化工单元操作气体吸收

化工单元操作气体吸收第一页，共一百三十二页，2022年，8月28日学习指导1.学习目的了解传质机理，掌握吸收速率方程以及低浓度气体吸收过程及计算；了解高含量气体吸收及化学吸收的特点及计算，掌握吸收塔的过程及计算。2.学习内容气液相平衡、传质机理与吸收速率、吸收塔的计算、吸收系数。第二页，共一百三十二页，2022年，8月28日项目一.概述项目二.气液相平衡项目三.吸收过程的计算项目四.填料塔项目五.解吸第三页，共一百三十二页，2022年，8月28日

项目一概述一.吸收的基本定义二.吸收操作的用途三.吸收操作的分类四.气液两相的接触方式五.吸收剂的选择第四页，共一百三十二页，2022年，8月28日吸收：利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差异而分离气体混合物的单元操作。气体吸收：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。气相主体液相主体相界面气相扩散液相扩散yixi一、基本定义分离的依据：混合气中各组分在液体溶剂中溶解度的不同。分离的对象：气体混合物。操作性质：气-液相间的传质过程。（单向）第五页，共一百三十二页，2022年，8月28日吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分（A）惰性气体或载体：不溶或难溶组分（B)吸收剂：吸收操作中所用的溶剂(S)吸收液：吸收操作后得到的溶液(A+S)吸收尾气：吸收操作中所排出的气体（B+S）吸收塔混合尾气(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)逆流操作吸收塔示意图第六页，共一百三十二页，2022年，8月28日(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，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。二、吸收操作的用途：第七页，共一百三十二页，2022年，8月28日三、吸收操作的分类物理吸收：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程。如油吸收苯，水吸收CO2、SO2等。化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。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。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。第八页，共一百三十二页，2022年，8月28日四、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。填料塔板式塔第九页，共一百三十二页，2022年，8月28日五、溶剂的选择吸收操作的成功与否在很大程度上决定于溶剂的性质，选择吸收剂时一般应考虑以下几点：①溶剂应对被分离组分（溶质）有较大的溶解度。处理一定量混合气体所需溶剂量减少，气体中溶质的极限残余浓度亦可降低。②溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即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。第十页，共一百三十二页，2022年，8月28日

③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。

④溶剂的蒸汽压要低，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。⑤溶剂应有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质。⑥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。⑦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，应对可供选择的溶剂做全面评价，以便作出经济合理的选择。第十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日项目二气液相平衡相组成表示方法气体在液体中的溶解度气液相平衡关系—亨利定律吸收机理与吸收速率第十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日1.质量分数与摩尔分数质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的比值。摩尔分数：混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的比值。一.相组成表示方法气相：液相：第十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日质量分数与摩尔分数的关系：第十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日2．比质量分数与比摩尔分数比质量分数：混合物中某两个组分的质量之比。比摩尔分数：混合物中某两个组分的摩尔数之比。气相：液相：第十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日比质量分数与质量分数的关系（双组分混合物）：比摩尔分数与摩尔分数的关系（双组分混合物）：第十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日3.质量浓度与摩尔浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。

摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。4.气体混合物的组成摩尔分数=压力分数=体积分数第十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日例：某吸收塔处理焦炉气量为1200m3/h，焦炉气中含苯117kg，塔内操作压力为108kPa，操作温度为25℃。试求焦炉气中苯的摩尔分数和摩尔比。M苯=78解：第十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日二.气体在液体中的溶解度1.气-液相平衡关系吸收的相平衡关系：气液两相达到平衡后，被吸收组分（吸收质）在两相中的组成关系。平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时气液两相达到平衡。第十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日内涵：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停止了。平衡状态下，溶液上方气相中溶质的分压称为当时条件下的平衡分压；而液相中所含溶质的组成，称为当时条件下气体在液体中的平衡溶解度(溶解度)。第二十页，共一百三十二页，2022年，8月28日2.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。温度、压强一定，在同一溶剂中，不同气体的溶解度不同；溶质、温度一定，溶质气体分压提高，溶解度加大；溶质、分压一定，温度升高，溶解度降低。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]第二十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日三、气液相平衡关系—亨利定律吸收操作最常用于分离低浓度的气体混合物，此时液相的浓度通常比较低（在稀溶液范围内）。稀溶液的溶解度曲线通常近似地为一过原点的直线，即气液两相的浓度成正比，这一关系称为亨利定律。气液组成用不同的单位表示时，亨利定律形式不同：1.亨利定律（p-x）溶质在液相中的摩尔分数溶质在气相中的平衡分压，kPa

