化工原理下册-第二章吸收

第二章吸收,吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inertgas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液(strongliquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气(dilutegas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。,第一节概述,一、吸收定义,*利用溶解度差异，物质从一相向另一相转移的过程属物质传递过程（简称传质过程）,混合气体（溶质气体+惰性气体）惰性气体+吸收剂吸收剂+溶质,吸收剂,气体,y,x,界面,气相主体,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,yi,xi,二、吸收操作的应用(1)制取产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，用水吸收氯化氢制盐酸等。(2)分离混合气体吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来。(3)气体净化一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。,连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。,级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。如板式塔。,三、吸收设备,四、吸收的流程,从合成氨原料气中回收CO2的流程,必须解决问题：1、选择合适的吸收剂（溶剂）；2、提供合适的气液传质设备；3、吸收剂的再生循环使用。,工业吸收过程,五、吸收过程分类,1、按照吸收过程中吸收质（A）和吸收剂(S)之间的相互作用不同分类：,物理吸收：,是指吸收质和吸收剂之间不发生显著的化学反应的吸收过程，可以认为是单纯的溶解过程。,特点：,易解吸,物理吸收是一个物理化学过程。,物理吸收是可逆的、热效应较小。,影响条件：,压强加压有利于吸收，减压则有利于解吸。,温度降低温度可以增大吸收质的溶解度，得到浓度较高的溶液，有利于吸收；但温度过低时，吸收质分子的扩散速率减慢，有可能减慢吸收速率。,化学吸收：,是指吸收质和吸收剂之间发生显著化学反应的过程。,特点：,吸收速率取决于整个过程中最慢的一步。,吸收的限度不仅取决于吸收条件下的气液相平衡，还取决于化学平衡关系。,常伴有较大的热效应。,当吸收反应不可逆时，解吸就不能发生。,2、按被吸收组分数分类：,3、按吸收过程有无温度变化分类：,4、按溶质组成高低分类：（0.1）,低组成单组分等温物理吸收过程,吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，选择吸收剂时一般应考虑以下几点：溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度。处理一定量混合气体所需溶剂量减少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低。溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。,溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。,六、溶剂选择,溶剂的蒸汽压要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质。溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。,溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择的溶剂做全面评价，以便作出经济合理的选择。,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,T、p，有利于吸收；T、p，有利于解吸,气体吸收和液体精馏的区别：吸收：为对气相混合物中的组分A、B的分离，以溶剂与气相接触，溶质A便从气相转入液相，而B则基本不溶于溶剂。即吸收操作利用的是各气体组分在一定溶剂中溶解度的差异；溶质A在气、液相间的平衡为“气-液”平衡，当A在溶液中浓度低时，平衡关系服从亨利定律；溶质溶于液相，不存在气体液化问题。精馏：为对液相组分A、B的分离，利用液相组分挥发度的差异，加热溶液使之沸腾，从而产生汽、液两相共存的情况易挥发组分较多地进入汽相；汽液平衡时，对于稀溶液其含量高的组分在一定浓度范围内服从拉乌尔定律，若为理想体系，则任何浓度时，A与B均服从拉乌尔定律。,1.质量分数与摩尔分数,质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的比值。