实验原理：测定Kya与影响因素关系的方法

9.3.1 概述

吸收过程是依据气相中各溶质组分在液相中的溶解度不同而分离气体混合物的单元操作。在化学工业中，吸收操作广泛地用于气体原料净化、有用组分的回收、产品制取和废气治理等方面。在吸收过程研究中，一般可分为对吸收过程本身的特点或规律进行研究和对吸收设备进行开发研究两个方向。前者的研究内容包括吸收剂的选择、确定影响吸收过程的主要因素、测定吸收速率等，研究的结果可为吸收过程工艺设计提供依据，或为过程的改进及强化提供方向；后者研究的重点为开发新型高效的吸收设备，如新型高效填料、新型塔板结构等。

吸收通常在塔设备内进行，工业上尤以填料塔用得普遍。填料塔一般由以下几部分构成：①圆筒壳体；②填料；③支撑板；④液体预分布装置；⑤液体再分布器；⑥捕沫装置；⑦进、出口接管等。其中，塔内放置的专用填料作为气液接触的媒介，其作用是使从塔顶流下的流体沿填料表面散布成大面积的液膜，并使从塔底上升的气体增强湍动，从而为气液接触传质提供良好的条件。液体预分布装置的作用是使得液体在塔内有一良好的均匀分布。而液体在从塔顶向下流动的过程中，由于靠近塔壁处空隙大、流体阻力小，液体有逐渐向塔壁处汇集的倾向，从而使液体分布变差。液体再分布器的作用是将靠近塔壁处的液体收集后再重新分布。

填料是填料吸收塔最重要的部分。对于工业填料，按照其结构和形状，可以分为颗粒填料和规整填料两大类。其中，颗粒填料是一粒粒具有一定几何形状和尺寸的填料颗粒体，一般是以散装（乱堆）的方式堆积在塔内，常见的大颗粒填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍环、矩鞍环等，填料的材质可以是金属、塑料、陶瓷等。规整填料是由许多具有相同几何形状的填料单元体组成的，以整砌的方式装填在塔内，常见的规整填料有丝网波纹填料、孔板波纹填料，填料的性能评价指标主要是填料的比表面积和空隙率。一般总希望填料能提供大的气液接触面积和较小的流动压降。

9.3.2 吸收速率方程式和吸收传质系数

1.吸收传质速率

吸收传质速率由吸收速率方程式决定

NA＝KA·Δym （9-1）

或

NA＝Ky·a·VP·Δym 　（9-2）

式中　NA——吸收速率，mol/s；

Kya——气相吸收传质系数，mol/（m3·h）；

A——气液接触传质面积，m2；

Δym——塔顶、塔底气相平均传质推动力；

a——填料的比表面积，m2/m3；

VP——填料体积，m3。

严格说来，a应为单位体积填料的有效润湿表面积。由于a的大小与物系对填料表面的润湿性和气液流动状况有关，工程上为方便起见，将Ky和a合并为一个常数，即

Kya＝Ky·a

其中Kya称为气相容积吸收传质系数，mol/（m3·h）。这样，吸收传质速率式又可表示为

NA＝Kya·VP·Δym 　（9-3）

2.气相平均传质推动力△ym

由吸收过程物料衡算：

L（x－x2）＝G（y－y2） 　（9-4）

可得

y＝（L/G）（x－x2）＋y2 　（9-5）

式（9-5）即为吸收过程的操作线方程式。其中，L、G分别为气、液相流量，mol/（m2·h）；x、y分别为气、液相溶质组分的摩尔分数。

由图9-1可看出，吸收过程的推动力，即为吸收操作线与相平衡线之间的浓度差。

图9-1 操作线、平衡线及推动力

对于低浓度吸收过程，气、液相平衡关系近似为直线，即

y＝mx

m为相平衡常数，气相平均传质推动力可表示为

其中△y1和△y2分别为塔底和塔顶位置的气相传质推动力，即

Δy1＝y1－y1e＝y1－mx1 　（9-7）

Δy2＝y2－y2e＝y2－mx2 　（9-8）

3.传质系数

传质系数Kya是吸收过程设计的重要工艺参数。由式（9-3）可得

由于影响Kya的因素很多，通过实验测定Kya，就是要找出Kya与诸影响因素之间的关系。根据相际传质理论，可将吸收传质过程分解为以下三个步骤：

（1）溶质由气相主体传递至气、液两相界面，即气相主体内的物质传递过程；(www.xing528.com)

