下册 第二章 吸收

1、1 第第二二章章 吸收吸收第一节 概述一、什么是吸收二、吸收的目的三、吸收分类四、吸收设备及流程五、吸收剂的选择2 第二节第二节 气液相平衡气液相平衡一、溶解度及溶解度曲线二、亨利定律 第三节第三节 吸收过程模型及吸收速率方程吸收过程模型及吸收速率方程 一、双膜模型 二、吸收速率方程 第四节第四节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算 一、物料衡算和操作线方程 二、吸收剂用量的确定 三、塔径的计算 四、填料层高度的计算 五、高浓气体吸收 六、解吸 第五节第五节 其他类型的吸收简介其他类型的吸收简介3第一节第一节 概述概述一、什么是吸收一、什么是吸收相界面相界面ABC

2、D气体混合物气体混合物液体液体S惰性组分惰性组分 吸收剂吸收剂 溶质溶质 利用利用气体混合物气体混合物中各组分在液体溶剂中中各组分在液体溶剂中溶解度的差异溶解度的差异来来分离气体混合物的操作称为分离气体混合物的操作称为吸收吸收。4二、吸收的目的二、吸收的目的1制取产品制取产品例如，用例如，用98%98%的硫酸吸收的硫酸吸收SOSO3 3气体制取气体制取98%98%硫酸；用水吸收氯化硫酸；用水吸收氯化氢制取氢制取31%31%的工业盐酸；用氨水吸收的工业盐酸；用氨水吸收COCO2 2生产碳酸氢铵等。生产碳酸氢铵等。2从气体中回收有用的组分从气体中回收有用的组分例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用

3、洗油从煤气中回例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。收粗苯等。3除去有害组分以净化气体除去有害组分以净化气体主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳；例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳； 燃煤锅炉燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱烟气、冶炼废气等脱SOSO2 2等。等。5吸收与精馏的区别：吸收与精馏的区别： 1精馏在混合物系内部产生两相，而吸收则是从混合物精馏在混合物系内部产生两相，而吸收则是从混合物系外界引入另一相。系外界引入另一相。 2精馏可直接获得较纯的组分，而吸收不

4、能直接获得较精馏可直接获得较纯的组分，而吸收不能直接获得较纯的组分。纯的组分。 3精馏中进行双向传质，而吸收中进行单向传质。精馏中进行双向传质，而吸收中进行单向传质。6 多组分吸收多组分吸收单组分吸收单组分吸收非等温吸收非等温吸收等温吸收等温吸收化学吸收化学吸收物理吸收物理吸收三、吸收分类三、吸收分类相界面相界面ABCD气体混合物气体混合物液体液体S惰性组分惰性组分 吸收剂吸收剂 溶质溶质 本章要介绍的本章要介绍的7 填料塔填料塔板式塔板式塔 吸收剂吸收剂 吸收尾气吸收尾气 吸吸 收收 塔塔 混合气混合气 吸收液吸收液 逆流吸收操作示意图逆流吸收操作示意图 气体气体 溶剂溶剂 1 n 被吸收气

5、体被吸收气体 板式塔板式塔 气体气体 溶剂溶剂 填料填料 被吸收气体被吸收气体 填料塔填料塔 四吸收设备及流程四吸收设备及流程1 1、吸收设备、吸收设备-塔设备塔设备 82吸收流程吸收流程单一吸收塔流程：单一吸收塔流程： 吸吸 解解 收收 吸吸 塔塔 塔塔 吸 收 -解 吸 流 程 吸收剂常常需要回收再利用9 （a）气、液串联（逆流）（b）气体串联、液体并联（逆流） 多塔吸收流程多塔吸收流程2吸收流程吸收流程多塔吸收流程多塔吸收流程 10五吸收剂的选择五吸收剂的选择5其它其它-无毒、无腐蚀性、不易燃烧、无毒、无腐蚀性、不易燃烧、 不发泡、价廉易得，并具有不发泡、价廉易得，并具有 化学稳定性等要

6、求。化学稳定性等要求。 A A+B S （气体）（气体） （液体）（液体） 1溶解度溶解度-对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有较大的溶解度2选择性选择性-对溶质组分有良好的选择性，对溶质组分有良好的选择性， 即对其它组分基本不吸收或吸收甚微，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微，3挥发性挥发性- 应不易挥发应不易挥发4黏性黏性- 黏度要低黏度要低11第二节第二节 气液相平衡气液相平衡一、溶解度及溶解度曲线一、溶解度及溶解度曲线 A A+B S （气体）（气体） （液体）（液体）3223 Ac( (对双组分气体对双组分气体) ) 1溶解度：气液两相达到相平衡时，溶质在液相中的浓度，溶解度：气液两相

7、达到相平衡时，溶质在液相中的浓度， 记为记为CA、x、X。 2平衡分压：气液两相达到相平衡时，溶质在气相中的平衡分压：气液两相达到相平衡时，溶质在气相中的 分压，记为分压，记为p*、y*、Y*。（溶解平衡）（溶解平衡）12 上述具体函数关系目前尚无法理论推得，需通过实上述具体函数关系目前尚无法理论推得，需通过实验方法对具体物系进行测定。验方法对具体物系进行测定。 AApfc 在几个大气压以内、温度在几个大气压以内、温度T一定条件下，一定条件下，-独立变量只有独立变量只有3个，例如：个，例如：T、P、pA AApPTfc, 对双组分气体吸收，所有变量共对双组分气体吸收，所有变量共4个：个： 温度