亨利系数，kPa第二十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、T物系一定，2）E大的，溶解度小，难溶气体E小的，溶解度大，易溶气体3）E的来源：实验测得；查手册第二十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日2.亨利定律其它形式（1）当液相组成以摩尔浓度表示，气相以分压表示（p-c）讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体2）P对H影响小溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3溶解度系数，kmol/（m3·kPa）第二十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日(2)当溶质在气相和液相中的组成分别用摩尔分数表示（y-x）溶质在气相中的摩尔分数相平衡常数，无因次(3)当溶质在两相中的组成分别用比摩尔分数表示（Y-X）Y*=mXm值的大小同样可以用来判断气体组分溶解度的大小1）m大，溶解度小，难溶气体讨论：2）第二十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日E与H的关系：

0—溶剂的密度，kg/m3M0—溶剂的摩尔质量，kg/kmolE与m的关系：第二十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日[例]某系统温度为10℃，总压101.3kPa，试求此条件下在与空气充分接触后的水中，每立方米水溶解了多少克氧气（氧气在空气中的体积分数为21%）？解：查得10℃时，氧气在水中的亨利系数E为3.31×106kPa=101.3×0.21=21.27kPa

=3.57×10-4kmol/m3

m=3.57×10-4×32×1000=11.42g第二十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日y

y*或x*

>x或

A由气相向液相传质，吸收过程平衡状态A由液相向气相传质，解吸过程吸收过程：3.相平衡关系在吸收过程中的应用由于气液相平衡是吸收进行的极限，因此，在一定条件下，吸收若能进行，溶质在气相中的分压必须大于与液相平衡时的平衡分压。第二十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日1.传质基本方式2.吸收机理—双膜理论3.吸收速率方程4.吸收总系数四、吸收机理与吸收速率第二十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日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)。

因此，在讨论吸收机理之前，首先要说明物质在单相（气相或液相）中的传递规律。第三十页，共一百三十二页，2022年，8月28日吸收是溶质从气相向液相转移的传质过程，通过扩散实现，因此传质过程又称扩散过程。1.传质基本方式发生在流体中的扩散有两种：a.分子扩散（依靠分子热运动进行物质传递）b.涡流扩散（依靠分流体质点的湍动和漩涡进行物质传递）第三十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日分子扩散现象：a.分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。推动力：浓度差影响因素：温度、流体的物理性质第三十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日c.对流扩散与传热中的对流传热类似，对流扩散就是湍流主体与相界面之间的涡流扩散和分子扩散两种传质作用过程。对流扩散速率比分子扩散速率大得多，对流扩散主要取决于流体的湍流程度。

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，那便是对流传质的结果。b.涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种借助质点的湍动和漩涡来传递物质的现象称为涡流扩散。第三十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日2.吸收机理—双膜理论双膜模型（双膜阻力模型）的基本论点（假设）气液两相间有一稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜层，溶质以分子扩散方式通过二膜层。相界面上的气、液两相互成平衡，即pi=f(ci)。

