化工原理第五章气体吸收
化工原理之气体吸收
化工原理之气体吸收气体吸收是化工过程中常用的一种物理操作，它指的是将气体从气相吸收到液相中。
气体吸收广泛应用于环境工程、化工工艺、能源工程等领域，例如废气处理、石油炼制、烟气脱硫等。
一、气体吸收的基本原理气体吸收的基本原理是气体和液体之间的质量传递过程。
气体吸收的过程中，气体溶质分子通过气相和液相之间的传质界面传递到溶液中，从而实现气体从气相到液相的转移。
气体吸收的速度由以下几个因素决定：1.液相溶剂的性质：液相溶剂的挥发性、表面张力、黏度和溶解度等性质都会影响气体吸收的速度。
通常情况下，挥发性较强的溶剂对气体的吸收速率较快。
2.溶剂和气体溶质之间的亲和力：溶剂和气体溶质之间的亲和力越强，气体吸收速度越快。
3.传质界面的面积和传质界面的厚度：传质界面的面积越大，气体吸收速度越快；传质界面的厚度越薄，气体吸收速度越快。
4.溶解度：气体的溶解度越高，气体吸收速度越快。
5.气体浓度梯度：气体浓度梯度越大，气体吸收速度越快。
二、气体吸收的设备常见的气体吸收设备包括吸收塔、吸收柱和吸附塔等。
1.吸收塔：吸收塔是最常用的气体吸收设备之一，它主要由一个塔体和填料层组成。
气体通过底部进入吸收塔，液体从塔顶滴入塔体中。
在填料层的作用下，气体和液体之间的接触面积增加，从而促进气体的传质。
通过提供充分的接触时间和表面积，吸收塔可以实现高效的气体吸收。
2.吸收柱：吸收柱通常用于含有反应过程的气体吸收。
与吸收塔类似，吸收柱也包含一个塔体和填料层。
区别在于，吸收柱还包括一个液相反应器，用于在吸收气体的同时进行反应。
3.吸附塔：吸附塔是另一种常用的气体吸收设备，主要用于吸附分离等工艺中。
吸附过程通过吸附剂将目标气体吸附在其表面上实现。
吸附塔通常由多个吸附层和吸附剂床组成，气体从底部进入吸附塔，经过吸附剂床后，被吸附物质从气相转移到固相中，从而实现气体吸附。
三、气体吸收的应用气体吸收在化工工艺中有着广泛的应用。
1.废气处理：气体吸收是一种有效的废气处理方法，可用于去除废气中的有害污染物，如二氧化硫、氮氧化物等。
化工原理 第五章 气体吸收
第五章气体吸收第一节概述§5.1.1概述一、传质过程从本章起,讨论化工生产中的传质过程及其典型设备。
传质过程是指物质通过相界面从一相迁移至另一相的过程，以下图示意：>，则A物质就会从相迁移至相。
迁移的结果使得相的A、B据热力学知识，两物质得以一定程度或完全分离，而相形成了A、B两物质的混合物。
因此相内进行的是A、B的分离过程，相内进行的是A、C的混合过程。
研究传质过程就是研究物质通过相界面的迁移过程的基本规律以及主要受这些基本规律支配的若干单元操作。
混合物系的分离对我们来说并不陌生，在上册中我们已经学习掌握了非均相物系的分离方法，相应单元操作如沉降、过滤等，从这一章起要来讨论均相物系的分离。
用下表来比较说明非均相、均相物系的分离情况：本学期的任务就是要掌握气体、液体蒸馏、液液萃取和固体干燥这四个单元操作的基本原理及其典型设备的设计。
二、气体吸收吸收操作是分离气体混合物的方法之一。
吸收操作的分离依据是混合物各组分在某种溶剂（吸收剂）中溶解度的差异，从而达到的目的。
例如：将含的空气通入水中，因、空气在水中溶解度差异很大，NH3很容易溶解于水中，形成氨水溶液，而空气几乎不溶于水中。
所以用水吸收混合气体中的能使、空气加以分离，并回收。
一般地，混合气体中能溶解的组份称为溶质或吸收质，用A表示（）；混合气体中不能溶解的组份称为惰性成分或载体，用B表示（空气）；吸收操作中所用的溶剂称为吸收剂或溶剂，用S表示（水）;吸收操作中所得的溶液称为吸收液，用S+A表示;吸收操作中排除的气体称为吸收尾气，用（A）+B表示;吸收的目的有三个：1．分离混合气体以获得一定的组分。
（例子：硫酸吸收焦炉气中的，洗油吸收焦炉气中的苯、甲苯蒸汽。
）2．除去有害组分以净化气体。
（例子：用水或钾碱液吸收合成氨原料气中的二氧化碳。
）3．制备某种气体的溶液。
（例子：用水吸收氯化氢、三氧化硫、二氧化氮制得酸。