（2）溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即发生在界面上的溶解过程；

（3）溶质自相界面传递至液相主体，即液相主体内的物质传递过程。

界面溶解过程极易进行，传质阻力极小，可认为相界面上保持着两相平衡关系，因此，过程的传质速率实际上由气、液两相的传质速率所决定。

根据双膜理论，认为气液界面两侧各存在一层滞止的气膜和液膜，传质阻力全部集中于这两层膜中，膜中的传质是定态的分子扩散，因此，总传质系数Kya可表示为

式中　kya－—气膜吸收传质系数，mol/（m3·h）；

kxa－—液膜吸收传质系数，mol/（m3·h）。

一般情况下，kxa和kya仅分别受液相流量L和气相流量G的影响，即

kya＝AGm 　（9-11）

kxa＝BLn 　（9- 12）

显然，Kya与气体流量G、液体流量L都密切相关，其关系可由下式表示：

Kya＝CGC1LC2 　（9- 13）

这样，只要通过实验在不同的气、液相流量和温度条件下测定出y1和y2，即可由式（9-9）计算出Kya。

传质速率NA可通过全塔的物料衡算求得：

NA＝G（y1－y2） 　（9- 14）

或

NA＝L（x1－x2） 　（9- 15）

9.3.3 吸收塔的操作和调节

为实现某一气体混合物的分离任务，工业塔设备必须具备足够的塔高（足够高的填料高度或塔板数）和足够大的塔径，它们是实现工艺分离任务的条件。另外，操作应在正常的气液负荷条件下进行，通过对吸收剂进口条件的调节，实现稳态的连续化操作。

吸收操作的质量评价指标可用回收率η或气相尾气浓度y2来表示。对低浓度气体吸收，回收率可近似用下式计算：

对于工业吸收过程，气体进口条件（如流量、温度、压力、组成等）通常由前一个工序决定，因此，只能通过改变吸收剂的进口条件，即改变吸收剂的进口浓度x2、温度t2及流量L，来实现对吸收操作过程的调节。

吸收剂的进口浓度x2、温度t2及流量L亦被称为吸收剂的三要素。

1.吸收剂流量对吸收效果的影响

改变吸收剂用量是对吸收过程进行调节的最常用方法。

如图9-2所示，当气体流量和浓度不变时，增大吸收剂流量，吸收速率将随之增大，溶质吸收量增加，气体出口组成y2减小，回收率η增大。

当液相阻力较小时，增加液体的流量，对传质系数影响不大，溶质吸收量的增加主要是由于传质推动力的增大而引起的；但当液相阻力较大时，吸收剂流量的增加将使得传质系数明显增大，从而使传质速率加快，溶质吸收量增大。因此，一般情况下，增加吸收剂的用量对吸收分离总是有利的。但是，吸收剂流量的增大有时要受到塔内流体力学条件的制约（如压降、液泛等），也要综合考虑吸收液解吸操作过程的费用。

图9-2 吸收剂流量增加对吸收效果的影响

2.吸收剂入口浓度变化对吸收效果的影响

吸收剂入口浓度x2的变化主要是改变了传质推动力的大小。如图9-3所示，x2降低，吸收塔顶部的传质推动力Δy2增大，全塔平均传质推动力将随之增大，有利于塔顶气体出口浓度y2的降低和回收率η的提高。

图9-3 x2变化对吸收效果的影响

在吸收-解吸联合操作的过程中，x2一般由解吸操作的结果决定。这也说明，解吸效果的好坏直接影响到吸收操作。

3.吸收剂入口温度变化对吸收效果的影响

吸收剂入口温度对吸收过程影响很大，也是控制和调节吸收操作的一个重要因素。如图9-4所示，如果吸收剂入口温度降低，相平衡常数减小，导致平衡线下移，使传质推动力△ym增加，吸收过程阻力减小，结果使吸收速率增大，y2减小，回收率提高。因此，在工业生产中，总希望吸收操作尽可能在较低的温度下进行。

应当注意的是，当气、液两相在塔底接近平衡时（L/G＜m），如图9-5所示，欲降低y2，提高回收率，用增大吸收剂L的方法更有效；但是，当气、液两相在塔顶接近平衡（L/G＞m）时，如图9-6所示，提高吸收剂L用量，即增大L/G，并不能使y2明显降低，只有降低吸收剂入塔浓度x2才是最有效的。

图9-4 吸收温度对吸收过程的影响

图9-5 L/G＜m

图9-6 L/G＞m