化工原理上册课件第三版

1、学习情境六、吸收学习情境六、吸收6.1 概述概述6.2 气液相平衡气液相平衡6.1 概述概述一、一、 吸收的定义与工业背景吸收的定义与工业背景 在合成氨工厂，合成氨的原料气中含有在合成氨工厂，合成氨的原料气中含有30%的的CO2，如何将，如何将CO2从原料气中分离？从原料气中分离？ 在焦化厂，焦炉气中含有多种气体。如：在焦化厂，焦炉气中含有多种气体。如：CO、H2、NH3、苯类等，如何将氨从焦炉气中分离？、苯类等，如何将氨从焦炉气中分离？ 在硫酸厂，硫铁矿经焙烧氧化得到在硫酸厂，硫铁矿经焙烧氧化得到SO3，如何由，如何由SO3制造硫酸？制造硫酸？ 吸收吸收: 利用气体混合物中各组分在某种液体中

2、利用气体混合物中各组分在某种液体中溶解度溶解度的差异的差异来分离气体混合物的操作。来分离气体混合物的操作。几个概念：几个概念：吸收剂吸收剂溶剂溶剂吸收质吸收质气体中能被溶解的组分气体中能被溶解的组分惰性气体惰性气体气体中不被溶解的组分气体中不被溶解的组分各种气体在碳酸丙烯酯中的溶解度各种气体在碳酸丙烯酯中的溶解度Nm3气体气体/m3溶剂（溶剂（P=1atm,t=25oC)气体气体COCO2 2H H2 2COCOCHCH4 4溶解度溶解度3.473.470.030.030.50.50.30.3二、工业吸收流程二、工业吸收流程三、三、 吸收的应用吸收的应用v 制备某种气体的制备某种气体的液体产品

3、液体产品如用如用H2SO4吸收吸收SO3制取发烟制取发烟H2SO4，用水吸收，用水吸收NO2以制造硝酸。以制造硝酸。v 回收混合气体中的有用物质回收混合气体中的有用物质如用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨。如用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨。v 气体净化气体净化 原料气的净化原料气的净化 尾气、废气的净化以保护环境尾气、废气的净化以保护环境 气体吸收是控制工业废气污染的主要方法气体吸收是控制工业废气污染的主要方法 v生化工程生化工程 在废气处理中采用曝气法以及污泥氧化法等，在废气处理中采用曝气法以及污泥氧化法等，均要应用空气中的氧在水中溶解均要应用空气中的氧在水中溶解(吸收吸收)这一过程这一过程.四

4、、吸收剂的选择四、吸收剂的选择v成本：成本：吸收的成本通常呈指数上升吸收的成本通常呈指数上升 成本成本(99%)=2成本成本(90%) 成本成本(99.9%)= 2 成本成本(99%)依据：依据：H2S浓度浓度溶剂溶剂备注备注很高很高乙二醇或碳乙二醇或碳丙丙物理溶剂物理溶剂较低较低乙醇胺乙醇胺化学溶剂化学溶剂微量微量氢氧化钠氢氧化钠NaOH+H2S=NaHS+H2O 取决于原料气中溶质的浓度以及所要求的脱除率取决于原料气中溶质的浓度以及所要求的脱除率 例：例：H2S的脱除的脱除选择要求选择要求v溶解度大溶解度大提高吸收速率，减少吸收剂用量提高吸收速率，减少吸收剂用量v选择性好选择性好以实现直接

5、有效的分离以实现直接有效的分离v挥发度低挥发度低降低吸收剂的损失量降低吸收剂的损失量v粘度低粘度低 提高流动性提高流动性v安全性好安全性好v选择原则：经济、合理选择原则：经济、合理 v说明说明 气体吸收过程产生了含有高浓度溶质的液体。气体吸收过程产生了含有高浓度溶质的液体。其中溶质可以通过加热变成气泡而脱除。我们常其中溶质可以通过加热变成气泡而脱除。我们常常在热的液体中通入惰性气体，作为吹扫蒸气，常在热的液体中通入惰性气体，作为吹扫蒸气，以加速脱除过程。近来化工厂由于大量吸收液的以加速脱除过程。近来化工厂由于大量吸收液的加热成本高，不得不开始加热成本高，不得不开始改用对压力敏感的吸收改用对压力

6、敏感的吸收剂剂。因为压力的改变比温度的改变要便宜，因此。因为压力的改变比温度的改变要便宜，因此改用压力敏感的吸收剂还会继续发展。改用压力敏感的吸收剂还会继续发展。五、五、 气液两相间的接触方式气液两相间的接触方式v微分接触：微分接触：填料塔填料塔级式接触设备：级式接触设备：板式塔板式塔六、操作方式六、操作方式v定态连续操作定态连续操作 设备内的过程参数不随时间变化设备内的过程参数不随时间变化v非定态操作非定态操作 间歇操作或脉冲式的操作间歇操作或脉冲式的操作七、本章所作假设七、本章所作假设v气体混合物中只有一个组分溶于吸收剂气体混合物中只有一个组分溶于吸收剂v溶剂的蒸气压很低，其挥发损失可忽略

