化工原理吸收（课堂PPT）

1、.1第七章第七章 吸收吸收第一节第一节 概述概述第二节第二节 气液相平衡气液相平衡第三节第三节 传质动力学传质动力学第四节第四节 传质机理与传质方程传质机理与传质方程第五节第五节 吸收过程计算吸收过程计算第六节第六节 填料塔填料塔.2第一节第一节 概述概述一、吸收过程的基本应用一、吸收过程的基本应用二、吸收过程的基本原理二、吸收过程的基本原理三、吸收过程的分类三、吸收过程的分类四、吸收过程的基本流程四、吸收过程的基本流程五、吸收剂的选择原则五、吸收剂的选择原则六、精馏和吸收的比较六、精馏和吸收的比较.3第一节第一节 概述概述一、吸收过程的基本应用一、吸收过程的基本应用2.2.应用：应用： 产品

2、制备：如硫酸、盐酸、福尔马林的制备产品制备：如硫酸、盐酸、福尔马林的制备 回收有用物质：尾气中回收有用物质：尾气中NHNH3 3、COCO2 2等的回收；等的回收； 净化气体：净化气体： 原料气净化；原料气净化； 排放尾气净化；排放尾气净化； 气体产品的精制气体产品的精制。 1.1.吸收吸收: : 是将气体混合物中的各个组分予以分离的单元操作。是将气体混合物中的各个组分予以分离的单元操作。3.3.典型的工业吸收过程典型的工业吸收过程: : 洗油吸收煤气中的粗苯洗油吸收煤气中的粗苯.4吸收工艺过程吸收工艺过程吸收过程吸收过程 苯吸收塔苯吸收塔解吸过程解吸过程 苯解吸塔苯解吸塔贫油吸收塔含苯煤气解

3、吸塔过热蒸汽冷凝器粗苯水冷却器换热器补充新鲜洗油富油脱苯煤气采用吸收剂再生的连续吸收流程采用吸收剂再生的连续吸收流程.5二、吸收过程的基本原理二、吸收过程的基本原理 4.几个名词几个名词 吸收剂：吸收过程中所用的溶剂；吸收剂：吸收过程中所用的溶剂； 溶质：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分溶质：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分 ； 惰性组分：不能被吸收剂吸收的组分；惰性组分：不能被吸收剂吸收的组分； 富液富液 ：含有较高溶质浓度的吸收剂；：含有较高溶质浓度的吸收剂； 贫液：从富液中将溶质分离出来后得到的吸收剂贫液：从富液中将溶质分离出来后得到的吸收剂。1.1.依据：气体混合物中各组分在溶剂依

4、据：气体混合物中各组分在溶剂 中的溶解度的差异。中的溶解度的差异。2.吸收过程：吸收过程：（1）溶质从气相主体传递到相界面；）溶质从气相主体传递到相界面；（2）在相界面上溶质溶解到液相表面；）在相界面上溶质溶解到液相表面；（3）溶质从相界面传递到液相主体。）溶质从相界面传递到液相主体。吸收过程吸收过程解吸过程解吸过程气相主体气相主体液液相相主主体体 吸收及解析传质方向吸收及解析传质方向.63.实质：实质： 吸收过程吸收过程 溶质由气相到液相的质量传递过程；溶质由气相到液相的质量传递过程； 解吸过程解吸过程 溶质由液相到气相的质量传递过程。溶质由液相到气相的质量传递过程。三、吸收过程的分类三、吸

5、收过程的分类 1.物理吸收物理吸收与化学吸收（依有无化学反应）； 2.单组分吸收单组分吸收与多组分吸收（依吸收组分数）； 3.等温吸收等温吸收与非等温吸收（依温度是否变化）； 4.低浓度气体吸收低浓度气体吸收与高浓度气体吸收。.7四、吸收过程的基本流程四、吸收过程的基本流程1.一步吸收流程和两步吸收流程一步吸收流程和两步吸收流程 (选用吸收剂的数目) 一步吸收流程：仅用一种吸收剂 两步吸收流程：使用两种吸收剂贫液富液混合气体净化气一步吸收流程一步吸收流程两步吸收流程两步吸收流程吸收剂1吸收剂2混合气去解吸塔去解吸塔净化气吸收塔1吸收塔2.82.单塔流程和多塔流程单塔流程和多塔流程 (所用的塔设

6、备数)3.逆流吸收流程和并流吸收流程逆流吸收流程和并流吸收流程 (塔内气液流向)逆流和并流吸收过程逆流和并流吸收过程逆流逆流贫液富液混合气体净化气并流并流贫液富液混合气体净化气.94.部分溶剂循环流程部分溶剂循环流程贫液富液混合气体净化气 部分溶剂循环流程部分溶剂循环流程去解吸.105.两段吸收两段解吸流程两段吸收两段解吸流程:.11五、吸收剂的选择原则五、吸收剂的选择原则 对溶质的对溶质的溶解度要大；溶解度要大；对溶质有较高的选择性；对溶质有较高的选择性； 不易挥发；不易挥发； 较低的粘度，不易起泡；较低的粘度，不易起泡； 解吸性能好，便于再生；解吸性能好，便于再生；良好的化学稳定性、热稳定