）实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。
化工原理第五章吸收塔的计算
（1）吸收塔的塔径；
（2）吸收塔的塔高等。 2、操作型计算
（1）吸收剂的用量；
（2）吸收液的浓度；
（3）在物系、塔设备一定的情况下，对指定的生产
任务，核算塔设备是否合用。
2018/10/17
一、物料衡算和操作线方程
1、物料衡算 G——单位时间通过任一塔截
G, Y2 L, X2
2018/10/17
【特点】任一截面上的吸收的 推动力均沿塔高连续变化。
* N A KY (YA YA )
* NA K X ( X A X A)
逆流吸收塔内的吸收推动力
2018/10/17
（2）吸收塔填料层高度微分计算式 微分填料层的传质面积为：
Y2＝(1－η)Y1＝(1－0.95)×0.099＝0.00495
据 Y*＝31.13X 知： m＝31.13
据
Y1 Y2 L ( ) min G Y1 / m X 2
L 0.099 0.00495 ( ) min 29.6 0.099 G 0 31.13
∴
2018/10/17
过程中L、G为常数）。以单位时间为基准，在全塔
范围内，对溶质A作物料衡算得：
G , Y2
L, X2
GY1 LX 2 GY2 LX1
（进入量＝引出量） 或
G(Y1 Y2 ) L( X1 X 2 )
——全塔的物料衡算式
G, Y1 L, X1
物料衡算示意图
2018/10/17
【有关计算】 （1）吸收液的浓度 据
XXຫໍສະໝຸດ 吸收推动力2018/10/17
二、吸收剂用量与最小液气比
1、最小液气比
化工原理28气体吸收
煤气中的芳烃,可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯.
二、吸收操作分类
*物理吸收与化学吸收 *等温吸收与非等温吸收 *单组分吸收与多组分吸收 *定态吸收与非定态吸收（过程参数是否随时间而变） 本章讨论所作的基本假定： 单组分、低浓度、连续定态逆流、等温物理吸收
三、吸收操作的经济性
吸收操作费用主要包括： ①气、液两相流经吸收设备的能量消耗； ②溶剂的挥发损失和变质损失；
=
0
dz dz dz
—d —PA = - —d P—B
dz
dz
—d C—A= - —d —CB
dz
dz
DAB = DBA = D
若选择固定的，垂直扩散方向的截面为基准，观察 扩散传质的速率。对于定态分子扩散则有
NA= JA
同理有
NB= JB
由以上讨论可知，等摩尔逆向扩散过程传质速率的大小主
要是分子扩散的贡献。
有总体流动时的传质速率： 对于B组分有： NB = JB+NBM =0
即： JB= - NBM
且
NAM
PA
——— = ———
NBM
PB
JB= -NBM = - JA
对于A组分，其传递速率 ：
即：
NA = JA + NAM = JA + NBM PA / PB NA =（1+ PA / PB）JA
NA=
dCA JA= - DAB———
dZ 式中：
JA— 组分A沿Z方向的扩散通量kmol/m2 ·s； CA— 组分A在混合物中摩尔浓度kmol/ m3 ; DAB—组分A在A、B混合中的扩散系数，m2/s 。
同理，对B组分的扩散可表示为
dCB JB= - DBA———
化工原理--2-8气体吸收
④吸收操作的物料衡算
⑤填料层高度的计算方法
⑥解吸过程计算
⑦传质设备，填料吸收塔
.
6
重点内容： a.物理吸收过程 b.低浓度吸收过程设计计算
本章难点： a.吸收过程的传质机理 b.相平衡关系不同表达式间的换算
.
7
物质的量浓度（摩尔浓度）CA = nA / V 物质的量分数（摩尔分数）xA = nA / n 摩尔比 XA = nA / nB
1+（1-m ）XA
XA —— 液相摩尔比
或 YA* = m XA
*5 E、H、m之间关系 H =E xA/ CA ≈ E MS /ρS
m = E / P总压
E — 亨利系数，N/m2。
.