7、溶剂的蒸气压很低，其挥发损失可忽略v气相：溶质气相：溶质+惰性组分惰性组分v液相：溶质液相：溶质+吸收剂吸收剂6.2 6.2 气液相平衡气液相平衡v讨论讨论 (1) 在在T、p、y、x中仅有中仅有3个独立变量个独立变量 (2) 温度一定时，温度一定时，pe(=py)与与x一一对应一一对应 (3) T、p一定时，一定时，y与与x一一对应一一对应v气液相平衡体系的自由度气液相平衡体系的自由度吉布斯相律吉布斯相律 F=C-P+2 F自由度自由度; C组分数；组分数；P相数相数F=3-2+2=3v气液相平衡的表示方法气液相平衡的表示方法v相图相图vT恒定时的恒定时的pex相图相图vT恒定时一系列恒定时

8、一系列y-x相图相图vp恒定时一系列恒定时一系列y-x相图相图v方程方程vpe=f(x) T恒定恒定vy=f(x) T、p恒定恒定l在在T、p、y、x中仅有中仅有3个独立变量个独立变量l温度一定时，温度一定时，pe(=py)与与x一一对应一一对应lT、p一定时，一定时，y与与x一一对应一一对应NH3水水一、溶解度一、溶解度 在在一定温度、压力一定温度、压力下，气液两相长期充分接触至液相中溶下，气液两相长期充分接触至液相中溶质浓度不再增加，这时两相达到相平衡。此时溶质在液相中的质浓度不再增加，这时两相达到相平衡。此时溶质在液相中的浓度称为浓度称为平衡溶解度平衡溶解度，简称，简称溶解度溶解度，其单

9、位为，其单位为g溶质溶质/100g溶剂。溶剂。 例：例：NH3溶于水的溶于水的速率等于速率等于NH3逸出水的逸出水的速率，这时氨达到动态速率，这时氨达到动态平衡。此时水中溶解的平衡。此时水中溶解的氨量，称为该温度、压氨量，称为该温度、压力下氨在水中的溶解度。力下氨在水中的溶解度。 6.2.1 气体的溶解度曲线气体的溶解度曲线6.2 气液相平衡气液相平衡二、溶解度曲线二、溶解度曲线氨在水中的溶解度1atm下SO2在水中的溶解度式中：式中：E 亨利系数，亨利系数，kPa; P* 溶质溶质A在气相中的平衡分压，在气相中的平衡分压，kPa; x 液相中溶质的摩尔分数液相中溶质的摩尔分数二、亨利定律二、

10、亨利定律p* =E x亨利定律亨利定律x较小较小 p* x 适用条件：适用条件：低分压，稀溶液。低分压，稀溶液。1803年英国英国Willam Henry（一）亨利定律的其他表达形式（一）亨利定律的其他表达形式气 相组成液 相组 成亨 利 定 律各系数间的换算关系1234xX*cpH*1(1)m XYmX*ym x*pE xSSEMHPEm xp*p*cy*Y*1(1)m XYmX(气液相平衡方程）气液相平衡方程）当溶解度很低的时候当溶解度很低的时候*Ym X平衡线近似为过零点的直线。平衡线近似为过零点的直线。（二）对亨利系数的讨论（二）对亨利系数的讨论压力的影响压力的影响 温度的影响温度的影

11、响p p，m m,溶解度溶解度tt，EE，HH，mm，溶解度，溶解度p5atm,H、E与压力无关。与压力无关。温度对温度对E E，H H，m m，都有影响都有影响判别准则判别准则吸收：吸收： xy*)解吸：解吸： xx* (或或yy*) （三）相平衡的应用（三）相平衡的应用一、一、 判断传质方向判断传质方向例2.101.325 kPa, 20 下稀氨水的相平衡方程为下稀氨水的相平衡方程为ye=0.94x, 试判断试判断 以以 下下2种情况的传质方向。种情况的传质方向。解解(1)y*=0.94 0.05=0.047 y*此过程为此过程为吸收吸收过程过程(2) y*=0.94 0.1=0.0940

12、.05 即即yy*此过程为此过程为解吸解吸过程过程 说明说明: 一切偏离平衡的气液系统都不稳定，一切偏离平衡的气液系统都不稳定，溶液由一相传递到另一相，其结果是使气液两溶液由一相传递到另一相，其结果是使气液两相逐渐趋于平衡，相逐渐趋于平衡，溶质的传递方向就是使系统溶质的传递方向就是使系统趋于平衡的方向趋于平衡的方向.问：对以制取液相产品为目问：对以制取液相产品为目的的逆流吸收过程的的逆流吸收过程x1,max=?答：答：x1,max=x1*问：问： （对以净化气体为目的吸（对以净化气体为目的吸收过程）收过程）y2,min=?答：答：y2,min=y2 *二、二、 指明传质过程的极限指明传质过程的

13、极限 说明说明:一切平衡状态都是有条件的，通过一切平衡状态都是有条件的，通过改变平衡条件可以得到有利于传质过程所需改变平衡条件可以得到有利于传质过程所需要的相平衡关系。要的相平衡关系。三、三、 计算传质过程的推动力计算传质过程的推动力推动力：实际含量与平衡含量的偏离程度推动力：实际含量与平衡含量的偏离程度 说明说明: 实际组成偏离平衡组成的程度越大，实际组成偏离平衡组成的程度越大，过程的推动力就越大，其传质速率也将越大。过程的推动力就越大，其传质速率也将越大。吸收过程推动力吸收过程推动力气相：气相：pA-pA* y-y * Y-Y *液相：液相：cA * -cAx * -x X * -X解吸过