7、性、无毒、无易燃易爆等；良好的化学稳定性、热稳定性、无毒、无易燃易爆等； 廉价、易得。廉价、易得。 .12六、精馏和吸收的比较六、精馏和吸收的比较 相同点相同点 分离均相混合物的气液传质过程分离均相混合物的气液传质过程 不同点不同点 引入另一相的方法引入另一相的方法 操作结构操作结构 传质机理传质机理 .13第二节 气液相平衡一、气液相平衡一、气液相平衡二、相平衡的表示方法二、相平衡的表示方法三、相平衡关系的应用三、相平衡关系的应用.14单组份的物理吸收平衡自由度单组份的物理吸收平衡自由度 ：F=C-+2=3-2+2=3。在温度、总压一定时，在温度、总压一定时，F=1，有：，有：Pe溶质在气相

8、中的分压溶质在气相中的分压平衡分压。平衡分压。 ce溶质在液相中的饱和浓度溶质在液相中的饱和浓度平衡溶解度。平衡溶解度。一、气液相平衡一、气液相平衡)(epfc 液相液相气相气相.15二、二、 相平衡关系的表示方法相平衡关系的表示方法 1.溶解度（相平衡）曲线溶解度（相平衡）曲线： 分压对溶解度的影响：分压对溶解度的影响：p* 增加，增加，x 增加（增加（T 一定）一定） ； 温度对溶解度的影响：温度对溶解度的影响： T 增加，增加，x下降（下降（ P*一定）一定） ； 总压对溶解度的影响：在组份分压不变时，若总压对溶解度的影响：在组份分压不变时，若P变化不大变化不大 （ P小于小于0.5MP

9、a时），总压时），总压P的变化不影响的变化不影响 p*、x之间的关系。之间的关系。 a p*=f（x） (T、P 恒定恒定) 说明：说明：气相中氨的平衡分压气相中氨的平衡分压 p* /133.32Pa6008000.0440020060504030液相中氨的摩尔分数液相中氨的摩尔分数 x0.120.080.16 氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度.16b y* x 曲线曲线注意：注意： P 对对 x-y 图有影响，因为对于一定的图有影响，因为对于一定的 y ，P变化将导致变化将导致p*的变的变化，化，p*是影响溶解度的直接原因。是影响溶解度的直接原因。.172.气液相平衡方程（享利定律）气液相平

10、衡方程（享利定律） 在总压不高时（在总压不高时（P小于小于 0.51MPa ），溶质在稀溶液中的溶解），溶质在稀溶液中的溶解曲线通过原点，且为直线曲线通过原点，且为直线, 可表示为：可表示为：Exp *E享利常数，享利常数，kPaa 若液相为理想溶液，则在全部浓度范围内，上式均成立。若液相为理想溶液，则在全部浓度范围内，上式均成立。 此时，亨利定律与拉乌尔定律一致此时，亨利定律与拉乌尔定律一致, E=P0。b 不同气体不同气体： E 大，难大，难 溶；溶； E 小小 ， 易溶。易溶。 c 同种气体：同种气体： x,E,t说明：说明：.18(1)享利定律的其他表示法享利定律的其他表示法 浓度的表

11、示方法不同，享利定律的形式不同。浓度的表示方法不同，享利定律的形式不同。 XmY*e X为比摩尔分率Hcp *c为kmol（溶质）/m3溶液溶解度系数溶解度系数mxy *x为摩尔分率相平衡常数相平衡常数y1yY x1xX .19(2)E 、 H、m、m* 之间的关系之间的关系 E，H 之间的关系之间的关系 ：HCHxxCHxcEHcExoo 对于稀溶液：对于稀溶液：sssmmoCMMC HcEs cs 溶剂摩尔浓度，kmol溶剂/m3溶液。.20 E, m 之间的关系之间的关系: mxExyp *)(eepyEm 若气相为理想气体： ppy* PEm m，m* 之间的关系：之间的关系： xxm

12、yyee11*xymme11*xXyYee，对于稀溶液：则： m = m *.21三、气液平衡关系的应用三、气液平衡关系的应用1. 判断过程进行的方向判断过程进行的方向 eyy ieipp exx 或为吸收过程eyy ieipp exx 或为解吸过程组成为 y、x的气液相相接触，传质方向为： .222. 确定传质过程的推动力确定传质过程的推动力 组成为 y、x的气液相相接触，传质推动力可表示为： xxxyyyeecccpppee或.233. 判断过程进行的极限判断过程进行的极限 平衡为过程的极限状态平衡为过程的极限状态22min2mxyye 净化气体为目的：制取液相产品为目的：myxxe11m

13、ax1 .24例例7-1：在常压及在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：浓下，测得氨在水中的平衡数据为：浓度为度为0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为的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，试求亨利系数数E，溶解度系数，溶解度系数H，及相平衡常数，及相平衡常数m。（氨水密度可取为。（氨水密度可取为1000kg/m3） 解：解：由亨利定律表达式知：由亨利定律表达式知：xpE* 18/10017/5 . 017/5 . 0 x00527. 0 .25亨利系数为亨利系数为 xpE* 005

