第八章 气体吸收

1、合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 1 第二节第二节 气液相平衡气液相平衡 第八章第八章 气体吸收气体吸收 第一节第一节 概述概述 第三节第三节 吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率 第四节第四节 吸收塔的计算吸收塔的计算 第五节第五节 填料塔填料塔 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 2 第一节第一节 概述概述 一、吸收操作的应用一、吸收操作的应用 二、吸收过程与设备二、吸收过程与设备 三、吸收过程分类三、吸收过程分类 四、吸收剂的选择四、吸收剂的选择 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 3 一、气体操作的应用一、气体操作的应用 （1 1）分离

2、混合气体以获得一定的组分。分离混合气体以获得一定的组分。 （2 2）除去有害组分以净化或精制气体。除去有害组分以净化或精制气体。 （3 3）制备某种气体的溶液。制备某种气体的溶液。 （4 4）工业废气的治理。工业废气的治理。 吸收的依据吸收的依据 混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 4 二、吸收过程与设备二、吸收过程与设备 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 5 吸收与解吸流程吸收与解吸流程 含苯煤气含苯煤气 脱苯煤气脱苯煤气 洗油洗油 苯苯 水水 过热蒸汽过热蒸汽 加热器加热器 冷却

3、器冷却器 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 6 （1 1）物理吸收物理吸收和化学吸收和化学吸收 （2 2）单组分吸收单组分吸收和多组分吸收和多组分吸收 （3 3）等温吸收等温吸收和非等温吸收和非等温吸收 （4 4）高浓度吸收和）高浓度吸收和低浓度吸收低浓度吸收 （1 1）溶解度大；）溶解度大； 三、吸收过程的分类三、吸收过程的分类 四、吸收剂的选择四、吸收剂的选择 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 7 （2 2）选择性高；）选择性高； （3 3）再生容易；）再生容易； （4 4）挥发性小；）挥发性小； （5 5）粘度低；）粘度低； （6 6）化学稳定性高；）

4、化学稳定性高； （7 7）腐蚀性低；）腐蚀性低； （8 8）无毒、无害、价廉等。）无毒、无害、价廉等。 选择原则：经济、合理。选择原则：经济、合理。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 8 第二节第二节 气液相平衡气液相平衡 一、一、 平衡溶解度平衡溶解度 二、二、 亨亨利定律利定律 三、三、 气液相平衡关系在吸收中的应用气液相平衡关系在吸收中的应用 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 9 一、平衡溶解度一、平衡溶解度 平衡状态：平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收一定压力和温度，一定量的吸收 剂与混合气体充分接触，气相剂与混合气体充分接触，气相 中的溶质中的

5、溶质 向溶剂中转移，长期充分接向溶剂中转移，长期充分接 触后，液相触后，液相 中溶质组分的浓度不再增加，此时，气中溶质组分的浓度不再增加，此时，气 液两相达到平衡。液两相达到平衡。 饱和浓度饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡时溶质在液相中的浓度。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 10 平衡分压：平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。平衡时气相中溶质的分压。 平衡状态的因素平衡状态的因素 FC 2=32+2=3 当压力不太高、温度一定时当压力不太高、温度一定时 p*A =f1（ x ） y*=f2（x） p*A =f3（ cA ） 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材

6、料工程系 11 氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 12 2020下下SOSO2 2在水中的溶解度在水中的溶解度 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 13 几种气体在水中的溶解度曲线 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 14 讨论：讨论： （2）温度、）温度、y一一定，定，总压增加总压增加，在同一溶剂中，在同一溶剂中， 溶质的溶解度溶质的溶解度x随之增加，随之增加，有利于吸收有利于吸收 。 （1）总压、）总压、y一一定，定，温度下降温度下降，在同一溶剂中，在同一溶剂中， 溶质的溶解度溶质的溶解度x随之增加，随之增

7、加，有利于吸收有利于吸收 。 （3）相同的总压及摩尔分率，）相同的总压及摩尔分率， cO2 cCO2 cSO2 x或或 A * A cc * AA ppA由气相向液相传质，吸收过程由气相向液相传质，吸收过程 * AA pp 平衡状态平衡状态 * AA pp A由液相向气相传质，解吸过程由液相向气相传质，解吸过程 吸收过程：吸收过程： 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 22 （二）二）指明过程进行的极限指明过程进行的极限 过程极限：相平衡过程极限：相平衡。 y P y x A B C x y* y* y 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 23 （1）逆流吸收，

