化工原理 吸收

化工原理吸收第一页，共六十页，2022年，8月28日吸收概述吸收操作1.定义分离物系：气体混合物（溶质A+载体B）造两相方式：引入吸收剂S传质原理：溶解度差异吸收结果：吸收液（大部分A+S）＋吸收尾气（B+微量A）

吸收：利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的单元操作。第二页，共六十页，2022年，8月28日吸收概述2.分类①化学反应物理吸收：水吸收CO2化学吸收：碱液吸收CO2②组分数目单组分吸收：水吸收合成氨原料气（N2、H2、CO及CO2等）多组分吸收：洗油吸收焦炉气（苯、甲苯和二甲苯等）③温度变化等温吸收：吸收时温度变化不明显非等温吸收：吸收时温度明显上升（热效应和反应热）④溶质组成高低低组成吸收高组成吸收重点：低组成单组分等温物理吸收的原理与计算第三页，共六十页，2022年，8月28日吸收概述3.吸收与蒸馏之异同吸收与蒸馏比较第四页，共六十页，2022年，8月28日吸收概述4.吸收用途①净化气体：用水或碱液脱除合成氨原料气中的CO2；②制备某种气体的溶液：用水吸收氯化氢气体制取盐酸；③回收混合气体中所需组分：用洗油处理焦炉气以回收芳烃；④治理工业废气：脱除废气中含有SO2、NO2等有害气体。5.吸收剂的选择①溶解度：吸收剂对A的溶解度要大；②选择性：吸收剂对混合气体中除A外的其他组分不吸收或吸收甚微；③挥发度：挥发度小，其损失小；④黏度：黏度低，利于改善流动状况；⑤其他：无毒、无腐蚀、价廉易得，且化学性质稳定。第五页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡1.气体溶解度吸收剂S气体（A＋B）A

溶解A逸出气体吸收相平衡

恒温和恒压时，气体混合物（A＋B）与吸收剂S接触，当气、液两相处于平衡时，其饱和组成（平衡组成）为xA，饱和分压（平衡分压）为pA*，关系为

气体溶解度：指气体在液体中的饱和组成，习惯上用单位质量（或体积）液体中所含溶质质量表示。第六页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡易溶：氨在水中的溶解度中等：二氧化硫在水中的溶解度难溶：氧在水中的溶解度规律：①同温下，气相分压↑，溶解度↑；②同分压下，温度↓

，溶解度↑。加压和降温有利于吸收第七页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡2.亨利定律

亨利定律：在总压不高和恒温下，稀溶液上方的饱和分压与其饱和组成之间的关系。①p

－x

若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔分数x表示，关系为（E：亨利系数，kPa）②p

－c若溶质在气、液相中的组成分别以分压p、摩尔浓度c表示，关系为[H：溶解度系数，kmol/(kN•m)]第八页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡③y

－x

若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔分数y和x表示，关系为（m：相平衡常数或分配系数）④Y

－X（最常用）若溶质在气、液相中的组成分别以摩尔比Y和X表示，关系为（低组成吸收，xi很小）第九页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡⑤小结－8种形式第十页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡⑥系数换算a.

H－E

若溶液组成为cikmol(A)/m3、密度为ρkg/m3

→1m3溶液中溶质A为cikmol，溶剂S为（ρ－ciMA）/MSkmol（低组成吸收）第十一页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡b.

m－Ec.

H－m第十二页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡3.吸收相平衡的应用①判定传质方向若气相中溶质的实际组成为yi，溶液中溶质的实际组成为xi,传质方向由气相到液相,进行吸收传质方向由液相到气相,进行脱吸第十三页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡②确定传质推动力以气相表示的传质推动力为：以液相表示的传质推动力为：吸收推动力第十四页，共六十页，2022年，8月28日吸收相平衡③指明传质极限平衡过程是传质过程进行的极限x2x1y1y2

相平衡关系限定了出塔气体的最低组成和吸收液离塔的最高组成。第十五页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理与菲克定律1.吸收中的传递现象