14、27. 0400 Pa41059. 7又又 mxy *，而而 Ppy* 51001. 1400 00395. 0相平衡常数相平衡常数 00527. 000395. 0 m75. 0Hcp *10001005 . 017/5 . 0 c3/293. 0mkmol .26溶解度系数为：溶解度系数为： 400293. 0 HPamkmol 34/1033. 7或由各系数间的关系求出其它系数或由各系数间的关系求出其它系数 ssEMH 181059. 710004 Pamkmol34/1032. 7PEm 341033.1011059. 7 749. 0.27第三节第三节 传质分离动力学传质分离动力学一

15、、传质的基本方式一、传质的基本方式二、组分运动速度及传质通量二、组分运动速度及传质通量三、分子扩散三、分子扩散四、涡流扩散四、涡流扩散五、对流传质五、对流传质.28吸收过程涉及两相间的物质传递，包括吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：三个步骤：溶质由气相主体传递到两相界面，即溶质由气相主体传递到两相界面，即气气相内的物质传递相内的物质传递；溶质在相界面上的溶解，由气相转入液溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即相，即界面上发生的溶解过程；界面上发生的溶解过程；溶质自界面被传递至液相主体，即溶质自界面被传递至液相主体，即液相液相内的物质传递内的物质传递。第三节第三节 传质分离动力学传质

16、分离动力学质量传递质量传递：在具有浓度差的混合物中，一个或几个组分从一处在具有浓度差的混合物中，一个或几个组分从一处 转移到另一处的过程。工程上，简称为传质过程。转移到另一处的过程。工程上，简称为传质过程。气相主体气相主体 相界面相界面 液相主体液相主体单向传质单向传质 界面溶解界面溶解 单向传质单向传质.29一、传质的基本方式一、传质的基本方式 单相内的传质：单相内的传质： （1 1）分子扩散）分子扩散: : 一相内部有浓度差异一相内部有浓度差异 分子随机热运动的宏观结果。分子随机热运动的宏观结果。 固体、静止的流体和作层流流动的流体内部单独存在。固体、静止的流体和作层流流动的流体内部单独存

17、在。 （2 2）涡流扩散：质点的湍动和旋涡的扰动引起。）涡流扩散：质点的湍动和旋涡的扰动引起。 湍流流动的流体内（分子扩散的影响可忽略）。湍流流动的流体内（分子扩散的影响可忽略）。 对流传质：流体与固体壁面之间或流体与相界面之间的质量对流传质：流体与固体壁面之间或流体与相界面之间的质量传递。传递。分子热运动分子热运动.30二、组分运动速度及传质通量二、组分运动速度及传质通量1. 1. 流体中组分的速度流体中组分的速度a a）组分的绝对速度）组分的绝对速度 ui i i 组分通过空间某一静止平面的速度。组分通过空间某一静止平面的速度。b b）物系的平均速度）物系的平均速度 u0cNu u u-

18、-混合体系的平均速度，混合体系的平均速度，m/sm/s；c c0 0- -混合物的表观物质的量浓度，混合物的表观物质的量浓度，kmol/mkmol/m3 3；N N- - 单位面积上混合物系的摩尔流量，单位面积上混合物系的摩尔流量，kmol/(mkmol/(m2 2 s)s)。.31由于：由于：iiiiucNNN,所以：所以：niiiuccu101c）组分的扩散速度）组分的扩散速度 uki扩散是由于自身的浓度差引起的质量传递。扩散是由于自身的浓度差引起的质量传递。uuuikiuki移动平面移动平面静止平面静止平面ui u 组分运动速度分析组分运动速度分析.32 通过空间某一静止平面的传质通量：

19、通过空间某一静止平面的传质通量：)(uucucJiikiii2.2.组分的传质通量组分的传质通量 混合物系中某组分在单位时间内通过空间某一平面单位混合物系中某组分在单位时间内通过空间某一平面单位面积上的质量或物质的量。面积上的质量或物质的量。)(uucucNkiiiii扩散通量扩散通量J Ji i：通过以平均速度移动的平面的传质通量。通过以平均速度移动的平面的传质通量。在工程上，以组分通过空间某固定平面计算传质通量。在工程上，以组分通过空间某固定平面计算传质通量。ucJuucNiikiii)(.33又因为：又因为：NccNyucyucyuciiiiiiii)/(00所以：所以：0ccNJNii

20、i0ccNi总体流动造成的质量通量。总体流动造成的质量通量。移动平面移动平面静止平面静止平面NiN(ci/c0)Ji 组分传质通量表达组分传质通量表达.34三、分子扩散三、分子扩散 分子随机热运动引起的质量传质过程，只要有组分的浓度差存分子随机热运动引起的质量传质过程，只要有组分的浓度差存在，就存在分子扩散，当过程进行到组分的浓度差消失时，宏观的在，就存在分子扩散，当过程进行到组分的浓度差消失时，宏观的传质通量为零，但微观的分子热运动仍在进行，只是组分的扩散和传质通量为零，但微观的分子热运动仍在进行，只是组分的扩散和反向扩散的速率相当，系统处于反向扩散的速率相当，系统处于动态平衡状态动态平衡状