8、塔高无限，）逆流吸收，塔高无限， 2 * 2min2, mxyyL V，y2 V，y1 L，x2 L，x1 （2）逆流吸收，塔高无限，）逆流吸收，塔高无限， m y xL 1 max, 1 （三）三）确定过程的推动力确定过程的推动力 （1）吸收过程推动力的表达式）吸收过程推动力的表达式 * AA pp y - y*或或x* -x或或 A * A cc 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 24 （2）在）在xy图上图上 A P y y* x x* 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 25 第三节第三节 吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率 一、一、 分子扩散与菲克

9、定律分子扩散与菲克定律 六、六、 两相间两相间的双模理论的双模理论 四、四、 分子扩散系数分子扩散系数 七、七、 总传质速率方程总传质速率方程 二、二、 等摩尔逆向扩散等摩尔逆向扩散 三、三、 组分组分A A通过静止组分通过静止组分B B的扩散的扩散 五、五、 单相内对流传质单相内对流传质 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 26 吸收过程：吸收过程： （1）A由气相主体到相界面，由气相主体到相界面，气相内传递气相内传递； （2）A在相界面上溶解，溶解过程；在相界面上溶解，溶解过程； （3）A自相界面到液相主体，自相界面到液相主体，液相内传递液相内传递。 单相内传递方式：分子扩

10、散；对流扩散单相内传递方式：分子扩散；对流扩散 。 一、一、 分子扩散与菲克定律分子扩散与菲克定律 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 27 分子扩散分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存：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，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。这种现象称为分子扩散。 扩散速率扩散速率：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截 面积扩散的物质量，面积扩散的物质量，J表示，表示， kmol/(m2

11、s)。 菲克定律菲克定律：温度、总压一定，组分：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一在扩散方向上任一 点处的扩散通量与该处点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。的浓度梯度成正比。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 28 z c DJ d d A ABA JA组分组分A扩散速率（扩散通量），扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2s）；）； 组分组分A在扩散方向在扩散方向z上的浓度梯度（上的浓度梯度（kmol/m3）/m； z c d d A DAB组分组分A在在B组分中的扩散系数，组分中的扩散系数，m2/s。 负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿负号：表示扩散方向

12、与浓度梯度方向相反，扩散沿 着浓度降低的方向进行着浓度降低的方向进行 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 29 理想气体：理想气体： RT p c A A z c d d A z p RT d d1 A = z p RT D J d d AAB A 分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分分子扩散两种形式：等摩尔逆向扩散，组分A通过通过 静止组分静止组分B的扩散。的扩散。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 30 JA JB T P pA2 pB2 T P pA1 pB1 12 二、等摩尔逆向扩散二、等摩尔逆向扩散 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程

13、系 31 等摩尔逆向扩散：等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。 z p RT D J d d AAB A z p RT D J d d BBA B B ppp A 总压一定总压一定 z p d d A = z p d d B 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 32 JA=JB DAB=DBA=D 等分子反向扩散传质速率方程等分子反向扩散传质速率方程 传质速率定义：任一固定的空间位置上，传质速率定义：任一固定的空间位置上， 单位时间单位时间 内通过单位面积的物质量，记作内通过单位面积的物质量，记作N,

14、 kmol/(m2 s) 。 NA= z p RT D J d d A A 气相：气相： 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 33 )( A2A1A cc z D N NA= z c DJ d d A ABA )( A2A1A pp RTz D N 液相：液相： 讨论讨论 1） 21AAA ppN 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 34 2）组分的浓度与扩散距离）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。成直线关系。 3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。 p pB1 pA1 pA2 pB2 扩散距离扩散距离z 0 z p 三、三、

15、 组分组分A A通过静止组分通过静止组分B B的扩散的扩散 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 35 1 2 JA JB NMcA/c NMcB/c NM NA （1）整体移动：因溶质扩散）整体移动：因溶质扩散 到界面溶解于溶剂中，造到界面溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微小压差，成界面与主体的微小压差， 使得混合物向界面处的流使得混合物向界面处的流 动。动。 （2）整体移动的特点：）整体移动的特点： 1）因分子本身扩散引起的宏观流动。）因分子本身扩散引起的宏观流动。 2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩 尔尔 分率。分率。 合