,摩尔分数：混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的比值。,补充：相组成表示方法,气相：,液相：,质量分数与摩尔分数的关系：,2比质量分数与比摩尔分数,比质量分数：混合物中某两个组分的质量之比。,比摩尔分数：混合物中某两个组分的摩尔数之比。,气相：,液相：,比质量分数与质量分数的关系（双组分混合物）：,比摩尔分数与摩尔分数的关系（双组分混合物）：,3.质量浓度与摩尔浓度,质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。,摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。,4.气体混合物的组成,摩尔分数=压力分数=体积分数,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换算关系：CA=xA(n/V)xA=CA(V/n)XA=xA/(1-xA),例：某吸收塔处理焦炉气量为1200m3/h，焦炉气中含苯117kg，塔内操作压力为108kPa，操作温度为25。试求焦炉气中苯的摩尔分数和摩尔比。,M苯=78,解：,【5.3】作业,一、气体在液体中的溶解度,气体溶解示意图,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，溶液的浓度也就不再变化.,第二节气液相平衡,饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。,平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。,平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。,溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。,溶解度/g(NH3)/1000g(H2O),1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,50oC,40oC,30oC,20oC,10oC,0oC,在相同条件下，NH3在水中的溶解度较SO2大得多。用水作吸收剂时，称NH3为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2在30和溶质的分压为40kPa的条件下，1kg水中溶解的质量仅为0.014g)。,溶解度曲线：P*x关系曲线：直接反映了相平衡的本质，用于思考与分析问题yx关系曲线：可方便地与物料衡算式等其它关系式一起对整个吸收过程进行数学描述,（一）平衡分压与溶解度的关系,氨在水中的溶解度随氨分压的增大而增大，随温度的降低而增大。结论：温度一定时，溶质在溶剂中的溶解度只取决于溶质在气相中的分压。,（二）不同气体在同一吸收剂中的溶解度,同一温度、同一分压条件下，溶解度大小不同；同一温度下、溶解度相同，分压力不同，易溶气体所需分压力低，难溶气体所需分压力高。,（三）总压对溶解度的影响,讨论：（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度随之增加，有利于吸收；,（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度随之增加，有利于吸收；,加压和降温有利于吸收操作，反之，减压和升温有利于解吸操作。,（3）温度、pA一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度不变；,（4）相同的总压及摩尔分率，难溶气体的溶解度小于易溶气体的溶解度。,1、在同一溶剂中，同一溶质的溶解度随温度的降低而增加；2、温度一定时，p的增加对溶质在溶剂中溶解度的影响，只取决于溶质在气相中的分压。3、条件相同时，难溶气体所需分压力比易溶气体高。,小结,（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。,二、相平衡关系,吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较低（在稀溶液范围内）。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线，即气液两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。,1）E的物理意义：,斜率E越大（），表示相平衡时，E越大，说明溶质A在气相中越多，在液相中越少，越难溶。,难溶气体，由于平衡分压大，E值较大；,易溶气体，由于平衡分压小，E值较小。,2）E值随温度的升高而增大。,3）E的来源：实验测得；查手册,（二）亨利定律其它表示方法,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。