化学工程基础第5章吸收2

1、1主主 要要 内内 容容吸收操作的概述；吸收操作的概述；气液相平衡及吸收推动力；气液相平衡及吸收推动力；吸收速率方程；吸收速率方程；低浓度气体吸收过程的计算；低浓度气体吸收过程的计算；其他类型吸收过程简介。其他类型吸收过程简介。12 吸收是工业生产中用来吸收是工业生产中用来分离混合气体的一种重要分离混合气体的一种重要单元操作。单元操作。原理：原理：吸收是利用混合吸收是利用混合气中各组分在溶剂中的溶气中各组分在溶剂中的溶解度的差异分离气体混合物。解度的差异分离气体混合物。231 1、制取液体产品（制备某种气体的溶液）。、制取液体产品（制备某种气体的溶液）。例如用水吸收二氧化氮以制取硝酸等。例如用

2、水吸收二氧化氮以制取硝酸等。2 2、除去有害成分以净化气体。、除去有害成分以净化气体。 例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳；除去尾气中的氧化碳；除去尾气中的H H2 2S S、SOSO2 2等。等。3 3、吸收气体混合物一个或几个组分，以分离气、吸收气体混合物一个或几个组分，以分离气体混合物。体混合物。 例如合成橡胶工业以酒精吸收反应气，分例如合成橡胶工业以酒精吸收反应气，分离丁二烯及烃类气体。离丁二烯及烃类气体。4 4、回收混合气体中的有用物质。、回收混合气体中的有用物质。例如用液态烃吸收石油裂解气中的乙烯和丙烯等。例如用液态烃吸收石油裂解气中的乙

3、烯和丙烯等。34实例：实例：煤气生产中的苯回收流程煤气生产中的苯回收流程 在炼焦和制取城市煤在炼焦和制取城市煤气生产中，焦炉煤气气生产中，焦炉煤气内含有少量的苯内含有少量的苯 、甲、甲苯类低碳氢化合物的苯类低碳氢化合物的蒸汽（约蒸汽（约35g/m3），），应予以分离。应予以分离。吸收吸收解吸解吸流程见例图流程见例图1-1 吸收操作流程吸收操作流程由流程可知三点由流程可知三点45 吸收操作的逆过程（即含溶质气体的液体，吸收操作的逆过程（即含溶质气体的液体，受到另一气相的作用使溶质与溶剂分离的过程）受到另一气相的作用使溶质与溶剂分离的过程）称为称为解吸解吸。吸收和解吸常是一对相伴的操作，吸。吸收和

4、解吸常是一对相伴的操作，吸收用以提取所需的物质，而解吸用以分离所需的收用以提取所需的物质，而解吸用以分离所需的物质与吸收剂，并使吸收剂再生而循环使用。物质与吸收剂，并使吸收剂再生而循环使用。56解吸：解吸： 解吸是使溶质从溶液中脱除的过程。是吸收的解吸是使溶质从溶液中脱除的过程。是吸收的逆过程。其目的为：逆过程。其目的为： （1）溶剂再生；）溶剂再生；（2）得到溶质。）得到溶质。吸收和解吸构成了一个完整的流程。吸收和解吸构成了一个完整的流程。常用的解吸方法：常用的解吸方法：升温升温减压减压吹气吹气最为常见最为常见67 吸收设备有多种形式，以塔式吸收设备有多种形式，以塔式设备最为常用。设备最为常

5、用。吸收塔设备可分为板式塔与填料吸收塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。塔两大类。78一、一、 填料塔的结构及填料特性填料塔的结构及填料特性（一）、填料塔结构及作用（一）、填料塔结构及作用1、填料层 提供气液接触的场所。2、液体分布器 均匀分布液体，避免发生沟流现象。3、液体再分布器 避免壁流现象发生。4、支撑板 支撑填料层，使气体均匀分布。5、除沫器 防止塔顶气体出口处夹带液体。89（二）常用填料（二）常用填料材料：陶瓷、金属、塑料堆放：整砌、乱堆环形 （拉西环、鲍尔环、阶梯环）鞍形 （矩鞍形、弧鞍形）波纹形（板波纹、网状波纹）形状910拉西环拉西环鲍尔环鲍尔环阶梯环阶梯环 环环1011板波纹

6、板波纹丝网波纹丝网波纹鞍形环鞍形环槽式液体分布器槽式液体分布器1112三、三、 板式塔与填料塔比较板式塔与填料塔比较吸收塔吸收塔填料塔填料塔板式塔板式塔级式接触级式接触微分接触微分接触1213（一）板式塔（一）板式塔1、适用于塔径较大；、适用于塔径较大；2、所需传质单元数或理、所需传质单元数或理论板数较多；论板数较多；3、热量需从塔内移除；、热量需从塔内移除；4、适于较小液量；、适于较小液量；5、适于处理有悬浮物的、适于处理有悬浮物的液体；液体；6、板式塔便于侧线采出。、板式塔便于侧线采出。（二）填料塔（二）填料塔1、适用于处理有腐蚀性、适用于处理有腐蚀性的物料；的物料；2、填料塔压力降较小，

7、、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏；适用于真空蒸馏；3、适用于间歇蒸馏或热、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏；敏性物料的蒸馏；4、适用于处理易发泡的、适用于处理易发泡的液体。液体。1314板式吸收塔：气体与液体逐级逆流接触板式吸收塔：气体与液体逐级逆流接触填料吸收塔：湿壁塔、降膜塔，液体呈膜状流下，填料吸收塔：湿壁塔、降膜塔，液体呈膜状流下，通常在塔内充填有瓷环之类的填料。通常在塔内充填有瓷环之类的填料。 在此类设备中，气体或液体中可溶组分的在此类设备中，气体或液体中可溶组分的浓度随塔板高度的变化而呈阶梯式的变化。浓度随塔板高度的变化而呈阶梯式的变化。 在此类设备中，气体或液体中可溶组分在此类