16、肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 36 c c NN A MMA c c NN B MMB c c NJN A MAA c c NJN B MBB c c NJ B MB 0 z c cc Dc N d d A A A 微分式微分式 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 37 在气相扩散在气相扩散 RT p c A A RT p c z p ppRT Dp N d d )( A A A B1 B2 A ln p p RTz Dp N 积分式积分式 )( A2A1 Bm A pp RTzp Dp N 积分式积分式 B1 B2 B1B2 Bm ln p p pp p

17、合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 38 S1 S2 S1S2 Sm ln c c cc c )( A2A1 Sm A cc zc Dc N 积分式积分式 液相：液相： （4）讨论）讨论 1）组分）组分A的浓度与扩散距离的浓度与扩散距离z为指数关系为指数关系 Bm p p 2） Sm c c 、 漂流因子，漂流因子，无因次无因次 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 39 漂流因子意义漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影：其大小反映了整体移动对传质速率的影 响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大

18、的倍数。散增大的倍数。 1 Bm p p 1 Sm c c 漂流因子的影响因素：漂流因子的影响因素： 浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。 低浓度时，漂流因数近似等于低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。，总体流动的影响小。 3）单向扩散体现在吸收过程中。）单向扩散体现在吸收过程中。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 40 扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；数之一；D，m2/

19、s。 D的影响因素：的影响因素：A、B、T、P、浓度浓度 D的来源：查手册；半经验公式；测定的来源：查手册；半经验公式；测定 四、分子扩散系数四、分子扩散系数 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 41 （1）气相中的）气相中的D 范围：范围：10-510-4m2/s 经验公式经验公式 D pDT p T DpTfD )( 75. 1 ， （2）液相中的）液相中的D 范围：范围：10-1010-9m2/s D DT T DTfD )( ， 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 42 五、五、 单相内的对流传质单相内的对流传质 涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部涡

20、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混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流扩散。向传递，这种现象称为涡流扩散。 z c DJ e e d d A , A 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 43 e J , A涡流扩散速率，涡流扩散速率，kmol/(m2s)； e D涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s。 注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性 常数，其值与流体流动

21、状态及所处的位置有常数，其值与流体流动状态及所处的位置有 关关 。 总扩散通量：总扩散通量： z c )D(DJ e d d A A 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 44 T TW tW t 热流体热流体冷流体冷流体 pAG pAi cAi cAL 气相气相液相液相 zTztzGzL E （一）单相内对流传质的有效膜模型一）单相内对流传质的有效膜模型 单相内对流传质过程单相内对流传质过程 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 45 1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质子扩散，溶质A的浓度梯度较大，的浓度梯

22、度较大，pA随随z的的 变化较陡。变化较陡。 2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散， 溶质浓度均一化，溶质浓度均一化，pA随随z的变化近似为水的变化近似为水 平线。平线。 3）过渡区：分子扩散）过渡区：分子扩散+涡流扩散，涡流扩散，pA随随z的的 变化逐渐平缓。变化逐渐平缓。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 46 有效膜模型有效膜模型 单相对流传质的传质单相对流传质的传质阻力阻力全部集中在一层全部集中在一层虚虚 拟的膜拟的膜层内，膜层内的传质形式层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散仅为分子扩散 。 （二）气相传质速率方程（二）气相传质速

23、率方程 有效膜厚有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流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体主体浓度线相交于一点E，则厚度则厚度zG为为E到相界到相界 面的垂直距离。面的垂直距离。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 47 AAGAi GBm Dp N(pp) RTz p )( i AAGGA ppkN G GBm Dp k RTz p 以分压差表示推动力的气膜传质分系数，以分压差表示推动力的气膜传质分系数， kmol/（m2skPa）。）。 G k =传质系数传质系数吸收的推动力吸收的推动力 A N 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 4

24、8 气相对流传质速率方程有以下几种形式：气相对流传质速率方程有以下几种形式： )( i AAGGA ppkN )( Aiy yykN y k以气相摩尔分率表示推动力的气膜传以气相摩尔分率表示推动力的气膜传 质分系数，质分系数，kmol/（m2s）；）； 各气相传质分系数之间的关系：各气相传质分系数之间的关系： pyp AG ii pyp A G pkk y 带入上式带入上式 )( i AAGGA ppkN 与与)( Aiy yykN 比较比较 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 49 AAiAL LBm () D c Ncc z c )( AL i ALA cckN L LBm