14、程推动力解吸过程推动力气相：气相： pA * -pA y * - y Y * -Y液相：液相： cA-cA * x -x * X-X * 例例 3 : 在 总 压在 总 压 1 0 0 0 k P a , 温 度温 度 2 5 下 ， 含下 ， 含CO20.06(摩尔分数）的空气与含摩尔分数）的空气与含CO2为为0.1g/L的水的水溶液接触。试问：溶液接触。试问：(1)将发生吸收还是解吸过程？将发生吸收还是解吸过程？(2)以分压差表示的推动力为多少？以分压差表示的推动力为多少？(3)如气体与水溶液如气体与水溶液逆流接触，空气中逆流接触，空气中CO2的含量最低可能降到多少？的含量最低可能降到多少

15、？（25 下下CO2溶解在水中的亨利系数溶解在水中的亨利系数E=1.66 105 kPa） 解：解：(1) 判别过程方向判别过程方向521.66101.66101000EmP平衡浓度平衡浓度 ye =mx=1.66 10-2 4.1 10-5=0.00681cB组分组分B反反向扩散向扩散组分组分A在在界面溶解界面溶解p主体主体p界面界面混合物由气相主混合物由气相主体向界面移动体向界面移动主体流动：主体流动：混合物由主体向界面的流动。混合物由主体向界面的流动。 (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在总体流动中方向相同，流动速度正比在总体流动中方向相

16、同，流动速度正比于摩尔分率。于摩尔分率。 主体流动的特点主体流动的特点:三、分子扩散速率方程三、分子扩散速率方程 PQ:与气液界面平行的静止平面与气液界面平行的静止平面通过平面通过平面PQ的物流的物流:JAJBNM N:通过静止考通过静止考察平面察平面PQ的净物流的净物流对平面对平面PQ作总物料衡算作总物料衡算 ABMNJJNABMNJJNABJJ MNN对双组分物系对双组分物系ABNNNAAAMcNJNc()AAAABMcNJNNc组分组分A的分子的分子扩散速率方程扩散速率方程四、分子扩散速率的积分式四、分子扩散速率的积分式 1. 等分子反向扩散（精馏）等分子反向扩散（精馏） 特点特点: N

17、A=NBJA=JBAAddApDNJRTz 气相：气相：()AAAABMcNJNNcAANJAA1A2()DNppRTAA1A2()DNccAAABddAcNJDz 液相：液相：l 讨论讨论(1)21AAAppN(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。 2单向扩散单向扩散AMAAANccdzdCDNdzdcDccNAMAA)1 (特点特点: JA=-JB NB=0()AAAABMcNJNNc2211AAzCAAMzCMAdcN dzDccc 1212ln)(AMAMMAccccDcz

18、zN)(ln2112AABMMBBMAccccDCCDcN1212lnBBBBBMccccc 2121ln()BAAABBMpDpDpNppRTpRTp2121lnBBBMBBppppp)(ln2112AABMMBBMAccccDCCDcN1212lnBBBBBMccccc漂流漂流因子因子l 讨论讨论(1) 组分的浓度与扩散距离组分的浓度与扩散距离z成指数关系。成指数关系。 (2) 漂流因子：漂流因子：其大小反映了总体流动对传质速率其大小反映了总体流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的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。扩散增大的倍数。 1Bmp

19、pBm1Mcc(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。8.3.2 扩散系数扩散系数 一般情况扩散速度扩散速度(cm/min)扩散系数扩散系数(cm2/s)气体气体100.1液体液体0.0510-5固体固体10-510-10一、气体中的扩散系数一、气体中的扩散系数 1. D的实验测定的实验测定 常用的方法有蒸发管法，双容积法，液滴蒸发法常用的方法有蒸发管法，双容积法，液滴蒸发法等。我们着重介绍蒸发管法。等。我们着重介绍蒸发管法。 【例例】有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，上端有

20、一股空气通过，5小时后，小时后，管内液面降到距管口管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持，管内液体温度保持293K，大气压为，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。求丙酮在空气中的扩散系数。z空气丙酮ddddddddddAAAAAAAAAAzMzAMAVAMAMmAn单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率： ddAAzMB1B2lnppRTzDp=zzzzppRTDpM0ddlnB1B20AA解解:B1B2AlnppRTzDpN2/ )(ln202B1B2A

21、AzzppRTDpM2ln202B1B2AAzzpppRTMD/sm10118002011. 00205. 076100ln100293314. 85879025222. 计算公式计算公式TD pD24 . 04 . 01405. 05 . 081. 1)()()/1/1 (517. 1CBCACBCABAVVTTpMMTDpT81. 1二、组分在液体中的扩散系数二、组分在液体中的扩散系数 1. 实验值实验值10-610-5 cm2/s 2. 2. 计算式计算式80508AB1047.A.BVT)(.D稀溶液稀溶液D DTTDTfD )( ，8.3.3 对流传质对流传质 一、对流对传质的贡献一

22、、对流对传质的贡献 对流传质：对流传质：流动流体与相界面之间的物质传递。流动流体与相界面之间的物质传递。 流体的流流体的流动改变了组分动改变了组分的浓度分布的浓度分布,使使界面处浓度梯界面处浓度梯度加大度加大,从而加从而加快了相内的物快了相内的物质传递。质传递。二、对流传质速率二、对流传质速率 【传质速率式传质速率式】以组分以组分A由气相往液相传递为例由气相往液相传递为例气相气相界面界面NA=kG(pA-pAi) NA=ky(y-yi)ky=pkG界面界面液相液相NA=kL(cAi-cA)NA=kx(xi-x)kx=cMkL传质速率传质系数传质速率传质系数传质推动力传质推动力三、传质系数的无因