13
三、相平衡与吸收过程的关系
1、判别传质过程的方向
P
P
PA
A
PB*
PA*
PB
B
xA xA* x
xB* xB
x
上式也可写成：
DC
NA = —— ——（CA1 - CA2 ） Z CBm
式中：CBm—组分B浓度的对数平均值，kmol/m3。
C —混合物的总浓度，kmol/m3，（C =CA + CB ）
**该式同样适用于液相。 .
28
4、分子扩散系数 D， m2/s
物性参数之一，表示物质在介质中的扩散能力。 影响因素：物质的种类
①气、液两相流经吸收设备的能量消耗；
②溶剂的挥发损失和变质损失；
③溶剂再生(解吸)费用，即解吸操作费用。
*以上三项费用中第③项所占比例最大。
.
5
本章基本内容：
本章基本内容:介绍物理吸收过程机理、传质速率方 程及吸收过程的设计计算和操作分析。
化工原理 PPT 气体吸收
cm
S
MS
c A cm x
cA
S
MS
x
H
S
EM S
化工与材料工程学院---Department of Chemical and Materials Engineering
（3）E与m的关系 由理想气体的分压定律:
p A * py* Ex
y mx
*
E y* x p
吸收剂应具有的特点： 溶解度：大 敏感性：好 选择性：高 蒸汽压：低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质） 粘 度：低（利于传质及输送） 比 热：小（再生时耗热量小） 发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积） 腐蚀性：低（减少设备费和维修费） 安全性：好（避免易燃易爆） 经济性：易得到、易再生
5.1 概述（Introduction）
利用混合气体中各组分(component)在某液体溶剂中的溶解度 (solubility)的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸 收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或 难溶组分仍留在气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。
化工与材料工程学院---Department of Chemical and Materials Engineering
（2）气、液相组成分别用溶质A的摩尔分数y、x表示：
y mx
*
y* —— 与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；
m —— 相平衡常数，m值越大，表明该气体的溶解度越小；
如果把氨气和水共同封存在容器中，令 体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于 水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但 进到水中的氨分子也会有一部分返回气相， 只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的 氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的 速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进 入液相的速率便等于它从液相返回气相的速 率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓 气体溶解示意图 度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡， 简称相平衡或平衡。
化工原理第四版课件(第五章吸收)
第五章：吸收 概述气液相平衡吸收过程的传质速率吸收塔的计算填料塔第一节：概述一、吸收吸收的定义：吸收是利用气态均相混合物中各组分在吸收剂中溶解度的差异来实现分离的单元操作。
吸收的目的：I.回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品II.除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理III.除去工业放空尾气中的有害气体，以免环境污染。
二、工业吸收了解工业生产中吸收及解吸过程、所需条件和典型设备例子工业上从合成氨原料混合气体中回收CO2乙醇胺脱硫法•需要解决的问题1.选择合适的溶剂2.提供适当的传质设备3.溶剂的再生三、溶剂的选择1.对溶质较大的溶解度；2.良好的选择性；3.温度变化的敏感性；4.蒸汽压要低；5.良好的化学稳定性；6.较低的黏度且不易生泡；7.廉价、无毒、易得、不易燃烧等经济和安全条件。
四、吸收的分类按有无化学反应：物理吸收和化学吸收按溶质气体的浓度：低浓度和高浓度吸收按溶质气体组分的数目：单组分和多组分吸收按有无热效应：等温和非等温吸收本章只讨论低浓度、单组分、等温的物理吸收过程。
五、吸收操作的经济性（费用）气液两相流经设备的能量损耗；溶剂的挥发及变质损失；溶剂的再生费用。
√六、吸收设备第二节：气液相平衡一、平衡溶解度恒温、恒压下，相互接触的气液两相的浓度不变时，气液两相之间的浓度关系。
气液两相组成的浓度分别用物质的摩尔分数来表示，即y= n i /Σn y 、x= n i /Σn x：气液两相中惰性组分的量不变,溶质与惰性组分摩尔比。
yy Y −=1xx X −=11.气体的溶解度气体在溶液中的溶解平衡是一个动态平衡，该平衡的存在是有条件的；平衡时气相中溶质的分压——平衡分压（或饱和分压），液相中溶质的浓度——平衡浓度（或饱和浓度），也即是气体在溶液中的溶解度；气体的溶解度是一定条件下吸收进行的极限程度；温度和压力对吸收操作有重要的影响；加压和降温对吸收有利；升温和降压对解吸有利。