常用的形式有：,cA溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H溶解度系数；kmol/(m3kPa)，随温度升高而减小，易溶气体的H值很大，而难溶气体的H值很小。,（1）气相组成用溶质A的分压PA*,液相组成用物质的浓度cA表示：,溶解度系数可视为在一定温度下溶质气体分压为1kPa的平衡浓度。,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；,（2）气、液相组成分别用溶质A的摩尔分数y、x表示：,三个比例系数之间的关系：,（1）H与E的关系,溶液的总浓度cm=,kmol（溶质）+kmol（溶剂）,m3,溶质的浓度cA=cmx,溶液密度，kg/m3,溶液的平均分子量，kg/kmol,由于溶液很稀，即溶质很少，故溶液的密度可近似用溶剂的密度代替，即,溶液的平均摩尔质量可用溶剂的摩尔质量代替，即,（2）E与m的关系,由理想气体的分压定律:,亨利定律,（3）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。当溶液的浓度很低时，m趋近1或当X很小时,亨利定律的四种表达式以及各系数之间的关系,稀溶液中,各种亨利系数间的换算,为吸收质A在气相中的平衡分压,为吸收质A在气相中的平衡摩尔分数,m为相平衡系数,为吸收质A在惰性组分中的平衡摩尔比,为吸收质A在吸收剂中的摩尔比,为吸收质A在液相中的体积摩尔浓度,为吸收质A在液相中的摩尔分数,以上亨利定律的各种表达式描述的都是互成平衡的气液两相组成间的关系，它们都是根据液相组成来计算与之平衡的气相组成。同样，也可根据气相组成计算平衡的液相组成，此时，亨利定律可写成：,例某系统温度为10，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气（氧气在空气中的体积分数为21%）？,思考题,1、对于物理吸收，在一定温度、压力下，如何判断气体在水中溶解的难与易？根据相平衡时溶液上方气体的平衡分压；根据E根据H根据m,2、气液相平衡关系中，（1）若气温升高，亨利系数将如何变化？变大（2）在一定温度下，气相总压升高，相平衡常数m将如何变化？若气相组成y为一定值，总压升高，液相组成x将如何变化？m变小；变大,3、若溶质分压为p的气体混合物与溶质浓度为c的溶液接触，如何判断溶质是从气相向液相传递还是从液相向气相传递？根据y与y*或是x与x*的大小关系判断。,平衡关系描述的是吸收过程中气液两相接触传质的极限状态，而实际上，由于在吸收塔中气液两相的接触时间有限，很难达到平衡状态。因此，根据气液两相实际组成与相应条件下平衡组成的比较，可以判断传质进行的方向确定传质推动力的大小指明传质过程所能达到的极限,三、相平衡关系在吸收中的应用,1溶质的传质方向,若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。,若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。,若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。,yy*或x*x或,A由气相向液相传质，吸收过程,平衡状态,A由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,例：在101.3kPa,20下，稀氨水的气液相平衡关系为,若有含氨0.094（摩尔分数，下同）的混合气和组成为,的氨水接触，试确定过程的方向。,解：,与的液相平衡的气相组成为,所以，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。,从液相分析x*=y/0.94=0.1x=0.05结论同上。,2确定传质的推动力,以气相表示的传质推动力,以液相表示的传质推动力,传质的推动力示意图,3.传质过程的限度,对吸收而言：若保持液相浓度x不变，气相浓度y最低只能降到与之相平衡的浓度y*，即ymin=y*；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最高也只能升高到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmax=x*。,传质过程的限度,对解吸而言：若保持液相浓度x不变，气相浓度y最高只能升到与之相平衡的浓度y*，即ymax=y*；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最低也只能降到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmin=x*。,对于逆流吸收塔,液相出口最大组成,气相出口最低组成,X2,X1,Y1,Y2,例：在总压1000kPa,温度25下，含0.06（摩尔分数）的-空气混合气与含为0.1g/L的水溶液逆流接触，试问：（1）将发生吸收还是解吸？(2)以气压差表示的吸收推动力为多少？（3）尾气中的的含量最低可能降到多少？