化工分离工程 第三章 吸收

1、TSHY3 吸吸 收收3.1 3.1 吸收过程在化学工业中的应用吸收过程在化学工业中的应用 3.2 3.2 吸收过程的设计变量和对工艺生产的适应性吸收过程的设计变量和对工艺生产的适应性3.3 3.3 气液相平衡气液相平衡 3.4 3.4 传质理论传质理论3.5 3.5 传质速率和传质系数传质速率和传质系数3.10 3.10 塔高塔高 TSHY3 吸吸 收收1 1、吸收的基本原理、吸收的基本原理n 吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体吸收是利用液体处理气体混合物，根据气体混合物中各组分在液体中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程。中溶解度的不同，而达到分离目的传质过程。n

2、吸收是一个分离过程，且分离的是气体混合物，分离的介质是某一吸收是一个分离过程，且分离的是气体混合物，分离的介质是某一种液体溶剂称之为吸收剂，被吸收的气体混合物称为溶质。种液体溶剂称之为吸收剂，被吸收的气体混合物称为溶质。 n 吸收是一个从气相往液相的传质过程。吸收是一个从气相往液相的传质过程。n 被吸收的气体通过适当的方法与吸收液分离的过程称为解吸过程，被吸收的气体通过适当的方法与吸收液分离的过程称为解吸过程，对吸收液而言，则成为再生。对吸收液而言，则成为再生。n应用：常用于获得产品、分离气体混合物、净化原料气以及脱除尾气应用：常用于获得产品、分离气体混合物、净化原料气以及脱除尾气中的有毒有害

3、物质。中的有毒有害物质。TSHY3 吸吸 收收2、流程图、流程图TSHY3 吸吸 收收3、吸收操作的分类、吸收操作的分类 依据吸收的机理可分成依据吸收的机理可分成 物理吸收（甲醇物理吸收（甲醇-CO2） 化学吸收（化学吸收（K2CO3- CO2） 物理吸收的特点：物理吸收的特点： 所溶组分与吸收剂不起化学反应所溶组分与吸收剂不起化学反应 极限：溶解平衡极限：溶解平衡= f (T,P) 化学吸收的特点：化学吸收的特点： 所溶组分与吸收剂起化学反应所溶组分与吸收剂起化学反应 极限：相平衡极限：相平衡= f (T,P,反应组分反应组分B) TSHY3 吸吸 收收4、吸收过程的特点吸收过程的特点 n吸

4、收与精馏操作的吸收与精馏操作的相同点相同点： 平衡分离过程平衡分离过程 热、质同传过程，由热、质同传过程，由MESH方程求解方程求解 n吸收与精馏的吸收与精馏的不同点不同点：n原理不同：原理不同： 吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。吸收是根据各组分溶解度不同进行分离的。n 精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。精馏利用组分间相对挥发度不同使组分分离。n塔式不同塔式不同n传质形式不同传质形式不同n吸收过程：单向传质，气相传质到液相，需外加吸收剂；吸收过程：单向传质，气相传质到液相，需外加吸收剂； n精馏过程：双向传质，液相传质到汽相，汽相传质到液相，不需加精馏过程：双向传质，液相传质到汽相

5、，汽相传质到液相，不需加 质量分离剂。质量分离剂。TSHY1. 吸收剂不需要再生的吸收装置吸收剂不需要再生的吸收装置n使用对象：使用对象：n 主要用于制备液相产品，如硫酸吸收主要用于制备液相产品，如硫酸吸收SO3吸收制硫酸、吸收制硫酸、 水吸收水吸收HCl制盐酸、吸收甲醛制福尔马林液、碱液吸收制盐酸、吸收甲醛制福尔马林液、碱液吸收 CO2或或SO2制碳酸氢盐或亚硫酸盐等制碳酸氢盐或亚硫酸盐等 。n流程特点：流程特点：n吸收剂不再生，且循环操作。吸收剂不再生，且循环操作。 3.1.1 吸收装置的工业流程吸收装置的工业流程TSHY3.1.1 吸收装置的工业流程吸收装置的工业流程典型实例：硫酸吸收典

6、型实例：硫酸吸收SO3吸收制硫酸吸收制硫酸TSHY2. 吸收剂需要解吸的吸收装置吸收剂需要解吸的吸收装置使用对象：使用对象：气体的净化或回收；气体的净化或回收；流程特点：流程特点：至少有两个塔（多了一个再生过程）。至少有两个塔（多了一个再生过程）。n减压冷再生减压冷再生：通过改变通过改变P，改变相平衡，使溶质解吸。，改变相平衡，使溶质解吸。n适用：适用：高压下化学吸收液的初脱。高压下化学吸收液的初脱。n气提冷再生：用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸；气提冷再生：用惰性气体降低溶质在气相的分压促使解吸；n适用适用：溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的含量。溶质不必回收的场合或稀释溶质在气相的

7、含量。 n间接蒸汽热再生：利用间接蒸汽，升高温度，改变液面上活性组间接蒸汽热再生：利用间接蒸汽，升高温度，改变液面上活性组分的平衡分压，加速解吸速率；分的平衡分压，加速解吸速率；n适用适用：化学吸收。化学吸收。 3.1.1 吸收装置的工业流程吸收装置的工业流程TSHY3.1.1 吸收装置的工业流程吸收装置的工业流程(1)吸收剂不重复利用的装置吸收剂不重复利用的装置 典型实例：典型实例： 氯气吸收氯气吸收TSHY3.1.1 吸收装置的工业流程吸收装置的工业流程(2)减压冷再生流程减压冷再生流程 典型实例：典型实例：CO2吸收吸收-再生再生(3)气提冷再生流程气提冷再生流程 典型实例：脱除典型实例