21、态。 分子扩散通量可用费克定律描述。分子扩散通量可用费克定律描述。1.1.费克定律费克定律 dzdcDJAABA表明：分子扩散速率表明：分子扩散速率正比于浓度梯度正比于浓度梯度，方向，方向沿浓度降低的方向沿浓度降低的方向。即：即：dzdcDucJAABkAAA.35122.2.双组分等分子反向扩散双组分等分子反向扩散系统内各处总浓度相等，温度恒定不变。发生分子扩散过程。系统内各处总浓度相等，温度恒定不变。发生分子扩散过程。CA1CA2CB1CB2CA1CA2、 CB2CB1.36dzdcDJNBBABB 同理：同理：dzdcDJNAABAA ）（积分得：积分得：21AAABAcczDN ）（积

22、积分分得得：21BBBABcczDN 对于气相：对于气相： RTPCAA RTPCBB czz1z2JAJBOc0cA1cB2cA2cB1 等分子反向扩散等分子反向扩散.37 21AAABAppzRTDN 21BBBABppzRTDN 对于该系统：对于该系统：0 BANNNBABAJJNN 所以有：所以有：常常数数又又： BAccdzdcdzdcBA 故故有有：DDDBAAB 所以：所以： .383. 3. 单向扩散单向扩散 A A可溶于液相可溶于液相 B B完全不溶于液相完全不溶于液相 液相不挥发液相不挥发AJBJ0AccN0BccN AN气相主体气相主体液相主体液相主体相界面相界面N 单向

23、扩散示意图单向扩散示意图.39总体流动：在压力差的作用下，单相主体向界面移动称为总体总体流动：在压力差的作用下，单相主体向界面移动称为总体 流动，总体流动造成流动，总体流动造成A A，B B向同一方向移动。向同一方向移动。组分组分A A在在z z轴方向上总的传质通量为：轴方向上总的传质通量为：00ccNdzdcDccNJNAAAAA 00 ccNdzdcDNBBB组分组分B B在在z z轴方向上总的传质通量为：轴方向上总的传质通量为：0ccNdzdcDBB 0ccNJBB AJBJ0AccN0BccN AN N单向扩散示意图单向扩散示意图.40NdzdcDdzdcDcccNdzdcDdzdcD

24、ccNdzdcDccNdzdcDNNNBABABABBAABA 000)()(于是：于是：0 dzdcDdzdcDBA所以：所以：BAJJ 表明：表明：对于有总体流动的稳态分子扩散过程，两组分的分子对于有总体流动的稳态分子扩散过程，两组分的分子 扩散通量仍然是数值相等而方向相反。扩散通量仍然是数值相等而方向相反。AJBJ0AccN0BccN AN N单向扩散示意图单向扩散示意图.41对于单向稳态分子扩散，由于对于单向稳态分子扩散，由于 N NB B=0=0，所以，所以 N N= =N NA A，0ccNdzdcDNAAAA dzdccccDNAAA 00整理得：整理得：121221012010

25、200lnlnlnBBBBAABBAAAccccccczDccczDccccczDN .42令令1212lnBBBBBmccccc 则有：则有：)(210AABmAcczcDcN 对于气相物系：对于气相物系：)(21AABmAppppzRTDN 其中其中1212lnBBBBBmppppp .43其中其中 和和 称为称为漂流因子漂流因子，其值大于，其值大于1 BmpPBm0CC意义：意义：漂流因子反映了总体流动对传质速率的影响，其值愈大漂流因子反映了总体流动对传质速率的影响，其值愈大 总体流动作用越强。总体流动作用越强。当当A很低时，很低时， ， ，则漂流因子则漂流因子 1，总体流动的影响消失。

26、，总体流动的影响消失。Bmpp Bmcc 04.4.分子扩散系数分子扩散系数 物质传递性质的度量参数，表达组分扩散难易程度。物质传递性质的度量参数，表达组分扩散难易程度。 物理意义：物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量。单位浓度梯度下的扩散通量。 影响因素：影响因素：系统的温度、压力和物系的组成。系统的温度、压力和物系的组成。 数据来源：数据来源：一般由实验确定、半经验公式计算。一般由实验确定、半经验公式计算。.44 smVVPMMTDBABA/11103 . 42231312/1237 液体中的分子扩散系数液体中的分子扩散系数（10-9 10-10 m2/s）6 . 02112)(104 .

27、7ABBABVTMD 稀溶液中的扩散系数：稀溶液中的扩散系数：小分子溶质在非电解质小分子溶质在非电解质四、涡流扩散四、涡流扩散 涡流扩散通量表示方法，借助于费克定律。涡流扩散通量表示方法，借助于费克定律。dzdcDJAeA *D De e涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况有关。涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况有关。 双组分气体混合物，组分的扩散系数：双组分气体混合物，组分的扩散系数： 气体分子扩散系数（气体分子扩散系数（ 1010-5 -5 10 10-4-4 m m2 2/s/s）.45五、对流传质五、对流传质对流扩散速率，既有分子扩散又有涡流扩散。对流扩散速率，既有分