气、液两相主体中，流体充分湍动，溶质主要以涡流扩散的形式传质，没有任何形式的扩散阻力，即认为两相主体中浓度梯度为零，扩散阻力全部集中在两个膜层内。第三十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日根据双膜理论，吸收质从气相主体中以对流扩散的方式到达气膜边界，又以分子扩散的方式通过气膜到达气液界面，在界面上吸收质不受任何阻力从气相进入液相，然后以分子扩散的方式穿过液膜到达液膜边界，最后以对流扩散的方式转移到液相主体。双膜模型对流扩散对流扩散分子扩散分子扩散第三十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。第三十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日3.吸收速率方程式吸收设备中进行的传质过程为吸收过程，其传质速率即为吸收速率，所对应的传质速率方程即为吸收速率方程。吸收速率：单位时间内单位相传质面积上吸收的溶质量，称为A组分的传递速率，以NA表示，单位为kmol/(m2·s)。吸收速率方程：表示吸收速率与吸收推动力之间的关系式。吸收速率方程的应用：确定相际传质面积，从而确定吸收设备尺寸或核算混合气体通过特定设备能达到的气体吸收程度。第三十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日a.气膜吸收速率方程式吸收质以分子扩散方式通过气膜的吸收速率方程式，可表示为：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。1.以膜系数表示的吸收速率方程式第三十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日当气相中溶质的含量很少时：例：当气相总压不很高时，根据道尔顿分压定律p=Py，有第三十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日b.液膜吸收速率方程式吸收质以分子扩散方式通过液膜的吸收速率方程式，可表示为：kc—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、摩尔分率和比摩尔浓度；ci、xi、Xi—溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和比摩尔浓度。第四十页，共一百三十二页，2022年，8月28日三个液相传质系数的倒数也分别为传质推动力以不同组成表示法表达时的液相传质阻力。式中

cm为液相的总摩尔浓度。液相浓度很低时：同样，根据各种表示法的相互关系可推得:第四十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日c.相界面的浓度

在气、液两相内传质速率的计算中，推动力项中需要相界面处的平衡组成pi和ci，可用计算方法或作图法得出。对稳定的吸收过程，气、液两相内传质速率应相等。若两相浓度均以摩尔分数表示，有:第四十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日已知kG、kL值时，过状态点（p,c）作一斜率为=-kL/kG的直线，pi、ci为直线与平衡线的交点坐标。yxoy*=f(x)斜率=-kL/kGyxy*x*xiyiA气相液相相界面yixiyi=fe(xi)yx作图法：第四十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日传递过程的阻力具有加和性。若以双膜理论为依据，则吸收过程的传质总阻力是气相传质阻力与液相传质阻力之和(相界面无阻力)。2.以总系数表示的吸收速率方程式第四十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日a.用气相吸收总系数表示吸收速率方程式:

—以气相分压差表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2·s·kPa)；—以气相摩尔分率差表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2·s)；—以气相摩尔比差表示推动力的气相总传质系数，kmol/(m2·s)；第四十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日b.用液相吸收总系数表示吸收速率方程式:

—以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数，kmol/(m2·s·kPa)；—以液相摩尔分率差表示推动力的液相总传质系数，kmol/(m2·s)；—以液相摩尔比差表示推动力的液相总传质系数，kmol/(m2·s)；第四十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日根据双膜理论c.总传质系数与单相传质分系数之间的关系:系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线（1）KG、KL与kG、kL+第四十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日同理：第四十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日（2）KY、KX与kY、kX+第四十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日同理：第五十页，共一百三十二页，2022年，8月28日d.总传质系数之间的关系

第五十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日（1）传质阻力相间传质总阻力=液相(膜)阻力+气相(膜)阻力注意:传质系数、传质阻力与推动力一一对应。e.传质阻力与传质速率的控制第五十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日（2）传质速率的控制步骤气膜控制传质阻力主要集中在气相，此吸收过程为气相阻力控制（气膜控制）。H较大易溶气体气膜控制的特点：.pIpicci提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。第五十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日液膜控制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）液膜控制的特点：H较小难溶气体.提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。