8、设备中，气体或液体中可溶组分的浓度随设备高度的变化而呈连续式变化。的浓度随设备高度的变化而呈连续式变化。这两种设备由于吸收过程浓度变化方式不同，采用的是这两种设备由于吸收过程浓度变化方式不同，采用的是完全不同的计算方法，需要注意加以区分。完全不同的计算方法，需要注意加以区分。14151-3、其他吸收流程、其他吸收流程 多塔串联操作，适用于满足吸收要求需要多塔串联操作，适用于满足吸收要求需要的吸收塔太高时。的吸收塔太高时。1-4、吸收过程的分类、吸收过程的分类1、物理吸收物理吸收、化学吸收、化学吸收 在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的化学反应，则

9、称为物理吸收。如用水吸收著的化学反应，则称为物理吸收。如用水吸收CO2、用洗油吸收芳烃等都属于物理吸收。用洗油吸收芳烃等都属于物理吸收。 如果溶质与溶剂发生显著的化学反应，则称为如果溶质与溶剂发生显著的化学反应，则称为化学吸收。如用硫酸吸收氨；用碱液吸收化学吸收。如用硫酸吸收氨；用碱液吸收CO2等都等都属化学吸收。属化学吸收。15162、单组分吸收单组分吸收、多组分吸收、多组分吸收 若混合气体中只有一个组分进入液相，则称为若混合气体中只有一个组分进入液相，则称为单组分吸收。单组分吸收。 如果混合气体中有两个或更多组分进入液相，如果混合气体中有两个或更多组分进入液相，则称为多组分吸收。则称为多组

10、分吸收。主要讨论单组份、低浓度、等温、连续的物理吸收过程。主要讨论单组份、低浓度、等温、连续的物理吸收过程。 3、等温吸收等温吸收、非等温吸收、非等温吸收 气体溶解于液体中，在有些情况下会放出相当气体溶解于液体中，在有些情况下会放出相当大的溶解热和反应热，吸收过程进行中温度会升高，大的溶解热和反应热，吸收过程进行中温度会升高，这样的吸收过程称为非等温吸收。这样的吸收过程称为非等温吸收。 若溶质在混合气中的浓度相当低，溶剂的用量若溶质在混合气中的浓度相当低，溶剂的用量较大时，吸收过程进行中温度变化不大，这样的吸较大时，吸收过程进行中温度变化不大，这样的吸收过程称为等温吸收。收过程称为等温吸收。1

11、617 在恒定温度和压力下，气液两相接触时将发生气体在恒定温度和压力下，气液两相接触时将发生气体溶质向液相转移，使其在液相中的浓度增加，当长期充溶质向液相转移，使其在液相中的浓度增加，当长期充分接触之后，液相中溶质浓度不再增加达到饱和，这种分接触之后，液相中溶质浓度不再增加达到饱和，这种状态称为相际动态平衡，简称相平衡或平衡。状态称为相际动态平衡，简称相平衡或平衡。 吸收过程与传热过程比较类似但又有所区别，吸吸收过程与传热过程比较类似但又有所区别，吸收过程是气液相间的物质传递，传递的推动力来源于收过程是气液相间的物质传递，传递的推动力来源于不是两相的浓度差而是气液相之间的相平衡关系差异。不是两

12、相的浓度差而是气液相之间的相平衡关系差异。因此我们必须研究气液两相之间的相平衡。因此我们必须研究气液两相之间的相平衡。17182、摩尔分数、摩尔分数xA=nA/nxB=nB/nxA+ xB=1由质量分数求摩尔分数由质量分数求摩尔分数一、相组成表示法（一、相组成表示法（A+B混合物）混合物）两者的关系两者的关系由摩尔分数求质量分数由摩尔分数求质量分数AmABBAAAABAAAxMMMnMnMnmmmwBBAAAABBAAAABAAAMwMwMwMmMmMmnnnx1、质量分数、质量分数wA=mA/mwB=mB/mwA+wB=11819气体混合物的相组成气体混合物的相组成nnVVPPyAAAAAA

13、BAAABAAPPPPPyyyyY1（2）气相：气相：3、摩尔比、摩尔比: 用用X或或Y表示表示（1）液相：液相：将将x改为改为ysABAAnnnnXAABAAxxxxX11920二、什么是气液相平衡？二、什么是气液相平衡？ 吸收过程进行时，必定存在一定的推动力，这一推动吸收过程进行时，必定存在一定的推动力，这一推动力与体系的平衡关系有关。混合气体和溶剂在一定温度和力与体系的平衡关系有关。混合气体和溶剂在一定温度和压力下，经长期充分接触后，达到一种动态平衡，即：吸压力下，经长期充分接触后，达到一种动态平衡，即：吸收速率收速率= =解吸速率。这种状态被称为气液相平衡。解吸速率。这种状态被称为气液

14、相平衡。 当吸收速率当吸收速率= =解吸速率解吸速率mol / ( mmol / ( m2 2 s ) s )，气液两，气液两相达到相平衡，此时，溶质在溶液中的浓度用相达到相平衡，此时，溶质在溶液中的浓度用溶解度溶解度或或平平衡浓度衡浓度x x* *、c c* *来表示；溶质在气相中的浓度用来表示；溶质在气相中的浓度用平衡分压平衡分压P P* *来表示。来表示。T 溶解度溶解度 P 溶解度溶解度 低温高压有利于吸收，高温低压有利于解吸。低温高压有利于吸收，高温低压有利于解吸。2021图图53 氨气在水中的平衡溶解度氨气在水中的平衡溶解度2-1 溶解度曲线溶解度曲线从图中可看出，从图中可看出，一