8、：脱除H2S吸收吸收-再生再生TSHY3.1.1 吸收装置的工业流程吸收装置的工业流程(4)间接蒸汽热再生流程间接蒸汽热再生流程 典型实例：热钾碱法脱碳流程典型实例：热钾碱法脱碳流程TSHY3.1.2 吸收过程的应用吸收过程的应用1. 获得产品获得产品 将气体中的有效成分用吸收剂吸收下来得到产品。如硫酸吸收将气体中的有效成分用吸收剂吸收下来得到产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收制浓硫酸，水吸收HCl制盐酸。制盐酸。2. 气体混合物的分离气体混合物的分离 吸收剂选择性吸收气体中的某一组分达到分离目的。如用有机溶剂吸收剂选择性吸收气体中的某一组分达到分离目的。如用有机溶剂吸收煤气中的苯，用丙酮

9、吸收天然气裂解气中的乙炔。吸收煤气中的苯，用丙酮吸收天然气裂解气中的乙炔。3. 气体净化气体净化 用吸收剂将气体中的有害组分吸收以达到气体净化目的。如天然气用吸收剂将气体中的有害组分吸收以达到气体净化目的。如天然气的脱硫，生产尾气的的脱硫，生产尾气的SO2脱除。脱除。4. 回收有价值组分回收有价值组分 为防止有价值组分从气相流失，用吸收剂将其吸收下来达到回收的为防止有价值组分从气相流失，用吸收剂将其吸收下来达到回收的目的。如一些易挥发溶剂的回收。目的。如一些易挥发溶剂的回收。TSHY3.2 吸收过程的设计变量吸收过程的设计变量和对生产工艺的适应性和对生产工艺的适应性n吸收过程的重要因素吸收过程

10、的重要因素(1) 设备条件设备条件 设备形式、尺寸、内部构件等，都与传质效率有关。设备形式、尺寸、内部构件等，都与传质效率有关。同等处理规模下，效率越高，设备投资越少。同等处理规模下，效率越高，设备投资越少。(2) 吸收剂吸收剂 选择性是关键，解吸条件也非常重要。选择性是关键，解吸条件也非常重要。(3) 操作条件操作条件 温度：温度越高，越不利于吸收；温度：温度越高，越不利于吸收； 压力：压力越高，越有利于吸收。压力：压力越高，越有利于吸收。TSHY3.2.1 设计关键参数分析设计关键参数分析(1) 吸收塔的直径吸收塔的直径(2) 再生塔的直径再生塔的直径(3) 再生塔的压强再生塔的压强(4)

11、 贫液和回流液的温度贫液和回流液的温度(5) 各种换热器的热负荷各种换热器的热负荷(6) 吸收塔和再生塔的高吸收塔和再生塔的高度度TSHY3.2.2 吸收过程对生产工艺的适应性吸收过程对生产工艺的适应性(1) 操作压强操作压强 压力高利于吸收，但操作费用将增加，通常选择气体来时的压力高利于吸收，但操作费用将增加，通常选择气体来时的压力。特殊情况可考虑增压操作。压力。特殊情况可考虑增压操作。(2) 溶质的气相浓度溶质的气相浓度 关键是控制吸收塔出口气中的溶质指标。关键是控制吸收塔出口气中的溶质指标。(3) 毒性毒性 这里指的是对吸收剂的毒性，即产生沉淀、使吸收剂分解、这里指的是对吸收剂的毒性，即

12、产生沉淀、使吸收剂分解、或生成不可还原的产物等。或生成不可还原的产物等。(4) 能耗能耗 主要是吸收剂再生的能耗，应充分回收利用。主要是吸收剂再生的能耗，应充分回收利用。TSHY3.3 气液相平衡气液相平衡n气液相平衡的概念气液相平衡的概念 气液相平衡主要是指气相组分溶解于液相，使气相组气液相平衡主要是指气相组分溶解于液相，使气相组分与液相中的相同组分达到平衡的状态。分与液相中的相同组分达到平衡的状态。 而汽液相平衡则主要是指液相组分挥发到汽相形成的而汽液相平衡则主要是指液相组分挥发到汽相形成的平衡。平衡。 两种平衡尽管过程方向不同，但相平衡原理却是相同两种平衡尽管过程方向不同，但相平衡原理却

13、是相同的：的：LiGiffTSHY3.3.1 物理溶解时的相平衡物理溶解时的相平衡(1) 气液平衡常数气液平衡常数mi式中，式中， 、 分别为分别为i组分在气相的逸度系数和在液相的活度系数；组分在气相的逸度系数和在液相的活度系数；p为气相总压，为气相总压， 为纯为纯i组分液相在体系温度和压力下的逸度。组分液相在体系温度和压力下的逸度。(2) 二元组分溶解的气液平衡关系二元组分溶解的气液平衡关系式中，式中，x0是在溶液中吸收剂的摩尔分率，是在溶液中吸收剂的摩尔分率，x0=1-xi；Hi为亨利系数，为亨利系数，kPa；A是与温度和压力有关的一个常数。是与温度和压力有关的一个常数。 此式适合于任何浓