23、次关联式三、传质系数的无因次关联式 )(Re,ScfSh Sherwood准数准数DkdSh duReReynolds准数准数Schmidt准数准数DSc33. 083. 0Re023. 0ScSh (Re2100 Sc=0.63000)67. 0Dk 8.3.4 三传类比三传类比(略略) 8.3.5 对流传质理论对流传质理论 一、双膜模型又称停滞模型一、双膜模型又称停滞模型 1923年年 惠特曼惠特曼( Whiteman) 1. 内容内容 当气液两相相互接触时，在气液两相间存当气液两相相互接触时，在气液两相间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一很薄的停滞膜，在着稳定的相界面，界面两侧各有一很薄

24、的停滞膜，全部传质阻力集中于该两层静止膜全部传质阻力集中于该两层静止膜中，溶质中，溶质A经过两经过两膜层的传质方式均为分子扩散膜层的传质方式均为分子扩散 在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。在气液相界面处，气液两相处于平衡状态。 气液两相主体中各处浓度均匀一致。气液两相主体中各处浓度均匀一致。 2. 对流传质系数的确定对流传质系数的确定 等分子反向扩散等分子反向扩散0GGDkRTLLDk0 单向扩散单向扩散GGBmDpkRTpBmMLLLccDkkD双膜理论双膜理论 67. 0Dk 实验结果实验结果 二、溶质渗透模型二、溶质渗透模型 Higbie（希格比）（希格比）1935 1. 设想设想

25、液体在下流过程中每隔一定时间液体在下流过程中每隔一定时间0发生一次完发生一次完全的混合。全的混合。 02DkL2. 对流传质系数对流传质系数 三、表面更新理论三、表面更新理论（丹克沃茨（丹克沃茨（Danckwerbs）1951） 1. 设想设想 流体在下流过程中表面不断更新流体在下流过程中表面不断更新 。2. 对流传质系数对流传质系数 DSkL5 . 0DkL四、对流传质理论的意义四、对流传质理论的意义 对流传质模型的建立，不仅使对流传质系数的确定对流传质模型的建立，不仅使对流传质系数的确定得以简化，还可以据此对传质过程及设备进行分析，确得以简化，还可以据此对传质过程及设备进行分析，确定适宜的

26、操作条件，并对设备的强化，新型高效设备的定适宜的操作条件，并对设备的强化，新型高效设备的开发做出指导。开发做出指导。 8.4 相际传质相际传质 8.4.1 相际传质速率相际传质速率 8.4.2 传质阻力的控制步骤与界面含量传质阻力的控制步骤与界面含量 8.4.1 相际传质速率相际传质速率 吸收速率：吸收速率：单位相际传质面积上在单位时间所吸单位相际传质面积上在单位时间所吸收溶质的量。收溶质的量。 吸收速率方程式：吸收速率方程式：描述吸收速率与吸收推动力之间描述吸收速率与吸收推动力之间关系的数学表达式。关系的数学表达式。 一、相际传质速率方程一、相际传质速率方程 1. 以以(y-ye)为总推动力

27、的吸收速率方程式为总推动力的吸收速率方程式 前提：前提： bmxyebmxyii )(iyAyykNAiyNyyk1)(xxkNixAAixNxxk1AixNxxmkm)()ixAm xxmkN()ieiyym xxiexAyymkNAiyNyyk1AeyxNyykkm111yxymKkk()AyeNKyy总阻力总阻力液膜液膜阻力阻力气膜气膜阻力阻力与总推动力与总推动力(y-ye)相对应的相对应的气相总传质系数气相总传质系数 与液相主体浓度成平衡的气相浓度与液相主体浓度成平衡的气相浓度 2. 以以(xe-x)为总推动力的吸收速率方程式为总推动力的吸收速率方程式 ()AxeNKxx()AyeNK

28、yybmxyebmxye)(xxmyyee111xxyKkmk总阻力总阻力液膜液膜阻力阻力气膜气膜阻力阻力3. 以以(pA-pe)为总推动力的吸收速率方程式为总推动力的吸收速率方程式 ()AGAAeNKpp11GLGHKkk总阻力总阻力液膜液膜阻力阻力气膜气膜阻力阻力前提：前提： AeApHcb4. 以以(cAe-cA)为总推动力的吸收速率方程式为总推动力的吸收速率方程式 111LLGKkHk总阻力总阻力液膜液膜阻力阻力气膜气膜阻力阻力前提：前提： AeApHcb)(AeLAccKN二、吸收速率方程小结二、吸收速率方程小结 bmxyebHcpe)(iyAyykN)(xxkNixA)(eyAyy

29、KN)(xxKNexA)(iAGAppkN)(AiLAcckN)(eAGAppKN)(AeLAccKN1. 传质速率方程式的特点传质速率方程式的特点 通用表达式：吸收速率传质系数通用表达式：吸收速率传质系数传质推动力传质推动力 单相内传质速率膜传质系数单相内传质速率膜传质系数主体浓度与界面浓度之差主体浓度与界面浓度之差 相际传质速率总传质系数相际传质速率总传质系数（一相主体组成（一相主体组成-与另与另一相溶质组成相对应的平衡组成一相溶质组成相对应的平衡组成) 2. 传质系数的单位：传质系数的单位：kmol/(m2.s.单位推动力单位推动力) 3. 上述所有传质速率方程只适用于描述定态操作上述所