8、温度T、总压、总压P、气相组成、溶解度、气相组成、溶解度13几种气体在常压下在水中的溶解度几种气体在常压下在水中的溶解度与其在气相分压之间的关系与其在气相分压之间的关系14151.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 pA，atm O 2 CO2 SO2 NH3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10ncA，kmol/m3 O2n=3，CO2n=2，SO2n=1，NH3n=0 几种气体在几种气体在 20水中的水中的溶解度曲线溶解度曲线 难溶体系难溶体系溶解度适中体系溶解度适中体系 易溶体系易溶体系说明：说明：（1）不同气体的溶解）不同气体

9、的溶解 度差异很大度差异很大（2）对于稀溶液或极）对于稀溶液或极稀溶液，溶解度曲线近稀溶液，溶解度曲线近似为直线，即似为直线，即HcpiA-亨利定律亨利定律pA=723cApA=25.5cApA=0.36cApA=0.0136cA低温高压有利吸收低温高压有利吸收高温低压有利解吸高温低压有利解吸16吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。 温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶。对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。加压和降温对吸收操作有利。 17二、亨利定律二、亨利定律1、亨利定律、亨利定律 Exp *

10、 E亨利常数，单位与压强单位一致 。 E值取决于物系的特性及温度；温度T上升，E值增大； 在同一溶剂中，E值越大的气体越难溶。 2、亨利定律的其他表示形式、亨利定律的其他表示形式 1）用溶质）用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的 亨利定律亨利定律 18Hcp *H溶解度系数 ，单位：kmol/m3Pa或kmol/m3atm。 H是温度的函数，H值随温度升高而减小。易溶气体H值大，难溶气体H值小。H与E的关系设溶液的密度为 3/mkg，浓度为 3/mkmolC总，则 MC总SSAAxMxMM19)(ASiSiSAiiiiMMcMcMMcccx)(A

11、SiSiiMMcMEcp)(1ASiSMMcEMH20对于稀溶液，Ci0 EMHs 2) 气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律mxy *m相平衡常数 ，是温度和压强的函数。 温度升高、总压下降则m值变大，m值越大，表明气体的溶解度越小。 21m与与E的关系：的关系： yPp由分压定律知 ：Ppy*xEp*由亨利定律： xPEyPEm 即：223）用摩尔比）用摩尔比Y和和X分别表示气液两相组成分别表示气液两相组成 的亨利定律的亨利定律a) 摩尔比定义： 液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数Xxx1数气相中惰性组分的摩尔气相中溶质的摩尔数Yyy1YYyXXx1,

12、1由 ,*得mxy xmxYY11*23xmmxY)1 (1*当溶液浓度很低时，X0， 上式简化为：mXY*亨利定律的几种表达形式也可改写为HPcEPx* ,mYXmyx* , 24例例：在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3/100gH2O浓度稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3） 解：解：由亨利定律表达式知：xpE*18/10017/5 . 017/5 . 0 x00527. 025亨利系数为 xpE 00527. 0400Pa41059. 7又 mxy

13、 *，而 Ppy *51001. 140000395. 0相平衡常数 00527. 000395. 0 xym75. 0Hcp *10001005 . 017/5 . 0c3/293. 0mkmol26溶解度系数为： 400293. 0HPamkmol34/1033. 7或由各系数间的关系求出其它系数 sEMH181059. 710004Pamkmol34/1032. 7PEm 341033.1011059. 7749. 027三、用气液平衡关系分析吸收过程三、用气液平衡关系分析吸收过程 1、判断过程的方向、判断过程的方向 例例：在101.3kPa，20下,稀氨水的气液相平衡关系为 ：xy94

14、. 0*，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成 05. 0Ax的氨水接触,确定过程的方向。 解：解： 用相平衡关系确定与实际气相组成 094. 0y成平衡的液相组成 94. 0/*yx 1 . 028将其与实际组成比较 ： 1 . 005. 0*xx气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成 xy94. 0*05. 094. 0047. 0将其与实际组成比较： 047. 0094. 0*yy氨从气相转入液相，发生吸收过程。若含氨0.02摩尔分数的混合气和 x=0.05的氨水接触，则 021. 094. 0/02. 094. 0/* y

15、x29021. 005. 0*xx气液相接触时，氨由液相转入气相，发生解吸过程。此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向具体方法：已知相互接触的气液相的实际组成y和x，在x-y坐标图中确定状态点，若点在平衡曲线上方，则发生吸收过程；若点在平衡曲线下方，则发生解吸过程。 302、计算过程的推动力、计算过程的推动力 当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的 推动力可表示为： ：*yy 以气相组成差表示的吸收推动力； ：xx *以液相组成差表示的吸收推动力。 3、确定过程的极限、确定过程的极限 所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的最大可能性。 31组成为y1的混合气 增加塔高