28、子扩散又有涡流扩散。dZdcDDJAeA1.1.流体沿相界面呈层流流流体沿相界面呈层流流动动质量传递：以分子扩散的方式进行。质量传递：以分子扩散的方式进行。说明：传质方向上的浓度分布为曲线分布。说明：传质方向上的浓度分布为曲线分布。2.2.在湍流流动条件下在湍流流动条件下 层流内层：以分子扩散的方式进行质量传递；层流内层：以分子扩散的方式进行质量传递； 湍流中心：主要以涡流扩散的方式进行；湍流中心：主要以涡流扩散的方式进行； 过渡层：过渡层： 两种扩散方式同时存在。两种扩散方式同时存在。.46.473.3.对流传质的停滞膜模型及传质速率方程对流传质的停滞膜模型及传质速率方程 停滞膜模型停滞膜模

29、型 模型要点：模型要点： 相界面处存在一层虚拟的停滞膜相界面处存在一层虚拟的停滞膜; ; 膜外为流体流动的湍流区；膜外为流体流动的湍流区； 停滞膜非常薄，膜内无物质累积，停滞膜非常薄，膜内无物质累积， 为稳态分子扩散为稳态分子扩散 ； 对流传质阻力全部集中于停滞膜内。对流传质阻力全部集中于停滞膜内。相界面相界面气相主体G 停滞膜模型停滞膜模型 基于停滞膜模型，可以利用分基于停滞膜模型，可以利用分子扩散理论描述对流传质问题。子扩散理论描述对流传质问题。.48传质速率方程传质速率方程 AiABmGApppPRTDN BmGGpPRTDk AiAGAppkN 对于气相对于气相对于液相对于液相 ccC

30、DCNiBmLA 0BmLLLcCDk0 cckNiLA kL：液膜传质系数：液膜传质系数kG：气膜传质系数：气膜传质系数.49 例例7-27-2：在在101.33KPa101.33KPa、00下的下的O O2 2和和COCO混合气体中混合气体中发生稳定的分子扩散过程。已知相距发生稳定的分子扩散过程。已知相距0.2cm0.2cm的两截的两截面上面上O O2 2的分压分别为的分压分别为13.33kPa13.33kPa和和6.67kPa6.67kPa，又知扩，又知扩散系数为散系数为0.185cm0.185cm2 2/s/s，试计算下列两种情况下，试计算下列两种情况下O O2 2的传递速率。的传递速

31、率。(1) O(1) O2 2和和COCO两种气体作等分子反向扩散；两种气体作等分子反向扩散；(2) CO(2) CO气体为停滞组分。气体为停滞组分。.50)/(1001. 326.9133.1011071. 226.91886 .94ln886 .946 .9467. 633.1018833.1333.101ln )(CO)2()/(1071. 2 )67. 633.13(2 . 0273314. 810185. 0)()1(255221112122125421smkmolNkPapkPapppkPappppppppppppRTzDNsmkmolppRTzDNABmABABBBBBBmAAB

32、mAAAA 气体为停滞组分气体为停滞组分扩散扩散两种气体作等分子反向两种气体作等分子反向解：解：.51第四节第四节 吸收过程机理和吸收速率方程式吸收过程机理和吸收速率方程式 一、吸收过程的机理一、吸收过程的机理 二、吸收速率方程二、吸收速率方程 .52一、吸收过程的机理一、吸收过程的机理 对吸收机理的认识异同对吸收机理的认识异同 由于相界面附近流体流动状况和传质过程很复杂，由于相界面附近流体流动状况和传质过程很复杂，人们对上述三步的认识不同，提出了各种不同的传人们对上述三步的认识不同，提出了各种不同的传质模型来描述整个传质机理。但至今仍没有一个完质模型来描述整个传质机理。但至今仍没有一个完整的

33、理论能说明两流体相间在各种不同情况下的传整的理论能说明两流体相间在各种不同情况下的传质机理。质机理。 吸收机理模型有三种，即：吸收机理模型有三种，即：双膜理论双膜理论、溶质渗透模溶质渗透模型型和和表面更新模型表面更新模型。 重点：重点：19231923年惠特曼提出的年惠特曼提出的双膜理论双膜理论 .53一、吸收过程的机理一、吸收过程的机理1.1.双膜理论双膜理论相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传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，质阻力，气液两相处于平衡状态气液两相处于平衡状态。界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气界面两侧分别存在着两层膜，气

34、膜和液膜。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，这两层膜均很薄，膜内的流体是膜内的流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。 膜外的气液相主体中，膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。膜内。 .542.2.模型模型.553.3.优缺点优缺点 实验证明，在实验证明，在气速较低气速较低时，用双膜理论解释吸收时，用双膜理论解释吸收过程是过程是符合实际情况符合实际情况的，即提高速度，可增

35、大吸的，即提高速度，可增大吸收速率已为实践所证实。根据这一理论的基本概收速率已为实践所证实。根据这一理论的基本概念所确定的吸收速率关系，至今仍是念所确定的吸收速率关系，至今仍是填料吸收塔填料吸收塔设计计算的主要依据设计计算的主要依据。 但当但当速度较高速度较高时，气液两时，气液两相界面就处于不断更新相界面就处于不断更新的状态，并不存在稳定的气膜和液膜，界面更新的状态，并不存在稳定的气膜和液膜，界面更新对吸收过程是一重要影响因素，双膜论对于这种对吸收过程是一重要影响因素，双膜论对于这种情况并无考虑进去，这是它的局限性。情况并无考虑进去，这是它的局限性。 本课程后续部分也将以该理论为讨论问题的基础

