吸收过程与设备

核心概念

吸收定义

• 溶质A从气相→液相，形成吸收液(A+S)与尾气(B+少量A)

设备类型

• 填料塔
  • 连续接触式：液顶进底出，气底进顶出
• 板式塔
  • 逐级接触式：通过塔板传质

吸收剂选择

• 原则：溶解度大、选择性高、再生易、挥发性小、粘度低、化学稳定、无毒价廉

吸收分类

• 物理/化学吸收（是否反应）
• 单组分/多组分（溶质数量）
• 等温/非等温（热效应）
• 高浓度/低浓度（>10%/≤10%摩尔分数）

相组成表示

浓度类

• 质量浓度ρ_A=m_A/V；总ρ=Σρ_i
• 摩尔浓度c_A=n_A/V；总c=Σc_i
• 换算：ρ_A=M_A·c_A

分数类

• 质量分数w_A=m_A/m
• 摩尔分数：气相y_A，液相x_A
• 换算：x_A=(w_A/M_A)/Σ(w_i/M_i)

比值类

• 质量比a̅_A=m_A/m_B
• 摩尔比：气相Y_A，液相X_A
• 换算：X_A=x_A/(1-x_A)；Y_A=y_A/(1-y_A)

气液相平衡

相律

• F=C-φ+2；C=3,φ=2→F=3

溶解度规律

• T↓→x↑；p↑→x↑
• 同p_A下：c_O₂<c_CO₂<c_SO₂<c_NH₃

亨利定律

• p_A*=E·x（E↑溶解度↓）
• p_A*=c_A/H（H↑溶解度↑）
• y*=m·x（m=E/p；m↓溶解度↑）
• Y*≈m·X（稀溶液）

相平衡应用

传质方向

• 吸收：y>y*；解吸：y<y*

过程极限

• y₂,min=mX₂；x₁,max=y₁/m

推动力

• 气相：Δy=y-y*；液相：Δx=x*-x

单相内传质

分子扩散

• 菲克定律：J_A=-D_AB·dc_A/dz
• 等摩尔反向扩散：N_A=(D/z)(c_A1-c_A2)
• 单向扩散：N_A=(Dc/zc_Bm)(c_A1-c_A2)

扩散系数D

• 气体10⁻⁵~10⁻⁴ m²/s；液体10⁻¹⁰~10⁻⁹ m²/s
• T↑→D↑；p↑→D↓

对流传质

• 有效膜模型：阻力集中虚拟膜
• 气相：N_A=k_G(p_A-p_Ai)
• 液相：N_A=k_L(c_Ai-c_A)

两相对流传质

双膜模型

• 总阻力=气膜+液膜；界面平衡

总传质方程

• N_A=K_G(p_A-p_A*)；1/K_G=1/k_G+1/(Hk_L)
• N_A=K_y(y-y*)；1/K_y=1/k_y+m/k_x

控制步骤

• 气膜控制：易溶，H大，1/K_G≈1/k_G
• 液膜控制：难溶，H小，1/K_L≈1/k_L

吸收塔计算

物料衡算

• V(Y₁-Y₂)=L(X₁-X₂)
• 回收率η=(Y₁-Y₂)/Y₁

操作线

• 逆流：Y=(L/V)X+(Y₂-L/V·X₂)
• 并流：Y=-(L/V)X+(Y₁+L/V·X₂)

最小液气比

• (L/V)min=(Y₁-Y₂)/(X₁*-X₂)
• 实际L=(1.1~2.0)Lmin

填料高度

• Z=H_OG·N_OG
• N_OG=(Y₁-Y₂)/ΔY_m（对数平均）
• N_OG=1/(1-S)ln[(1-S)(Y₁-mX₂)/(Y₂-mX₂)+S]（吸收因数法）

解吸

条件

• Y<Y

方法

• 气提、减压、加热

计算

• 物料衡算：V(Y₁-Y₂)=L(X₁-X₂)
• (V/L)min=(X₁-X₂)/(Y₁*-Y₂)
• Z=H_OL·N_OL

填料塔结构

核心部件

• 液体分布器、填料层、支承板、再分布器、压板

流体力学

• 持液量：静+动
• 空塔气速u=V气/Ω
• 液泛：u泛点最大，实际u=0.6~0.8u泛点