25、 D c k z c 液相传质速率方程有以下几种形式：液相传质速率方程有以下几种形式： )( A xxkN ix )( AL i ALA cckN （二）液相传质速率方程（二）液相传质速率方程 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 50 kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜 对流传质分系数，对流传质分系数，kmol/（m2skmol/m3）；）； x k以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜 对流传质分系数，对流传质分系数，kmol/（m2s）；）； 各液相传质分系数之间的关系：各液相传质分系数之间的关系： L c

26、kk x 注意：注意： 对流传质系数对流传质系数=f (操作条件、流动状态、物性）操作条件、流动状态、物性） 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 51 六、六、 两相间传质的两相间传质的双模理论双模理论 相际对流传质三大模型：双膜模型相际对流传质三大模型：双膜模型 溶质渗透模型溶质渗透模型 表面更新模型表面更新模型 （一）一）双膜理论双膜理论 pAG pAi cAi cAL 气相气相液相液相 zGzL E 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 52 双膜模型的基本论点（假设）双膜模型的基本论点（假设） （1）气液两相存在一个）气液两相存在一个稳定的相界面稳定的相界

27、面，界面两侧存，界面两侧存 在稳定的在稳定的气膜和液膜气膜和液膜。膜内为。膜内为层流层流，A以以分子扩分子扩 散散方式通过气膜和液膜。方式通过气膜和液膜。 （2）相界面相界面处两相达平衡，处两相达平衡，无扩散阻力无扩散阻力。 （3）有效）有效膜以外膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以主体中，充分湍动，溶质主要以 涡流扩散涡流扩散的形式传质。的形式传质。 双膜模型也称为双膜模型也称为双膜阻力双膜阻力模型模型 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 53 （一）一）气相传质速率方程气相传质速率方程 )( * AAGA ppKN )( * A yyKN y G K以气相分压差表示推动力的气

28、相总传质以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，系数，kmol/（m2skPa）；）； y K以气相摩尔分率差表示推动力的气相以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，总传质系数，kmol/（m2s）；）； )( * A YYKN Y Y K以气相摩尔比差表示推动力的气相以气相摩尔比差表示推动力的气相 总传质系数，总传质系数，kmol/（m2s）；）； 七、总传质速率方程七、总传质速率方程 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 54 （二）二）液相总传质速率方程液相总传质速率方程 )( A * ALA ccKN )( * A XXKN X L K 以液相浓度差表示推动力的液

29、相总传以液相浓度差表示推动力的液相总传 质系数，质系数，kmol/m2skmol/m3）；）； x K以液相摩尔分率差表示推动力的液相以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数，总传质系数，kmol/（m2s）；）； )( * A xxKN x X K以液相摩尔比差表示推动力的液相以液相摩尔比差表示推动力的液相 总传质系数，总传质系数，kmol/（m2s）；）； 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 55 GLG 111 kHkK GLL 11 k H kK LG HKK xyy k m kK 11 yxx mkkK 111 xy KmK 根据双膜理论根据双膜理论 （三）三）总

30、传质系数与单相传质分系数之间的关系总传质系数与单相传质分系数之间的关系 系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 56 （四）四）总传质系数之间的关系总传质系数之间的关系 y KpK G x KcK L XYY k m kK 11 YXX mkkK 111 XY KmK Y KpK G X KcK L 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 57 （五）五）传质速率的控制传质速率的控制 GLG 1 1 1 kHkK GLL 1 1 k H kK 1 1 yxy kk m K YXX mk

31、kK 1 1 1 相间传质总阻力相间传质总阻力 = 液相液相(膜膜)阻力阻力 +气相气相(膜膜)阻力阻力 注意注意:传质系数、传质阻力传质系数、传质阻力 与推动力一一对应。 与推动力一一对应。 1 1 YXY kk m K yxx mkkK 1 1 1 1.传质阻力传质阻力 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 58 2.传质速率的控制步骤传质速率的控制步骤 （1 1）气膜控制）气膜控制 气膜控制气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程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）。为气相阻力控制（气膜控制）。 G 1 K G 1 k H 较大易溶气体较大易溶