15、般情况下气体的一般情况下气体的溶解度随温度升高溶解度随温度升高，气体的溶解度降，气体的溶解度降低。低。例如，气相中氨例如，气相中氨的分压为的分压为60kPa，在在100C时，溶解度时，溶解度约为约为510g / 1000g H2O，在，在400C时，时，溶解度约为溶解度约为220 g / 1000g H2O。2122图图54 101.3kPa下下SO2在水中的溶解度在水中的溶解度2223 由上两图可知，同一种物质，在相同的温度由上两图可知，同一种物质，在相同的温度下，气体的溶解度随着该组分在气相中的分压增下，气体的溶解度随着该组分在气相中的分压增大而增大；在相同的平衡分压下，气体的溶解度大而增

16、大；在相同的平衡分压下，气体的溶解度随着温度的升高而减小。随着温度的升高而减小。 加压和降温可以提高气体的溶解度，故加加压和降温可以提高气体的溶解度，故加压和降温有利于吸收操作。反之，升温和减压则压和降温有利于吸收操作。反之，升温和减压则有利于解吸过程有利于解吸过程 不同气体在同一溶剂中的溶解度有很大差异。不同气体在同一溶剂中的溶解度有很大差异。 欲得到一定浓度的溶液，易溶气体所需的欲得到一定浓度的溶液，易溶气体所需的分压较低，而难溶气体所需的分压则很高。分压较低，而难溶气体所需的分压则很高。23242-2 亨利定律：亨利定律：1、亨利定律：、亨利定律：溶质分子溶质分子体系：一定温度；混合气体

17、系：一定温度；混合气体总压不高（体总压不高（PP* = E x ( or x xe )时，过程为吸收过程。时，过程为吸收过程。当当p xe )时，过程为解吸过程。时，过程为解吸过程。33342、过程的推动力、过程的推动力浓度差的计算：浓度差的计算：以气相分压差表示的吸收过程的推动力：以气相分压差表示的吸收过程的推动力：p = p - P*以液相浓度差表示的吸收过程的推动力：以液相浓度差表示的吸收过程的推动力：x = x* - x( y = y y* )( c = c* c ) 实质上，吸收还是解吸主要取决于溶质在气相实质上，吸收还是解吸主要取决于溶质在气相中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定

18、。中的分压与其液相的平衡分压间的关系而定。 平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接平衡是过程的极限，只有不平衡的两相互相接触才会发生气体的吸收或解吸。因此，实际浓度偏触才会发生气体的吸收或解吸。因此，实际浓度偏离平衡浓度越远，过程推动力越大，过程的速率也离平衡浓度越远，过程推动力越大，过程的速率也越快。在吸收的过程中我们经常：越快。在吸收的过程中我们经常：34353、确定过程的极限：、确定过程的极限：吸收塔吸收塔混合气体混合气体, p1气气, p2,min液液, x2出塔气体浓度最低值：出塔气体浓度最低值：p2,min离塔液体浓度最高值：离塔液体浓度最高值：x1,maxP2,min =E x

19、2液液, x1,maxEpx1max1,实际生产中：实际生产中：p2 p2,min x1 分子扩散的速率分子扩散的速率 流体内部存在某一组分的浓度差，分子的微流体内部存在某一组分的浓度差，分子的微观运动使组分由浓度高处传递至浓度较低处。观运动使组分由浓度高处传递至浓度较低处。 物质通过湍流流体的转移，扩散物质不仅靠物质通过湍流流体的转移，扩散物质不仅靠分子本身的扩散作用，并且借助于湍流流体的携分子本身的扩散作用，并且借助于湍流流体的携带作用而转移，而且后一种作用是主要的。带作用而转移，而且后一种作用是主要的。4041二、对流传质理论二、对流传质理论流动流体与相界面之间的物质传递称为对流传质。流

20、动流体与相界面之间的物质传递称为对流传质。气气液液界面界面层流膜层流膜zpA1pAi有效膜理论：有效膜理论：zc4142双膜理论论点：双膜理论论点： 气液两相接触时，两相间有一稳定相界面，两侧气液两相接触时，两相间有一稳定相界面，两侧分别存在着呈层流的稳定膜层分别存在着呈层流的稳定膜层气膜和液膜，溶气膜和液膜，溶质必须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层。质必须以分子扩散的方式连续通过这两个膜层。（膜层厚度随流速而定）（膜层厚度随流速而定）相界面上气液两相互为平衡。相界面上气液两相互为平衡。膜层以外的主体内，由于湍流而使溶质浓度均匀，膜层以外的主体内，由于湍流而使溶质浓度均匀，浓度梯度全部集中在

21、两个膜层内。浓度梯度全部集中在两个膜层内。42434344 通过上述三个假定，吸收过程简化成为经通过上述三个假定，吸收过程简化成为经过气液两膜的分子扩散过程，吸收过程的主要过气液两膜的分子扩散过程，吸收过程的主要阻力集中于这两层膜中，膜层之外的阻力忽略阻力集中于这两层膜中，膜层之外的阻力忽略不计，吸收过程的推动力主要来源于气相的分不计，吸收过程的推动力主要来源于气相的分压差和液相的浓度差。压差和液相的浓度差。 双膜理论对于那些具有固定传质界面的吸双膜理论对于那些具有固定传质界面的吸收设备而言，具有重要的指导意义，为我们的收设备而言，具有重要的指导意义，为我们的设计计算提供了重要的依据。设计计算