化工原理第五章气体吸收
（二）不同气体在同一吸收剂中的溶解度 （1）
几x*N种H3气体x在S*O水2 中的x溶C*O解2 度曲xO*线2
13
• （2）不同气体用同一吸收剂吸收，所得溶液浓度相 同时，易溶气体在溶液上方的平衡分压低，而难溶 气体在溶液上方的平衡分压大。
14
（三）总压对溶解度的影响
y
A
P
pA
x*A
20℃下SO2在水中的溶解度
cA H
H——溶解度系数， kmol/（m3·kPa） cA——摩尔浓度，kmol/m3；
E与H的关系： H c E
19
H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小，
T H
20
2) y * mx
m——相平衡常数，无因次。
m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体 2）T m
p m
气相
液相
41
讨论
1） N A p A1 p A2
2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。
pA1 pB1
0
p 扩散距离z
pB2 pA2 z
3）等摩尔逆向扩散发生在蒸馏过程中。
42
• 传动——第一章 流体流动
• 传热——第四章 传热
• 传质——
第五章 吸收 （组分A通过静止
组分B的扩散）
第六章 蒸馏 （等摩尔逆向扩散）
处的扩散速率与该处A的浓度梯度成正比。
理想气体，有：
JA
DAB
dcA dz
或
JA
DAB RT
dpA dz
JA——组分A扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2·s）；
dcA / dz —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；
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28
（2）在x～y相图上
y
y*=f(x) O
（y-y*）
y y* （y*-y） y
x*=f
o
x
x* x
o
x
x
a.吸收
b.解吸
图5-6
传质方向与推动力
29
（三）指明过程进行的极限
（吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度）
过程极限：相平衡。
假设，逆流吸收，塔高无限。
dcA / dz —组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；
DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。
37
分子扩散两种形式：
①等摩尔逆向扩散; ②组分A通过静止组分B的扩散。
38
二、等摩尔逆向扩散
A扩散的量nA=B扩散的量nB
T P pA1 pB1 1
JA
JB p
T P pA2 2 pB2
扩散
推动力( y y*) 推动力( y * y)
解吸
传质 扩散
25
用气相组成表示的推动力
相界面
气相 主体y
液相 主体x
吸收
x* x时 x* x时
扩散
推动力( x * x) 推动力( x x*)
解吸
传质 扩散
用液相组成表示的推动力
26
相平衡关系在吸收中的应用： （一）判断过程进行的方向
选择原则：经济、合理。
8
第二节 气液相平衡
一、 平衡溶解度
二、 亨利定律
三、 气液相平衡关系在吸收中的应用
9
一、平衡溶解度
气液平衡状态：
进入液相的溶质数量 = 逸出液相的溶质数量
平衡分压：平衡时气相中溶质的分压，又叫饱和分压。
溶解度：平衡时溶质在液相中的饱和浓度。
10
溶解度的表示方法：
kg溶质／kg溶剂
传质速率定义：单位时间通过单位面积传递的物质
扩散速率
量，记作N, 单位kmol/(m2· 。 s)
D dp A NA= J A RT dz
D D NA ( pA1 pA2 ) (cA1 cA2 ) RTZ Z
气相 液相
41
讨论
1） N A p A1 p A2 2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。
又叫溶剂
吸收剂S
吸收尾气
吸 收 塔
吸收的依据：
混合物各组分在某种溶 剂中溶解度的差异。
溶质 惰性气体
吸收液 （A+S) 吸收操作示意图
3
一、气体操作的应用
（1）制备液体产品。 例如：用水吸收NO2制造HNO3. （2）分离混合气体，是最主要的应用。 例如：用硫酸回收焦炉气中的NH3 （3）气体净化、处理工业废气，除去有害组分。 例如：用水脱除合成氨原料气中的CO2
常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关 。
总扩散速率：
dcA J A (D De ) dz
54
（一）单相内对流传质的有效膜模型
单相内对流传质过程
热流体 冷流体 气相 液相
T TW tW t zT zt
pAG E
pAi
cAi cAL zG zL
对流传质有效膜模型
55
对流传热有效膜模型
1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分
子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的
变化较陡。
2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，
溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水 平线。 3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的 变化逐渐平缓。