14、度的电解质溶液和很低浓度的非电解质溶液。此式适合于任何浓度的电解质溶液和很低浓度的非电解质溶液。iiLiiiipfxym)1 (lnln20 xRTAHxfiii(3-11)iiLifTSHY3.3.1 物理溶解时的相平衡物理溶解时的相平衡对式对式(3-11)，在理想溶液时，在理想溶液时，A=0，于是：，于是：在低压下，可用平衡分压在低压下，可用平衡分压 取代取代 ，得到亨利定律的表达形式：，得到亨利定律的表达形式：再以浓度取代摩尔分率：再以浓度取代摩尔分率：cM为溶液的总摩尔浓度，为溶液的总摩尔浓度，H只和温度有关，随温度升高而增大只和温度有关，随温度升高而增大(见表见表3-2)，与溶液的总

15、压和组成无关。与温度的关系为：，与溶液的总压和组成无关。与温度的关系为：式中的式中的Ci、i是常数，与物系有关。是常数，与物系有关。iiGixHfiiiCRTHlniieixHpeipifiiMiieicHccHpTSHY 当系统压力较大时，体系偏离理想状态较远，按上述方法计算的偏当系统压力较大时，体系偏离理想状态较远，按上述方法计算的偏差较大。考虑到液体体积通常随压力变化不大，此时，可用以下式子差较大。考虑到液体体积通常随压力变化不大，此时，可用以下式子来计算气相逸度来计算气相逸度 。式中，式中，pi为纯组分的蒸汽压；为纯组分的蒸汽压；Hi为亨利常数；为亨利常数； 为组分的偏摩尔体积，为组分

16、的偏摩尔体积，即无限大混合物体积中加入即无限大混合物体积中加入1mol组分时所引起的体积变化，当混合气组分时所引起的体积变化，当混合气体服从道尔顿分压定律时，保持体积的加和性，即体服从道尔顿分压定律时，保持体积的加和性，即 就是就是1mol气体在温度气体在温度T和压强和压强p时所占有的体积。时所占有的体积。)(lnlniiiiGippRTVHxfiiVV GifiV3.3.1 物理溶解时的相平衡物理溶解时的相平衡TSHY例例 3-1 计算乙烷在温度为计算乙烷在温度为293K，压强为，压强为2000kPa下下与同系物组成理想溶液时的相平衡常数与同系物组成理想溶液时的相平衡常数mi值。已值。已知乙

17、烷的临界温度知乙烷的临界温度tc=305.1K，临界压力，临界压力pc=4900kPa，饱和蒸汽压，饱和蒸汽压pis=3900kPa(在在2 9 3 K 时时 ) ， 以 及 在， 以 及 在 3 9 0 0 k P a 下 的 密 度下 的 密 度=350kg/m3。TSHY解例解例 3-1计算系统压强下气态乙烷的逸度计算系统压强下气态乙烷的逸度先计算先计算293K，2000kPa下的对比温度和压强。下的对比温度和压强。对比温度：对比温度： 对比压强：对比压强： 查图查图3-8得：得：逸度计算：逸度计算：计算计算293K下乙烷饱和蒸汽压的逸度下乙烷饱和蒸汽压的逸度对比温度：对比温度： 对比压

18、强：对比压强： 查图查图3-8得：得：逸度计算：逸度计算：96. 01 .35029341. 04900200082. 0i)kPa(164082.02000iGipf79. 04900390067. 0i96. 01 .350293)kPa(261067.03900isiGispfTSHY解例解例 3-1计算液相乙烷的逸度计算液相乙烷的逸度 对于温度为对于温度为T，饱和蒸汽压为，饱和蒸汽压为 的纯液体组分的逸度的纯液体组分的逸度 应等于饱和应等于饱和蒸汽的逸度蒸汽的逸度 。而当压强为。而当压强为p时，液相逸度可近似用下式计算：时，液相逸度可近似用下式计算：式中，式中，Vi为在一定为在一定p和

19、和T时，组分时，组分i的摩尔体积：的摩尔体积：计算：计算：所以：所以：)(lnsiiGisLippRTVff)mol/m(0857.0350303MVi067. 0)39002000(293314. 80857. 02610lnLif)kPa(2440LifsipLisfGisfTSHY解例解例 3-1计算相平衡常数计算相平衡常数 对于理想溶液，对于理想溶液， ，则相平衡常数为：，则相平衡常数为：49. 116402440GiiLiiiiffxym1iTSHYn亨利定律不适用化学吸收的相平衡，化亨利定律不适用化学吸收的相平衡，化学吸收的气液平衡，既要服从溶解时的学吸收的气液平衡，既要服从溶解时

20、的相平衡又要服从化学反应时的相平衡关相平衡又要服从化学反应时的相平衡关系系.3.3.2 伴有化学反应的吸收相平衡伴有化学反应的吸收相平衡aA+bBmM+nNaAKaHATSHY3.3.2 伴有化学反应的吸收相平衡伴有化学反应的吸收相平衡n则反应平衡常数为：则反应平衡常数为：理想溶液时，理想溶液时，K=1，则：，则：因为溶解平衡关系服从亨利定律：因为溶解平衡关系服从亨利定律：用用(3-21)解出解出CA，带入上式得：，带入上式得： (CA) 物物 (CA)化化， (PA)物物 (PA)化化 KccccccccKbBAnNmMbBAnNmMbBAnNmMbBAnNmMaaaaa(3-21)aA+b