,已知：25时，溶解在水中的亨利系数为,水的相对密度及平均分子量为,解：,（1）判断过程方向：,气相中的分压,以1吸收剂为基准，因为吸收剂中浓度很低，则吸收剂中的摩尔分数为:,对应于气相的平衡分压：,显然，,所以将发生由气相进入液相的吸收过程。,(2)、推动力：,（3）对于逆流吸收操作，出塔气体中的含量最低可降到与入口处水溶液呈平衡的气相分压（6.8kPa），所以：向空气排放的尾气中的最低含量为：,平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。,第三节吸收机理与吸收速率,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：,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,(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)。,因此，在讨论吸收机理之前，首先要说明物质在单相（气相或液相）中的传递规律。,吸收是溶质从气相向液相转移的传质过程，通过扩散实现，因此传质过程又称扩散过程。,一、传质基本方式,发生在流体中的扩散有两种：a.分子扩散（依靠分子热运动进行物质传递）b.涡流扩散（依靠分流体质点的湍动和漩涡进行物质传递）,分子扩散现象：,a.分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。推动力：浓度差影响因素：温度、流体的物理性质,对流扩散与传热中的对流传热类似，对流扩散就是湍流主体与相界面之间的涡流扩散和分子扩散两种传质作用过程。对流扩散速率比分子扩散速率大得多，对流扩散主要取决于流体的湍流程度。将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流传质的结果。,b.涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种借助质点的湍动和漩涡来传递物质的现象称为涡流扩散。,二、吸收机理双膜理论,双膜模型（双膜阻力模型）的基本论点（假设）,气液两相间有一稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜层，溶质以分子扩散方式通过二膜层。相界面上的气、液两相互成平衡，即pi=f(ci)。气、液两相主体中，流体充分湍动，溶质主要以涡流扩散的形式传质，没有任何形式的扩散阻力，即认为两相主体中浓度梯度为零，扩散阻力全部集中在两个膜层内。,根据双膜理论，吸收质从气相主体中以对流扩散的方式到达气膜边界，又以分子扩散的方式通过气膜到达气液界面，在界面上吸收质不受任何阻力从气相进入液相，然后以分子扩散的方式穿过液膜到达液膜边界，最后以对流扩散的方式转移到液相主体。,双膜模型,对流扩散,对流扩散,分子扩散,分子扩散,双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。,单相内对流传质过程,三、吸收速率方程式,吸收设备中进行的传质过程为吸收过程，其传质速率即为吸收速率，所对应的传质速率方程即为吸收速率方程。,吸收速率：单位时间内单位相传质面积上吸收的溶质量，称为A组分的传递速率，以NA表示，单位为kmol/(m2s)。,吸收速率方程：表示吸收速率与吸收推动力之间的关系式。吸收速率方程的应用：确定相际传质面积，从而确定吸收设备尺寸或核算混合气体通过特定设备能达到的气体吸收程度。,（一）气相总传质速率方程,以气相分压差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2skPa）；,以气相摩尔分率差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2s）；,以气相摩尔比差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2s）；,（二）液相总传质速率方程,以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数，kmol/m2skmol/m3）；,以液相摩尔分率差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2s）；,以液相摩尔比差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2s）；,总传质系数之间的关系,对于定态吸收操作过程，吸收塔任一部位上，相界面两侧的气、液膜层中的传质速率应是相等的。因此，其中任何一侧有效膜中的传质速率都能代表该部位上的吸收速率。,（三）总传质系数与单相传质分系数之间的关系:,根据双膜理论,系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线,KG、KL与kG、kL,+,同理：,KY、KX与kY、kX,+,同理：,（1）传质阻力,相间传质总阻力=液相(膜)阻力+气相(膜)阻力,注意:传质系数、传质阻力与推动力一一对应。