吸收是溶质从气相转移到液相的单元操作，含2步：溶质由气相主体向相界面的传递和由相界面向液相的传递；物质在单一相中的转递是靠扩散完成的。①传递步骤②扩散方式第十六页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理与菲克定律2.分子扩散与菲克定律扩散现象①分子扩散：在一相内部有组成差异的条件下，由于分子无规则热运动而形成的物质传递现象；习惯上简称为扩散；扩散在气相、液相和固相中均能发生。

扩散通量(J)：反映扩散进行的快慢程度，指单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，kmol/(m2•s)。第十七页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理与菲克定律②菲克定律：描述扩散过程的基本方程。（DAB

：物质A在介质B中的扩散系数，m2/s）

两组分扩散体系时，扩散现象第十八页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理与菲克定律3.气相中的稳态扩散①等分子反向扩散等分子反向扩散稳态的等分子反向扩散

传质速率（NA）：亦称传质通量，指在任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的A物质量。第十九页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理与菲克定律②一组分通过另一停滞组分的扩散组分A通过停滞组分B的扩散总体流动：在多组分中，各组分在进行扩散的同时其微团也处于运动状态。第二十页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理p/pBm：漂流因数，反映总体流动对传质速率的影响。（吸收）（精馏）第二十一页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理4.液相中的稳态扩散①特点a.液相中的扩散速度远远小于气相中的扩散速度；b.物质在气相中的扩散系数较在液相中的扩散系数约大105倍；c.一定条件下气、液两相中可达到相同的扩散通量。②一组分通过另一停滞组分的液相扩散（D’：溶质A在溶剂S中的扩散系数，m2/s）

第二十二页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理5.扩散系数

扩散系数：物质的特性常数之一，随介质种类、温度、压强及组成的不同而变化；其获取途径有3种：①实验测定；②从资料和手册中查取；③估算。气相中，按Maxwell-Gilliland公式：液相中，分子体积（υ）：1mol物质在正常沸点下呈液态时的体积（cm3）。第二十三页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理6.涡流扩散与对流传质①涡流扩散

涡流扩散：凭借流体质点的湍动和旋涡而形成的物质传递现象；3特点：a.发生在湍流流体中；b.与分子扩散并存；c.其速率远大于分子扩散速率。涡流扩散的扩散通量为：（DE：涡流扩散系数，非物性常数，与湍动程度和位置有关）第二十四页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－传质机理②对流传质传质的有效层流膜

对流传质：发生在运动着的流体与相界面之间的传质；在化学工程领域中，主要指湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。（zG、zL：气、液相中的有效层流膜厚度）第二十五页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收机理1.双膜理论双膜理论双膜理论：亦称停滞膜模型，由惠特曼提出；3点假设：①当气、液两相相互接触时，两相间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的层流膜（气膜和液膜），溶质A以分子扩散通过此二膜层由气相主体进入液相主体；②界面处的气、液两相达到平衡状态；③在气膜、液膜以外的气、液两相主体中，由于流体充分湍动，物质组成均匀。第二十六页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收机理

双膜理论用于描述具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质过程，是传质设备设计计算的主要依据；其贡献在于把复杂的相间传质简化为溶质经由两个层流膜层的分子扩散过程，而相界面处及两相主体中均无传质阻力存在。

模型参数：气相有效层流膜厚度（zG）；液相有效层流膜厚度（zL）。第二十七页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收机理2.溶质渗透理论

溶质渗透理论：由希格比提出的一种非稳态模型；2要点：①液面是由无数微小的流体单元所构成，暴露于表面的每个单元都在与气相接触某一短暂时间（暴露时间）后，即被来自液相主体的新单元取代，而其自身则返回液相主体内；②溶质总是处于由相界面向液相主体纵深方向逐渐渗透的非稳态过程中。模型参数：暴露时间θs。第二十八页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收机理3.表面更新理论

表面更新理论：由丹克沃茨提出；2要点：①液体表面是由具有不同暴露时间（或称年龄）的液体微元所构成；②各种年龄的微元被置换的几率与它们的年龄无关，而与液体表面上该年龄的微元数成正比。[表面更新率（s）：单位时间内表面被置换的分率]