36、。本课程后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。.56二、吸收速率方程式二、吸收速率方程式 吸收速率：吸收速率： 单位面积，单位时间内吸收的溶质单位面积，单位时间内吸收的溶质A A的摩尔数，的摩尔数，用用N NA A表示，单位通常用表示，单位通常用kmol/mkmol/m2 2.s.s。吸收传质速率方程：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与吸收推动力之间关系的数学式 吸收速率吸收速率= =传质系数传质系数推动力推动力 1.1.气膜吸收速率方程式气膜吸收速率方程式 )(iBmGABAppPPRTZDN .57GBmGABkRTPZPD 令令)(iGAppkN 气膜吸收

37、速率方程式气膜吸收速率方程式Gk气膜吸收系数，气膜吸收系数， kmol/(mkmol/(m2 2.s.kPa).s.kPa)。 也可写成：也可写成： GiAkppN1 .58当气相的组成以摩尔分率表示时当气相的组成以摩尔分率表示时 )(iyAyykNyk以以 y表示的气膜吸收系数，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当气相组成以摩尔比浓度表示时 )(iYAYYkNYk以以 Y表示推动力的气膜吸收系数，表示推动力的气膜吸收系数，kmol/(m2.s)。 .592.2.液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式 )(ccczCDNismLA 令令 LsmLkcZCD

38、 )(cckNiLA 或或 LiAkccN1 液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程Lk以以 c为推动力的液膜吸收系数，为推动力的液膜吸收系数，m/s； .60当液相的组成以摩尔分率表示时当液相的组成以摩尔分率表示时 )(xxkNixA xk以以 x为推动力的液膜吸收系数，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当液相组成以摩尔比浓度表示时 )(XXkNiXA Xk以以 X为推动力的液膜吸收系数，为推动力的液膜吸收系数，kmol/(m2.s)。 .613.3.界面浓度界面浓度)()(cckppkNiLiGA GLiikkccpp 当已知两相组成的平衡关系，如当已

39、知两相组成的平衡关系，如 )(*cfp 和上式联立便可和上式联立便可 求出求出 iicp ,.62pcAIcipi图解法图解法.634.4.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 1）以气相组成表示总推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 a）以以p p为推动力的吸收速率方程为推动力的吸收速率方程 *)(ppKNGA GK 以以 p为推动力的气相总吸收系数，为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s.Pa) *p与液相主体浓度与液相主体浓度c c成平衡的气相分压，成平衡的气相分压，PaPa。 .64)(*yyKNyA b b）以以y y

40、为推动力的吸收速率方程为推动力的吸收速率方程2 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以以y y为推动力的气相总吸收系数，为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。 yKa a）以以c c为推动力的吸收速率方程为推动力的吸收速率方程 )*(ccKNLA LK以以c c为推动力的液相总吸收系数，为推动力的液相总吸收系数，m/sm/s .65b b）以以x x为推动力的吸收速率方程为推动力的吸收速率方程 )(*xxKNxAxK以以x x为推动力的液相总吸收系数，为推动力的液相总吸收系数，kmol/(mkmol/(m2 2.s).s) 3 3

41、）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：适用条件：溶质浓度很低时溶质浓度很低时 a a）以）以 *)(YY 表示总推动力的总吸收速率方程式表示总推动力的总吸收速率方程式据道尔顿分压定律据道尔顿分压定律Pyp YYy1YYPp1*1*YYPp.66代入代入 *)(ppKNGA )*1*1(YYPYYPKNGA *)(*)1)(1(YYYYPKNGA 令令 YGKYYPK *)1)(1(*)(YYKNYA YK以以 Y为推动力的气相总吸收系数，为推动力的气相总吸收系数，kmol/(mkmol/(m2 2.s).s) .67b b）以以 )*(XX

42、表示总推动力的吸收速率方程式表示总推动力的吸收速率方程式 )*(XXKNXA XK以以 X 为推动力的液相总吸收系数，为推动力的液相总吸收系数，kmol/(mkmol/(m2 2.s).s) 5.5.各种吸收系数之间的关系各种吸收系数之间的关系1 1）总系数与分系数的关系）总系数与分系数的关系 *)(ppKNGA GAKNPP *)(iGAppkN GAikNpp .68)(cckNiLA LAikNcc 由亨利定律：由亨利定律： iiHpc *Hpc )(cckNiLA *)(ppHkiL LAiHkNpp *)()(*ppppppii LAGAHkNkN .69LAGAGAHkNkNKNL

43、GGHkkK111LGGHkkK1,1,1分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力 即总阻力即总阻力= =气膜阻力气膜阻力+ +液膜阻力液膜阻力 同理同理 LGLkkHK11.70 xyykmkK11xyxkmkK111在溶质浓度很低时在溶质浓度很低时 xYYkmkK11YXXmkkK1112 2）总系数间的关系）总系数间的关系 a a）气相总吸收系数间的关系）气相总吸收系数间的关系 GyPKK.71)1)(1 (*YYPKKGY当溶质在气相中的浓度很低时当溶质在气相中的浓度很低时 PKKGYb b）液相总传质系数间的关系）液相总传质系数间的关系 LxLXCKKCKK,

