化工第三章吸收

1、化工第三章吸收第1页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二第一节 概 述一、吸收及其在化工生产中的应用：吸收是化学工业中重要的用于分离气体混合物的单元操作。1.吸收：就是用液体来吸附、收集气体。吸收是一种以质量传递理论为基础的单元操作，在此过程中，气体由气相通过扩散传递进入液相，从而完成传递与转移。此类的单元操作还有蒸馏、萃取、吸附、干燥等等。第2页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二概述（Introduction） 利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility)的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收操作时某些

2、易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。 气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。吸收剂气体yx界面气相主体 液相主体 相界面气相扩散 液相扩散 yi xi 第3页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2.基本概念：吸收质、吸收剂、惰性质吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液(strong liqu

3、or)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。 吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。 吸收塔混合尾气(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)第4页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 3.吸收的应用：(1) 制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸等 。 (2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与

4、氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来 。 (3) 气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。 （4）生化工程 如柠檬酸的生产，通常采用深层发酵法，即在带有通气与搅拌的发酵罐中使菌体在液体内培养的发酵工艺。第5页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 二、吸收操作的分类物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过

5、程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。 物理吸收一般都是可逆的，吸收所能达到的最大程度取决于吸收条件下吸收质在液相中所能达到的平衡溶解度，吸收速率则取决于气相转移到液相的扩散速度。热效应较小。化学吸收(chemical absorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。第6页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 如CO2在水中的溶解度甚低，但若用K2CO3水溶液吸收CO2，则在液相中发生下列反应：

6、K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3 从而使K2CO3水溶液具有较高的吸收CO2的能力，作为化学吸收可被利用的化学反应一般都满足以下条件： a.可逆性。若该反应不可逆，溶剂将难以再生和循环使用。 b.较高的反应速率。若反应速率较慢，应研究加入适当的催化剂以加快反应速率。化学吸收的速率由扩散速率和化学反应速率决定。一般比物理吸收的速率大。化学吸收的平衡主要由当时条件下的吸收反应的化学平衡来决定。第7页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 单组分吸收：混 合气体中只有单一组分被液相 吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。溶解

7、热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。第8页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二三、吸收剂的选择1.实现吸收操作所要解决的问题：选择合适的溶剂，使能选择性地溶解某个（或某些）被分离组分；提供适当的传质设备（多位填料塔，也有板式塔）以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气相转移到液相（吸收）或气相(解吸)； 2.溶剂的选择 溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度，或者说在一定的温度与浓度下，溶质的平衡分压要低。这样，从平衡角度来说，处理一定量混合气体所需溶剂量较少，

8、气体中溶质的极限残余浓度亦可降低；就过程速率而言，溶质平衡分压，过程推动力大，传质速率快，所需设备尺寸小。第9页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具备较高的选择性。若溶剂的选择性不高，将同时吸收混合物中的其他组分，只能实现组分间某种程度的增浓而不能实现较为完全的分离。溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小，而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便。第10页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二溶剂的蒸汽压

9、要低，不易挥发。一方面是为了减少溶剂在吸收和再生过程的损失，另一方面也是避免在气体中引入新的杂质。溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质；腐蚀性要小，以减少设备费用和维修费用。溶剂应有较低的粘度，不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触和塔顶的气液分离。溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。 实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要求，应对可供选择得溶剂做全面的评价，以便作出经济、合理的选择。第11页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二3.吸收操作的经济性吸收总费用=设备(塔、换热器等)折旧费操作费(占比重大)操作费用主要包括：气、

10、液两相流经吸收设备的能量消耗；溶剂的挥发度损失和变质损失；溶剂的再生费用，即解吸操作费用(在三者中占比例最大)。第12页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二气液两相的接触方式连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。 如板式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料 塑料丝网波纹填料 第13页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二本章以分析单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最基本的原理。 气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于

11、该组分的分压，也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。如果混合气体中该气体的分压大于溶液的平衡蒸汽压，这个组分便可自气相转移至液相，即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便增高，它的平衡蒸汽压也随着增高，到最后，可以增高到等于它在气相中的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平衡。反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气相，这种情况称为解吸（或脱吸）。所以根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限，而且，两相的浓度距离平衡愈远，则传质的推动力愈大，传质速率也愈大。吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速