16、 减少吸收剂用量 塔底 x1增加 极限 myxx1*1max1组成为：组成为y1的混合气增加塔高 增加吸收剂用量 塔顶y2降低极限 组成为：2*2min2mxyy32吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。第三节第三节 传质机理与吸收速率传质机理与吸收速率33涡流扩散单相内物质传递的机理分子扩散 分子扩散：借助流体分子无规则热运动而传递物质的，分子扩散：借助流体分子无规则热运动而传递物质的，发生在静止或层流流体里的扩散发生在静止或层

17、流流体里的扩散涡流扩散：凭借流体质点的湍动和涡流而传递物质的，涡流扩散：凭借流体质点的湍动和涡流而传递物质的， 发生在湍流流体里的扩散发生在湍流流体里的扩散34一、一、 分子扩散与菲克定律分子扩散与菲克定律扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，扩散通量：单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，单位：单位：kmol/(mkmol/(m2 2.s) .s) 。1、分子扩散：由流体分子的微观运动传递质量的过程。、分子扩散：由流体分子的微观运动传递质量的过程。2、菲克定律：在双组分混合流体中的任何一点，某组分沿、菲克定律：在双组分混合流体中的任何一点，某组分沿任一方向的分子扩散通量（单位时间内

18、垂直通过单位面积扩任一方向的分子扩散通量（单位时间内垂直通过单位面积扩散的质量）与该组分在该方向上的浓度梯度成正比，即散的质量）与该组分在该方向上的浓度梯度成正比，即dzdCDJAABA式中 JA组分A的分子扩散通量，kmol/(m2s)； CA组分A的摩尔浓度，kmol/m3； z扩散方向上的距离，m； 组分A在扩散方向z上的浓度梯度，mol/m4； DAB组分A在组分B中的分子扩散系数，m2/s。dzdCA35dzdCDJAABAdzdCDJBBABnRTPV tConsRTPVnCtanBACCCdzdCdzdCBABAJJDDDBAAB一）、分子扩散系数的特性一）、分子扩散系数的特性如

19、图所设，当抽掉隔板后，气体如图所设，当抽掉隔板后，气体A就会向右扩散，气体就会向右扩散，气体B就会向左扩散。就会向左扩散。由菲克定律，得由菲克定律，得设压力不太高，则在容器中的任何一点，设压力不太高，则在容器中的任何一点， 微分上式，得微分上式，得 同样由同样由C=Constant，得在任何一点的任何方向上，得在任何一点的任何方向上，TPA,TPB,36 (2) (2) 由于两容器总压相等，所以在由于两容器总压相等，所以在联通管内任何一截面上，单位时间、单位联通管内任何一截面上，单位时间、单位面积传递的面积传递的A A分子数和分子数和B B分子数必相等，分子数必相等，即联通管中的分子扩散是等分

20、子反向扩散。即联通管中的分子扩散是等分子反向扩散。1Ap1Bp2Bp2ApP0z11,BAppTP11,BAppTP2121BBAApppp12二）、等分子反向扩散二）、等分子反向扩散如图所示，设图示实验装置中如图所示，设图示实验装置中的两个容器为无限大，则抽掉隔板后的两个容器为无限大，则抽掉隔板后（1） 由于由于1、2截面上的截面上的A、B分压分压不随时间而变，所以在联通管中的不随时间而变，所以在联通管中的分子扩散是稳定的。分子扩散是稳定的。37传质速率：传质速率：单位时间内垂直通过单位面积传递的质量单位时间内垂直通过单位面积传递的质量。由由dzdCDJNAAARTnVpAA)/(,2smk

21、molNNBA210AAppAzAdpRTDdzN得得由于在联通管中除浓度差引起的分子扩散外，没有其他由于在联通管中除浓度差引起的分子扩散外，没有其他原因引起质量的传递，所以联通管中的传质速率就等于原因引起质量的传递，所以联通管中的传质速率就等于分子扩散通量，即分子扩散通量，即38 三）、一组分通过另一停滞组份的扩散三）、一组分通过另一停滞组份的扩散 将上述实验装置中右边容器改盛溶剂。设气液相界面只将上述实验装置中右边容器改盛溶剂。设气液相界面只允许允许A A分子通过，而不许分子通过，而不许B B分子通过，且溶剂不挥发。则分子通过，且溶剂不挥发。则抽掉隔板并经过扩散后，由于抽掉隔板并经过扩散后

22、，由于1, 1, i i截面上的截面上的p pA A, , p pB B不随时不随时间而变，所以联通管中的传质是稳定的。间而变，所以联通管中的传质是稳定的。 )(21AAAppRTzDN11,BAppTPTBiAipp1i)(12AAAppRTDzN微分上式，得微分上式，得所以所以 pA与与z成线性关系，且成线性关系，且pA随随z减小。减小。 显然，上述结论完全适用于组分显然，上述结论完全适用于组分B。3911,BAppTPTBiAipp1Ap1BpBipAipP0z1i总体流动通量：总体流动通量：沿流体的流动方向，单位时间内垂沿流体的流动方向，单位时间内垂直通过单位面积所传递的直通过单位面积