22、提供了重要的依据。44453 3 吸收速率方程吸收速率方程传质推动力吸收系数传质阻力传质推动力吸收速率 根据双膜理论传质机理，气体吸收属于相际根据双膜理论传质机理，气体吸收属于相际传质，其吸收速率方程有分速率方程和总速率方程传质，其吸收速率方程有分速率方程和总速率方程表示。表示。 吸收速率是指在单位时间内、在单位相际是指在单位时间内、在单位相际传质面积上被吸收的溶质量。传质面积上被吸收的溶质量。46以气膜传质分系数表示的吸收速率方程气相对流传质速率方程气相对流传质速率方程)(iA，AGiA，ABmGAppk)p(ppRTlDpNBmGGpRTlDpk以分压差表示推动力的气膜传质分系以分压差表示

23、推动力的气膜传质分系数，数， mol/（m2skPa）。）。 Gk=传质系数传质系数吸收的推动力吸收的推动力 AN3-1 分吸收速率方程分吸收速率方程47)(iA,AYAYYkN)(,AiAAyyykNyk以气相摩尔分数差表示推动力的气相以气相摩尔分数差表示推动力的气相传质分系数，传质分系数，mol/（m2s）；）； 气相混合物组成可用摩尔分数和摩尔比表示气相混合物组成可用摩尔分数和摩尔比表示,其相应的推动力为（其相应的推动力为（yA-yA,i）和（和（YA-YA,i），因），因此速率方程还可如下表示此速率方程还可如下表示: Yk以气相物质的量比差表示推动力的气以气相物质的量比差表示推动力的气

24、膜传质分系数，膜传质分系数，mol/（m2s）；）； 以气膜传质分系数表示的吸收速率方程以气膜传质分系数表示的吸收速率方程48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： Gpkky)( )()(iA,AyiA,AGiA,AGAyykyypkppkN与与)(AiyyykN比较比较， AApyp因iApyp,iA,同理可导出：同理可导出： iAAYYYpkk,G1149)( )(AiA,LAiA,m,LAcckccclcDNBMLmB,LL1 clcDks，mkMLL力的液膜传质分系数以摩尔浓度差表示推动式中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：)(,AAi

25、AXXXkN)(AiA,AxxkNx以液膜传质分系数表示的吸收速率方程以液膜传质分系数表示的吸收速率方程液膜吸收速率方程液膜吸收速率方程50kX以液相组成物质的量比差表示推动力的液以液相组成物质的量比差表示推动力的液相传质分系数相传质分系数 xk以液相组成摩尔分数差表示推动力的液相以液相组成摩尔分数差表示推动力的液相传质分系数；传质分系数； 各液相传质分系数之间的关系： LkckMxiAAMXXXkck,L1151界面浓度定常态传质定常态传质 )()(AiA,LiA,AGAcckppkN )(fiA,iA,cp、cAi iAp1一般情况一般情况2平衡关系满足亨利定律平衡关系满足亨利定律 )()

26、(AiA,LiA,AGAcckppkNiHpcA,iA,、cA,i i ,Ap523图解图解GLiA,AiA,Akkccpp)()(AiA,LiA,AGAcckppkNGLkkI（pA，i，cA，i） DE斜斜率率）(GLkk H1 斜斜率率平平衡衡线线cA/kmol/m3cAipApicpA/kPa0实际上两相界面的浓度是难以测实际上两相界面的浓度是难以测定的定的,通常只能测得两相流体的主通常只能测得两相流体的主体浓度体浓度PA 与与cA, 所以用总吸收速所以用总吸收速率方程来表示更为方便。率方程来表示更为方便。53以气相传质系数表示的总吸收速率方程 (1) / )(GA,A,AGAkNpp

27、ppkNiAiA得由对于稀溶液，气液相平衡关系服从亨利定律对于稀溶液，气液相平衡关系服从亨利定律3-2 总吸收速率方程总吸收速率方程(2) / )( LAiA,iA,LAkNcccckNAA得由HcpA*A(4) (3) iA,iA,*AAHpcHpc则)11 联合四式可得Hkk(NppLGA*AA54)p(pKN HkkK*AGALGGA 111 则令总阻力总推动力或Gpp1 *KG 以气相分压差表示总推动力的气相传质系以气相分压差表示总推动力的气相传质系数，数， mol/m2sPa； 1/KG 传质过程的总阻力。传质过程的总阻力。 55 当吸收质在气相中的浓度用摩尔分数当吸收质在气相中的浓

28、度用摩尔分数yA或或摩尔比摩尔比YA表示时，吸收速率方程为：表示时，吸收速率方程为： Ky 以气相摩尔分数差表示总推动力的气相传以气相摩尔分数差表示总推动力的气相传质系数，质系数， mol/m2s； )( )(*AYA*AyAAAYYKNyyKNKY 以气相物质的量比差表示总推动力的气相以气相物质的量比差表示总推动力的气相传质系数，传质系数， mol/m2s； G pKKy其中GA*GY 11pKKYYpKKYAAY很小时当56AyAy*xAx*操作点DE（界面）斜斜率率）(GLkk H1 斜斜率率平平衡衡线线cA/kmol/m3cA*Ac*ApipApicpA/kPa057以液相传质系数表示

