種傳質過程。氣液兩相達到平衡。吸收與解吸。兩相的濃度距離平衡愈遠，則傳質的推動力愈大，傳質速率也愈大。2023/2/312第二節氣—液相平衡

一、氣體的溶解度氣液相平衡如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓力和溫度維持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越兩相界面進入水中，但進到水中的氨分子也會有一部分返回氣相，只不過剛開始的時候進多出少。水中溶解的氨量越多，濃度越大，氨分子從溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子從氣相進入液相的速率便等于它從液相返回氣相的速率，氨實際上便不再溶解進水里，溶液的濃度也就不再變化，這種狀態稱為相際動平衡，簡稱相平衡或平衡。2023/2/313氣體的溶解度在溫度和壓力一定的條件下，平衡時的氣、液相組成具有一一對應關系。平衡狀態下氣相中溶質的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，與之對應的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解度。這時溶液已經飽和，即達到了它在一定條件下的溶解度，也就是指氣體在液相中的飽和濃度，習慣上以單位質量（或體積）的液體中所含溶質的質量來表示，也表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。在一定溫度下達到平衡時，溶液的濃度隨氣體壓力的增加而增加。如果要使一種氣體在溶液中里達到某一特定的濃度，必須在溶液上方維持較高的平衡壓力。氣體的溶解度與溫度有關，一般來說，溫度下降則氣體的溶解度增高。

2023/2/314溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時溶質在氣相和液相中的濃度的關系曲線。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC2023/2/315二、亨利定律當總壓不太高時，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即溶質在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。式中：p*——溶質在氣相中的平衡分壓，kPa；x——溶質在液相中的摩爾分數；E——亨利系數，kPa?！嗬珊嗬禂档闹惦S物系的特性及溫度而異；物系一定，E值一般隨溫度的上升而增大；E值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度；在同一溶劑中，難溶氣體E值很大，易溶氣體E值很??；E的單位與氣相分壓的壓強單位一致。2023/2/316當氣、液相溶質濃度用其它組成表示法表示時，通過濃度換算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有y*——與組成為x的液相呈平衡的氣相中溶質的摩爾分數；c——溶質在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；m——相平衡常數；H——溶解度系數；kmol/(m3kPa)；三個比例系數之間的關系：式中cm為溶液的總濃度（kmol/m3）。對于稀溶液，因溶質的濃度很小，因此cm=/Ms，其中為溶液的密度，Ms為溶劑的摩爾質量。2023/2/317三、相平衡關系在吸收過程中的應用相對于氣相濃度y而言，液相濃度欠飽和(x<x*)，故液相有吸收溶質A的能力。相對于液相濃度x而言，氣相濃度為過飽和(y>y*)，溶質A由氣相向液相轉移。（一）、傳質過程的方向

氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方(P點)：yxoy*=f(x)Pyxy*結論：若系統氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將發生從氣相到液相的傳質，即吸收過程。x*釋放溶質吸收溶質2023/2/318相對于氣相濃度而言實際液相濃度過飽和(x>x*)，故液相有釋放溶質A的能力。相對于液相濃度x而言氣相濃度為欠飽和(y<y*)，溶質A由液相向氣相轉移。傳質過程的方向氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方(Q點)：yxoy*=f(x)Qyxy*結論：若系統氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方，則體系將發生從液相到氣相的傳質，即解吸過程。x*釋放溶質吸收溶質2023/2/319相對于氣相濃度而言液相濃度為平衡濃度(x=x*)，故液相不釋放或吸收溶質A。相對于液相濃度x而言氣相濃度為平衡濃度(y=y*)，溶質A不發生轉移。傳質過程的方向氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上(R點)：yxoy*=f(x)Ryxy*結論：若系統氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上，則體系從宏觀上講將不會發生相際間的傳質，即系統處于平衡狀態。x*2023/2/320（二）、傳質過程的限度