12、率关系着手，本章各节即如此展开讨论。第14页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二四、吸收方法和流程：书78页1.吸收方法：增大气液接触面积，使吸收更快更完全地进行。(1)喷淋吸收：把液体分散成小液滴，液体为分散相，气体为连续相；(2)鼓泡吸收：气体分散成小气泡，气体为分散相，液体为连续相；(3)膜式吸收：液体沿着某一壁面成膜状流动，液体为分散相，气体为连续相。2.吸收流程：(1)单程吸收 (2)循环吸收 (3)吸收与解吸结合吸收流程的共同特点：逆流共同特点：增大气液接触面积，使吸收更快更完全地进行。第15页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二第16页

13、，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二吸收剂在吸收塔内再循环流程吸收-解吸流程 8.1 概述第17页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二第二节 吸收的相平衡气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状

14、态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。 第18页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二气体的溶解度在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系。平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。 在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡

15、压力。气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解度增高。 第19页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二一、吸收的相平衡1、吸收的相平衡（1）气体的溶解度：在一定的温度与总压下，使一定量的溶剂与溶质接触，溶质便由气相向液相转移，随着溶液浓度的逐渐增高，传质速率将逐渐减慢，最后降为零，此时气液两相达到相平衡，液相中溶质达到饱和，浓度达到一最大限度 ，称为平衡溶解度，简称为溶解度（溶解度可以用不同的方式表示，相平衡关系亦可用不同的方式表示。) 注意：此时并非没有溶质分子继续进入液相，只是任何瞬间进入液相的溶质分子数与从液相逸出的溶质分子数恰好相等，在宏观上过程就象是

16、停止了。这种状态称为相际动平衡，简称相平衡。当吸收达到相平衡时，则有：吸收质的溶解度=饱和浓度=溶液的最大浓度=溶液的平衡浓度 （2）溶解度的影响因素：气体和溶剂的性质、温度、压力都会影响气体的溶解度。第20页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kP

17、a1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。用水作吸收剂时，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30 和溶质的分压为 40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。 第21页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二吸收剂、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

18、解度越大。加压和降温对吸收操作有利。 溶解度的特性：第22页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 对于稀溶液或难溶气体，在一定温度下，当总压不高（通常指小于0.5MPa)时，平衡的气相中吸收质的分压与其在液相中的溶解度成正比。即用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的亨利定律 c=Hp*二、亨利定律（Henrys law）第23页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二H溶解度系数 ，单位：kmol/m3Pa或kmol/m3MPa。 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。C 液相中吸收质的浓度，即溶解度，单位：kmo

19、l/m3p* 溶质在气相中的平衡分压，Pa、kPa或MPa第24页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二亨利定律的其他表达形式：1）当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中： p* 溶质在气相中的平衡分压，Pa,kPa或MPa x 溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，Pa,kPa或MPa。 亨利定律亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E 值一般随温度的上升而增大；E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体 E 值很小；E 的单位与气相分压的压

20、强单位一致。 第25页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二H与E的关系设溶液的密度为 ，浓度为 （吸收剂+吸收质）溶液中吸收质的浓度c与摩尔分数x之间的换算关系为第26页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二对于稀溶液， 2) 气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律m相平衡系数 ，是温度和压强的函数。y* 与液相平衡的气相中吸收质的摩尔分率。mol(吸收质)/mol(混合气体)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。 x 液相中吸收质的摩尔分率，单位：mol(吸收质)/mol(溶液)对于溶剂是水的稀溶液C总=CT=1000/18=5

21、5.56第27页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二m与E的关系：由分压定律知 ：由亨利定律： 即：又因为所以m=cT/HP总第28页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度越小；E随温度变化而变化， T，E，m越大，表明溶解度越小；m随温度、总压变化而变化， T，m，P，m第29页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二三、相组成的表示方法及其换算：1.相组成的表示方法：比摩尔分数定义（摩尔比）由 第30页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二当溶液浓度很低时，X0， 上式简化