29、的总吸收速率方程 (1) / )(GA,A,AGAkNppppkNiAiA得由 将（将（1）式中的气相分压通过亨利定律换算）式中的气相分压通过亨利定律换算成液相浓度，即：成液相浓度，即：(2) / )( LAiA,iA,LAkNcccckNAA得由/Hcp*AA )kkH(NccLGAA*A1 得2相加整理后与/HcpA,iA,i58A*LALGLccKN kkHKA 11 则令总阻力总推动力或LA*ccA1 KL 以液相浓度差表示总推动力的液相传质系以液相浓度差表示总推动力的液相传质系数，数，m/s； 1/KL 传质过程的总阻力。传质过程的总阻力。 591传质阻力传质阻力GLG1 1 1kH

30、kK传质阻力GLL 1 1 kHkK或相间传质总阻力相间传质总阻力 = 液膜阻力液膜阻力 +气膜阻力气膜阻力注意注意: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。传质阻力与传质速率的控制 此阻力所对应的推动力为气相主体浓度此阻力所对应的推动力为气相主体浓度PA与与液相主体浓度所对应的平衡分压之差液相主体浓度所对应的平衡分压之差 此阻力所对应的推动力为气相主体浓度此阻力所对应的推动力为气相主体浓度PA所所对应的平衡液相浓度与液相主体浓度之差对应的平衡液相浓度与液相主体浓度之差602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

31、阻力主要集中在气相，此吸传质阻力主要集中在气相，此吸收过程收过程 为气相阻力控制（气膜控制）。为气相阻力控制（气膜控制）。 G1KG1kH 较大易溶气体较大易溶气体 气膜控制的特点：气膜控制的特点：iA,A*AApppp.pAIpAicAcAi*Ac*Ap)(*AAppkNGA提高传质速率的措施提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。：提高气体流速；加强气相湍流程度。 61（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）收过程为液相阻力控制（液膜控制） 液膜控制的特点：液膜控制的特点：LL11kK

32、H较小难溶气体较小难溶气体 AiA,A*Acccc.ApAip*ApAcAic*Ac)(A*ALAcckN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。 62 含氨极少的空气于含氨极少的空气于101.33kPa，20被被水吸收。已知气膜传质系数水吸收。已知气膜传质系数kG=3.1510-6kmol/（m2skPa），），液膜传质系数液膜传质系数kL=1.8110-4m/s，溶溶解度系数解度系数H= 1.5 kmol/m3kPa。气液平衡关系服气液平衡关系服从亨利定律。求：气相总传质系数从亨利定律。求：气相总传质系数KG、KY；液；液相

33、总传质系数相总传质系数KL、KX。 【例例5.3】解：因为物系的气液平衡关系服从亨利定律，故下式求解：因为物系的气液平衡关系服从亨利定律，故下式求KG 5461024. 31081. 15 . 111015. 31111LGGHkkKKG=3.08910-6kmol/（m2skPa）由计算结果可见由计算结果可见 KGkG63 此物系中氨极易溶于水，溶解度大，属此物系中氨极易溶于水，溶解度大，属“气膜控气膜控制制”系统，吸收总阻力几乎全部集中于气膜，所以吸收系统，吸收总阻力几乎全部集中于气膜，所以吸收总系数与气膜吸收分系数极为接近。总系数与气膜吸收分系数极为接近。 skmol/m1013. 31

34、0089. 333.10146GYPKK56410815. 41015. 35 . 11081. 1111GLLkHkKsmKL/1008. 26依题意此系统为低浓度气体的吸收，依题意此系统为低浓度气体的吸收，KY可按下式来计算。可按下式来计算。根据下式求根据下式求KL 64 同理，对于低浓度气体的吸收，可用下式求同理，对于低浓度气体的吸收，可用下式求KX KX=KLCM3kmol/m6 .55181000ssMMCKX=KLCM=2.0810-655.6=1.1610-4kmol/（m2s） 由于溶液浓度极稀，由于溶液浓度极稀，CM可按纯溶剂水来计算。可按纯溶剂水来计算。 65 操作型：核算

35、；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：物料恒算计算依据：物料恒算 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、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4 4 吸收塔的计算吸收塔的计算66问题引入问题引入 混合气体混合气体 NH3(A)+Air(B)，其中其中qn,B,YA,1YA,2， 过程分析：吸收，过程分析：吸收，吸收剂吸收剂(C)， qn,C，XA,2XA,1 吸收目的：回收有用组分，提纯气相产物吸收目的：回收有用组分，提纯气相产物 吸收原理：气相组

36、分溶解度不同（相平衡关系）。吸收原理：气相组分溶解度不同（相平衡关系）。 吸收速率：吸收速率：dqn,A=NAdA 其中：其中：NA=KY（YAYA*）=KX（XA*XA） 吸收设备：填料塔、板式塔吸收设备：填料塔、板式塔工艺尺寸的确定（塔径，塔高）工艺尺寸的确定（塔径，塔高）操作参数的确定（温度、压力、流量及过程的气液相操作参数的确定（温度、压力、流量及过程的气液相流量。流量。67(1) (1) 全塔物料衡算全塔物料衡算定态，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 ：qn,BYA,1+qn,cXA,2=qn,BYA,2+qn,CXA

37、,1 单位时间被溶剂吸收的溶质量：单位时间被溶剂吸收的溶质量：4-1 全塔物料衡算和操作线方程全塔物料衡算和操作线方程qn,B，YA,2qn,B，YA,1qn,C，XA,2qn,C，XA,1)( )(2,1 ,2,1 ,AACnAABnAnXXqYYqq逆流吸收塔的物料衡逆流吸收塔的物料衡算算682,2,1 ,1 ,)(AAACnBnAXYYqqX通常已知通常已知qn,B,YA,1,YA,2，若确定，若确定qn,C,则：则：1 ,2,1 ,1 ,2,1 ,)(AAAABnAABnYYYYqYYq溶质的吸收率或回收率其中：69操作线方程式及操作线操作线方程式及操作线 取塔内作任一截面取塔内作任一