23、所传递的A和和B的总质量，的总质量，N，kmol/(m2 s)。由于在联通管中除了浓度差引起由于在联通管中除了浓度差引起的分子扩散外，流体的总体流动也引的分子扩散外，流体的总体流动也引起质量的传递，所以联通管中的传质起质量的传递，所以联通管中的传质速率就等于分子扩散通量与总体流动速率就等于分子扩散通量与总体流动引起的传质速率之和，引起的传质速率之和，CCNJNCCNJNBBBAAA即即40CCNdzdCDdzdCDJBBAANCCNCCNCCNJNABAAA0BN由气液相界面不允许由气液相界面不允许B分子通过，分子通过，dzdCDCCNJBBB所以tConsCCRTPVnCBAtan由dzdC

24、dzdCBA得BAJJ所以在稳定情况下，总体流动通量等于组分A的传质通量。41dzdCDCCNAAA)1 (dzdCDCCCNAAA)(AAAdCCCDCdzNCCNdzdCDNAAAARTdpdCRTpCRTPCAAAA,将 代入上式 AAAAAdppPPRTDRTdpRTpRTPRTPDdzNNNAdzdCDJAACCNJNAAA42所以 AAAAAdppPPRTDRTdpRTpRTPRTPDdzN210AAppAAzAdppPPRTDdzN21)(0AAppAAzApPpPdRTDPdzN12lnAAApPpPRTDPzN12lnAAApPpPRTzDPN即2211BABAppppP由1

25、122,BABAppPppP1221BBAApppp得对上式微分 43)(lnln111111AiABBiBBiBBiBBiAiAAppppppPRTzDppppppRTzDPN11lnBBiBBiBmppppp)(1AiABmApppPRTzDNBmpP 1BmpP44)(21AAAppRTzDN对比对比BmpP知知反映总体流动对传质的作用。反映总体流动对传质的作用。1BmpPBmpP又由又由知知 对传质的作用就象顺水行舟，对传质的作用就象顺水行舟，水流加大了船的速度一样。水流加大了船的速度一样。BmpP所以所以 称称 为漂流因数。为漂流因数。所以所以pA与与z成非线性关系，且成非线性关系，

26、且pA随随z向下弯曲。向下弯曲。AAAdppPPRTDdzNPpPDRTNdzdpAAA 由由 得得 45)(2AAiSmACCCCzDNSiSSiSSmCCCCC22ln二、液相中的稳定分子扩散二、液相中的稳定分子扩散将上述实验装置中的气液界面移至将上述实验装置中的气液界面移至1截面，则仿效气截面，则仿效气相中的一组分通过另一静止组分的分子扩散，得相中的一组分通过另一静止组分的分子扩散，得 由于对液体的分子运动规律远不及对气体研究得充分，由于对液体的分子运动规律远不及对气体研究得充分，因此，只能仿效气相中的分子扩散速率方程写出液相因此，只能仿效气相中的分子扩散速率方程写出液相中的相应方程。中

27、的相应方程。46三、扩散系数 分子扩散系数简称扩散系数，它是物质的特性常数之一。同一物质的扩散系数随介质的种类、温度、压强及浓度的不同而变化。物质在不同条件下的扩散系数一般需要通过实验测定。1、物质在气体中的扩散系数、物质在气体中的扩散系数 气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可按马克斯韦尔吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算 472、物质在液体中的扩散系数、物质在液体中的扩散系数 物质在液体中的散系数与组分的性质、温度、粘度以及浓度有关。 对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数 smTaMDAB/)(104 . 726 . 02/1122313121235)(

28、)11(1036. 4BABAvvPMMTD48流动着的流体与相界面之间的物质传递流动着的流体与相界面之间的物质传递加快了物质的传递加快了物质的传递流体静止流体静止流体流动流体流动分子扩散分子扩散层流层流湍流湍流分子扩散分子扩散主体区主体区层流内层层流内层流体质点的脉动流体质点的脉动分子扩散分子扩散涡流扩散涡流扩散分子扩散分子扩散四、对流传质四、对流传质 491、涡流扩散、涡流扩散 凭籍流体质点的流动和旋涡来传递物质的现象。扩散通量 ：dzdcDDJAE)(2、对流传质、对流传质 流动流体与两相界面之间的传质1）固定界面）固定界面 气固两相或液固两相间的界面 smDE/,2涡流扩散系数50 2

29、）流动界面）流动界面气液两相和液液两相间的界面51 对于等摩尔反方向扩散 )(21AAGABAPPRTZDN对于单向扩散 （一个组分通过另一个停滞组分的扩散）)(21AABmGABAPPPPRTZDN52 传质方式传质方式 浓度分布浓度分布 1 1层流层流 分子扩散分子扩散 线性线性 层流底层层流底层 分子扩散分子扩散 近似线性近似线性 2 2湍流湍流 过渡流区过渡流区 分子扩散和涡流扩散分子扩散和涡流扩散 非线性非线性 湍流主体区湍流主体区 涡流扩散为主涡流扩散为主 近似水平线近似水平线传质方式和浓度分布传质方式和浓度分布53五、吸收机理（双膜理论） 研究传质的目的：研究传质的目的：1 1、