,（四）传质阻力与传质速率的控制,（2）传质速率的控制步骤,气膜控制,传质阻力主要集中在气相，此吸收过程为气相阻力控制（气膜控制）。,H较大易溶气体,气膜控制的特点：,提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。,液膜控制,传质阻力主要集中在液相，此吸收过程为液相阻力控制（液膜控制）,液膜控制的特点：,H较小难溶气体,提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。,同理：,气膜控制：,液膜控制：,m小易溶气体,m大难溶气体,对于稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程(总传质速率方程)。类似于间壁式对流传热速率方程。由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。,不同形式的传质速率方程物理意义一样，都代表单位时间内通过单位界面面积传递的溶质A的量；传质系数与传质推动力的表达方式有关，其倒数表达的是气相传质阻力；注意：不同单位的传质系数数值不同，但可根据组成表示法的相互关系进行换算。,传质速率方程及其相互关系,传质速率方程,气膜,液膜,总,总传质系数,特殊情况,对易溶气体,对难溶气体,气膜控制,液膜控制,分压形式,摩尔分数形式,摩尔比形式,传质系数关系,低浓度时,传质速率与传质系数单位一览表,气膜传质系数kGkmol/(m2skPa)kykmol/(m2s)kYkmol/(m2s),液膜传质系数kLkmol/(m2skmol/m3)kykmol/(m2s)kYkmol/(m2s),气相传质系数KLkmol/(m2skPa)Kykmol/(m2s)KYkmol/(m2s),液相传质系数kLkmol/(m2skmol/m3)kykmol/(m2s)kYkmol/(m2s),溶解度系数Hkmol/(m3kPa)气相平衡常数m1气相总压力pkPa液相总浓度ckmol（溶质+溶剂）/m3,项目符号单位,界面上的浓度,定态传质,=f（cAi）,、cAi,1一般情况,2平衡关系满足亨利定律,、cAi,85,3图解,I（pAi，cAi）,86,例2含氨极少的空气于101.33kPa，20被水吸收。已知气膜传质系数kG=3.1510-6kmol/(m2skPa)，液膜传质系数kL=1.8110-4kmol/(m2skmol/m3)，溶解度系数H=1.5kmol/（m3kPa）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气相总传质系数KG、KY；液相总传质系数KL、KX。,解：物系的气液平衡关系服从亨利定律,此物系中氨极易溶于水，溶解度甚大，属“气膜控制”系统，吸收总阻力几乎全部集中于气膜，所以吸收总系数与气膜吸收分系数极为接近。,依题意此系统为低浓度气体的吸收：,同理，对于低浓度气体的吸收：,例3、在总压为100kPa、温度为30时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数=3.8410-6kmol/（m2skPa），液相传质系数=1.8310-4m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时（1）以、表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；（2）分析该过程的控制因素。,相平衡常数,解：,溶解度常数,=1000.05-1340.01=3.66kPa,kmol/（m2skPa）,=3.9410-63.66=1.4410-5kmol/（m2s）,kmol/m3,=9.510-61.513=1.43810-5kmol/（m2s）,（2）与表示的传质总推动力相应的传质阻力为253797（m2skPa）/kmol；,其中液膜阻力为,m2skPa/kmol,气膜阻力,m2skPa/kmol,气膜阻力占总阻力的百分数为,故该传质过程为气膜控制过程。,=0.41461000.050.56=1.513kmol/m3,传质设备：,第四节吸收塔的计算,低浓度的吸收，通常是指混合气中溶质组成y1Y*或X*X，故吸收操作线在平衡线Y*=f(X)的上方，操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；解吸操作时，YY*或X*m，即：在S1时才有可能。,173,希望得到高组成的吸收液：力图使X1X1方法是减小液体量，改变操作线方程，从而使L/V1时才有可能。,一般S=0.70.8时，可兼顾上述两种情况。,174,相对吸收率rr=吸收率/最大吸收率=(Y1-Y2)/(Y1-Y2*)，为塔内实际达到的浓度变化(Y1-Y2)与可能达到的最大浓度变化(Y1-Y2*)之比值。这样,当1/A一定时，r值越大，则(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*)数值越大，NOG值越大。