第五十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日同理：气膜控制：液膜控制：m小易溶气体m大难溶气体第五十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日对于稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程(总传质速率方程)。类似于间壁式对流传热速率方程。由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。不同形式的传质速率方程物理意义一样，都代表单位时间内通过单位界面面积传递的溶质A的量；传质系数与传质推动力的表达方式有关，其倒数表达的是气相传质阻力；注意：不同单位的传质系数数值不同，但可根据组成表示法的相互关系进行换算。第五十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日[例2]含氨极少的空气于101.33

kPa，20℃被水吸收。已知气膜传质系数kG=3.15×10-6

kmol/(m2·s·kPa)，液膜传质系数kL=1.81×10-4

kmol/(m2·s·kmol/m3)，溶解度系数H=1.5

kmol/（m3·kPa）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气相总传质系数KG、KY；液相总传质系数KL、KX。解：物系的气液平衡关系服从亨利定律此物系中氨极易溶于水，溶解度甚大，属“气膜控制”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。第五十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日依题意此系统为低浓度气体的吸收：第五十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日同理，对于低浓度气体的吸收：第五十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日

项目三吸收过程的计算全塔物料衡算——操作线方程吸收剂用量的决定第六十页，共一百三十二页，2022年，8月28日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。A：设计型计算：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。B: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。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。第六十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日设计计算的主要内容与步骤:(1)吸收剂的选择及用量的计算；(2)设备类型的选择；(3)塔径计算；(4)填料层高度或塔板数的计算；(5)确定塔的高度；(6)塔的流体力学计算及校核；(7)塔的附件设计。计算依据：物料衡算相平衡吸收速率方程吸收塔的计算，主要是根据给定的吸收任务，选用合适的填料，确定适宜的吸收剂用量，计算填料塔的填料层高度以及塔径。第六十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日1.物料衡算组分分析：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。一、全塔物料衡算——操作线方程定态，假设溶剂（S）不挥发，惰性气体（B）不溶于溶剂（S）。第六十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日根据质量守恒原则：入方物料=出方物料V—单位时间通过塔的惰性气体量；kmol(B)/s