對吸收而言：若保持液相濃度x不變，氣相濃度y最低只能降到與之相平衡的濃度y*，即ymin=y*；若保持氣相濃度y不變，則液相濃度x最高也只能升高到與氣相濃度y相平衡的濃度x*，即xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*2023/2/321傳質過程的限度

yxoy*=f(x)Qyxy*x*對解吸而言：若保持液相濃度x不變，氣相濃度y最高只能升到與之相平衡的濃度y*，即ymax=y*；若保持氣相濃度y不變，則液相濃度x最高也只能降到與氣相濃度y相平衡的濃度x*，即xmin=x*。2023/2/322傳質推動力的表示方法可以不同，但效果一樣。(x*-x)：以液相摩爾分數差表示的傳質推動力。對吸收過程：(y-y*)：以氣相摩爾分數差表示的傳質推動力；（三）、傳質過程的推動力未達平衡的兩相接觸會發生相際間傳質(吸收或解吸)，離平衡濃度越遠，過程傳質推動力越大，傳質過程進行越快。方法：用氣相或液相濃度遠離平衡的程度來表征氣液相際傳質過程的推動力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）2023/2/323第三節傳質機理與吸收速率

平衡關系只能回答混合氣體中溶質氣體能否進入液相這個問題，至于進入液相速率大小，卻無法解決，后者屬于傳質的機理問題。本節的內容是結合吸收操作來說明傳質的基本原理，并導出傳質的速率關系，作為分析吸收操作與計算吸收設備的依據。氣體吸收是溶質先從氣相主體擴散到氣液界面，再從氣液界面擴散到液相主體的傳質過程。2023/2/324一、吸收傳質理論

吸收過程是溶質由氣相向液相轉移的相際傳質過程，可分為三個步驟：氣相主體液相主體相界面溶解氣相擴散液相擴散(1)溶質由氣相主體擴散至兩相界面氣相側(氣相內傳質)；(2)溶質在界面上溶解(通過界面的傳質)；(3)溶質由相界面液相側擴散至液相主體(液相內傳質)。2023/2/325(一)、分子擴散與單相傳質單相內傳遞方式：分子擴散；對流擴散。分子擴散與菲克定律分子擴散：在靜止或滯流流體內部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規則的熱運動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現象稱為分子擴散。2023/2/326氣相主體液相主體相界面溶解氣相擴散液相擴散擴散通量：單位時間內通過垂直于擴散方向的單位截面積擴散的物質量，J表示，kmol/(m2·s)。菲克定律：溫度、總壓一定，組分A在擴散方向上任一點處的擴散通量與該處A的濃度梯度成正比。z2023/2/327JA——組分A擴散速率（擴散通量），kmol/（m2·s）；

—組分A在擴散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m；

DAB——組分A在B組分中的擴散系數，m2/s。負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿著濃度降低的方向進行2023/2/328理想氣體：2023/2/329單相分子擴散分子擴散兩種形式：等分子反向擴散，單向擴散。1．等分子反向擴散及速率方程(1)等分子反向擴散JAJBTPpA2pB2TPpA1pB1122023/2/330等分子反向擴散：任一截面處兩個組分的擴散速率大小相等，方向相反?？倝阂欢?023/2/331