模型参数：表面更新率s第二十九页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率1.吸收速率吸收速率：单位时间内单位相间传质面积上吸收的溶质量。吸收速率方程式：表示吸收速率与吸收推动力之间的关系。膜系数k×气膜或液膜的推动力总系数K×总推动力2.气膜吸收速率方程式第三十页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率3.液膜吸收速率方程式双膜理论第三十一页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率4.界面组成界面组成A：气、液相主体的组成点；I：相界面的组成点。第三十二页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率5.总吸收速率方程式①总推动力为(p-p*)的吸收速率方程式第三十三页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率气膜控制对于易溶气体，H值很大

示例：水吸收氨第三十四页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率②总推动力为(c*-c)的吸收速率方程式

第三十五页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率液膜控制对于难溶气体，H值很小

示例：水吸收氧

对于具有中等溶解度的气体吸收而言，气膜阻力与液膜阻力同时考虑。第三十六页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率③总推动力为(Y-Y*)的吸收速率方程式

(低组成吸收)第三十七页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率④总推动力为(X*-X)的吸收速率方程式

(低组成吸收)第三十八页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率6.小结不同吸收速率方程式的比较第三十九页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收速率①等效性；②吸收系数单位是kmol/(m2·s·单位推动力)；③吸收速率方程式中的吸收系数与吸收推动力的正确搭配；④上述各式是以气液组成保持不变为前提的，故只适合描述稳态操作的吸收塔内任一横截面上的速率关系，不能直接描述全塔的吸收速率；⑤使用与总吸收系数相对应的各式时，在整个过程所涉及的浓度范围内，平衡关系须为直线。使用吸收速率方程式时应注意：第四十页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算①吸收常用塔设备，既可采用气液相逐级接触的板式塔，也可采用气液相连续接触的填料塔（为主）；②填料层是塔内实现气液接触的有效部位；③在对等条件下，逆流不仅获得较大的平均推动力，而且可减少吸收剂消耗量、提高溶质吸收率，故吸收塔常用逆流。

吸收塔计算：确定吸收剂用量，继而计算塔径和塔的有效段高度1.概述第四十一页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算2.吸收塔的物料衡算与操作线方程逆流吸收塔物料衡算下标1：塔底截面；下标2：塔顶截面V：kmol(B)/s；L：kmol(S)/s；Y1和Y2：kmol(A)/kmol(B)；X1和X2：kmol(A)/kmol(S)。（：溶质吸收率或回收率）①全塔物料衡算第四十二页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算逆流吸收塔操作线衡算

操作线方程：描述塔内任一横截面上气相组成Y与液相组成X之间的关系。逆流吸收塔操作线浓端：具有最大气液相组成；稀端：具有最小气液相组成。②吸收塔操作线方程第四十三页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算③吸收剂用量

吸收计算中，V已知，须计算L；V一定时，若确定液气比L/V，即确定L。确定液气比L/V：先求出吸收过程的最小液气比(L/V)min，然后根据工程经验，确定适宜液气比。

吸收塔的最小液气比吸收塔第四十四页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算3.计算塔径注意点：①Vs以塔底气量为依据；②关键在于确定适宜的空塔气速u；③圆整塔径。第四十五页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算4.填料层高度Z微元填料层物料衡算①Z的基本计算式物料衡算、传质速率与相平衡

填料塔为连续接触式塔设备，随着吸收的进行，气、液两相组成沿填料层高度不断变化，塔内各截面上吸收速率并不相同，故取微元填料层进行物料衡算。第四十六页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算微元填料层物料衡算（a：有效比表面积；Ω：塔截面积）

体积吸收系数：在单位推动力下，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质量，kmol/(m3•s)。第四十七页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算②传质单元数与传质单元高度（HOG：气相总传质单元高度，NOG：气相总传质单元数）（HOL：液相总传质单元高度，NOL：液相总传质单元数）第四十八页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算HOG

反映吸收速率的大小，HOG

越大，吸收速率越小NOG

反映吸收分离的难易程度，NOG

越大，吸收分离难度越大第四十九页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算传质与传热中单元数与单元高度(长度)比较第五十页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算③求传质单元数1）平衡线为直线a.脱吸因数式（S：脱吸因数）第五十一页，共六十页，2022年，8月28日吸收计算

－吸收塔计算（A