第 2 章气体吸收

第2章气体吸收

2.1 概述 2.1.1 吸收过程的基本应用（1）吸收:是将气体混合物中的各个组分予以分离的单元操作。（2）应用： ●产品制备：如硝酸、盐酸的制备 ●回收有用物质：尾气中NH3、CO2等的回收； ● 净化气体：原料气净化；排放尾气净化；气体产品的精制。（3）典型的工业吸收过程: 烟道气中SO2的吸收：

（4）几个名词 吸收剂：吸收过程中所用的溶剂；溶质：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分；惰性组分：不能被吸收剂吸收的组分；富液：含有较高溶质浓度的吸收剂；贫液：从富液中将溶质分离出来后得到的吸收剂。

吸收过程 液相主体气相主体吸收及解析传质方向解吸过程 2.1.2 吸收过程的基本原理依据：气体混合物中各组分在溶剂中的溶解度的差异。吸收过程：（1）溶质从气相主体传递到相界面；（2）在相界面上溶质溶解到液相表面；（3）溶质从相界面传递到液相主体。

实质： 吸收过程— 溶质由气相到液相的质量传递过程；解吸过程— 溶质由液相到气相的质量传递过程。 2.1.3 吸收过程的分类（1）物理吸收与化学吸收（依有无化学反应）；（2）单组分吸收与多组分吸收（依吸收组分数）；（3）等温吸收与非等温吸收（依温度是否变化）；（4）低浓度气体吸收与高浓度气体吸收。

2.1.4 吸收过程的基本流程 净化气贫液净化气吸收剂1 吸收剂2 混合气体吸收塔2 吸收塔1 富液混合气一步吸收流程去解吸塔两步吸收流程去解吸塔（1）一步吸收流程和两步吸收流程 (选用吸收剂的数目) 一步吸收流程：仅用一种吸收剂两步吸收流程：使用两种吸收剂

混合气体 净化气贫液贫液净化气混合气体富液富液逆流并流（2）单塔流程和多塔流程 (所用的塔设备数) （3）逆流吸收流程和并流吸收流程(塔内气液流向) 逆流和并流吸收过程

净化气 贫液混合气体去解吸富液部分溶剂循环流程（4）部分溶剂循环流程

两段吸收两段解吸流程:

2.1.5 对吸收剂的基本要求 （1）吸收剂的选择原则 ◇ 对溶质的溶解度要大；　　◇　对溶质有较高的选择性； ◇　不易挥发； ◇　较低的粘度，不易起泡； ◇　解吸性能好，便于再生；　　◇　良好的化学稳定性、热稳定性、无毒、无易燃易爆等； ◇ 廉价、易得。（2）吸收操作条件的确定 ◇　吸收剂用量； ◇ 操作温度； ◇ 操作压力。

2.1.6 吸收设备形式、尺寸

筛板（Sieve Trays） 浮阀塔板（Valve Trays）泡罩塔板Bubble Cap Trays 级式接触：气、液两相逐级接触传质

连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。

2.2 相际间的质量传递 气相液相 2.2.1 气液相平衡（1）气液相平衡单组份的物理吸收平衡：F=C-φ+2=3-2+2=3。在温度、总压一定时，F=1，有： Pe－溶质在气相中的分压——平衡分压。 ce－溶质在液相中的饱和浓度——平衡溶解度。

相平衡(phase equilibrium) 吉布斯（1839～1903） Gibbs，Josiah Willard 美国物理学家。提出的化学势概念和导出的相律，近代矢量分析的创建人之一。对统计力学给出了适用于任何宏观物体的最彻底、最完整的形式。最终初始 y1=0.2 y2=0.15 x1=0 x2=0.005 相平衡在吸收过程中有何应用？（1）判断过程方向（2）指明过程的极限（3）计算过程推动力 x1*=0.005 y1=0.15 y2=0.10 x2=0.0035 ∆x = x1- x1* = 0.002-0.005 ≠ 0 x1=0.002 以液相摩尔分数差表示的传质推动力 y1=0.08 y2=0.12 ∆y = y1- y1* = 0.08-0.15 ≠ 0 x2=0.004 x1=0.005 以气相摩尔分数差表示的传质推动力 y1*=0.15