JA=－JB

DAB=DBA=D（2）等分子反向擴散傳質速率方程傳質速率定義：任一固定的空間位置上，單位時間內通過單位面積的物質量，記作N,kmol/(m2·s)。NA=氣相：2023/2/332NA=液相：（3）討論1）2023/2/3332）組分的濃度與擴散距離z成直線關系。3）等分子反方向擴散發生在蒸餾過程中。ppB1pA1pA2pB2擴散距離z0zp2023/2/33412JAJBNMcA/cNMcB/c總體流動NMNA（1）總體流動：因溶質Ａ擴散到界面溶解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，使得混合物向界面處的流動。（2）總體流動的特點：1）因分子本身擴散引起的宏觀流動。2）A、B在總體流動中方向相同，流動速度正比于摩爾分率。2．單向擴散及速率方程2023/2/335（3）單向擴散傳質速率方程12JAJBNMcA/cNMcB/c總體流動NMNA=0——微分式2023/2/336在氣相擴散——積分式2023/2/3372023/2/338——積分式——積分式液相：（4）討論1）組分A的濃度與擴散距離z為指數關系2）、——漂流因數，無因次2023/2/339漂流因數意義：其大小反映了總體流動對傳質速率的影響程度，其值為總體流動使傳質速率較單純分子擴散增大的倍數。漂流因數的影響因素：濃度高，漂流因數大，總體流動的影響大。低濃度時，漂流因數近似等于1，總體流動的影響小。3）單向擴散體現在吸收過程中。2023/2/340擴散系數擴散系數的意義：單位濃度梯度下的擴散通量，反映某組分在一定介質中的擴散能力，是物質特性常數之一；D，m2/s。D的影響因素：溶質A、惰性組分B、T、P、濃度D的來源：查手冊；半經驗公式；實驗測定2023/2/341（1）氣相中的D范圍：10-5～10-4m2/s經驗公式（2）液相中的D范圍：10-10～10-9m2/s2023/2/342傳質理論--單相對流傳質渦流擴散：流體作湍流運動時，若流體內部存在濃度梯度，流體質點便會靠質點的無規則運動，相互碰撞和混合，組分從高濃度向低濃度方向傳遞，這種現象稱為渦流擴散。2023/2/343——渦流擴散速率，kmol/(m2·s)；——渦流擴散系數，m2/s。注意：渦流擴散系數與分子擴散系數不同，不是物性常數，其值與流體流動狀態及所處的位置有關?？倲U散通量：2023/2/344傳質理論--雙膜理論

由W.K.Lewis和W.G.Whitman在上世紀二十年代提出，是最早出現的傳質理論。雙膜理論的基本論點是：相互接觸的兩流體間存在著穩定的相界面，界面兩側各存在著一個很薄（等效厚度分別為1

和2

）的流體膜層。溶質以分子擴散方

式通過此兩膜層。(2)相界面沒有傳質阻力，即溶質在相界面處的濃度處于相平衡狀態。(3)在膜層以外的兩相主流區由于流體湍動劇烈，傳質速率高，傳質阻力可以忽略不計，相際的傳質阻力集中在兩個膜層內。氣相主體液相主體相界面pi=ci/Hp12pi

ci

c氣膜液膜2023/2/345雙膜理論

兩相相內傳質速率可用下面的形式表達為：DG、DL——溶質組分在氣膜與液膜中的分子擴散系數；P/pBm——氣相擴散漂流因子；cm/cBm——液相擴散漂流因子；1、2——界面兩側氣液相等效膜層厚度，待定參數。雙膜理論將兩流體相際傳質過程簡化為經兩膜層的穩定分子擴散的串聯過程。對吸收過程則為溶質通過氣膜和液膜的分子擴散過程。2023/2/346雙膜理論

按雙膜理論，傳質系數與擴散系數成正比，這與實驗所得的關聯式地結果相差較大；由此理論所得的傳質系數計算式形式簡單，但等效膜層厚度1和2以及界面上濃度pi和ci都難以確定；雙膜理論存在著很大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質體系，相界面是不穩定的，因此界面兩側存在穩定的等效膜層以及物質以分子擴散方式通過此兩膜層的假設都難以成立；該理論提出的雙阻力概念，即認為傳質阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質過程的計算中得到了廣泛承認，仍是傳質過程及設備設計的依據；本書后續部分也將以該理論為討論問題的基礎。2023/2/347二、吸收速率方程式吸收設備中進行的傳質過程為吸收過程，其傳質速率即為吸收速率，所對應的傳質速率方程即為吸收速率方程。氣體吸收因過程的復雜性，傳質速率(吸收速率)一般難以理論求解，但遵循現象方程所描述的物理量傳遞的共性規律。根據推動力及阻力可寫出速率關系式，單獨根據氣膜或液膜的推動力及阻力寫出的速率關系式稱為氣膜或液膜吸收速率方程式，相應的吸收系數稱為膜系數或分系數，用k表示，與傳熱中的對流傳熱系數相當。