30、有传质速率方程只适用于描述定态操作的的吸收塔内任一截面吸收塔内任一截面的速率关系，不能直接用来描述全的速率关系，不能直接用来描述全塔的吸收速率塔的吸收速率。8.4.2传质阻力的控制步骤与界面含量传质阻力的控制步骤与界面含量 一、气膜控制一、气膜控制 1.表现表现 xykmk/1yykKGGkKAicc 对气膜控制，增加气体流率，可降低气膜阻力而对气膜控制，增加气体流率，可降低气膜阻力而有效加快吸收过程；增加液相流率，不会对吸收有显有效加快吸收过程；增加液相流率，不会对吸收有显著的影响著的影响 2.应用应用3.举例举例 易溶气体的吸收如：用水吸收易溶气体的吸收如：用水吸收NH3 ，HCl以及用浓

31、以及用浓H2SO4吸收气相中水蒸气吸收气相中水蒸气 二、液膜控制二、液膜控制 1.表现表现 1/1/()xykmkxxKkLLKkAipp 对液膜控制，增加液体流率，可降低液膜阻力而对液膜控制，增加液体流率，可降低液膜阻力而有效加快吸收过程；增加气相流率，不会对吸收有显有效加快吸收过程；增加气相流率，不会对吸收有显著的影响著的影响 2.应用应用3.举例举例 难溶气体的吸收如：用水吸收难溶气体的吸收如：用水吸收O2 ，CO2 三、双膜控制三、双膜控制 1.表现表现 同时降低气膜和液膜阻力才能有效加快吸收过程。同时降低气膜和液膜阻力才能有效加快吸收过程。2.应用应用3.举例举例 中等溶解度气体的吸

32、收如：用水吸收中等溶解度气体的吸收如：用水吸收SO2气相阻力与液相阻力相当气相阻力与液相阻力相当四、界面含量的求取四、界面含量的求取 ()()AyixiNkyykxx()iiyf xiixy 填料吸收塔某截面上气液相组成分别为填料吸收塔某截面上气液相组成分别为y=0.05,x=0.01,气相和液相分体积传质系数分别为气相和液相分体积传质系数分别为ky=0.03kmol/(m3.s)、 kx=0.03kmol/(m3.s)，相平衡，相平衡关系为关系为ye=4x, kyG0.7 。试确定。试确定: (1)该界面处气液两该界面处气液两相传质总推动力、总阻力、传质速率及各相阻力的分相传质总推动力、总阻

33、力、传质速率及各相阻力的分配；若配；若气体流量增加一倍，总阻力变为多少？气体流量增加一倍，总阻力变为多少？ （2）降低吸收温度此时相平衡关系变为降低吸收温度此时相平衡关系变为ye=0.1x，两相组，两相组成和传质系数都不变，求界面处气液两相传质总推动成和传质系数都不变，求界面处气液两相传质总推动力、总阻力、传质速率及各相阻力的分配；若力、总阻力、传质速率及各相阻力的分配；若气体流气体流量增加一倍，总阻力变为多少？量增加一倍，总阻力变为多少？ 8.5 低含量气体吸收低含量气体吸收8.5.1 吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述8.5.2 传质单元数的计算方法传质单元数的计算方法8.5.3 吸收塔

34、的设计型计算吸收塔的设计型计算8.5.4 吸收塔的操作型计算吸收塔的操作型计算8.5.1 吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述一、低含量气体吸收的特点一、低含量气体吸收的特点 1混合气流率混合气流率G、液体流率、液体流率L为常量。为常量。 2. 吸收过程等温。吸收过程等温。 3. 传质系数为常量。传质系数为常量。 二、物料衡算二、物料衡算 A横截面积，横截面积，m2 单位体积内具有的有单位体积内具有的有效吸收面积，效吸收面积，m2/m3 G气相流率，气相流率， kmol/(m2 2s)s) L液相流率，液相流率，kmol/(m2 2s)s)衡算范围：衡算范围：微元体积微元体积Adh假设：假设：

35、忽略微元段两端面轴向的分子扩散忽略微元段两端面轴向的分子扩散 ()AAd GyAGdyN A dh()Ad GyGdyNdh气相：气相：液相：液相：()AAd LxALdxN A dh()Ad LxLdxNdh两相：两相：LdxGdy 2积分式积分式 LdxGdy 底部至塔内任意截面：底部至塔内任意截面： 11xxyydxLGdy11()()G yyL xx顶部至塔内任意截面：顶部至塔内任意截面： 22yxYxGdyLdx22()()G yyL xx塔底至塔顶：塔底至塔顶： )()(2121xxLyyG 结论：点结论：点(x，y)，(x1，y1)，(x2，y2)共线，直线的共线，直线的斜率为斜