；L—单位时间通过吸收塔的溶剂量；kmol(S)/s

；Y1、Y2、X1、X2—分别表示进塔、出塔气相中和出塔、进塔液相中吸收质的比摩尔分率下标“1”代表塔内填料层下底截面，下标“2”代表填料层上顶截面。V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X以稳定操作状态下的气液两相逆流接触的填料吸收为例：做全塔的物料衡算第六十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日2.操作线方程式将上式整理可得：=定义——溶质（A）被吸收的百分率，称为回收率或吸收率。一般情况下，进塔混合气体的量、组成及出塔混合气体的组成或溶质的吸收率均由工艺条件所规定，若选定吸收剂的用量及其进塔组成，则通过全塔操作线方程计算出塔液体的组成（或规定出塔液体的组成，计算吸收剂用量）。（1）逆流第六十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日填料塔内气液两相逆流流动时，作塔内任一截面m—n至塔顶的物料衡算为：——逆流吸收塔的操作线方程式L/V—塔内液气比，反映单位气体处理量的吸收剂用量吸收过程中，纯吸收剂量L和惰性组分量V不变，所以吸收塔的操作线方程式是一直线方程式，该直线通过定点（X2,Y2）(或X1,Y1)作图：第六十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X说明：（1）端点A：塔顶的液相和气相浓度（稀端）端点B：塔底的液相和气相浓度（浓端）PM：液相推动力（X-X*）PN：气相推动力（Y-Y*）（X、Y）：塔中任一截面液相和气相浓度AP线为任一塔截面的操作线AB线为全塔操作线（2）操作线方程是根据物料衡算得出，故仅与气液两相的流量L、V及组成Y1、Y2、X1、X2有关，与系统的平衡关系、操作温度、压力及填料塔的结构等因素无关。L/VMN第六十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日注意：并流操作吸收塔，“1”表示塔顶截面，“2”表示塔底截面。斜率为（-L/V）。(2)并流：填料塔内气液两相并流流动时，作塔内任一截面m—n至塔顶的物料衡算：V，Y1V，Y2L，X1L，X2Y,X——并流吸收塔的操作线方程式第六十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日XoY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-XA说明：（1）端点A：塔顶的液相和气相浓度（稀端）端点B：塔底的液相和气相浓度（浓端）PM：液相推动力（X-X*）PN：气相推动力（Y-Y*）（X、Y）：塔中任一截面液相和气相浓度AP线为任一塔截面的操作线AB线为全塔操作线（2）并流操作流体处理量大于逆流，但逆流操作推动力大于并流；逆流操作对气相中的溶质吸收更完全；MN-L/V第六十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日例：在一填料塔内，用洗油来吸收焦炉气中的苯。已知混合气体处理量为1500m3/h，进塔气体中苯的体积分率为5%，吸收率为80%。洗油用量为120kmol/h。塔的操作压力为101.33kPa，操作温度为25℃，气液两相逆流流动，试求塔底洗油出口组成（进塔洗油中不含苯）。气体进塔组成y1=0.05kmol/h气体出塔组成洗油进塔组成X2=0混合气体中惰性气体的摩尔流量洗油出塔组成解：第七十页，共一百三十二页，2022年，8月28日二、吸收剂用量的确定1.液气比由全塔操作线方程改写，得：L/V称为吸收剂单位耗用量或液气比，即处理单位惰性气体所需要的吸收剂量，也就是操作线的斜率。一般情况下，V、Y1、Y2、X2均为已知量第七十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日（1）平衡曲线一般情况2.最小液气比YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VY-Y*A’X1’(L/V)’X1,max(L/V)minC由于Y2、X2已定，塔顶状态B一定，塔底状态A因吸收剂量L不同在Y=Y1水平线上移动；L增大，A向左移动，推动力增大，有利传质过程，但X1降低，吸收剂循环利用费用增大；L减小，A向右移动，推动力变小，所需的相际接触面积增大；第七十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日（2）平衡曲线为凸形曲线情况操作线与平衡曲线相切点第七十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日吸收操作时选用的液气比必须较上述的理论最小值大。但是如果L/V过大，则吸收剂单位耗费量太大，操作费用增加；而若L/V过小，则为达一定的吸收效果，吸收塔必须增高，设备费用就增大。根据生产实践经验，一般选择实际液气比为最小液气比的1.2～2倍。3.操作液气比第七十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日例：用20℃的清水逆流吸收氨－空气混合气中的氨，已知混合气体温度为20℃，总压为101.3kPa，其中氨的分压为1.0133kPa，要求混合气体处理量为773m3/h，水吸收混合气中氨的吸收率为99％。在操作条件下物系的平衡关系为，若吸收剂用量为最小用量的2倍，试求（1）塔内每小时所需清水的量为多少kg；（2）塔底液相浓度（用摩尔分数表示）？解：（1）X2=0第七十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日（2）X1=X2+

（Y1-Y2）=0+实际吸收剂用量L=2Lmin=2×23.8=47.6kmol/h＝856.8kg/h第七十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日项目四填料塔填料塔的构造填料塔的流体力学特性填料塔的工艺设计第七十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日概述（Introduction）

气液传质设备的基本功能：形成气液两相充分接触的相界面，使质、热的传递快速有效地进行，接触混合与传质后的气、液两相能及时分开，互不夹带等。气液传质设备的分类：气液传质设备的种类很多，按接触方式可分为连续（微分）接触式（填料塔）和逐级接触式（板式塔）两大类，在吸收和蒸馏操作中应用极广。第七十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日操作原理：在圆柱形壳体内装填一定高度的填料，液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料层顶部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流经填料层后自塔底排出；气体则在压强差推动下穿过填料层的空隙，由塔的一端流向另一端。气液在填料表面接触进行质、热交换，两相的组成沿塔高连续变化。填料塔（PackedTower）