,与对数平均推动力法相比，吸收因子法用于解决吸收操作型问题的计算较为方便。,讨论,和S,液相总传质单元数,-推导？,3.图解积分法,平衡线曲线时,图解积分法步骤如下：,操作线上任取一点（X,Y），其推动力为(Y-Y*)。,系列Y作图得曲线。,积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。,平衡线为弯曲程度不大的曲线,图解积分法,近似梯级图解法,气相组成变化y=ym的填料段视为一个传质单元数,例在一填料塔内用纯溶剂吸收气体混合物中的某溶质组分，进塔气体溶质浓度为0.01（摩尔比，下同），混合气质量流量为1400kg/h，平均摩尔质量为29，操作液气比为1.5，在操作条件下气液平衡关系为Y*=1.5X，当两相逆流操作时，工艺要求气体吸收率为95，现有一填料层高度为7m、塔径为0.8m的填料塔，气相总体积传质系数为0.088kmol/（m3s），问：（1）操作液气比是最小液气比的多少倍？（2）出塔液体的浓度；（3）该塔是否合适？,解：（1）,（2）,（3）,190.30=5.7m,Z需要=5.7m1时NNOG,回顾两个问题：（1）理论板和传质单元在概念上的区别经过一层理论板的组成变化，是使得离去的气、液两相达到平衡，它并没有涉及到传质动力学；而经过一个传质单元的组成变化是与其平均推动力相等，因而出发点是传质速率方程。（2）连续接触式设备和逐级接触式设备的计算中所用到的条件对填料层高度的计算需要应用物料衡算、气液相平衡和传质速率方程三种关系；而对理论板数的计算中，只需用到物料衡算、气液相平衡关系，传质动力学因素则包括在板效率中。,吸收过程的设计型计算,方法步骤：任务：1）已知欲分离的气体混合物体系，处理量Gkmol/s，进塔浓度y1，要求的尾气浓度y2或溶质组分的回收率=V（y1-y2）/Vy1=1y2/y12）吸收剂及操作温度、压强的确定：对给定的气体混合物，往往可用不同的吸收剂去处理，根据手册、资料，以及同一生产任务的实际生产情况。确定操作压强和温度。对于不同的吸收情况，按已发表的一些经验的传质速率计算式计算。3）填料的选择：种类、材质及尺寸等,见塔设备章节。,2.计算工具：平衡关系：平衡关系Y=mX；Y=mX+b；或Y=f（X）操作线方程：G（Y-Y2）=L（X-X2）吸收基本方程：H=HOGNOG=（）或H=HOLNOL=,3.确定吸收剂进塔浓度：,若用纯溶剂，吸收效果好，但溶剂只能一次性使用，吸收完即弃之或作为产品。若需吸收剂循环使用，采用吸收与解吸联合操作，降低势必提高对解吸的要求，因此需综合考虑。的最大极限是与对应的*，因此必须小于*。可根据上述上下限范围经技术、经济比较后，确定的值。,吸收剂用量的确定：,（.）min,kG、kL或G、L的计算或查取：由手册或专著查得,塔径的确定：,根据气体流量、气体组成及气体密度，可算出气体的体积流量，在根据适宜的空塔气速空塔，即可算出塔径，=4V/（u）适宜的空塔气速与采用的填料大小、性质以及气液流量比等因素有关。,填料层高度的计算附属设备的选定及计算,例：用20的清水逆流吸收直径为0.8m的填料塔内氨空气混合气中的氨，总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.0133kPa，每小时送入的混合气体量为1400kg，水吸收混合气中氨的吸收率为99.5。在操作条件下物系的平衡关系为Y*=0.75X，气相传质系数KYa=0.088kmol/(m3s)，若吸收剂用量为最小用量的1.4倍，求塔内每小时所需清水的量与填料层的高度？,解：,（1）,X2=0,混合气体摩尔质量空气摩尔质量,惰性气体量混合气体量,（2）,X1=X2+V（Y1-Y2）/L=0+,实际吸收剂用量L=1.4Lmin=1.436=50.4kmol/h,Y1*=0.75X1=0.750.0127=0.0095Y2*=0,Y1=Y1-Y1*=0.0133-0.0095=0.0038Y2=Y2-Y2*=0.000066-0=0.000066,=D2/4=(0.8)2/4=0.5(m)2,操作型计算命题:第一类命题:计算目的:气液两相的出口含量。给定条件：吸收塔的高度及其它尺寸，气液两相的流量、进口含量，平衡关系及流动方式，两相总传质系数Ky或Kx。,第二类命题:计算目的:吸收剂的用量及出口含量。给定条件：吸收塔的高度及其它尺寸，气体的流量及出口含量，吸收剂的进口含量，气液两相的平衡关系及流动方式，两相总传质系数Ky或Kx。,【例】有一吸收塔，填料层高度为3m，在常压、20用清水来吸收氨和空气混合气体中的氨,吸收率为99%,进口气体中含氨6%（体积%）,进口气体速率为580,进口清水速率为770,，假设在等温条件下逆流,且,流速的0.8次方成正比，分别计算改变下列操作条件后，达到相同分离程度所需填料层高度。将操作压强增加一倍(P=202.6kPa),其他条件不变。将进口清水量增加一倍，其他条件不变。将进口气体流量增加一倍，其他条件不变。