21、BmM+nNaAKaHAbBAnNmMccccKKKaaa/1bBnNmMAAcKccHpAAAcHpTSHY3.3.2 伴有化学反应的吸收相平衡伴有化学反应的吸收相平衡1. 被吸收组分与溶剂相互作用被吸收组分与溶剂相互作用（1）溶质）溶质A与溶剂与溶剂B反应生成反应生成M若其反应关系为：若其反应关系为：溶液中溶液中A组分的初始浓度组分的初始浓度 可写成：可写成：而反应平衡常数为：而反应平衡常数为： 则：则：总平衡又服从物理溶解时的亨利定律，因此：总平衡又服从物理溶解时的亨利定律，因此：MAAccc0(3-26)BAAAcKcHp10A(g)A(L)+ B(L)M(L)KaHA0AcBAAAB

22、AMcccccccK0BAAcKcc10TSHY3.3.2 伴有化学反应的吸收相平衡伴有化学反应的吸收相平衡TSHY3.3.2 伴有化学反应的吸收相平衡伴有化学反应的吸收相平衡（2）生成物）生成物M发生离解发生离解若反应生成物发生离解：若反应生成物发生离解：此时，气液平衡不按反应平衡计算而按离解平衡计算。此时，气液平衡不按反应平衡计算而按离解平衡计算。离解平衡常数为：离解平衡常数为：若忽略水的离解，则有：若忽略水的离解，则有： ，因此：，因此：而溶液中而溶液中A的初始浓度可表示为：的初始浓度可表示为：联立求解以上方程，得：联立求解以上方程，得：其中，其中，所以：所以： -AKcc(3-33)4

23、()2()1(2a0aa0KcKKccKHcHpAABAAAAMAK1cccKMK+A-+K1M1KcKcAMAAcccc0)1 (2)4()2(a0aa0BAAAcKKcKKccBBcKcKKK11a(3-29)(3-30)TSHY3.3.2 伴有化学反应的吸收相平衡伴有化学反应的吸收相平衡2. 被吸收组分与溶剂中活性组分的作用被吸收组分与溶剂中活性组分的作用若其反应关系为：若其反应关系为：当平衡反应率为当平衡反应率为R时：时：由气液平衡得：由气液平衡得：其中：其中： ，将上两式联立求解，可得：，将上两式联立求解，可得：若物理溶解量可以忽略不计时，有：若物理溶解量可以忽略不计时，有：AABA

24、ABAAppcHpRccc1/000(3-36)1()1(RRRKRHcHpAAAA)1()1(00RcRRccRccccKABABBAMAHK/AABBAppcRcc1000AHA(g) ka A(aq) + B(aq) M(aq)TSHY例例 3-3 P113P114 是化学反应平衡常数与物理吸收平衡常数是化学反应平衡常数与物理吸收平衡常数（亨利系数）的比值。（亨利系数）的比值。1，以化学吸收为主；，以化学吸收为主；1 ，化学吸收优于物理吸收；，化学吸收优于物理吸收；当当 1 ，物理吸收优于化学吸收。，物理吸收优于化学吸收。 溶质浓度过高会降低气体在溶液中的溶解度常数溶质浓度过高会降低气体

25、在溶液中的溶解度常数(H），），降低净化度。降低净化度。TSHY3.3.4 工业应用实例工业应用实例1. K2CO3溶液吸收溶液吸收CO2其反应关系为：其反应关系为：定义溶液碳化度为：定义溶液碳化度为：其中：其中：分析：当气相近似看作理想气体分析：当气相近似看作理想气体 当液相为理想溶液时，且液相近似看作稀溶液，当液相为理想溶液时，且液相近似看作稀溶液， 当液相为非理想溶液时，可看作稀溶液，该体系的相平衡关系当液相为非理想溶液时，可看作稀溶液，该体系的相平衡关系 如何？如何？-23-3-23COHCO0CO21ccc-23CO2/-3HCO2/-3HCO0-23CO碳酸钾溶液的起始浓度盐浓度转

26、化为碳酸氢钾的碳酸ccccfTSHY3.3.4 工业应用实例工业应用实例该反应的化学平衡常数为：该反应的化学平衡常数为：因此：因此：由相平衡关系可知，理想气体服从亨利定律：由相平衡关系可知，理想气体服从亨利定律：对稀溶液，对稀溶液， 可看作恒定值，所以令：可看作恒定值，所以令：则：则：KccccccccKOHCOCO2HCOOHCOCO2HCOOHCOCO2HCOOHCOCOa2232-32232-32232-322322-3HCOKcKcccOHaCO2HCOCO2-23-321OHaCO2HCOCOCO2-23-322cKKHcccHpOHa21cKKHK-23-32CO2HCOCOcKc

27、pOH2cTSHY3.3.4 工业应用实例工业应用实例用用 表示溶液中表示溶液中CO2的总摩尔浓度的总摩尔浓度(包括碳酸盐和碳酸氢盐包括碳酸盐和碳酸氢盐)， 表示氧化钾的总摩尔浓度表示氧化钾的总摩尔浓度(K2CO3的起始浓度的起始浓度)，根据碳化度的定义，根据碳化度的定义，则有：则有：其中：其中：将上式变化为：将上式变化为： 因此：因此： 12/2/OKCOCOHCOHCOc22-23-3-3MMcccf2COMOK2M2332COHCOCOccM2332COHCOOK21ccMOKCOCOHCOCOc2-23-23-3-232/1Mccccf-23-3COHCOcc21ccffTSHY3.3