30、对传质过程的物理机制作恰当描述；、对传质过程的物理机制作恰当描述；2 2、建立正确表达影响传质过程速率的各主要因素之间的、建立正确表达影响传质过程速率的各主要因素之间的 定量关系，用于指导实际传质操作过程及设备的设计、定量关系，用于指导实际传质操作过程及设备的设计、 改造和强化改造和强化惠特曼提出的双模理论。惠特曼提出的双模理论。54一、双膜理论1、相互接触的气、液两相存在稳定的相界面，界面两侧 分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气膜， 液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，膜内的流体是 滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。2、相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上 没有传质阻力，

31、气液两相处于平衡状态。3、膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的 浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集 中在两层膜内。 55三个串联传质环节：三个串联传质环节： 气体侧的对流传质气体侧的对流传质界面溶解界面溶解NAGNAL液体侧的对流传质液体侧的对流传质 气膜气膜 液膜液膜 pG pi 传质方向传质方向 Ci 气相主体气相主体 液相主体液相主体 CL G L z 距离距离 双膜模型双膜模型组成传质方向传质方向气膜气膜液膜液膜界面界面pAicAipAcA56二、溶质渗透理论（非稳态的相界面）二、溶质渗透理论（非稳态的相界面） 假定液面由无数微小的流体单元所构成，暴露于假定液面由

32、无数微小的流体单元所构成，暴露于表面的每个单元都与气相接触某一短暂时间后，即被来自液相表面的每个单元都与气相接触某一短暂时间后，即被来自液相主体的新单元取代，而其自身则返回液相主体。主体的新单元取代，而其自身则返回液相主体。 传质系数与扩散系数的传质系数与扩散系数的0.5次方次方成正比。成正比。三、表面更新理论三、表面更新理论 传质系数与扩散系数的传质系数与扩散系数的0.5次方次方成正比。成正比。57六、吸收速率方程式 吸收速率： 单位相际传质面积上单位时间内吸收的溶质A的摩尔数，用NA表示，单位通常用kmol/m2.s。吸收传质速率方程： 吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式 吸收速率=传质

33、系数推动力 1、气膜吸收速率方程式、气膜吸收速率方程式 )(iBmGAppPPRTZDN58GBmGkRTPZDP令)(iGAppkN 气膜吸收速率方程式气膜吸收速率方程式Gk气膜吸收系数， kmol/(m2.s.kPa)。 也可写成： GiAkppN159当气相的组成以摩尔分率表示时 )(iyAyykNyk以 y表示的气膜吸收系数，kmol/(m2.s)。 当气相组成以摩尔比浓度表示时 )(iYAYYkNYk以 Y表示推动力的气膜吸收系数，kmol/(m2.s)。 Gypkk602、液膜吸收速率方程式、液膜吸收速率方程式 )(ccczCDNismLA令 LsmLkcZCD)(cckNiLA或

34、 LiAkccN1液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程Lk以 c为推动力的液膜吸收系数，m/s； 61当液相的组成以摩尔分率表示时 )(xxkNixAxk以 x为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。 当液相组成以摩尔比浓度表示时 )(XXkNiXAXk以 X为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。 Lxckk623、界面浓度)()(cckppkNiLiGAGLiikkccpp当已知两相组成的平衡关系，如 )(*cfp 和上式联立便可 求出 iicp ,63pcAIcipiGLkk-斜率644、总吸收系数及相应的吸收速率方程式、总吸收系数及相应的吸收速率方程式1）以气相组成表示总推

35、动力的吸收速率方程式）以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式a）以p为推动力的吸收速率方程 *)(ppKNGAGK 以 p为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s.Pa) *p与液相主体浓度c成平衡的气相分压，Pa。 65)(*yyKNyA b）以y为推动力的吸收速率方程2）以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式）以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式 yK以y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。 yKa）以c为推动力的吸收速率方程 )*(ccKNLALK以c为推动力的液相总吸收系数，m/s 66b）以x为推动力的吸收速率方程 )(*xxKNxAxK以x为推动力的液相总吸收

36、系数，kmol/(m2.s) 3）用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式）用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式适用条件：溶质浓度很低时 a）以 *)(YY 表示总推动力的总吸收速率方程式据分压定律Pyp YYy1YYPp1*1*YYPp67代入 *)(ppKNGA)*1*1(YYPYYPKNGA*)(*)1)(1 (YYYYPKNGA令 YGKYYPK*)1)(1 (*)(YYKNYAYK以 Y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s) 68b）以 )*(XX表示总推动力的吸收速率方程式 )*(XXKNXAXK以 X为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s) 5、各种吸收系数之间

37、的关系、各种吸收系数之间的关系1）总系数与分系数的关系）总系数与分系数的关系 *)(ppKNGAGAKNPP*)(iGAppkNGAikNpp69)(cckNiLALAikNcc由亨利定律： iiHpc *Hpc )(cckNiLA*)(ppHkiLLAiHkNpp*)()(*ppppppiiLAGAHkNkN70LAGAGAHkNkNKNLGGHkkK111LGGHkkK1,1,1分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力 即总阻力总阻力=气膜阻力气膜阻力+液膜阻力液膜阻力 同理 LGLkkHK1171xyykmkK11xyxkmkK111在溶质浓度很低时 xYYkmkK11YXXmkkK1112）总