,吸收操作，平衡关系,与气体质量,208,解题思路：首先通过已知Z=3m，以及未改变条件时的数据，和Z的计算公式，求出,即已知Z,y1,y2,x2,m,V,L,P可求,然后通过改变条件，对Z计算式各种参数的影响，分别计算新的Z。,从上式看出：总压P对m有影响，对Z有影响。液体流量L，对Z有明显影响。气体流量V，对,有影响，对Z有影响。,209,解题过程：1.求现有条件下的,210,2分别计算：,211,212,213,总压对相平衡系数m的影响，总压增加，m变小，平衡线愈靠近横轴，传质推动力增大，所以Z变小，由3m减少至1.198m。液体流量增大、操作线方程斜率（L/V）增大，传质推动力亦增大，所以Z变小。气体流量增大、操作线方程斜率（L/V）减小，传质推动力减小，传质单元数量是增大的。气体流量增大、气相传质总系数,也增大20.8,传质单元高度,两个增大的影响因素，使Z增大较多，由3m增至7.92m。,总的影响是增大20.2。,214,六影响吸收过程的主要因素,1.温度的影响,设计型：（气液入塔条件及吸收率不变）,Y1,Y2,X2,L,V不变X1不变操作线不变。,Tm平衡线靠近操作线推动力NOG,SNOG,液膜控制：Tm阻力HOG。气膜控制：HOG不变。,温度升高，完成任务所需的填料层高度增大。不利,操作型：（气液入塔条件及设备不变）,Y1,X2,L,V，Z不变当温度变化操作结果？,液膜控制：TmHOGNOGmSNOG但NOG须Y2气膜控制：THOG不变NOG不变Y2X1Ym。,2.压力的影响,压力越大，阻力越小，HOG越小。气膜控制，KY正比压力。,3.气体流况的影响,气体的流量与湍动程度对V和KY有影响。,4.液体流况的影响（调节操作的常用办法）,液体的流量与湍动程度对KY有影响。气膜控制：无影响。,5.逆流并流,HOG和NOG都不变。,强化吸收过程的措施,强化吸收过程即提高吸收速率。吸收速率为吸收推动力与吸收阻力之比，故强化吸收过程从以下两个方面考虑：提高吸收过程的推动力；）降低吸收过程的阻力。,218,1提高吸收过程的推动力（1）逆流操作（2）提高吸收剂的流量通常混合气体入口条件由前一工序决定，即气体流量V、气体入塔组成一定，如果吸收操作采用的吸收剂流量L提高，即L/V提高，则吸收的操作线上扬，气体出口浓度下降，吸收程度加大，吸收推动力提高，因而提高了吸收速率。,219,220,（3）降低吸收剂入口温度当吸收过程其它条件不变，吸收剂温度降低时，相平衡常数将增加，吸收的操作线远离平衡线，吸收推动力增加，从而导致吸收速率加快。（4）降低吸收剂入口溶质的浓度当吸收剂入口浓度降低时，液相入口处吸收的推动力增加，从而使全塔的吸收推动力增加。,2降低吸收过程的传质阻力（1）提高流体流动的湍动程度吸收的总阻力包括：气相与界面的对流传质阻力；溶质组分在界面处的溶解阻力；液相与界面的对流传质阻力。,221,通常界面处溶解阻力很小，故总吸收阻力由两相传质阻力的大小决定。若一相阻力远远大于另一相阻力，则阻力大的一相传质过程为整个吸收过程的控制步骤，只有降低控制步骤的传质阻力，才能有效地降低总阻力。降低吸收过程传质阻力的具体有效措施：1）若气相传质阻力大，提高气相的湍动程度，如加大气体的流速，可有效地降低吸收阻力；,222,2）若液相传质阻力大，提高液相的湍动程度，如加大液体的流速，可有效地降低吸收阻力。（2）改善填料的性能因吸收总传质阻力可用表示，所以通过采用新型填料，改善填料性能，提高填料的相际传质面积a，也可降低吸收的总阻力。,223,2.5吸收系数,可将吸收系数与传热系数加以类比：,获取吸收系数的途径：3条实验测定；经验式；准数式。2.5.1吸收系数的测定1.总体积吸收系数,稳定状态下：Y1、Y2、VGA、VP、YmKYa,2.分吸收系数造成气膜或液膜控制过程其中一相阻力可推算,水吸收低浓NH3时的kGa（气膜控制）,氧气难溶于水液膜控制：,2.5.2吸收系数的经验公式,1.用水吸收氨：易溶，气膜阻力大，但液膜阻力10%。,适用条件：12.5mm的陶瓷环形填料。,2.常压下水吸收二氧化碳难溶，阻力集中于液膜：,3.水吸收二氧化硫：中等溶解度,条件苛刻，适用范围窄,2.5.3准数关联式：,1.传质中常用的几个准数Sherwood准数Sh(相当于Nu，关联）,Schmidt准数Sc(相当于Pr，关联物性）,Reynolds准数,Gallilio准数液体重力与黏滞力关系,2.计算气膜吸收系数的关联式3.计算液膜吸收系数的关联式4.液相及气相传质单元高度的关联式,解吸过程：溶质从吸收液中分离出的操作，称为解吸。,解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生循环使用。,八、解吸塔的计算,（一）解吸条件及传质方向,传质方向：溶质由液相向气相传递。,1气提解吸：,2减压解吸：,3加热解吸：,（二）解吸方法,或,解吸能耗大，整个吸收过程的能耗主要在解吸。,1、解吸过程的特点解吸是吸收的逆过程，推动力与吸收相反。气相推动力：y=y*-y液相推动力：x=xx*解吸塔的浓端与稀端与吸收塔相反，塔顶为浓端，塔底为稀端。操作线位于平衡线下方。,(三）解吸塔计算（低浓度气体逆流解吸）