28、.4 工业应用实例工业应用实例将上式代入将上式代入CO2的分压计算式，得：的分压计算式，得：所以有：所以有： 碳酸钾溶液的碳酸钾溶液的K可从文献查得，可见，液面上可从文献查得，可见，液面上CO2的平衡分压将取的平衡分压将取决于碳化度的变化。测得碳酸钾的碳化度就能求得液面上决于碳化度的变化。测得碳酸钾的碳化度就能求得液面上CO2的平衡的平衡分压；或测得液面上分压；或测得液面上CO2的平衡分压可求得碳酸钾的碳化度。的平衡分压可求得碳酸钾的碳化度。 若溶液为理想溶液，若溶液为理想溶液，K=1，K可进一步简化。可进一步简化。 OK22CO2COHCOCO2HCOCO2-23-23-3-23-32)1

29、()1 (411MfffKcccKcKcpcccccffKMp142OKCO22OHa21cKHKTSHY3.3.4 工业应用实例工业应用实例2. 用柠檬酸钠用柠檬酸钠(Na2cit)溶液吸收溶液吸收SO2其反应系列为：其反应系列为： 从后三个反应式可以看出，由于柠檬酸的多级电离平衡，可吸收大从后三个反应式可以看出，由于柠檬酸的多级电离平衡，可吸收大量的量的H+离子，使离子，使pH维持在一定的范围，有利于维持在一定的范围，有利于SO2的溶解。的溶解。SO2(L)SO2(g)SO2(L)H2OHSO3-+H2-3-HcitcitH2citH3citH2citHcit+HHH+-2-TSHY3.3

30、.4 工业应用实例工业应用实例令令 为达到气液平衡时溶液中为达到气液平衡时溶液中SO2的总摩尔浓度，则：的总摩尔浓度，则：其中，其中， 为物理溶解浓度，为物理溶解浓度， 为反应溶解浓度。为反应溶解浓度。 假定在常压下气体可视为理想气体，并忽略亚硫酸的二级电离，则假定在常压下气体可视为理想气体，并忽略亚硫酸的二级电离，则物理溶解符合亨利定律：物理溶解符合亨利定律：SO2在水中的反应和写成：在水中的反应和写成： 和和H2SO3的一级电离常数为：的一级电离常数为：其中，其中，H*为亨利常数，为亨利常数，为活度。为活度。322HSOSO0SOccc0SO2c2SOc3HSOc22SO*SOiHp2-3

31、SOHHSOIKH2SO3H2OSO2+HSO3-+H +H2SO3KITSHY3.3.4 工业应用实例工业应用实例实际上，在溶液中：实际上，在溶液中： ，因此：，因此：以以表示溶液中亚硫酸氢根的活度系数，合并分压式和电离平衡式得：表示溶液中亚硫酸氢根的活度系数，合并分压式和电离平衡式得：其中，其中， 当溶液吸收当溶液吸收SO2后，溶液的后，溶液的pH值随溶液中亚硫酸氢根的浓度呈线性值随溶液中亚硫酸氢根的浓度呈线性变化，即：变化，即： 其中，其中，和和0分别为溶液和柠檬酸浓度为分别为溶液和柠檬酸浓度为1M的溶液的缓冲容量；的溶液的缓冲容量；pHS为为SO2吸收前的吸收前的pH值。值。32HSO

32、0SOccHHSOI*HHSOSO332/cKKHcpi23SOHSOccI*/ KHKicitH0HSOSHSOS333pH1pHpHcccTSHY3.3.4 工业应用实例工业应用实例由于由于 ，所以：，所以：将其代入分压式，得：将其代入分压式，得： 在温度为在温度为3585，SO2的分压为的分压为4006665Pa的范围内，气相的范围内，气相中的中的SO2分压与溶液中的亚硫酸氢根无关，分压与溶液中的亚硫酸氢根无关，K的值符合以下线性关系：的值符合以下线性关系： 将其代入上式，得：将其代入上式，得：HlgpHTBK AlgScit3H03HSOpHH10ccScit3H03HSO32pHHS

33、OSO10cccKpTBAcccp)pH(HSOSOScit3H03HSO3210TSHY3.3.4 工业应用实例工业应用实例令令 ， ，用柠檬酸吸收用柠檬酸吸收SO2体系的相平衡数学模型可写为：体系的相平衡数学模型可写为： 其中的其中的E1、E2和和E3为模型参数，在一定的温度为模型参数，在一定的温度T下，测得下，测得平衡时气相中平衡时气相中SO2的分压和液相中亚硫酸氢根的浓度，即的分压和液相中亚硫酸氢根的浓度，即可求得模型参数。可求得模型参数。citH0131cETEEEccp3213HSO3210HSOSOS2pH AEBE 3TSHY3.4 传质理论传质理论n物质传递的机理物质传递的机