38、系数间的关系）总系数间的关系 a）气相总吸收系数间的关系 GyPKK72)1)(1 (*YYPKKGY当溶质在气相中的浓度很低时 PKKGYb）液相总传质系数间的关系 LxLXCKKCKK,c）气相总吸收系数与液相总吸收系数的关系yxLGmKKHKK,GyPkk LxCkk 3）各种分系数间的关系）各种分系数间的关系 73 气膜气膜 液膜液膜 pG pi 传质方向传质方向 Ci 气相主体气相主体 液相主体液相主体 CL G L z 距离距离 双膜模型双膜模型组成 P E pG P O CL C 传传质质推推动动力力的的图图示示 操作点ipic液相总传质推动力气相总传质推动力气相分传质推动力液相

39、分传质推动力 Lp GcLLiGiGAkCCkppN11 GLGKpp1 LLGKCC1 1.1.关于传质推动力关于传质推动力操作点操作点P离平衡线越近，离平衡线越近，则总推动力就越小则总推动力就越小七、吸收速率方程的分析七、吸收速率方程的分析74 气膜气膜 液膜液膜 pG pi 传质方向传质方向 Ci 气相主体气相主体 液相主体液相主体 CL G L z 距离距离 双膜模型双膜模型 组成 LGGHkkK111 LGHkk11 气膜控制气膜控制 AiAAAPP*PP-如图，气膜较厚，液膜较薄，即阻力如图，气膜较厚，液膜较薄，即阻力主要由气膜决定。主要由气膜决定。2 2、关于传质阻力、关于传质阻

40、力 易溶体系属于这种情况。易溶体系属于这种情况。吸收总推动力大部分用于吸收总推动力大部分用于克服气膜阻力克服气膜阻力GGkK 75 气气膜膜 液液膜膜 pG pi 传传质质方方向向 Ci 气气相相主主体体 液液相相主主体体 CL L G z 距距离离 双双膜膜模模型型 组成 AAiAACCCC*液膜控制液膜控制难溶体系属于这种情况。难溶体系属于这种情况。GLkHk 1LGLkkHK11 吸收总推动力大部分用于吸收总推动力大部分用于克服液膜阻力克服液膜阻力LLkK 76气膜控制例：水吸收氨或HCl气体 液膜控制例：水吸收氧、CO2 AiAAAPP*PPAAiAACCCC*77双膜控制双膜控制 -

41、如图，液膜、气膜厚度相当，气膜阻力如图，液膜、气膜厚度相当，气膜阻力 和液膜阻力均不可忽略。和液膜阻力均不可忽略。溶解度适中的体系属于这种情况。溶解度适中的体系属于这种情况。 气膜气膜 液膜液膜 pG pi 传质方向传质方向 Ci 气相主体气相主体 液相主体液相主体 CL G L z 距离距离 双膜模型双膜模型组成xyykmkK 11mkkKyxx111 LGGHkkK111 LGLkkHK11 78小结小结 ：吸收速率方程吸收速率方程 与膜系数相对应的吸收速率式与总系数对应的速率式与总系数对应的速率式 用一相主体与界面的浓用一相主体与界面的浓度差表示推动力度差表示推动力用一相主体的浓度与其平

42、衡用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力浓度之差表示推动力79)(),(),(iYAiyAiGAYYkNyykNppkN)(),(),(XXkNxxkNcckNiXAixAiLA)(),(),(*yyKNYYKNppKNyAYAGA)(),(),(*xxKNXXKNccKNXAXALA与膜系数相对应的吸收速率式:与总系数对应的速率式与总系数对应的速率式: :80注意：吸收系数的单位吸收系数的单位：kmol/(m2.s.单位推动力)吸收系数与吸收推动力的正确搭配 阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应吸收速率方程的适用条件（稳态操作的某一截面）吸收速率方程的适用条件（稳态操作的某一截面） 各

43、种吸收系数间的关系各种吸收系数间的关系 气膜控制与液膜控制的条件气膜控制与液膜控制的条件 81吸收塔（板式塔和填料塔）的设计计算，一般的已知吸收塔（板式塔和填料塔）的设计计算，一般的已知条件是：条件是：1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s) 2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系； 3）出塔的气体组成 需要计算：需要计算：1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度第三节第三节 二元低浓气体吸收（或脱吸）的计二元低浓气体吸收（或脱吸）的计算算82填料塔的结构填料塔的结构装有一定形状的板或填料，目的是增加气装有一定形状的板或填料，目

44、的是增加气-液两相的接触面积液两相的接触面积气液传质设备气液传质设备.ppt塔分类：塔分类：板式、填料式板式、填料式83一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程 1、物料衡算、物料衡算 目的目的 ：确定各物流之间的量的关系以及设备中任意位置两物料组成之间的关系。对单位时间内进出吸收塔的A的物质量作衡算 1221LXVYLXVY V,Y2 L X2 V,Y1 L X1 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 V-kmolB/s or kmolB/(m2s) ；L -kmolS/s or kmolS/(m2s) ； Y（或（或X）-摩尔比；摩尔比；84)()(2121XX

45、LYYV2211XVLYXVLY吸收率A混合气中溶质A 被吸收的百分率 )1 (12AYY85Y1Y2Y2X1XBT)(*XfY XOYXA2,YV2,XL1,YV1,XLYV,XL,2、吸收塔的操作线方程式与操作线、吸收塔的操作线方程式与操作线在 mn截面与塔底截面之间作组分A的衡算LXVYLXVY11m mn n86)(11XVLYXVLY逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程在mn截面与塔顶截面之间作组分A的衡算LXVYLXVY22)(22XVLYXVLY逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程表明 ： 塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。 87操作