32、气体 气膜控制的特点：气膜控制的特点： AiA * AA pppp .pA I pAi cAcAi * A c * A p )( * AA ppkN GA 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 59 提高传质速率的措施：提高气体流速；提高传质速率的措施：提高气体流速； 加强气相湍流程度。加强气相湍流程度。 （2 2）液膜控制）液膜控制 液膜控制液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程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）为液相阻力控制（液膜控制） 液膜控制的特点：液膜控制的特点： LL 11 kK H较小难溶气体较小难溶气体 AAiA * A cccc

33、 .A p Ai p * A p A c Ai c * A c )( A * ALA cckN 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 60 提高传质速率的措施：提高液体流速；提高传质速率的措施：提高液体流速； 加强液相湍流程度。加强液相湍流程度。 YY kK 1 1 同理：同理： 气膜控制：气膜控制： XX kK 1 1 液膜控制：液膜控制： i YYYY * m小易溶气体小易溶气体 )( * YYkN YA m大难溶气体大难溶气体 XXXX i * )( * XXkN XA 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 61 第四节第四节 吸收塔的计算吸收塔的计算 一、物

34、料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程 二、吸收剂的用量最小液气比二、吸收剂的用量最小液气比 三、填料层高度的计算三、填料层高度的计算 四、四、吸收塔的操作计算吸收塔的操作计算 五、解吸塔的计算五、解吸塔的计算 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 62 传质设备：传质设备： 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 63 操作型：核算；操作型：核算； 操作条件与吸收结果的关系。操作条件与吸收结果的关系。 计算依据：物料衡算计算依据：物料衡算 相平衡相平衡 吸收速率方程吸收速率方程 吸收塔的计算内容：吸收塔的计算内容： 设计型：流向、流程、吸收剂用量、设计型：流向、

35、流程、吸收剂用量、 吸收剂浓度、塔高、塔径吸收剂浓度、塔高、塔径 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 64 一、物料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程 物料衡算物料衡算 定态，假设定态，假设S不挥发，不挥发，B不溶于不溶于S 全塔范围内，对全塔范围内，对A作物料衡算作物料衡算 ： GY1+LX2=GY2+LX1 G（Y1Y2）=L（X1X2） G,Y2 G,Y1 L,X2 L,X1 1212 11 ()G YYYY GYY 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 65 X1=X2G（Y1Y2）/L 操作线方程式及操作线操作线方程式及操作线 （1）逆流吸收）逆流

36、吸收 G，Y2 G，Y1 L，X2 L，X1 G，Y L，X GY+LX2=GY2+LX 22 () LL YXYX GG Y2=Y1（1 ） A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 66 11 () LL YXYX GG 同理：同理： 逆流吸收操作线具有如下特点：逆流吸收操作线具有如下特点： X Y1 Y2 X1X2 A B L G )( * XfY Y 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 67 3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系 统

37、的平衡关系、塔型及操作条件统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。无关。 2）操作线通过塔顶（稀端）操作线通过塔顶（稀端） A （X2，Y2）及及塔底塔底 （浓端）（浓端） B （X1， Y1）; 1）定态，）定态，L、G、Y1、X2恒定，操作线在恒定，操作线在XY 坐标上为一直线，斜率为坐标上为一直线，斜率为L/G 。 L/G为吸收为吸收 操作的操作的液气比液气比； 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 68 5）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大；离平衡线愈远吸收的推动力愈大； 4）吸收操作线在平衡

38、线的上方，解吸操作线在平）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平 衡线衡线OE下方。下方。 X A B )( * XfY Y K. Y XX* Y* 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 69 （2）并流吸收）并流吸收 G,Y2 G,Y1 L,X2 L,X1 V,Y L,X GY+LX=GY2+ LX2 22 () LL YXYX GG Y2 Y1 X2 X1 A B X Y 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 70 逆流与并流的比较：逆流与并流的比较： 1）逆流推动力均匀，且）逆流推动力均匀，且 并流并流逆流逆流mm YY 2） Y1大，逆流时大，逆流时Y1与