22、为：亨利定律第四种表达式亨利定律的几种表达形式也可改写为书84页例题第31页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二例：在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3/100gH2O浓度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：由亨利定律表达式知：第32页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二亨利系数为 又 ，而 相平衡常数 第33页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二溶解度系数为： 或由各系数间的关

23、系求出其它系数 第34页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二四、 相平衡与吸收过程的关系如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。 不平衡的气、液两相接触后要发生传质过程，可以是气相中的吸收质向液相转移即发生吸收过程，也可以

24、是液相中的吸收质向气相转移即发生解吸过程。第35页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二第三节 吸收机理与吸收速率 平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面，再从气液界面扩散到液相主体的传质过程。 第36页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二吸收传质理论 吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤： 气相主体 液相主体

25、 相界面溶解气相扩散 液相扩散 (1) 溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2) 溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3) 溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。 第37页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二在分析任一化工过程时都需要解决两个基本问题：过程的极限和过程的速率。吸收过程的极限决定于吸收的相平衡常数。本节将讨论吸收的速率问题。吸收过程涉及两相间的物质传递。两相间物质的传递机理包括三种。一、吸收传质机理：1.物质的扩散形式：分子扩散：由分子自身的热运动所引起的物质传递。这种传质类似于传热中的热传导，是分子微观运动的宏观统计结果。发生在

26、静止或层流流体里的扩散就是分子扩散。一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。分子扩散遵循菲克定律：扩散速率即单位时间扩散传递的物质量。与传质面积和沿传质方向的浓度梯度成正比,在稳定条件下 N=-DAdc/d式中:N -扩散速率,kmols-1 A-传质面积,m2 dc/d-浓度梯度,kmolm-4 在扩散方向上浓度的变化率D -扩散系数,m2s-1-扩散距离,m第38页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二分子扩散遵循费克定律：扩散速率即单位时间扩散传递的物质量与传质面积和沿传质方向的浓度梯度成正比,在稳定条件下 N=DAc/式中:N -扩散

27、速率,mols-1 A-传质面积,m2 c-浓度差,molm-3D -扩散系数,m2s-1-扩散距离,m扩散系数是物质的物理性质参数之一，它表示物质在扩散介质中的扩散能力，其值与体系的物质种类、体系的温度、压力等有关。第39页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二涡流扩散：是凭借流体质点的湍流和漩涡而引起的扩散称为涡流扩散。发生在湍流流体里的传质除分子扩散外更主要的是涡流扩散。 (3)对流扩散：分子扩散和涡流扩散合称为对流扩散。 将一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都会变甜，这就是分子扩散的结果。若用勺搅动杯中水，则将甜得更快更均匀，那便是对流扩散的结果，只是涡流扩散占主要

28、地位。2.有关吸收机理的理论：第40页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二吸收过程涉及气液两相间的物质传递，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。单相内物质传递的机理分子扩散 对流扩散第41页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2、双膜理论 刘易斯惠特曼 在上世纪二十年代1923年提出，是最早出现的传质理论。双膜理论的基本论点是： (1) 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为

29、 1 和 2 ）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2) 相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。(3) 在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。 气相主体 液相主体 相界面pi = ci / Hp 12pi ci c 气膜液膜第42页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二双膜理论的优势：极大地简化了吸收过程，为计算吸收速率奠定了基础，对强化吸收传质过程起一个积极的推进作用。双膜理论的局限性：只适用于流速不大的情况，否则稳定的界面和双膜均不存在。（2）溶质渗透理论（希格比 Higb

30、ie，1935年） 这种理论假定液面是由无数微小的流体单元所构成，希格比认为液体在流动过程中每隔一定时间发生一次完全的混合，使液体的浓度均匀化，在某一时间内，液相中发生的不再是定态的扩散过程，而是非定态的扩散过程。（3）表面更新理论（丹克沃茨 Danckwerts,1951年） 丹克沃茨认为液体在流动过程中表面不断更新，即不断地有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面不断更新传质过程大大强化，其原因在于原来需要通过缓慢的扩散过程才能将溶质传至液体深处，现通过表面更新，深处的液体就有机会直接与气体接触以接受传质。第43页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 相对于气相浓