60℃ 800 50℃ 气相中氨的平衡分压 pe /133.32Pa 600 40℃ 30℃ 400 200 0.04 0.08 0.12 0.16 液相中氨的摩尔分数 x 氨在水中的溶解度（2）相平衡关系的表示方法 ① 溶解度（相平衡）曲线： a) pe=f（x）， (T、P恒定) 说明： ▲分压对溶解度的影响：pe增加，x增加（T一定）； ▲温度对溶解度的影响： T增加，x下降（ Pe一定）； ▲总压对溶解度的影响：在组份分压不变时，若P变化不大（ P小于0.5MPa时），总压P的变化不影响 pe、x之间的关系。

b）ye ~ x曲线 注意： P对 x-y图有影响，因为对于一定的 y ，P变化将导致pe的变化，pe是影响溶解度的直接原因。

可结合“可乐”中二氧化碳，T（加热）怎样，P（加压）呢可结合“可乐”中二氧化碳，T（加热）怎样，P（加压）呢

② 气液相平衡方程（享利定律） 在总压不高时（P小于 0.51MPa ），溶质在稀溶液中的溶解曲线通过原点，且为直线, 可表示为： E—享利常数，kPa • 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； • E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度； • 在同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体 E 值很小； • E 的单位与气相分压的压强单位一致。

亨利（1224～1836） Wiiiiam Henry 英国化学家凡是不和溶剂起化学作用的气体的溶解度，是由这种气体在液面上的压强来决定的，溶解度和气体的分压成正比 ③ 享利定律的其他表示法当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用形式有: y* —— 与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数； c —— 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3； m —— 相平衡常数； H —— 溶解度系数；kmol/(m3kPa)；三个比例系数之间的关系：式中 cm 为溶液的总浓度（kmol/m3）。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。

亨利（1224～1836） Wiiiiam Henry 英国化学家凡是不和溶剂起化学作用的气体的溶解度，是由这种气体在液面上的压强来决定的，溶解度和气体的分压成正比 ③ 享利定律的其他表示法在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比 Y（或 X ）表示组成。以摩尔比表示组成的相平衡关系 X —— 溶质在液相中的摩尔比浓度； Y* —— 与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当 m 趋近 1 或当 X 很小时

亨利（1224～1836） Wiiiiam Henry 英国化学家凡是不和溶剂起化学作用的气体的溶解度，是由这种气体在液面上的压强来决定的，溶解度和气体的分压成正比亨利定律(Henry's Law) 最终 y2=0.15 相平衡常数亨利系数溶解度系数 y/x≈29.6 x2=0.005 y2=0.10 y/x≈29.6 x2=0.0034 y2=0.12 y/x≈29.6 x2=0.004 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。

或为吸收过程或为解吸过程 2.2.2 相际传质方向与传递极限（1）判断过程进行的方向组成为 y、x的气液相相接触，传质方向为：（2）确定传质过程的推动力组成为 y、x的气液相相接触，传质推动力可表示为：或

y1e x1e A y1 y1e A y1 x1 x1e x1 过程的传质方向及传质推动力图示

（3）判断过程进行的极限 p p或c 液相主体气膜液膜 pi 气相主体 A ci c 距离 z 相际传质双膜模型平衡为过程的极限状态净化气体为目的：制取液相产品为目的： 2.3.3 相际传质的双膜模型

2.3 吸收过程中的质量传递 质量传递：在具有浓度差的混合物中，一个或几个组分从一处转移到另一处的过程。工程上，简称为传质过程。吸收过程：气相主体 → 相界面 → 液相主体单向传质— 界面溶解 — 单向传质分子热运动

2.3.1 传质的基本方式 单相内的传质机理：（1）分子扩散: 分子随机热运动的宏观结果。固体、静止的流体和作层流流动的流体内部单独存在。（2）涡流扩散：质点的湍动和旋涡的扰动引起。湍流流动的流体内（分子扩散的影响可忽略）。对流传质：流体与固体壁面之间或流体与相界面之间的质量传递。