36、率为L/G即液气比。即液气比。 三、相际传质速率方程式三、相际传质速率方程式 ()AyeNKyy()AxeNKxxadhyyKGdyey)(adhNGdyAadhxxKLdxex)(adhNLdxA 四、传质速率积分式四、传质速率积分式 1122GdyH()yyyyyeyeGdyK a yyK ayyadhyyKGdyey)(HOGNOGOGOGHN1122()xxxxxeeLdxLdxHK a xxKxaxxadhxxKLdxex)(HOLNOLOLOLHN12yOGOGyyeGdyHHNK ayy12xOLOLxxeLdxHHNK axxLLxxixNHxxdxakLH12GGyyiyNH

37、yydyakGH12体积体积传质传质系数系数单单位位填填料料层层的的有有效效传传质质面面积积t填填料料层层的的比比表表面面积积 OGOGHHN OLOLHHN LLHHN GGHHN传质单传质单元高度元高度传质单传质单元数元数五、传质单元数与传质单元高度五、传质单元数与传质单元高度 1变量分离法的优点变量分离法的优点 传质单元数传质单元数HTU由工艺条件决定，反映分离任由工艺条件决定，反映分离任务的难易务的难易 。 传质单元高度传质单元高度HTU反映传质阻力的大小，由设反映传质阻力的大小，由设备特性决定。备特性决定。 meyyeOGyyyyyydyN)(2112y1、y2一定一定 （y-ye)

38、m NOG aKGHyOG/阻力阻力1/Ky HOG 设备参数与工艺参数分类后，可对吸收设计作设备参数与工艺参数分类后，可对吸收设计作顺序决策，即在选定设备型式（如用何种填料）之前，顺序决策，即在选定设备型式（如用何种填料）之前，先按工艺要求算出先按工艺要求算出HTU，然后由，然后由HTU选适当规格的填选适当规格的填料。料。2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 OLOGLHHmGLGOGHLmGHHGLOLHmGLHH8.5.2传质单元数的计算方法传质单元数的计算方法 一、推动力的变化规律一、推动力的变化规律 1. 吸收塔内推动力的变化规律由平衡线与操作线吸收塔内推动力的变化

39、规律由平衡线与操作线共同决定共同决定 2. 平衡线在吸收塔的操作范围内为直线平衡线在吸收塔的操作范围内为直线 ()eyyyy ()exxxx 12121212()()()eeyyyyyydydyyyyy 12121212()()()eexxxxxxdxdxxxxx 二、吸收塔操作范围内，平衡线为直线二、吸收塔操作范围内，平衡线为直线 12yOGyedyNyymxye22yxGLxGLy)( yfy)(yfyye【分析分析】 【思路思路】 1. 对数平均推动力法对数平均推动力法 )(2121ydyyyydy11221212112122lnyyOGyyedyyyd yyyyNyyyyyyyy12O

40、GmyyNy1212lnmyyyyy 1212()yydydyyy 讨论：讨论： 对数平均推动力法的对数平均推动力法的适用条件适用条件是：是：平衡线与操平衡线与操作线均为直线作线均为直线； 逆流或并流时操作线均为直线，因此该法既逆流或并流时操作线均为直线，因此该法既适适用于逆流也适用于并流用于逆流也适用于并流；12OGmyyNy111eyyy222eyyy112eyyy221eyyy0iy0my 吸收塔两端逆流与并流时的推动力吸收塔两端逆流与并流时的推动力2. 吸收因数法吸收因数法(逆流逆流) 12221ln (11OGymxmGmGNmGLymxLL）) 1(LmG 1222111ln (1

41、)11OGymxNA ymxAA公式推导公式推导说明与讨论：说明与讨论： NOG=f(S,(y1-mx2)/(y2-mx2)1222ymxymx一定一定S 即即A NOG A 一定一定y1 或或y2 NOG 以液相摩尔分数差为推动力的传质单元数以液相摩尔分数差为推动力的传质单元数 12111ln (1)1OLymxNAAAymx3. A=1 12yOGyedyNyy作图分析作图分析 121212OGyyyyNyye22 y-y()GymxxxymxL2222()m xxymxymx数学分析数学分析 三、平衡线为曲线三、平衡线为曲线 1122()yymyyyeyeGdyGdyHK a yyKyy

42、1图解积分法图解积分法 1122( )yyOGyyedyNf y dyyy2数值积分法数值积分法00123421( )(424224)3nynnnyf y dyffffffff 拟在直径为拟在直径为1 m1 m的填料塔中用清水逆流吸收空的填料塔中用清水逆流吸收空气混合物中的可溶组分，混合气的处理量为气混合物中的可溶组分，混合气的处理量为30 30 kmol/hkmol/h，气液相平衡关系为，气液相平衡关系为ye=2xye=2x。已知该可溶组。已知该可溶组分的进口浓度为分的进口浓度为8%8%（摩尔分率，下同），现要求其（摩尔分率，下同），现要求其出口浓度不大于出口浓度不大于1%1%，取操作液气比

43、，取操作液气比L/G=2L/G=2，此时气，此时气相总体积传质系数相总体积传质系数30.018 6 kmol/(m .s)yK a 试求：试求：所需的填料层高度。所需的填料层高度。 吸收因数法求传质单元数的公式推导吸收因数法求传质单元数的公式推导2222()eyyymxyym xxymx22222222 ()(1)(1)()xxmGyymymxyyymxyyL22222 (1)()mGymxmxyymxL222 (1)()()mGmGymxymxLL1212222222(1)()()1ln1(1)()()yOGyemGmGymxymxdyLLNmGmGmGyyymxymxLLL 12221ln