傳遞速率=推動力/阻力

=傳遞系數×過程推動力2023/2/348傳質速率方程

——氣相(氣膜)傳質速率方程對于穩定吸收過程，可根據雙膜理論建立相際傳質速率方程(總傳質速率方程)。類似于間壁式對流傳熱速率方程。由于混合物的組成可用多種方式表示，對應于每一種表達法都有與之相應的傳質速率方程。——液相(液膜)傳質速率方程2023/2/349（一）、氣相傳質速率方程kg—推動力為分壓差的氣相傳質系數，kmol/(sm2kPa)；ky—推動力為摩爾分率之差的氣相傳質系數，kmol/(sm2)；kY—推動力為摩爾比濃度差的氣相傳質系數，kmol/(sm2)；p、y、Y—溶質A在氣相主體的分壓(kPa)、摩爾分率和摩爾比；pi、yi、Yi—溶質A在界面氣相側的分壓(kPa)、摩爾分率和摩爾比。氣相傳質速率方程常用的表達形式有三種氣相液相相界面yixiyi=fe(xi)yx2023/2/350氣相傳質速率方程不同形式的傳質速率方程物理意義一樣，都代表單位時間內通過單位界面面積傳遞的溶質A的量；傳質系數與傳質推動力的表達方式有關，其倒數表達的是氣相傳質阻力；注意：不同單位的傳質系數數值不同，但可根據組成表示法的相互關系進行換算。例：當氣相總壓不很高時，根據道爾頓分壓定律

p=Py，有對

y值較小的低濃度吸收：2023/2/351（二）、液相傳質速率方程液相傳質速率方程常用的表達形式也有三種kc—推動力為摩爾濃度差的液相傳質系數，m/s；kx—推動力為摩爾分率之差的液相傳質系數，kmol/(sm2)；kX—推動力為摩爾比之差的液相傳質系數，kmol/(sm2)；c、x、X—溶質A在液相主體的摩爾濃度、摩爾分率和摩爾比濃度；ci、xi、Xi—溶質A在界面液相側的摩爾濃度、摩爾分率和摩爾比濃度。氣相液相相界面yixiyi=fe(xi)yx2023/2/352液相傳質速率方程三個液相傳質系數的倒數也分別為傳質推動力以不同組成表示法表達時的液相傳質阻力。同樣，根據各種表示法的相互關系可推得式中cm為液相的總摩爾濃度。液相濃度很低時：2023/2/353（三）、相界面的濃度

在氣、液兩相內傳質速率的計算中，推動力項中含有溶質在相界面的濃度yi和

xi，可用計算方法或作圖法得出。計算法：對穩定的吸收過程，氣、液兩相內傳質速率應相等。若兩相濃度均以摩爾分數表示，有當kx和ky為定值時，在直角坐標系中yi~xi關系是一條過定點（x,y）而斜率為-kx/ky的直線。根據雙膜理論，界面處yi~xi應滿足相平衡關系：若已知相平衡關系式以及氣、液相傳質系數ky、kx，將上兩式聯立就可求得當氣、液相主體摩爾分率為y、x時所對應的界面處氣、液相摩爾分率yi、xi。2023/2/354相界面的濃度

作圖法：yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiA氣相液相相界面yixiyi=fe(xi)yxyi、xi為直線與平衡線的交點坐標，直線上A點坐標為與之對應的氣、液主體流的摩爾分數y、x。2023/2/355（四）、總傳質速率方程

傳遞過程的阻力具有加和性。若以雙膜理論為依據，則吸收過程的傳質總阻力是氣相傳質阻力與液相傳質阻力之和(相界面無阻力)?？倐髻|速率為總傳質推動力(y-y*)與總的傳質阻力(1/Ky)之比。相平衡關系為直線對稀溶液，物系的相平衡關系服從亨利定律y*=mx。氣相：液相：相際：比較可得：2023/2/356總傳質速率方程

以氣相為基準的總傳質速率方程Ky是以(y-y*)

為推動力的總傳質系數，單位為kmol/(sm2)，其倒數為氣、液兩相傳質總阻力。總傳質系數Ky（相際傳質系數）與相內傳質系數kx、ky的關系式，