39、与X1在塔底相迂有利于提高在塔底相迂有利于提高X1； ； X2小，逆流时小，逆流时Y2与与X2在塔顶相迂有利于降低在塔顶相迂有利于降低Y2。 逆流与并流操作线练习逆流与并流操作线练习 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 71 Y3 X2 X1Y1 Y2 X2 Y2 X3 C C D D A A B B Y1 Y2 Y3 X1 X2X3 C C D D A A B B 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 72 二、吸收剂的用量最小液气比二、吸收剂的用量最小液气比 B1 Y1 Y2 A B O E X Y X2X1 X*1 P 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程

40、系材料工程系 73 （一）一）最小液气比最小液气比 最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和 吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分 离程度所需塔高无穷大时的液气比。离程度所需塔高无穷大时的液气比。 min L G 最小液气比的计算最小液气比的计算 1.平衡曲线一般情况平衡曲线一般情况 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 74 12 * min12 YYL GXX X*1与与Y1相平衡的液相组成。相平衡的液相组成。 平衡关系符合亨利定律时：平衡关系符合亨利定律时： 12 1

41、 min 2 YYL Y G X m 2.平衡曲线为凸形曲线情况平衡曲线为凸形曲线情况 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 75 12 min1,max2 YYL GXX 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 76 （二）操作液气比二）操作液气比 设备费设备费,ZY V L 再生费再生费 ，并不总有效，并不总有效设备费设备费 ,L ,ZY V L (1.12.0) L G min V L 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 77 三、填料层高度的计算三、填料层高度的计算 传质单元数法传质单元数法 （一）填料层高度的基本计算式（一）填料层高度的基本计

42、算式 adzNXLYVG A ddd A Z Y Y+dY X X+dX Z dZ Y2 X2 X1 Y1 单位时间，单位时间，dZ内吸收内吸收A的量：的量： 塔截面积，塔截面积，; GAA的流率，的流率，kmol/(s)； G惰性气体流率，惰性气体流率，kmol/(s)； L吸收剂流率，吸收剂流率， kmol/(s)。 *)(YYKN YA 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 78 a单位体积填料的有效传质面积，单位体积填料的有效传质面积，/m3。 * d d Y GY Z K aYY 1 2 * d Y Y Y GY Z K aYY 1 2 * OG d Y Y YY Y

43、N aK V H Y OG 填料层高度填料层高度 OGOG HNZ 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 79 同理：同理：OLOL HNZ GG HNZ LL HNZ aK L H X OL 1 2 * OL d X X XX X N ak V H Y G 1 2 G d Y Y i YY Y N ak L H X L 1 2 d L X X i XX X N 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 80 气相总体积传质系数，气相总体积传质系数，kmol/（m3s） aKY aK X 液相总体积传质系数，液相总体积传质系数，kmol/（m3s） 填料层高度可用下面的

44、通式计算：填料层高度可用下面的通式计算： Z=传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数 体积传质系数的物理意义：体积传质系数的物理意义： 在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收 的溶质量。的溶质量。 （二）传质单元数与传质单元高度（二）传质单元数与传质单元高度 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 81 1 2 * d Y Y Y GY Z K aYY 以以 为例为例（1）传质单元数）传质单元数 OL H OL N、液相总传质单元高度液相总传质单元高度、总传质单元数、总传质单元数 GG HN 、气相传质单元高度气相传质单元

45、高度 、传质单元数、传质单元数 LL HN 、液相传质单元高度液相传质单元高度 、传质单元数、传质单元数 OGOG HN、 气相总传质单元高度气相总传质单元高度、总传质单元数、总传质单元数 定义定义： 气相总传质单元数气相总传质单元数 1 2 * OG d Y Y YY Y N 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 82 传质单元数的意义传质单元数的意义： 反映了取得一定吸收效果的难易程度。反映了取得一定吸收效果的难易程度。 平平均均推推动动力力 组组成成变变化化 m * 21 * OG )( d 1 2YY YY YY Y N Y Y 气体流经一段填料，溶质组成变化（气体流经一

46、段填料，溶质组成变化（Y1 Y2）等）等 于该段填料平均吸收推动力（于该段填料平均吸收推动力（YY*）m时，该段填时，该段填 料为一个传质单元。料为一个传质单元。 的意义：的意义：1 OG N 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 83 （2）传质单元高度）传质单元高度 定义定义： OG Y G H K a 气相总传质单元高度，气相总传质单元高度，m。 传质单元高度的意义传质单元高度的意义: 完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度， 反映了吸收设备效能的高低。反映了吸收设备效能的高低。 传质单元高度影响因素传质单元高度影响因素： 填料性