46、点操作点XYAX1Y1塔底塔底X2Y2塔顶塔顶操作线斜率越小，越靠近平衡线，操作线斜率越小，越靠近平衡线，传质推动力越小，对传质越不利。传质推动力越小，对传质越不利。过塔顶点过塔顶点T(X2，Y2)，塔底，塔底 B (X1，Y1)总是位于平衡线的上方；总是位于平衡线的上方；TB)(11XVLYXVLY)(22XVLYXVLY88并流吸收塔的操作线：并流吸收塔的操作线： )(11YXVLXVLY)(22YXVLXVLY吸收操作线总是位于平衡线的上方，操作线位于平衡线下方，则应进行脱吸过程。 89二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定min)(0 . 21 . 1 (VLVL11XVLYXVLY

47、操作费设备费接触面积推动力操作费设备费接触面积推动力, BBVLLBBVLLV V、Y Y1 1、 Y Y2 2 、 X X2 2已知已知 Y Y B B Y1 B B B Y1 YE E Y2 T Y2 T 0 X2 X1 0 X2 XE X1 图示气相吸收推动力图示气相吸收推动力如何随吸收剂用量而变化如何随吸收剂用量而变化90最小液气比的求法最小液气比的求法图解法图解法正常的平衡线 2*121min)(XXYYVL2*121minXXYYVL91平衡线为上凸形时 2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL92最小液气比只对设计型问题有意义。最小液气比只对设计型问题有意义。 V

48、 y1 L x1 V y L x V y2 L x2 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算 可以可以能能但达不到指定的吸收要求但达不到指定的吸收要求思考：思考：实际操作时的液气比可否小于或等于最小液气实际操作时的液气比可否小于或等于最小液气比？此时吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？比？此时吸收塔是否能操作？将会发生什么现象？93计算法计算法适用条件：平衡线符合亨利定律，可用 mXY*表示 2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL例：例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分压为1333Pa，用20的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为99%，每小时的

49、处理量为1000kg空气。物系的平衡关系列于本例附表中，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试94求每小时送入塔内的水量。溶液浓度(gNH3/100gH2O) 2 2.5 3分压Pa 1600 2000 2427分析：分析：求水量吸收剂用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常数解：解：1）平衡关系 *1yyY*ppp333106 . 11033.101106 . 101604. 09518/10017/2X0212. 0XYm*0212. 001604. 0757. 0XY757. 0:平衡关系为2）最小吸收剂用量： 2121minXmYYYVL96其中： 291000Vhkmol/5 .34空气33

50、3. 133.101333. 11Y0133. 012)99. 01 (YY0133. 001. 0000133. 002X757. 0m2121min)(XmYYYVL0757. 00133. 0)000133. 00133. 0(5 .34hkmol/8 .25973）每小时用水量 Lmin2L8 .252hkmol/6 .51hkg /8 .928三、塔径的计算三、塔径的计算 uVDS4式中式中 DD塔径，塔径，m m； VsVs混合气体的体积流量，混合气体的体积流量，m3/sm3/s； uu空塔气速，即以空塔截面积计算的混合气体的空塔气速，即以空塔截面积计算的混合气体的流速，流速，m/

51、sm/s。 98四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算 1 1、填料层高度的基本计算式、填料层高度的基本计算式 对如图所示的微元填料层进行对如图所示的微元填料层进行溶质的物料衡算溶质的物料衡算物料衡算方程式物料衡算方程式传质速率方程式传质速率方程式相平衡相平衡填料层体积取决于完成任务所需总传质填料层体积取决于完成任务所需总传质面积和单位填料层所提供的气、液有效面积和单位填料层所提供的气、液有效接触面积，其高度为体积与塔截面积之接触面积，其高度为体积与塔截面积之比。比。99dANdGAA)(dZaNAdzadA 设微元填料层内的气液接触面积为设微元填料层内的气液接触面积为dAdAaa单位体积填

52、料所具有的气液接触面积，单位体积填料所具有的气液接触面积，m m2 2/m/m3 3； 塔的横截面积，塔的横截面积，m m2 2。LdXVdYdGA气相中溶质气相中溶质A的减少速率的减少速率 液相中溶质液相中溶质A的增加速率的增加速率从气相到液相的传质速率从气相到液相的传质速率100微元填料层内的吸收速率方程式为： )()(*XXKNYYKNXAYA及dzaYYKdGYA)(*dzaXXKdGXA)(*dzaYYKVdYY)(*dzaXXKLdXX)(*dZVaKYYdYY*dZLaKXXdXX*ZYYYdZVaKYYdY0*12ZXXXdZLaKXXdX0*12101低浓度气体吸收时填料层的