34、理（1）分子扩散）分子扩散 由分子热运动引起的相互碰撞导致物质迁移。由分子热运动引起的相互碰撞导致物质迁移。（2）对流）对流 在外力在外力(如压强差、密度差等如压强差、密度差等)作用下发生物质主体流动而产生迁作用下发生物质主体流动而产生迁 移。移。（3）湍流混合）湍流混合 流体流动时，流体微团在惯性力作用下产生迁移。流体流动时，流体微团在惯性力作用下产生迁移。n 描述传质理论比较常用的模型有：双膜论、渗透论和表描述传质理论比较常用的模型有：双膜论、渗透论和表面更新论三种。面更新论三种。TSHY3.4.1 双膜论双膜论1. 理论要点理论要点 流动状态流动状态 气液接触界面两侧有一气液接触界面两侧

35、有一层稳定的层稳定的滞流膜滞流膜，它不同于流体力学的，它不同于流体力学的滞流边界层。滞流边界层。 传递方式传递方式 在膜两侧的主体流动区在膜两侧的主体流动区内物质的浓度趋于一致，滞流膜内的传内物质的浓度趋于一致，滞流膜内的传质方式以质方式以分子扩散分子扩散来实现，传质阻力由来实现，传质阻力由气相主体、气膜、界面、液膜和液相主气相主体、气膜、界面、液膜和液相主体的阻力叠加而成，但主要集中在气膜体的阻力叠加而成，但主要集中在气膜和液膜层。和液膜层。 界面状况界面状况 界面无阻力，气液两相界面无阻力，气液两相在界面立即达到平衡。在界面立即达到平衡。稳态的物理模型，稳态的物理模型，模型直观，用起模型直

36、观，用起来方便。来方便。TSHY3.4.1 双膜论双膜论2. 存在的问题存在的问题 往往传质设备的内构件已不能使气液相接触形往往传质设备的内构件已不能使气液相接触形成相对固定的相界面。如喷射式、鼓泡型。成相对固定的相界面。如喷射式、鼓泡型。 无法形成稳定的膜，也就无法建立稳定的浓度无法形成稳定的膜，也就无法建立稳定的浓度梯度。梯度。 即使存在相对稳定的膜，但膜厚度也是无法测即使存在相对稳定的膜，但膜厚度也是无法测量和猜测。量和猜测。 界面阻力通常很难小到可以忽略的程度，除非界面阻力通常很难小到可以忽略的程度，除非界面非常清洁。界面非常清洁。TSHY3.4.2 渗透论渗透论1. 理论要点理论要点

37、 传质前，两相主体中的浓度传质前，两相主体中的浓度是均匀的；传质速率随时间增加是均匀的；传质速率随时间增加而降低，膜内是非稳态的传质。而降低，膜内是非稳态的传质。 液相主体中的任一微元都有液相主体中的任一微元都有可能被主体内的流动带到气液相可能被主体内的流动带到气液相界面上，并假定所有被带到界面界面上，并假定所有被带到界面的微元在界面的停留时间相同，的微元在界面的停留时间相同，并参与到不稳定传质过程中，直并参与到不稳定传质过程中，直到被带回主体为止。到被带回主体为止。 界面无阻力，气液两相在界界面无阻力，气液两相在界面达到平衡。面达到平衡。2. 主要问题主要问题 液相微元在界面的停留时间无液相

38、微元在界面的停留时间无法定量获得。法定量获得。 液相微元在气液相界面上的停液相微元在气液相界面上的停留时间不可能相同。留时间不可能相同。TSHY3.4.3 表面更新论表面更新论理论要点：理论要点：传质是非稳态的传质是非稳态的 在界面上的每一个微元具有不同在界面上的每一个微元具有不同的暴露时间的暴露时间(寿命寿命)，但它们被另一微，但它们被另一微元置换的机会均等。元置换的机会均等。 无论气相或液相都可能发生被旋无论气相或液相都可能发生被旋涡携带的过程，所以表面是不断更新涡携带的过程，所以表面是不断更新的。的。 每个进入界面的微元均按瞬变传每个进入界面的微元均按瞬变传质的规律向液膜内渗透，微元在界

39、面质的规律向液膜内渗透，微元在界面的停留时间符合寿命分布的规律。的停留时间符合寿命分布的规律。界面湍动参数）( )(fSSetst缺点：缺点：表面更新率表面更新率S无法确定，但该理论最完善。无法确定，但该理论最完善。TSHY3.5 传质速率与传质系数传质速率与传质系数n变量符号说明变量符号说明n NA 吸收过程中溶质吸收过程中溶质A的传质速率，的传质速率，kmol/(m2.s)；n kx、ky，kl、kg以界面为基准的液相和气相传质分系数，以界面为基准的液相和气相传质分系数， kmol/(m2.s)；n Kx、Ky，KL、KG以平衡为基准的液相和气相总传质系数，以平衡为基准的液相和气相总传质系

40、数， kmol/(m2.s)；n HG、HL，NG、NL 以界面为基准的传质单元高度和传质单元数；以界面为基准的传质单元高度和传质单元数；n HOG、HOL，NOG、NOL 以平衡为基准的总传质单元高度和总传质以平衡为基准的总传质单元高度和总传质 单元数；单元数；n H 亨利常数；亨利常数；m 稀溶液时的亨利常数；稀溶液时的亨利常数；n 填料的比表面积，填料的比表面积，m2/m3。TSHY3.5.1 物理吸收传质速率物理吸收传质速率1. 稀溶液的吸收速率稀溶液的吸收速率n由双膜理论可知：由双膜理论可知：当总压一定时：当总压一定时：当总摩尔浓度一定时：当总摩尔浓度一定时： 由于界面上的分压和浓度