47、能、流动状况填料性能、流动状况 体积总传质系数与传质单元高度的关系体积总传质系数与传质单元高度的关系: 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 84 传质单元高度变化范围：传质单元高度变化范围：0.101.0m。 各种传质单元高度之间的关系各种传质单元高度之间的关系 平衡线斜率为平衡线斜率为m XYY k m kK 11 YYX GGmGL K ak ak a L OGGL mG HHH L 0.7 0.80.3 0.2 G , Y Y K aGV K a 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 85 OLLG L HHH mG 同理同理 ： OGOL mG HH L

48、比较上式：比较上式： （三）传质单元数的计算（三）传质单元数的计算 1.1.对数平均推动力法对数平均推动力法 气液平衡线为直线气液平衡线为直线 bmXY * 操作线也为直线操作线也为直线 11 () LL YXYX GG 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 86 OG N m 21 Y YY 2 1 21 m ln Y Y YY Y * 111 YYY * 222 YYY 同理：同理： OL N m 21 X XX 2 1 21 m ln X X XX X 1 * 11 XXX 2 * 22 XXX 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 87 平衡线与操作线平行平

49、衡线与操作线平行 时，时， * 22 * 11 * YYYYYY OG N * 11 21 YY YY * 22 21 YY YY 当当 、 时，对数平均推动力可用算术时，对数平均推动力可用算术 平均推动力平均推动力 。 2 2 1 Y Y 2 2 1 X X 注意：注意： 平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收 皆可。皆可。 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 88 2.2.吸收因数法吸收因数法 平衡线为通过原点的直线平衡线为通过原点的直线 ，服从亨利定律服从亨利定律 mXY * 22 () G XYYX L 1 2 *

50、OG d Y Y YY Y N 1 2 d Y YmXY Y 逆流为例：逆流为例： 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 89 L mV S S解吸因数解吸因数 （脱吸因数）（脱吸因数） S mXY mXY S S N 22 21 OG 1ln 1 1 22 12 YmX YmX 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 90 注意：图的适用范围为注意：图的适用范围为 0.05及及 S1。 22 12 YmX YmX 3.3.图解积分法图解积分法 平衡线曲线时平衡线曲线时 图解积分法步骤如下：图解积分法步骤如下： 1 2 * OG d Y Y YY Y N 合肥学院化学

51、与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 91 操作线上任取一点（操作线上任取一点（X, Y），其推动力为），其推动力为(Y - Y*)。 系列系列Y 作图得曲线。作图得曲线。 * 1 YY 积分计算积分计算Y2至至Y1范围内的阴影面积。范围内的阴影面积。 1 2 * OG d Y Y YY Y N 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 92 命题：命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的 分析和计算分析和计算; 吸收塔的核算。吸收塔的核算。 定性分析定性分析 例例 在一填料塔中用清水吸收氨空气中的低浓氨在一填料塔中用清水吸收氨空气中的低浓

52、氨 气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则气，若清水量适量加大，其余操作条件不变，则Y2、 X1如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系如何变化？（已知体积传质系数随气量变化关系 为为 ） 0.8 Y k aG 四、四、 吸收塔操作计算吸收塔操作计算 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 93 定性分析步骤：定性分析步骤： 1）根据条件确定根据条件确定HOG、S； 2）利用）利用 ，确定，确定 的变化的变化; 3）采用吸收因数法确定采用吸收因数法确定Y2的变化的变化; 4）利用全塔物料衡算分析）利用全塔物料衡算分析X1变化。变化。 OGOG HNZ 水吸收混合气中的氨为气膜控制过程水吸收混合气中的氨为气膜控制过程 0.8 YY K ak aG 因气体流量因气体流量V不变不变 akYaKY 近似不变，近似不变，HOG不变不变 、 合肥学院化学与合肥学院化学与 材料工程系材料工程系 94 OGOG HNZ NOG不变不变 , S / m SL L G 22 21 mXY mXY 2 Y 12121 ()()L XXG YYGY 1 X 121 ()L XXGY 22 12