44、 (11OGymxmGmGNmGLymxLL）返回返回8.5.3 吸收过程的设计型计算吸收过程的设计型计算 现拟用吸收塔处理空气与丙酮的混合气体现拟用吸收塔处理空气与丙酮的混合气体混合气体处理量：混合气体处理量：5100 m3/h(0，101.3kPa)混合气体组成：空气混合气体组成：空气0.96，丙酮，丙酮0.04(均为摩尔分率均为摩尔分率) 要求丙酮回收率：要求丙酮回收率：=0.98混合气体温度、压力：混合气体温度、压力：25，0.11MPa吸收剂：水吸收剂：水 设计任务设计任务：确定吸收剂用量，填料种类与规格，填确定吸收剂用量，填料种类与规格，填料层高度，填料塔塔径料层高度，填料塔塔径

45、一、计算命题一、计算命题 设计要求：设计要求：计算达到指定分离要求所需要的塔高。计算达到指定分离要求所需要的塔高。 给定条件：给定条件：进口气体溶质摩尔分数进口气体溶质摩尔分数y1，气体的处理，气体的处理量即混合气的进塔流率量即混合气的进塔流率G、吸收剂与溶质组分的相平衡、吸收剂与溶质组分的相平衡关系及分离要求；关系及分离要求； 分离要求的两种表达方式：分离要求的两种表达方式： 直接规定吸收后气体中有害溶质的残余摩尔分数直接规定吸收后气体中有害溶质的残余摩尔分数y2 . 规定溶质的回收率规定溶质的回收率 112211G yG yG y被吸收的溶质量气体进塔的溶质量低含量气体吸收低含量气体吸收1

46、2G =G =G122111yyyyy21(1)yy二、计算依据二、计算依据 全塔物料衡算式全塔物料衡算式 1212()()G yyL xx相平衡方程式相平衡方程式 ( )eyf x吸收过程基本方程式吸收过程基本方程式12yOGOGyyeGdyHNHK ayy12,( )eG y yyf x已知已知待定待定: Ky,x2，L(或或x1) ,流动方向流动方向设计者尚需选择：设计者尚需选择：流向，吸收剂进口浓度，吸收剂用量流向，吸收剂进口浓度，吸收剂用量 三、流向选择三、流向选择 1. 从从传质速率传质速率看，即从推动力看：看，即从推动力看：比较基准：比较基准：y1、y2、x1、x2相同相同 mm

47、yy 并逆逆流优于并流逆流优于并流2. 从平衡看，即从从平衡看，即从Lmin看：看：比较基准：比较基准：逆流优于并流逆流优于并流G、y1、y2、x2相同相同 11maxmax()()eexx逆并minmin()()LL逆并四、吸收剂进口含量的选择四、吸收剂进口含量的选择 1. 经济分析经济分析比较基准：比较基准：G、L、y1、y2相同相同 最佳进口浓度最佳进口浓度x2过高过高推动力推动力，填料层高度，填料层高度设备费用设备费用易于再生易于再生再生操作费用再生操作费用2.技术分析技术分析比较基准：比较基准： G、L、y1、y2相同相同 最高最高x2值值222()exxf y五、吸收剂用量的选择五

48、、吸收剂用量的选择 1. 经济分析经济分析比较基准：比较基准：G、 y1、y2 、 x2相同相同 最佳吸收剂用量最佳吸收剂用量L过高过高x1 推动力推动力 H 设备费用设备费用吸收液用吸收液用量大且浓量大且浓度低度低操作费用操作费用2.技术分析技术分析比较基准：比较基准：G、y1、y2 、x2相同相同 最小最小Lmin值值12min12()eyyLGxx2min2()eeyyLGxx 最小液气比：最小液气比：在液气比下降的过程中，只要塔内在液气比下降的过程中，只要塔内某某一截面处气液两相趋近平衡一截面处气液两相趋近平衡，达到规定分离要求所需，达到规定分离要求所需塔高即为无穷大，相应的液气比即为

49、最小液气比。塔高即为无穷大，相应的液气比即为最小液气比。设计液气比：设计液气比： min(1.1 2)()LLGG3. 说明说明 (L/G)min与分离要求和相平衡关系有关与分离要求和相平衡关系有关 (L/G)min仅存在于设计型计算问题中仅存在于设计型计算问题中 六、解吸塔的设计型计算六、解吸塔的设计型计算 1. 解吸方法解吸方法 2. 解吸过程的特点解吸过程的特点 解吸是吸收的逆过程，其推动力与吸收相反解吸是吸收的逆过程，其推动力与吸收相反 由于解吸推动力与吸收相反，故解吸塔操作线由于解吸推动力与吸收相反，故解吸塔操作线位于平衡线下方位于平衡线下方 。 气提解吸：又称载气解吸气提解吸：又称

50、载气解吸 减压解吸减压解吸 加热解吸加热解吸 加热加热减压解吸减压解吸 3. 最小气液比最小气液比 已知：已知：L、x1、x2 、y2相同相同 12min12()exxGLyy2min2()eexxGLyy解吸率：解吸率： 121xxx20y 1212min121()exxxxGLyymxm纯的解吸气纯的解吸气 实际气液比实际气液比 min(1.1 2.0)()GGLL5. 解吸塔填料层高度的计算解吸塔填料层高度的计算 12yOGOGyeGdyHHNKyyy12 xOLOLxeLdxHHNKyxx12221ln (1) (1)1eOLexxNAAAAxx12 (A1)OLmxxNx 12221