31、度 y 而言，液相浓度欠饱和(xy*)，溶质 A 由气相向液相转移。二、吸收速率方程传质过程的方向 气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质第44页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(xx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(yy*)，溶质 A 由液相向气相转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：yxoy*=f(x)Qyxy*结

32、论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质第45页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质 A。相对于液相浓度 x 而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质 A 不发生转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：yxoy*=f(x)Ryxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。x*第46页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二传

33、质过程的限度 yxoy*=f(x)Qyxy*x*对解吸而言：若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最高只能升到与之相平衡的浓度 y*，即 ymax=y*；若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能降到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmin=x*。第47页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。 (x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。 对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；传质过程的推动力未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进

34、行越快。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）第48页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二相平衡关系在吸收过程中的应用 1判断过程进行的方向发生吸收过程的充分必要条件是y y*或 x x*2指明过程进行的极限(利用亨利定律y=mx, y=mx)3确定过程的推动力 为以气相中溶质摩尔分率差表示吸收过程的推动力； 为以液相中溶质的摩尔分率差表示吸收过程的推动力；pAp*A为以气相分压差表示的吸收过程推动力；c*AcA为以液相摩尔浓度差表示的吸收过程推动力。第49页，共148页，2022年，

35、5月20日，17点19分，星期二【例】在总压101.3kPa，温度30的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：(1) 从液相分析SO2的传质方向；(2) 从气相分析，其它条件不变，温度降到0时SO2的传质方向；(3) 其它条件不变，从气相分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。第50页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二解：(1)查得在总压101.3kPa，温度30条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 所以 47.88 从液相分析 x=0.01故

36、SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。第51页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二（2）查得在总压101.3kPa，温度0的条件下，SO2在水中的亨利系数E=1670kPa =16.49从气相分析y*=mx=16.490.01=0.16y=0.3故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。第52页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二（3）在总压202.6kPa，温度30条件下，SO2在水中的亨利系数 E=4850kPa =23.94 从气相分析 y*=mx=23.940.01=0.24y=0.3 故SO2必然从气相转移到液相，进行吸收过程。 以液

37、相摩尔分数表示的吸收推动力为: x=x*x=0.01250.01=0.0025 以气相摩尔分数表示的吸收推动力为: y= y y*=0.30.24=0.06第53页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二吸收速率方程式 吸收速率： 单位时间内吸收的溶质A的摩尔数，用NA表示，单位通常用mol/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=吸收系数接触面积推动力 第54页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二传热与传质过程的比较 ： 传热过程是冷、热两液体间的热量传递，传递的是热量，传递的推动力是两流体间的温度差，过程的极限是温度相等

38、；吸收过程是气液两相间的物质传递，传递的是物质，但传递的推动力不是两相的浓度差，过程的极限也不是两相浓度相等。是同一相而言的浓度差。吸收速率方程：对传热：q=kAt=系数 接触面积 推动力对吸收：吸收速率=系数 接触面积 推动力第55页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二1、液膜吸收速率方程液相传质速率方程常用的表达形式有三种 kl 推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；kx 推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；kX 推动力为摩尔比之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；c、x、X 溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度；ci、xi、

39、Xi 溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度。 第56页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2、气膜吸收速率方程kg 推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(sm2kPa)；ky 推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，kmol/(sm2)；kY 推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/(sm2)；p、y、Y 溶质A在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；pi 、yi、Yi 溶质A在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比。 气相传质速率方程常用的表达形式也有三种 第57页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二3、总吸收速率方

40、程吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别为：设y 和x分别为气液相主体中吸收质的摩尔分率,yi和xi分别为界面上气液两相中吸收质的摩尔分率,则在吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别是 N = ky A (y-yi) N = kx A (xi-x)式中: N-吸收质的吸收传质速率, mols-1A-气液接触面积,m2 kx -液膜吸收传质分系数,molm-2s-1y-yi -气膜中的吸收推动力,摩尔分率差;xi-x-液膜中的吸收推动力,摩尔分率差:ky -气膜吸收传质分系数,mol m-2s-1第58页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二(1)气相总吸收速率方程式：根