38、截面M-N至塔至塔顶范围作物料衡算顶范围作物料衡算:ACnABnACnABnXqYqXqYq,2,2,qn,B，YA,2qn,B，YA,1qn,C，XA,2qn,C，XA,1逆流吸收塔的物料逆流吸收塔的物料衡算衡算2211XAYA2,2, A，BnCnAABnCnAXqqYXqqY得：得：以逆流操作的吸收塔为例以逆流操作的吸收塔为例NM70 操作线方程说明，操作线方程说明，A与与A成直线关系。成直线关系。1 ,1 ,ACnABnACnABnXqYqXqYq1,1 , A，BnCnAABnCnAXqqYXqqY得：得： 操作性方程操作性方程 直线过定点直线过定点（XA,1,YA,1），（），（X

39、A,YA,）取塔内作任一截面取塔内作任一截面M-N至塔底范围作物料衡算至塔底范围作物料衡算: 其斜率其斜率qn,C/qn,B 称为液气比，表明单位惰性气体处称为液气比，表明单位惰性气体处理量所用吸收剂的量。理量所用吸收剂的量。71对操作线方程的几点说明：对操作线方程的几点说明：YA,2XA,2AYA,1XA,1BYA*XAYA)(*AAXfY NNXA*MXAYA1）两个端点：两个端点：操作线通过塔顶操作线通过塔顶（稀端）（稀端） A 及塔底（浓端）及塔底（浓端） B2）M：操作点操作点3）平衡线与操作线共同决定吸）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收推动力。操作线离平衡线愈

40、远吸收的吸收的推动力推动力愈大。愈大。气相气相/液相推动力的表示液相推动力的表示4）与）与操作参数操作参数之关系之关系5）操作线位置操作线位置 吸收剂性能是吸收操作良好与否的关键，评价吸吸收剂性能是吸收操作良好与否的关键，评价吸收剂性能优劣的依据是：收剂性能优劣的依据是： (1)对需要吸收的组分要有较大的溶解度。对需要吸收的组分要有较大的溶解度。 (2)对所处理的气体要有较好的选择性。即对溶对所处理的气体要有较好的选择性。即对溶质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。 (3)要有较低的蒸汽压，以减少吸收过程中溶剂要有较低的蒸汽压，以减少吸收过程中溶剂的挥

41、发损失。要有较好的化学稳定性，以免使用过的挥发损失。要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。程中变质。 (4)吸收后的溶剂应易于再生。操作温度下的粘吸收后的溶剂应易于再生。操作温度下的粘度要低。度要低。此外，溶剂应有较低的粘度，不易起泡，还应尽此外，溶剂应有较低的粘度，不易起泡，还应尽可能满足来源丰富、价格低廉、无毒、不易燃烧等可能满足来源丰富、价格低廉、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。经济和安全条件。吸收剂的选择：吸收剂的选择：734-2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定YA,2XA,2,qn,CYA,1,qn,BXA,1YA,2XA,2AYA,1XA,1B)(*AAXfY XAYA操作线

42、操作线平衡平衡线线qn,C，qn,B 液相、气相流量液相、气相流量斜率斜率qn,C/qn,B 称为液气比称为液气比（XA,1,YA,1），（），（XA,2,YA,2）根据分离要求，根据分离要求，YA,1，XA,2，YA,2为定值为定值74XA，XA，1X*A，1B2YA，1YA，2AB1OEXAYAXA2PY*A=f(XA)图解法确实最小液气比图解法确实最小液气比 A点确定，另一端点确定，另一端BYA,1确定，则位置随操作线斜率确定，则位置随操作线斜率qn,C/qn,B 而变化，而变化，qn,C为吸收剂用量为吸收剂用量 气体量气体量qn,B一定，吸收用量一定，吸收用量 qn,C减少，斜率减少，

43、操减少，斜率减少，操作线右移，作线右移， XA,1增大，但推动力增大，但推动力Y=YA-YA*减少，当与平减少，当与平衡线相交时衡线相交时Y=0，此时，此时qn,C/qn,B为为最小液气比。为为最小液气比。751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条件和吸收物系一定，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。零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。 minBn,cn, qq记为762,*1 ,2,1 ,min,AAAABnCnXXYYqqXA,1*与与YA,1相平

44、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： 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 B2YA，1YA，2AB1OEXAYAXA，2PY*A=f(XA)图解法确实最小液气比图解法确实最小液气比X*A，12,1 ,2,1 ,min,AAAABnCnXmYYYqq2,*1 ,2,1 ,min, AAAABnCnXXYYqq从而772,1 ,2,1 ,minBn,AAAAXXYYqqCn)(*AAXfY 1 ,AY2,AY2,AX1 ,AX2）平衡曲线为凸形曲线情况）平衡曲线为凸形曲线情况 78792操作液气比操作液气比设备费,o

45、BncnhYqq再生费，并不总有效设备费, ,cnoBnCnqhYqqmin,)0 . 21 . 1 (BncnBncnqqqq80例例5.5 在附图所示的填料吸收塔中，用清水吸收混合气体在附图所示的填料吸收塔中，用清水吸收混合气体中的组分中的组分A，气液平衡关系服从亨利定律。试在，气液平衡关系服从亨利定律。试在YX图图上定性绘出平衡线和操作线上定性绘出平衡线和操作线,并标明各操作线端点坐标。并标明各操作线端点坐标。abYA,1,aXA,2,aYA,2,aYA,2,bXA,2,bYA,1,bXA,1,bXA,1,aABDC81a塔气液逆流，塔气液逆流，b塔气液并流吸收装置，两塔操作气液比相等，