56
有效膜模型
单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚
拟的膜层（叫“有效层流膜” 或“虚拟膜”、 “气膜”）内，膜层内的传质形式仅为分子扩散 。 有效膜厚ZG由层流内层浓度梯度线延长线与流 体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界面
13
• （2）不同气体用同一吸收剂吸收，所得溶液浓度相
同时，易溶气体在溶液上方的平衡分压低，而难溶 气体在溶液上方的平衡分压大。
14
（三）总压对溶解度的影响
y A P pA x
* A
20℃下SO2在水中的溶解度
15
【讨论】
1）吸收温度T↑，溶解度x↓。 2）加压和降温对吸收有利；
4
二、吸收过程与设备
5
洗油 脱苯煤气
苯
含苯煤气
加 热 器
冷 却 器
水
过热蒸汽
吸收与解吸流程
6
三、吸收过程的分类
物理吸收*
按有无化学反应
化学吸收 按溶质气体的数目
单组分吸收*
多组分吸收
按有无明显热效应
等温吸收* 非等温吸收
7
四、吸收剂的选择
（1）溶解度大； （2）选择性高； （3）根据溶质含量，选择不同的吸收剂； （4）挥发性小； （6）粘度低； （8）腐蚀性低； （5）再生容易(解吸)； （7）化学稳定性高； （9）无毒、易得、价廉等。
p Ex
* A
* p A ——溶质在气相中的平衡分压，kPa；
x——溶质在液相中的摩尔分率； E——亨利常数，单位同压强单位。
17
E的讨论：
1）E大的，溶解度小，难溶气体 E小的，溶解度大，易溶气体 2）T↑，E ↑
3）E的来源：实验测得；查手册
18
（二）其它形式的亨利定律
* A
1)
p
cA H
V，y2
L，x2
（1）吸收液的最大组成x1,min
L x1,max
y1 x m
* 1
（2）吸收尾气的最小组成y2,min
V，y1
L，x1
30
L y2,min
* y2
mx 2
【例5-2】 书P192
31
作 业
• P231 5-9
32
第三节 吸收过程的传质速率 一、 分子扩散与菲克定律 二、 等摩尔逆向扩散 三、 组分A通过静止组分B的扩散 四、 分子扩散系数 五、 单相内对流传质
升温和减压对解吸有利。
3）对同样浓度的溶液，易溶气体溶液上方 的分压小，而难溶气体溶液上方分压大。 4）气相中溶质的摩尔分数y一定时，
总压p↑，溶质分压pA ↑，溶解度x ↑。
16
二、亨利定律
（一）亨利定律
总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中
溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其 比例系数为亨利系数。
Dp pB2 NA ln RTZ pB1
或
D p NA ( pA1 pA2 ) RTZ pBm
pBm pB2 pB1 pB2 ln pB1
45
在液相扩散：
D c NA (cA1 cA2 ) Z cBm
cBm cB2 cB1 cB2 ln cB1
pBm cBm RT pA cA RT p c RT
49
（1）在气相中扩散的D 范围：0.1～1.0cm2/s 经验公式
D f (T，p)
T D p
1.5
T D
p D
（2）在液相中扩散的D 范围：10-5～5×10-5cm2/s
D f (T， )
D
T
T D
D
50
【例5-3】 书P197
51
p pA1 pB1 0
扩散距离z
pB2 pA2
z
3）等摩尔逆向扩散发生在蒸馏过程中。
42
• 传动——第一章 流体流动
• 传热——第四章 传热
第五章 吸收 （组分A通过静止 • 传质——
组分B的扩散）
第六章 蒸馏 （等摩尔逆向扩散）
43
三、 组分A通过静止组分B的扩散
相界面
整体移动中
气 相 主 体 B的传递NBM
H——溶解度系数， kmol/（m3· kPa）
cA——摩尔浓度，kmol/m3；
E与H的关系：
c H E
19
H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体 2）P对H影响小， T H
20
2)
y mx
*
m——相平衡常数，无因次。
m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体
2） T m
第五章 气体吸收
第一节 概述
第二节 气液相平衡 第三节 吸收过程的传质速率
第四节 吸收塔的计算 第五节 填料塔
1
第一节 概述
一、吸收操作的应用 二、吸收过程与设备 三、吸收过程分类
四、吸收剂的选择
2
何为吸收 操作？
吸收操作
利用混合气体各组分在溶 剂中溶解度不同，来分离 气体混合物的操作。
混合气体 （A+B)
a.气相中A浓度高时，漂流因数大，总体流动的影响大。
b.气相中A低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的 影响小。
3）单向扩散体现在吸收过程中。
48
四、分子扩散系数
扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散系数，反映
某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常
数之一；D，m2/s。 D的影响因素：介质种类、T、P、浓度 D的来源：查手册；半经验公式；测定
B扩散 JB A扩散 JA
整体移动：
液 相
因溶质Ａ扩散到界面 溶解于溶剂中，造成 界面与主体的微小压 差，使得混合物整体 向界面流动。
整体移动中
A的传递NAM
总压p
pB2 pB1 pA1
NBM J B
pA2
0
扩散距离z
z
N A N AM J A
44
A单方向扩散时的传质速率方程
在气相扩散:
kmol溶质／kmol溶剂