41、据双膜理论的第二条，在界面上气液两相处于平衡状态,因而符合亨利定律： yi = m xi另外,设与浓度为x(摩尔分率)的溶液平衡的气相中吸收质的摩尔分率为y*,则 y*=mxyi = m xiN = kx A (xi-x)N = ky A (y-yi)NkyA= ( y - yi)NkxA/m(yi y*)=11+mkxA(y y*)N=ky第59页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二Ky是以气相浓度差( y - y*)表示总推动力时的吸收传质系数,简称为气相吸收传质总系数,单位为molm-2s-1令则N=Ky A ( y - y*)-气相总吸收速率方程式1KY1=ky+

42、kxm(2)液相总吸收速率方程式：N = Kx A ( x* - x )111=+KxkymkxKX是以液相浓度差(x* - x )表示总推动力时的吸收传质系数,简称为液相吸收传质总系数,单位为molm-2s-1(3)吸收速率方程式的其它表示方法：书上91页(4)KX与KY的换算 ： KX =m KY第60页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二总传质速率方程 对易溶气体，平衡常数 m 值小，平衡线很平，这时：传质阻力主要集中在气相，此类传质过程称为气相阻力控制过程，或称气膜控制过程。 采用总传质速率方程进行计算可避开难以确定的相界面组成 xi 和 yi。这与通过间壁对流传

43、热问题中用总传热速率方程可避开固体壁面两侧温度是相似的。 总传质阻力取决于气、液两相的传质阻力。但对一些吸收过程，气、液两相传质阻力在总传质阻力中所占的比例相差甚远，可对问题进行简化处理。第61页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二总传质速率方程 对难溶气体，平衡常数 m 值大，平衡线很陡，这时： 传质阻力主要集中在液相，此类过程称为液相阻力控制过程，或液膜控制过程。 分析气、液两相中传质阻力所占的比例，对于强化传质过程，提高传质速率有重要的指导意义。例如，以气相阻力为主的吸收操作，增加气体流速，可减薄界面处气膜层的厚度，从而降低气相传质阻力，有效地提高吸收速率；而增加液

44、体流速吸速率则不会有明显改变。 第62页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二各种吸收系数之间的关系总系数与分系数的关系 第63页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二由亨利定律： 第64页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力 即总阻力=气膜阻力+液膜阻力 同理 第65页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二气膜、液膜吸收速率方程第66页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二气相、液相总吸收速率方程第67页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期

45、二小结 ：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 用一相主体与界面的浓度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力第68页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二【例】在总压为100kPa、温度为30时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数=3.8410-6 kmol/（m2skPa），液相传质系数=1.8310-4 m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时(1)以气相、液相表示的传质总推动力及相应的传质速率、总

46、传质系数；(2)分析该过程的控制因素。第69页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二解：（1）根据亨利定律相平衡常数溶解度常数 第70页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 =1000.05-1340.01=3.66kPa= kmol/（m2skPa）第71页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二 =3.9410-63.66=1.4410-5 kmol/（m2s） kmol/m3 =0.41461000.05 0.56=1.513 kmol/m3 =9.510-61.513=1.43810-5 kmol/（m2s）第72页，共148

47、页，2022年，5月20日，17点19分，星期二（2）与表示的传质总推动力相应的传质阻力为253797（m2skPa）/ kmol；其中气相阻力为 m2skPa/ kmol；液相阻力 m2skPa/ kmol； 气相阻力占总阻力的百分数为故该传质过程为气膜控制过程。第73页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二第四节 强化吸收的途径一、提高吸收传质系数：1.吸收阻力：吸收传质系数的倒数是吸收阻力：111=+KXkymkx1KY1=ky+kxm总阻力=气膜阻力+液膜阻力注意：吸收总阻力可用1/ KX或者1/ Ky来表示，它们也是与推动力的表示方法相对应 。第74页，共148页