53、基本关系式为 12*YYYYYdYaKVZ12*XXXXXdXaKLZ及aKaKXY,气相总体积吸收系数及液相总体积吸收系数 反应了传质阻力的大小、填料性能的优劣及润湿情况的好坏。2、传质单元高度与传质单元数、传质单元高度与传质单元数 1）传质单元高度与传质单元数的概念）传质单元高度与传质单元数的概念 102aKVY的单位 /23msmkmolskmolm称为“气相总传质单元高度气相总传质单元高度” ，用 OGH表示 aKVHYOG12*YYOGYYdYN气相传质单元数气相传质单元数 OGOGNHZ 气相传质高度气相传质高度 103OLOLNHZ OLH液相总传质单元高度，m ；aKLHxOL

54、OLN液相总传质单元数，无因次 ；12*XXOLXXdXN依此类推，可以写出通式：填料层高度填料层高度=传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数 1042、什么是传质单元？、什么是传质单元？ kmkkyyyy,1 ya xa y yb yk xk-1 yk+1 (y-y*)m,k k HOG yk yk+1 xk ya yN ,xN-1 N x yb xb 气相总传质单元 1 2 o相平衡关系相平衡关系 如图，将填料层分成若干段，如图，将填料层分成若干段，1、2、N段。每一段填料均需满足以下条件：段。每一段填料均需满足以下条件：该段气相（或液相）总的平该段气相（或液相）总的平 均推动力均推

55、动力每一段气相（或液相）组成的变化量每一段气相（或液相）组成的变化量这一段填料就是一个传质单元这一段填料就是一个传质单元105 Y2 X2 Y Y1 yk xk-1 yk+1 (y-y*)m,k k HOG yk yk+1 xk ya yN ,xN-1 N x Y1 X1 气相总传质单元 1 2 o相平衡关系相平衡关系 bayyOGyydyNaKVHyOG3、传质单元高度？、传质单元高度？常用吸收设备的常用吸收设备的HTU约为约为0.2 1.5m-每个传质单元对应的填料层高度，每个传质单元对应的填料层高度，m一个（气相总）传质单元OGOGNHh 0思考：思考： HTUHTU越大越好，越大越好，

56、还是越小越好还是越小越好？HTUHTU越小越好越小越好传质单元数？传质单元数？-传质单元的个数，传质单元的个数， 如图，为如图，为N个。个。1061)(1212*YYmYYYYdYYYdY1)()(1*21*12mYYmOGYYYYdYYYN21)(YYYYm气体流经一段填料层前后的浓度变化恰等于此段填料层内以气相浓度差表示的总推动力的的平均值时，那么，这段填料层的高度就是一个气相总传质单元高度。传质单元高度的物理意义传质单元高度的物理意义 107V增加即气流速度增加，气液接触时间缩短，增加即气流速度增加，气液接触时间缩短，不利于吸收，故所需的传质单元高度升高。不利于吸收，故所需的传质单元高度

57、升高。KY增加，传质易进行，传质单元高度降低。增加，传质易进行，传质单元高度降低。吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积吸收过程的传质阻力越大，填料层的有效比面积越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。越小，每个传质单元所相当的填料层高度越大。影响传质单元高度的因素：影响传质单元高度的因素：aKVHYOG108为什么为什么NOG就是传质单元数就是传质单元数N？ bayyOGyydyNaKVHyOG kmkkyyyy,1 1,kkyykOGyydyN 1,1 kmkkyyyy ya xa y yb yk xk-1 yk+1 (y-y*)m,k k HOG yk yk+1 xk ya yN

58、,xN-1 N x yb xb 气相总传质单元 1 2 o相平衡相平衡关系关系一个（气相总）传质单元每个传质单元具有：每个传质单元具有：)(111个个N bNkkayyyyyyyyyydyyydyyydyyydy1211 bayyOGyydyNOGOGNHh 0109 1 y-y* 0 ya yb y 传质单元数传质单元数传质单元数传质单元数NOG的几何意义？的几何意义？ bayyOGyydyN yb B ya A xa xb 越小越好越小越好思考：思考：NOG越大越好，还是越小越好？越大越好，还是越小越好？-阴影部分面积阴影部分面积思考：思考：如何使如何使NOG变小？变小？如图所示，要使阴影

59、面积变小，可以将传质如图所示，要使阴影面积变小，可以将传质推动力变大，或将分离要求降低，即推动力变大，或将分离要求降低，即ya变大。变大。OGOGNHh 0110传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越大，此时所需的传质单元数越大。4、传质单元数的求法 平衡线为直线时 对数平均推动力法脱吸因数法平衡线为曲线时 图解积分法近似梯级法111（1）平衡线为直线时）平衡线为直线时a）脱吸因数法 平衡关系用直线 bmXY*表示时，12*YYOGYYdYN12)(YYbmXYdY)(22YYLVXX将代入12)(22YYOGbXYYLVmYdYN

60、11212)()1 (22YYbmXYLmVYLmVdY令 SLmV12)()1 (*22YYOGYSYYSdYN)()1 ()()1 (ln11*222*221YSYYSYSYYSS113)1 (ln11*22*22*2*21YYSYSYSYYYSS)()1 ()1 (ln11*22*22*21YYYYSYSYSS)1ln(11*22*21SYYYYSSNOGLmVS 脱吸因数。脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次; S愈大，脱吸愈易进行。 AmVLS1吸收因数吸收因数 114115分析分析 ：横坐标 *22*21YYYY值的大小，反映了溶质吸收率的高低。 在气液进出口浓度一定的情况