41、难以测定，由于界面上的分压和浓度难以测定，所以，也采用与主体浓度平衡的组成或所以，也采用与主体浓度平衡的组成或分压、浓度表示：分压、浓度表示： )()(AiAggAiAgyAppkyykN)()(AlAilAlAixAcckxxkNckklxpkkgy)()(AeAgGAeAgyAppKyyKN)()(AlAeLAlAexAccKxxKNyAe xAl， xAe yAgpAe cAl， cAe pAgTSHY3.5.1 物理吸收传质速率物理吸收传质速率2. 传质系数与传质阻力传质系数与传质阻力n 由于吸收的相平衡关系可线性化为：由于吸收的相平衡关系可线性化为： 因此，气、液相的传质阻力可表示为

42、：因此，气、液相的传质阻力可表示为： 联立求解得：联立求解得：bcHpAAAlgGkHkK11GLKHKlgLkkHK111TSHYn当当HA很大，吸收组分很大，吸收组分A为难溶气体时，为难溶气体时，kl很小，很小， 于是：于是： ， 属液膜控制；属液膜控制；n相反，属气膜控制。相反，属气膜控制。n结论：结论：n 气膜控制的条件是：气膜控制的条件是：n 液膜控制的条件是：液膜控制的条件是： glAkkH1gAlkHk11AlGHkK/lLkK3.5.1 物理吸收传质速率物理吸收传质速率很小（易溶气体） AlggGHkkkK很大（难溶气体） AlglLHkkkKTSHY3.5.1 物理吸收传质速

43、率物理吸收传质速率3. 传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数n吸收的传质高度为：吸收的传质高度为：或或传质单元高度为：传质单元高度为：总传质单元高度为：总传质单元高度为：传质单元数为：传质单元数为：总传质单元数为：总传质单元数为： 其中，其中，G和和L分别为气体和溶液通过塔截面的摩尔流速，分别为气体和溶液通过塔截面的摩尔流速，kmol/m2.s。LLGGNHNHhakGHyGOLOLOGOGNHNHhakLHxLaKGHyOGaKLHxOL12yyiGyydyN12xxiLxxdxN12OGyyeyydyN12OLxxexxdxNTSHY3.5.1 物理吸收传质速率物理吸收传质速率

44、4. 稀溶液的传质阻力与传质单元高度稀溶液的传质阻力与传质单元高度n 若稀溶液服从亨利定律：若稀溶液服从亨利定律： 则传质阻力为：则传质阻力为： 以单位比表面积表示：以单位比表面积表示： 所以：所以：n由于传质设备中的实际相接触界面很难测定，工程设计中往往将比由于传质设备中的实际相接触界面很难测定，工程设计中往往将比表面积表面积与传质系数与传质系数kg， kl合在一起，合在一起，(3-61)和和(3-62)常转换成：常转换成：xyykmkK11mxy xyxkmkK111akmGakGaKGxyyakLamkLaKLxyxLGOGHLmGHHLGOLHHmGLHakHakaKlg11Gakak

45、HaKlg111LTSHY3.5.2 化学吸收传质速率化学吸收传质速率与增强因子与增强因子n物理吸收：物理吸收： A在液膜中的溶解速率服从费在液膜中的溶解速率服从费克定律：克定律：n其浓度梯度其浓度梯度 为为DE表示的虚线，表示的虚线，在在x=0和和x=处，传质速率相处，传质速率相等。等。ALAAiACCxCCx , , 0 DEAdxdcDNAAldxdCATSHYn有化学反应时有化学反应时，浓度分布为，浓度分布为DE表示的曲线，在表示的曲线，在x=0和和x=处传处传质速率不相等：质速率不相等：x=0处：处：A的扩散通量的扩散通量=膜内扩散量膜内扩散量+膜内反应量膜内反应量x=处：处：DDA

46、dxdcDNAAlEEAdxdcDNAAl3.5.2 化学吸收传质速率化学吸收传质速率与增强因子与增强因子TSHYn如果扩散系数为恒定值，则浓度如果扩散系数为恒定值，则浓度梯度（斜率）就可间接表示为吸梯度（斜率）就可间接表示为吸收速率的量度。收速率的量度。n在界面处：在界面处：nDD斜率斜率对应化学吸收的速率对应化学吸收的速率nDE 斜率斜率对应物理吸收的速率对应物理吸收的速率EEADDAALdxdCdxdCD)()( A 在膜内的反应量3.5.2 化学吸收传质速率化学吸收传质速率与增强因子与增强因子TSHY3.5.2 化学吸收传质速率化学吸收传质速率与增强因子与增强因子n 化学吸收的增强因子

47、化学吸收的增强因子 当两种吸收的推动力相同时，当两种吸收的推动力相同时，化学吸收速率与物理吸收速率之化学吸收速率与物理吸收速率之比就称为化学吸收的增强因子：比就称为化学吸收的增强因子：通常情况下，通常情况下，的斜率的斜率DEDD 1TSHY3.5.2 化学吸收传质速率化学吸收传质速率与增强因子与增强因子n 化学吸收传质速率与传质阻力化学吸收传质速率与传质阻力 利用增强因子，可将化学吸收速率用物理吸收速率的方利用增强因子，可将化学吸收速率用物理吸收速率的方式处理，将化学吸收速率看作物理吸收速率的式处理，将化学吸收速率看作物理吸收速率的倍。则有：倍。则有： 相应的传质阻力相应的传质阻力(系数系数)