48、，2022年，5月20日，17点19分，星期二溶解度很大时的易溶气体 气膜控制第75页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二溶解度很小时的难溶气体当H很小时， 液膜控制 第76页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二2.强化吸收的措施：(1)提高气液两相的相对运动速度，以降低气膜和液膜的厚度，从而降低气膜和液膜阻力，提高吸收传质系数；(2)对于易溶气体，m很小，则KY ky ，即气膜阻力远大于液膜阻力，吸收速率主要受气膜控制，这种吸收过程称为气膜控制过程。对于气膜控制过程，可采用喷淋吸收的，使气体受到搅动，气膜减薄，因而气膜阻力降低。(3)对于难溶气体，

49、m很大， KX kx ，液膜阻力远大于气膜阻力，吸收速率主要液膜控制，这种吸收过程称为液膜控制过程。对液膜控制过程，可采用鼓泡吸收，气体分散成小气泡，使液体受到搅动，液膜减薄，因而吸收阻力降低。书上，93页列出了一些吸收过程的控制因素。第77页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二二、增大吸收推动力：y = y - y*, y增大，y*减小，则y 就可增大。但增大y不可能，所以只能降低y*,而y*=mx，所以(1)降低x：增大吸收剂的用量，则x就可降低；(2)降低m：所以，选择溶解度系数大的吸收剂，提高吸收系统的压强均可降低y*H又随温度的降低而增大，所以吸收过程应在低温、

50、高压下进行。(3)采用逆流也可增大y 把以上因素综合起来，增大吸收推动力应采用下列方法：用较多的、溶解度系数较大的吸收剂，在低温、高压的条件下，采用逆流进行操作。第78页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二三、增大气、液接触面积：这一措施，主要在于改善设备的结构。在设备内，增大气液接触面的方法主要有：(1)增大气体或液体的分散度：例如让气体通过筛板塔的筛板、使其分散成气泡通过液层，或将吸收剂喷洒成小的液滴等。(2)在吸收塔内放置填料，并选用比表面积大的填料，以增大气液接触面。 以上讨论是单就影响吸收速度诸因素中的某一方面来考虑的，但各影响因素之间还有相互制约、相互影响的复

51、杂关系，因此对具体问题还要做综合分析，全面考虑，抓住主要矛盾，采取适当措施。例如，降低温度可以增大推动力，但温度降低又影响分子扩散速率，增大吸收阻力，降低吸收传质系数；又如在喷淋吸收设备里，将吸收剂喷洒成小的液滴，可以增大气液接触面积，但液滴小，气液相对运动速率小，气膜和液膜厚度增大，也会增大吸收阻力。 在采取强化吸收措施时即要考虑技术上的可能性，又要考虑经济上的合理性。书94页例题第79页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二第五节 填料吸收塔的计算化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设计型计算：按给定的生产

52、任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。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。 吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需的吸收塔。第80页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二本节讨论的重点是：按连续接触原理操作的填料塔，至于板式塔则在下一章的作简单讨论。 填料填加在塔内形成填料层，填料层有两个特点，一是空隙体积所占比例

53、相当大，便于气体在其内部迂回曲折通过并提高湍动程度，二是单位体积内有很大的固体表面积。液体沿固体壁面呈膜状流下，因而填料塔内的气液接触面比空塔内大得多。 塔内气液流动方式一般呈逆流，气体自塔底通入，液体从塔顶洒下，因此溶液从塔底流出前与刚进入塔的气体相接触，可使溶液的浓度尽量提高。经吸收后的气体从塔顶排出前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体中溶质浓度尽量降低。 吸收塔的计算第81页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二吸收塔的设计计算，一般的已知条件是： 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）

54、出塔的气体组成 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82页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二一、 吸收塔的物料衡算物料衡算目的：计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量 L 或吸收剂出口浓度 X1。混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，通过塔的惰性气体量和溶剂量是不变的。 第83页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二一、全塔物料衡算如图所示是一个稳态操作逆流接触的吸收塔V惰性气体的流量，B， kmol/s;L纯吸收剂的