44、c c）气相总吸收系数与液相总吸收系数的关系）气相总吸收系数与液相总吸收系数的关系yxLGmKKHKK,3 3）各种分系数间的关系）各种分系数间的关系 GyPkk LxCkk .726.6.传质速率方程的分析传质速率方程的分析 1 1）溶解度很大时的易溶气体）溶解度很大时的易溶气体 LGHkk11 LGGHkkK111 GGkK11 GGkK 即即气膜控制气膜控制.73气膜控制气膜控制例：水吸收氨或例：水吸收氨或HClHCl气体气体 液膜控制液膜控制例：水吸收氧、例：水吸收氧、COCO2 2 .742 2）溶解度很小时的难溶气体）溶解度很小时的难溶气体LGLkkHK11当当H H很小时，很小时

45、， LGkkH1LLkK11液膜控制液膜控制 3 3）对于溶解度适中的气体吸收过程）对于溶解度适中的气体吸收过程 气膜阻力和液膜阻力气膜阻力和液膜阻力均不可忽略均不可忽略，要提高过程速率，必，要提高过程速率，必须兼顾气液两端阻力的降低。须兼顾气液两端阻力的降低。.75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.76)(),(),(iYAiyAiGAYYkN

46、yykNppkN)(),(),(XXkNxxkNcckNiXAixAiLA.77)(),(),(*yyKNYYKNppKNyAYAGA*(),(),()ALAXAxNKcc NKXXNKxx.78注意：注意：吸收系数的单位：吸收系数的单位：kmol/(mkmol/(m2 2.s.s.单位推动力单位推动力) )吸收系数与吸收推动力的正确搭配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吸收速率方程的适用条件 各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 .79例题：求

47、传质通量.80)/(1274. 0056. 02075. 012 . 1026. 221)()(2*hmkmolkHkcHpcHpKccKNGLAAAALALA或：.81例题：求传质系数与速率例题：求传质系数与速率 例例7-47-4：在压强为在压强为101.33kPa101.33kPa下，用清水吸收含溶质下，用清水吸收含溶质A A的混合气体，平衡关系服从亨利定律。在吸收塔某截的混合气体，平衡关系服从亨利定律。在吸收塔某截面上，气相主体溶质面上，气相主体溶质A A的分压为的分压为0.4kPa0.4kPa，液相中溶质，液相中溶质A A的摩尔分数为的摩尔分数为0.010.01，相平衡常数，相平衡常数

48、m m为为0.840.84，气膜吸收，气膜吸收系数系数k kY Y为为2.77610-5kmol/(m2s)；液膜吸收系数；液膜吸收系数k kX X为为3.8610-3kmol/(m2s)；试求：；试求： (1)(1)气相总吸收系数气相总吸收系数K KY Y，并分析该吸收过程控制因素；，并分析该吸收过程控制因素； (2)(2)吸收塔截面上的吸收速率吸收塔截面上的吸收速率N NA A。.82)/(10756. 210629. 3110629. 310716. 210602. 31086. 384. 010776. 2111)1(25442435smkmolKkmkKKYXYYY 故：故：由下式求

49、得：由下式求得：气相总吸收系数气相总吸收系数解：解：。程可视为气膜阻力控制程可视为气膜阻力控制，故该过，故该过的的，液膜阻力只占总阻力，液膜阻力只占总阻力为为，液膜阻力，液膜阻力阻力为阻力为由计算结果可知，气膜由计算结果可知，气膜%7 . 0/ )(10716. 2/ )(10602. 32224kmolsmkmolsm .83)/(10899. 0)00848. 0411. 0(10756. 2)(00848. 00101. 084. 00101. 001. 0101. 010411. 00 . 433.1010 . 4) 2(265*smkmolYYKNmXYxxXpPpYNYAA 则则：

50、尔尔比比，即即：将将气气液液相相组组成成换换算算成成摩摩：吸吸收收系系数数.84第五节第五节 吸收塔的计算吸收塔的计算 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 二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定 三、塔径的计算三、塔径的计算 四、填料层高度的计算四、填料层高度的计算 五、理论板层数的计算五、理论板层数的计算六、吸收的操作型计算六、吸收的操作型计算 .85 化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为同，一般可分为设计型计算设计型计算和和操作型（校核型）计算操作型（校核型）计算两大两大类。类。设计型计算

51、设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。务要求的单元设备。操作型计算操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。完成的任务。 两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸是具体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔的设计型计算，而操作型计算则通过习题加以训练。收塔的设计型计算，而操作型计算则通过习题加以训练。 .86吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：吸收塔的设计