48、为：为：)()(AlAilAiAggAcckppkN)()(AlAeLAeAgGAccKppKNlgGkHkK11lgLkkHK111TSHY问：、问：、对传质总系数的影响如何？对传质总系数的影响如何？ 、化学反应的存在，是否只对液膜、化学反应的存在，是否只对液膜 传质有影响，而对气膜传质无影响呢？传质有影响，而对气膜传质无影响呢？ 3.5.2 化学吸收传质速率化学吸收传质速率与增强因子与增强因子TSHY3.5.3 传质系数的关联式传质系数的关联式TSHYq液膜传质系数关联式（液膜传质系数关联式（Norman）: 适用于公称适用于公称10-50mm的拉西环和的拉西环和13-38mm的鞍型填料。

49、的鞍型填料。q气膜传质系数关联式（气膜传质系数关联式（Charpentier）: 适用于公称尺寸大于适用于公称尺寸大于15cm的填料。的填料。q恩田等建立的传质系数与传质单元高度关联式。恩田等建立的传质系数与传质单元高度关联式。n对于化学吸收的传质系数值，则以物理吸收为基础，全力求出对于化学吸收的传质系数值，则以物理吸收为基础，全力求出值就值就 可以了。可以了。%20)()(5 . 0lllnlllllDVDak%30)()()(3 . 55 . 03 . 07 . 1gggggDGdadGpk3.5.3 传质系数的关联式传质系数的关联式TSHY3.6 化学吸收与增强因子化学吸收与增强因子n化

50、学吸收的三个控制环节化学吸收的三个控制环节（1）气膜扩散：气相主体中的溶质向气）气膜扩散：气相主体中的溶质向气-液相界面上扩散液相界面上扩散（2）液膜扩散：进入气）液膜扩散：进入气-液相界面的溶质向液相主体扩散液相界面的溶质向液相主体扩散（3）化学反应：气相溶质进入相界面后与液相组分发生反应）化学反应：气相溶质进入相界面后与液相组分发生反应n化学反应对吸收的影响化学反应对吸收的影响（1）加大了推动力：）加大了推动力： 有利于被吸收组分向液相主体扩散；有利于被吸收组分向液相主体扩散； 有利于气相主体中的被吸收组分向液面扩散。有利于气相主体中的被吸收组分向液面扩散。（2）提高了传质速率：由于气相传

51、质推动力和液相传质推动力都加）提高了传质速率：由于气相传质推动力和液相传质推动力都加大，使整个吸收过程的传质速率大大提高。大，使整个吸收过程的传质速率大大提高。TSHY3.6.1化学吸收的分类化学吸收的分类1.化学反应可忽略化学反应可忽略反应量反应量扩散量扩散量TSHY3.6.1化学吸收的分类化学吸收的分类TSHY2. 慢反应慢反应3.6.1化学吸收的分类化学吸收的分类TSHY 令:n慢反应: M错流错流并流并流全混流全混流。（2）在相同的）在相同的和和NOG下，下，L逆流逆流L错流错流L并流并流1时，若时，若NOG足够大，溶质的吸收也会足够大，足够大，溶质的吸收也会足够大，这是因为这是因为L

52、/Gm。（4）当）当A10时，表明吸收液量很大，不同流向的时，表明吸收液量很大，不同流向的趋于接趋于接近，两相的流向显得不重要。近，两相的流向显得不重要。（5）当）当A10%)时，可看成高浓度气体吸收。时，可看成高浓度气体吸收。n特点：特点：G，L沿塔高是变化的；沿塔高是变化的； 吸收过程是非等温的；吸收过程是非等温的； 传质系数与浓度有关。传质系数与浓度有关。3.10.2 高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度TSHY3.10.2 高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度n假设气体和液体中不随吸收改变的惰性部分为假设气体和液体中不随吸收改变的惰性部分为G和和L， 则

53、有：则有： 因此，有：因此，有： 相应的填料层高度计算变为：相应的填料层高度计算变为： )1 (xLL)1 (yGGyyGyyGyyGGy1d)1 (d1d)(d2xxLxyLxxLLx1d)1 (d1d)(d212)()1 (dyyeyyySyaKyGh21)()1 (dxxexxxSxaKyLhTSHY3.10.2 高浓度气体吸收时的填料高度高浓度气体吸收时的填料高度 取塔内任一截面上惰性气体和惰性液体的平均含量为：取塔内任一截面上惰性气体和惰性液体的平均含量为： 这样就可将塔内气相和液相的流量用惰性流量来表示。而这部分流这样就可将塔内气相和液相的流量用惰性流量来表示。而这部分流量基本不随塔高而变化，可视为常量与积分部分无关，因此：量基本不随塔高而变化，可视为常量与积分部分无关，因此： 对塔的上半部分做物料衡算，可得已知一端状况的操作线方程：对塔的上半部分做物料衡算，可得已知一端状况的操作线方程： )1/()1ln()1 ()1 ()1 (eemyyyyy1212)1)(1 (d)1 ()1 ()1)(1 ()1 (d)1 (yyemmyyyemymyyyySyaKGyySyaKyyGh)1/()1