55、流量，S， kmol/s;Y、进出吸收塔气体中溶质的比摩尔浓度， kmol(A)/kmol(B)。X1、X2出塔及进塔液体中溶质的摩尔比浓度，kmol(A)/kmol(s)。注意，本章中塔底截面一律以下标“1”表示，塔顶一律以下标“2”表示。在全塔范围内作溶质的物料衡算，稳定操作时，吸收质在气相中的减少量 = 吸收质在液相中的增加量 VY1VY2 = LX1LX2 nnV Y2VY1LX2LX1YXmn填料塔的计算内容：物料衡算、吸收剂的用量、塔径、吸收推动力、填料高度。第84页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二在mn截面与塔顶端面之间进行衡算，得： VYVY2 = L

56、XLX2 ， 整理后为 Y=L/V(X-X2)+Y2一般情况下，进塔混合气体的流量和组成是吸收任务所规定的，若吸收剂的流量与组成已被确定，则V、 L 、 Y1及X2为已知数，则上式就反映了Y与X之间的一种关系，而Y与X是吸收塔内任一截面上的气、液相组成，因此，该式实际上表明了吸收塔内任一截面上气液两相中吸收质的浓度关系。所以，我们把它称为吸收操作线方程。X AB线为吸收操作线，直线的斜率L/V液气比称为液气比。A点表示塔底的气液相组成(Y1 ，X1 ) ， B点表示塔顶的气液相组成(Y2 ，X2) 。Y*=f(x)YY1YY2ABOX2XX1M第85页，共148页，2022年，5月20日，17

57、点19分，星期二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。 在mn截面与塔底截面之间作组分A的衡算第86页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二操作线方程与操作线当 L/V 一定，操作线方程在 Y-X 图上为以液气比 L/V 为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点(Y1，X1)和(Y2，X2)的直线，称为吸收操作线。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*P线上任一点的坐标(Y，X)代表了塔内该截面上气、液两相的组成。操作线上任一点 P 与平衡线间

58、的垂直距离 (Y-Y*) 为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离 (X*-X) 为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。两线间垂直距离（Y-Y*）或水平距离（X*-X）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。 Y- Y*X*-X第87页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二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。 当进行吸收时，吸收操作线必位于气液平衡线上方。因为在塔内任意截面上，溶质在气相中的实际浓度Y总是高于与液相平衡的气相浓度Y*，即吸收推动力(Y Y*)大于0；反之，若操作线位于平衡线下方，则进行脱吸过程。

59、第88页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二二、吸收剂的用量：液气比L/V也可以看作是每处理1mol惰性质所需要的吸收剂的用量，所以，也称为吸收剂的单位耗用量。若其它量都是已知量，则吸收剂的流量L和出塔液的浓度X1之间就有一定的对应关系。在达到生产任务的情况下，减少吸收剂的用量L，则操作线的斜率L/V减小，操作线逐渐靠近平衡曲线，吸收推动力也随之减少，为了达到要求的吸收速率就需要增大气液的接触面积，增大吸收塔的尺寸。Y*=f(x)YY1YY2ABOX2 XX1MX11X12吸收操作线方程 Y=L/V(X-X2)+Y2第89页，共148页，2022年，5月20日，17点19

60、分，星期二 此时出塔液的浓度X11增大，当操作线在A点与平衡曲线相交时在塔底的吸收推动力等于零，此时设备的尺寸为无限大；反之若增大L，即吸收剂的用量，出塔液的X12浓度减小，则操作线斜率增大，操作线远离平衡曲线，吸收推动力也随之增大，因此可以减少接触面积和设备尺寸，节约投资。但却要增加动力的消耗，并且会使出塔液体的浓度降低，从而也使吸收回收的操作费用增大。思考题：如果吸收剂的用量不断减少，操作线的斜率也将不断减小，出塔液的浓度会不会无限增大？第90页，共148页，2022年，5月20日，17点19分，星期二Y1与X1max是位于气液平衡线上的点，即Y1与X1max符合气液平衡关系Y*=f(x)