46、塔气液并流吸收装置，两塔操作气液比相等，相平衡线相平衡线YA*=mXA ，各点坐标分别如下，各点坐标分别如下:A：（：（XA,1,a，YA,1,a） B：（：（XA,2,a，YA,2,a）D：（：（XA,2,b= XA,1,a，YA,2,b=YA,2,a） C：（：（XA,1,b，YA,1,b） YA=mXAXAYAAXA,1,aYA,1,aYA,2,aXA,2,a=0BDXA,2,b=XA,1,aYA,2,b =YA,2,aCXA,1,bYA,1,b如何确定如何确定L？求出求出 (L/V)min; 再取再取 (L/V) = (1.12.0) (L/V)min。在在 20，1atm下，用清水分

47、离氨下，用清水分离氨-空气的混合气体，空气的混合气体，混合气体中氨的分压为混合气体中氨的分压为 1330Pa，经吸收后氨的分压，经吸收后氨的分压降为降为 7 Pa，混合气体的处理量为，混合气体的处理量为 1020 kg/h，操作条，操作条件下平衡关系为件下平衡关系为 * = 0.755。若适宜的吸收剂用量。若适宜的吸收剂用量为最小用量的为最小用量的2倍，求所需吸收剂用量及离塔氨水的倍，求所需吸收剂用量及离塔氨水的浓度。浓度。例：例：V, Y1V, Y2X2 , L=?X1=?吸收塔吸收塔解：解：min2152)VL2(VL 0.755X,Y* 1020kg/h,q7Pa,p 1330Pa,p

48、Pa,101.013P 0,Xm552225111106.9107101.0137P-PpY 0.013131330101.0131330P-PpYkg/h 943.4kmol/h 52411.502VL 1.50200.7550.1330106.9100.13302 XmYYY2XYY2)VL2(VLkmol/h 34.900.01313)(1290.01313171020)y1MyMqMqV 52121221min11vm,vm,2*X ( (空空气气氨氨331ss113522112121kmol/m 0.4885108.80918998.2XMXc 108.80901.502106.91

49、00.1330X)Y(YLVX)XL(X)YV(Y Mc , , , , x很小。x很小。0.05时）0.05时）对于稀溶液（对于稀溶液（s sssLssMMx)(1MxMxMc86填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算问题的引入问题的引入87波纹填料波纹填料鲍尔环鲍尔环填料填料6400金属板波纹规整填料金属板波纹规整填料88几个相关概念几个相关概念空塔速度：无填料时气体在塔内的流速。空塔速度：无填料时气体在塔内的流速。smu空塔截面积：无填料时塔的截面积空塔截面积：无填料时塔的截面积2mS 填料的比表面积：每单位体积填料中填料的表面积填料的比表面积：每单位体积填料中填料的表面积32mm 3

50、2mma 填料的有效比表面积：每单位体积填料所提供的有效吸收面积填料的有效比表面积：每单位体积填料所提供的有效吸收面积当操作良好，填料表面完全被润湿，可取填料的比表面积当操作良好，填料表面完全被润湿，可取填料的比表面积894-3 吸收塔塔径计算吸收塔塔径计算塔径的大小由生产能力与气体的空塔气速决定塔径的大小由生产能力与气体的空塔气速决定uqDVT4，m：DT塔内径式中s，m，qV/3混合气体的流量在操作条件下smsmm，s，mu/23流量时间内通过的气体体积单位在单位空塔横截面积上空塔气速904-4 吸收塔填料层高度计算确定填料层高度的基本方程式确定填料层高度的基本方程式AcnABnAndXq

51、dYqdq, 在填料塔的填料层内任取一微元高度在填料塔的填料层内任取一微元高度dH，并对此微元段内溶质的变化作物料衡算。并对此微元段内溶质的变化作物料衡算。 在此微元段内，气液两相中溶在此微元段内，气液两相中溶质的组成变化均很小，吸收速率质的组成变化均很小，吸收速率NA可视为定值，有可视为定值，有YA,1,qn,BXA,2,qn,CYA,2XA,1HdHYAXAYA+dYAXA+dXA:,为被吸收的溶质量Andq91dAYYKdANdqAAYAAn*,dAXXKdANdqAAXAAn*,dHS dAmdHdA , :2积微元段中的有效传质面式中2, mS塔的横截面积3231 m，mm有效比表面

52、积填料中的有效传质面积将式将式联立得：联立得：*,AAAYBnYYdYSKqdH将式将式联立得：联立得：AAAXCnXXdXSKqdH*,921 ,2, *AA,d :AAYYAYBnYYYSKqH故YA,1,qn,BXA,2,qn,CYA,2XA,1HdHYAXAYA+dYAXA+dXA。，KK。，SqqXYCnBn基本不变浓度气体吸收过程故对于低上为定值且在塔内不同截面位置变化皆不随时间对于定常态的吸收过程, ,.1 ,2, A*A,d AAXXAXCnXXXSKqH填料塔高度计算的基本方程式填料塔高度计算的基本方程式931 OG *12其量纲为令NYYdYA，A，YYAAAmmssmol