2.3.2 组分运动速度及传质通量 (1) 流体中组分的速度 a）组分的绝对速度 ui i 组分通过空间某一静止平面的速度。 b）物系的平均速度 u u-混合体系的平均速度，m/s； c0-混合物的表观物质的量浓度，kmol/m3； N- 单位面积上混合物系的摩尔流量，kmol/(m2s)。

ui u uki 静止平面移动平面组分运动速度分析由于：所以： c）组分的扩散速度 uki 扩散是由于自身的浓度差引起的质量传递。

（2）组分的传质通量 混合物系中某组分在单位时间内通过空间某一平面单位面积上的质量或物质的量。通过空间某一静止平面的传质通量：扩散通量Ji：通过以平均速度移动的平面的传质通量。在工程上，以组分通过空间某固定平面计算传质通量。

Ni N(ci/c0) Ji 静止平面移动平面组分传质通量表达又因为：所以：总体流动造成的质量通量。

2.3.3 分子扩散 分子随机热运动引起的质量传质过程，只要有组分的浓度差存在，就存在分子扩散，当过程进行到组分的浓度差消失时，宏观的传质通量为零，但微观的分子热运动仍在进行，只是组分的扩散和反向扩散的速率相当，系统处于动态平衡状态。

（1）费克定律 表明：分子扩散速率正比于浓度梯度，方向沿浓度降低的方向。即：德国生理学家菲克（1829-1901）于1855年提出。包括两个内容：（1）扩散第一定律（2）扩散第二定律

CA1 CA2 1 2 CB2 CB1 （2）双组分等分子反向扩散系统内各处总浓度相等，温度恒定不变。发生分子扩散过程。 CA1>CA2、 CB2>CB1 则有：

c c0 JA cA1 cB2 cA2 cB1 JB z O z1 z2 等分子反向扩散对于气相：

对于该系统： 所以：

相界面 气相主体液相主体单向扩散示意图 (3) 单向扩散 A可溶于液相 B完全不溶于液相液相不挥发

其中： 即：表明：对于有总体流动的稳态分子扩散过程，两组分的分子扩散通量仍然是数值相等而方向相反。（4）分子扩散系数物质传递性质的度量参数，表达组分扩散难易程度。物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量。影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。

① 气体分子扩散系数（ 10-5 ~ 10-4 m2/s） 双组分气体混合物，组分的扩散系数： ② 液体中的分子扩散系数（10-9 ~ 10-10 m2/s）

2.3.4 涡流扩散 涡流扩散通量表示方法，借助于费克定律。 De—涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况有关。

2.3.5 对流传质 对流扩散速率，既有分子扩散又有涡流扩散。（1）流体沿相界面呈层流流动质量传递：以分子扩散的方式进行。说明：传质方向上的浓度分布为曲线分布。（2）在湍流流动条件下层流内层：以分子扩散的方式进行质量传递；湍流中心：主要以涡流扩散的方式进行；过渡层：两种扩散方式同时存在。

相界面 气相主体停滞膜模型（3）对流传质的停滞膜模型及传质速率方程 1）停滞膜模型模型要点： ① 相界面处存在一层虚拟的停滞膜; ② 膜外为流体流动的湍流区； ③ 停滞膜非常薄，膜内无物质累积，为稳态分子扩散； ④ 对流传质阻力全部集中于停滞膜内。基于停滞膜模型，可以利用分子扩散理论描述对流传质问题。

2）传质速率方程 对于气相对于液相 kG：气膜传质系数 kL：液膜传质系数

令ky=PkG kx=c0kL 则有：式中：ky —以气相mol分数差为推动力的气膜传质系数； kx —以液相mol分数差为推动力的液膜传质系数

相界面 p p或c 液相主体液相主体气膜液膜气相主体 pi 气相主体 A 溶解 ci c 液相扩散气相扩散距离 z 相际传质双膜模型 2.3.6 相际传质的双膜模型吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤： (1) 溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)； (2) 溶质在界面上溶解(通过界面的传质)； (3) 溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。

双膜模型 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。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。相界面液膜气膜液相主体气相主体 (2) 相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。 yi = mxi y xi (3) 在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。 yi x 2 1

y xi yi x 2 1 吸收速率方程式总传质系数摩尔分数物质的量浓度或分压消去界面浓度

看一下国外ppt对该过程的表述 Liquid Gas c1i p10 c10 p1i Overall mass transfer coefficient overall liquid-side mass transfer coefficient overall gas-side mass transfer coefficient

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