52、计算，一般的已知条件是： 1 1）气体混合物中溶质）气体混合物中溶质A A的组成（的组成（molmol分率）以及流量分率）以及流量kmol/(m2.s) 2 2）吸收剂的种类及）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；下的相平衡关系； 3 3）出塔的气体组成）出塔的气体组成 需要计算：需要计算：1 1）吸收剂的用量）吸收剂的用量kmol/(m2.s)；2 2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度.87设计计算的主要内容与步骤设计计算的主要内容与步骤 计算依据：计算依据：物系的相平衡关系和传质速率物系的相平衡关系和传质速率(1) (1) 吸收剂的选择及用量的计算；吸收剂的选

53、择及用量的计算；(2) (2) 设备类型的选择；设备类型的选择；(3) (3) 塔径计算；塔径计算；(4) (4) 填料层高度或塔板数的计算；填料层高度或塔板数的计算；(5) (5) 确定塔的高度；确定塔的高度；(6) (6) 塔的流体力学计算及校核；塔的流体力学计算及校核；(7) (7) 塔的附件设计。塔的附件设计。 .88一、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.89一、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 1.1.物料衡算物料衡算 目的目的 ： 确定各物流之间的量的关系确定各物流之间的量的关系以及设备中任意位置两物料以及设备中任意位置两物料

54、组成之间的关系。组成之间的关系。 对单位时间内进出吸收塔的对单位时间内进出吸收塔的A A的物的物 质量作衡算质量作衡算 1221LXVYLXVY .90)()(2121XXLYYV 2211XVLYXVLY 吸收率吸收率A 混合气中溶质混合气中溶质A A 被吸收的百分率被吸收的百分率 )1(12AYY 2.2.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在 mnmn面与塔底截面之间作组分面与塔底截面之间作组分A A的衡算的衡算LXVYLXVY 11V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X.91)(11XVLYXVLY 逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程在在m

55、nmn截面与塔顶截面之间作组分截面与塔顶截面之间作组分A A的衡算的衡算LXVYLXVY 22)(22XVLYXVLY 逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程表明：表明： 塔内任一截面的气相浓度塔内任一截面的气相浓度Y Y与液相浓度与液相浓度X X之间成直线之间成直线关系，直线的斜率为关系，直线的斜率为L/VL/V。 V, Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X.92 当当 L/V L/V 一定，操作一定，操作线方程在线方程在 Y-X Y-X 图上为以图上为以液气比液气比 L/V L/V 为斜率，过为斜率，过塔进、出口的气、液两相塔进、出口的气、液两相组成点组成点( (Y Y1

56、1，X X1 1) )和和( (Y Y2 2，X X2 2) )的直线，称为的直线，称为吸收操作线吸收操作线。Y YXoY Y* *=f(X)=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*P 线上任一点的坐标线上任一点的坐标( (Y Y，X X) )代表了塔内该截面上气、代表了塔内该截面上气、液两相的组成。液两相的组成。 操作线上任一点操作线上任一点 P P 与平衡线间的垂直距离与平衡线间的垂直距离 ( (Y-YY-Y* *) ) 为塔为塔内该截面上以内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水；与平衡线的水平距离平距离 ( (X X* *-X-X) ) 为该截面

57、上以为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力液相为基准的吸收传质推动力。 两线间垂直距离（两线间垂直距离（Y-YY-Y* *）或水平距离（）或水平距离（X X* *-X-X）的变化显示）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。 Y- Y*X*-X.93并流操作线方程并流操作线方程V, Y1V, Y2L, X2L, X1V, YL, X 11XVLYXVLYYXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY- Y*X*-X)(22YXVLXVLY .943.3.吸收塔内流向的选择吸收塔内流向的选择 在在 Y Y1 1 至至 Y Y2 2 范围内，范围内，

58、两相逆流时沿塔高均能保持较大的两相逆流时沿塔高均能保持较大的传质推动力传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。 在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，逆流操作的逆流操作的平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流优于并流。优于并流。这与间壁式对流传热的并流与逆流流向选择这与间壁式对流传热的并流与逆流流向选择分析结果是一致的。分析结果是一致的。 与并流相比，逆流操作时上升的

59、气体将对借重力往下流与并流相比，逆流操作时上升的气体将对借重力往下流动的液体动的液体产生一曳力产生一曳力，阻碍液体向下流动，因而限制了，阻碍液体向下流动，因而限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不利的一面。利的一面。 工业吸收一般工业吸收一般多采用逆流多采用逆流，本章后面的讨论中如无特殊，本章后面的讨论中如无特殊说明，均为逆流吸收。说明，均为逆流吸收。 .95例题：物料衡算例题：物料衡算 例例7-57-5：在常压逆流操作的吸收塔中，用清在常压逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气中溶质组分水吸收混合气中溶质组分A A。已知操作温度。

60、已知操作温度为为2727，混合气体处理量为，混合气体处理量为1100m1100m3 3/h/h，清水，清水用量为用量为2160kg/h2160kg/h。若进塔气体中组分。若进塔气体中组分A A的体的体积分数为积分数为0.050.05，吸收率为，吸收率为90%90%，试求塔底吸，试求塔底吸收液的组成，以摩尔比表示。收液的组成，以摩尔比表示。.960168. 00)00526. 00526. 0(12025.42/45.42)05. 01 (272732734 .221100)1 (2732734 .22/12018216000526. 0)90. 01 (0526. 0)1 (0526. 005