53、smolHaSKqYBn2131OG, 令 OLOGHNHHNHOLOG同理因此填料层高度可写成传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数可理解为吸收操作条件决定的某种单元高度，可理解为吸收操作条件决定的某种单元高度，称为称为“气相传质单元高度气相传质单元高度” 其值的大小由填料塔内的浓度变化范围和所具有的其值的大小由填料塔内的浓度变化范围和所具有的推动力大小决定，称为吸收操作条件决定的某种单元高度，推动力大小决定，称为吸收操作条件决定的某种单元高度，称为称为“气相传质单元数气相传质单元数” 94传质单元高度与传质单元数的物理意义传质单元高度与传质单元数的物理意义 12 *OGA，A，Y

54、YAAAYYdYN传质单元数吸收过程的推动力浓度变化*， AAAYYdY 传质单元数反映了吸收过程的难易程度。传质单元数反映了吸收过程的难易程度。气体流经一段填料，溶质组成变化气体流经一段填料，溶质组成变化dYA等于该段填等于该段填料平均吸收推动力（料平均吸收推动力（YAYA*）时，该段填料为一个）时，该段填料为一个传质单元。传质单元。95 : ,OGaSKqHYBn如传质单元高度 表示完成一个传质单元的浓度变化所需要的填料层的表示完成一个传质单元的浓度变化所需要的填料层的高度，是吸收设备性能优劣的反映。高度，是吸收设备性能优劣的反映。 1/KY值的大小与填料的性能有关，反映了传质阻力值的大小

55、与填料的性能有关，反映了传质阻力 qn,B/S为单位截面积上惰性气体的流量。为单位截面积上惰性气体的流量。961）对数平均推动力法气液平衡线为直线气液平衡线为直线 bmXYAA*操作线也为直线操作线也为直线 )(2,2,ABncnABncnAXqqYXqqYA传质单元数的计算. *亦呈直线关系与AAAYYYY2,1 ,2,1 , AAAAAAYYYYdYYd常数即XAYAYA,2XA,2YA,1XA,1操作点操作点bmXYAA*操作线操作线平衡线平衡线YA,1Y*A,1Y*A,1YA,2YA 12 *OGA，A，YYAAAYYdYN气相传质单元数AAAAAAYdYYYYdY2,1 ,2,1 ,

56、 所以97将上式代入将上式代入 12 *OGA，A，YYAAAYYdYN气相传质单元数 12 *OGA，A，YYAAAYYdYN 12 2121A，A，YYAAA，A，A，A，YYdYYYY ln 212121A，A，A，A，A，A，YYYYYY ,21mAA，A，YYY气相平均推动力式中 ln 2121,A，A，A，A，mAYYYYY982）数学分析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 AAmXY*逆流为例：逆流为例： 12 *OGA，A，YYAAAYYdYN2,2,AACnBnAAYYqqXX 1 12 2,2,A，A，YYAACnBnACnBnAm

57、XYqmqYqmqdY 121 bxadx xf x x 1ln11 ,2,2,2,1 ,CnBnAAAACnBnCnBnqmqmXYmXYqmqqmq99 图解积分法求NOG(b)(a)1*Y-Y*Y1dYY2Y-Y0Y=Y2Y=Y1Y2Y1Y*AX2XX1Y2YYY1*E0TABXY3图解积分法100在填料吸收塔中，用清水吸收甲醇在填料吸收塔中，用清水吸收甲醇 - 空气混空气混合气体中的甲醇蒸汽，在合气体中的甲醇蒸汽，在 1 atm，27下进下进行操作，混合气体流量为行操作，混合气体流量为1200m3/h，塔底处，塔底处空塔气速为空塔气速为0.4m/s，混合气体中甲醇的浓度，混合气体中甲醇

58、的浓度为为 100g甲醇甲醇/m3空气，甲醇回收率为空气，甲醇回收率为95%，水的用量为水的用量为1215kg/h，体积吸收总系数，体积吸收总系数KG = 0.987 kmol /(m3hkPa)，操作条件下气液，操作条件下气液平衡关系为平衡关系为Y = 1.1X。试计算所需的填料层。试计算所需的填料层高度。高度。例：例：V,Y1V, Y2X2 , LX1吸收塔吸收塔解：解：kmol/h 67.5181215Lkmol/h 46.373002731122.41200TTPP22.4V102.5650.05130.95)(1)Y(1Y0.0513300)314101325/(8.100/48PV

59、/RTG/MY0X00s31212 V1010.5565m0.41200/36000.987101.346.37KPVKVH0.033480)102.565(0.051367.546.37X)Y(YLVX)XL(X)YV(YGYOG322112121 1027.0850.00688102.5650.0513N 0.00688102.5650.033481.10.0513ln102.5650.03348)1.1(0.0513mXYmXYln)mX(Y)mX(YYYlnYYyYYYN (1)3OG33221122112121mm21OG m3.947.0850.5565NOGH OGZ103其他吸

60、收其他吸收 一、化学吸收一、化学吸收1、化学吸收的特点、化学吸收的特点 溶质的组成沿扩散途径的变化情况不仅与其自身的扩溶质的组成沿扩散途径的变化情况不仅与其自身的扩散速率有关，而且与液相中活泼组分的反相扩散速率、散速率有关，而且与液相中活泼组分的反相扩散速率、化学反应速率以及反应物的扩散速率有关。化学反应速率以及反应物的扩散速率有关。2、化学吸收速率加快的原因、化学吸收速率加快的原因反应消耗了进入液相中的吸收质，使吸收质的有效反应消耗了进入液相中的吸收质，使吸收质的有效溶解度显著增加而平衡分压降低，从而增大了吸溶解度显著增加而平衡分压降低，从而增大了吸收过程的推动力。收过程的推动力。由于部分溶