51、222lneemeexxxxxxxxx 在填料塔中用清水吸收氨与空气混合气中的氨。在填料塔中用清水吸收氨与空气混合气中的氨。混合气流量为混合气流量为1 500 m3.h-1(101.33kPa,0)，氨所占，氨所占体积分率为体积分率为5%，要求氨的回收率达，要求氨的回收率达95%。已知塔。已知塔内径为内径为0.8 m，填料单位体积有效传质面积，填料单位体积有效传质面积=100 m2/m3,吸收系数吸收系数KG=0.01 kmol/(m2.h.kPa) 。取吸收。取吸收剂用量为最少用量的剂用量为最少用量的1.5倍。该塔在倍。该塔在30和和101.3 kPa压力下操作，在操作条件下的平衡关系为压力

52、下操作，在操作条件下的平衡关系为ye=3.17x试求：试求： 出塔溶液浓度出塔溶液浓度 填料层高度填料层高度Z。 七、塔内返混的影响七、塔内返混的影响 1.返混现象：返混现象：吸收塔内少量流体吸收塔内少量流体自下游返回上游自下游返回上游的的现象现象 2.返混对传质的影响返混对传质的影响 返混时的操作线与平衡线返混时的操作线与平衡线 传质设备的传质设备的任何形式的返混任何形式的返混都将破坏逆流操作条都将破坏逆流操作条件，使传质推动力下降，件，使传质推动力下降，对传质造成不利对传质造成不利影响。返混的影响。返混的量和范围与传质设备的结构有关，所以设计时一般将它量和范围与传质设备的结构有关，所以设计

53、时一般将它的影响放在传质单元高度中加以考虑。的影响放在传质单元高度中加以考虑。八、吸收剂再循环八、吸收剂再循环(也是一种返混现象也是一种返混现象)1. 吸收剂再循环时的流程、操作线与平衡线吸收剂再循环时的流程、操作线与平衡线 2. 分析分析一般而言，对吸收不利，以下一般而言，对吸收不利，以下3种情况可以考虑：种情况可以考虑： 吸收过程有显著热效应。吸收过程有显著热效应。 吸收目的在于获得吸收目的在于获得x1较高的液相产物。较高的液相产物。 相平衡常数很小或为零的物系。相平衡常数很小或为零的物系。 8.5.4 吸收过程的操作型计算吸收过程的操作型计算 一、计算命题一、计算命题1. 第一类第一类

54、命题内容：命题内容：已知填料层高度已知填料层高度H及其他有关尺寸，及其他有关尺寸，气液两相平衡关系及流动方式、两相总传质系数气液两相平衡关系及流动方式、两相总传质系数Ky或或Kx,改变某一操作条件，研究其对吸收效果改变某一操作条件，研究其对吸收效果y2和和x1的影的影响响 12, ,eyG y L xymx K a H12,x y已知：已知：求：求： 计算方法计算方法: 对数平均推动力法对数平均推动力法1212()()G yyL xx112212122()()lnymyymxymxG yyK aH yK aHymxymx1122212ln(1)yK aHymxxxmymxGyy1122ln(1

55、)yK aHymxmGymxGL 12,x y 吸收因子法吸收因子法 122221ln(1)1yOGKymxmGmGNHymGGLymxLL1212()()G yyL xx1x 2. 第二类第二类 命题方式命题方式: 已知填料层高度已知填料层高度H及其它有关尺寸，气体及其它有关尺寸，气体的流量的流量G及进出口浓度及进出口浓度y1、y2()，吸收剂的进口组成吸收剂的进口组成x2，气液相平衡及流动方式，两相体积总传质系数气液相平衡及流动方式，两相体积总传质系数Ky或或Kx, ,计算吸收剂用量计算吸收剂用量L和吸收剂的出塔组成和吸收剂的出塔组成x1。简写为：简写为：122,( ),eyG y yxy

56、f x H K求求L，x1 已知已知计算方法计算方法: 对数平均推动力法对数平均推动力法1211121222ln()()OGyyymxNyym xxymx试差法求试差法求x11212()()G yyL xxL 吸收因子法吸收因子法 1212()()G yyL xx12221ln(1)1OGymxmGmGNmGLymxLL试差法求试差法求Lx13. 第三类第三类 命题方式：其他条件命题方式：其他条件(指指G，y1，L，x2，t，P)不不变，分离要求变，分离要求y2()改变，填料层高度变为多少？或已改变，填料层高度变为多少？或已知填料层高度知填料层高度H的改变值，其他条件不变，求的改变值，其他条件不变，求y2()变变为多少？为多少？ 例例: 用清水吸收焦炉气中的氨。氨的浓度为用清水吸收焦炉气中的氨。氨的浓度为10g/Nm3，混合气体的处理量为，混合气体的处理量为5000Nm3/h。氨的。氨的回收率为回收率为99%，操作压强为，操作压强为101.3kPa，夏天平均，夏天平均温度为温度为30，冬季平均温度，冬季平均温度10。吸收剂用量为。吸收剂用量为最小用量的最小用量的1.5倍，全塔气速倍，全塔气速1.1m/s。已知。已知KG与与气相流率的气相流率的0.8次方成正比而受液体流率的影响甚次方成正比而受液体流率的影响甚小。已测得小。已测得K