溶剂填料塔气体第七十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日第八十页，共一百三十二页，2022年，8月28日一、填料塔的构造塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。第八十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日1.填料（Towerpacking）填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。填料的流体力学和传质性能与填料的材质、大小和几何形状紧密相关，材质一定时，表征填料特性的数据主要有：=

0.45~0.95=

0.45~0.95=

0.45~0.95=

0.45~0.95第八十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日值越小，流动阻力越小。第八十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日机械强度大，化学稳定性好以及价格低廉等也是优良填料应尽量兼有的性质。注意：一些难以定量表达的因素(几何形状)对填料的流体力学和传质性能也有重要的影响。新型填料的开发一般是改进填料几何形状使之更为合理，从而获得高的填料效率。

4）堆积密度p

：单位体积填料的质量(kg/m3)。在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。第八十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日第八十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日第八十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日第八十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日第八十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日第八十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日第九十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日4.填料塔的附属结构（1）填料支承板（Packingsupportplate）用以支承填料的部件。它应具有：(1)足够的机械强度以承受设计载荷量，支承板的设计载荷主要包括填料的重量和液泛状态下持液的重量。(2)足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。开孔率过小可导致液泛提前发生。一般开孔率在70%以上。常用的支承板有栅板、升气管式和气体喷射式等类型。第九十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日填料支承板（Packingsupportplate）栅板(supportgrid)：优点是结构简单，造价低；缺点是栅板间的开孔容易被散装填料挡住，使有效开孔面积减小。第一百页，共一百三十二页，2022年，8月28日填料支承板（Packingsupportplate）升气管式：具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点。气体由升气管侧面的狭缝进入填料层。第一百零一页，共一百三十二页，2022年，8月28日填料支承板（Packingsupportplate）气体喷射式(multibeampackingsupportplate)：具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点。气体由波形的侧面开孔射入填料层。第一百零二页，共一百三十二页，2022年，8月28日（2）液体分布器（Liquiddistributor）

作用：将液体均匀分布于填料层顶部。液体初始分布质量将直接影响到液体在整个填料层的分布，从而影响填料塔的分离效率和操作弹性，因此液体分布器是填料塔的一个极为重要的内部构件。莲蓬头分布器：喷头的下部为半球形多孔板，喷头直径为塔径的1/3~1/5，一般用于直径在0.6m以下的塔中。它的主要缺点是喷洒孔易堵塞，且气量较大时液沫夹带量大。第一百零三页，共一百三十二页，2022年，8月28日液体分布器（Liquiddistributor）

压力型多孔管式分布器：有环形和梯形两种。优点：结构简单、造价低、易于支承。自由面积较大(一般在70%以上)，气体阻力小，适用于气体流量很大的场合。其操作弹性在2:1~2.5:1之间。缺点：也存在小孔易堵塞的问题，故被喷淋的液体不能有固体颗粒或悬浮物。第一百零四页，共一百三十二页，2022年，8月28日液体分布器（Liquiddistributor）

梯形二级槽式液体分布器第一百零五页，共一百三十二页，2022年，8月28日液体分布器（Liquiddistributor）

优点：具有较多的喷淋点数，分布质量比较高，且操作弹性可高达4:1。缺点：结构较复杂，造价较高，对安装水平度要求高。气体通过阻力较大，一般适用于气体负荷不太大的场合。孔流分布器：有盘式和槽式两种。盘式孔流分布器：气、液流道分离，液体自盘底的喷淋孔流下，盘中维持有一定高度的液位，气体则从盘中设置的圆管中上升。第一百零六页，共一百三十二页，2022年，8月28日液体分布器（Liquiddistributor）

优点：抗堵、抗腐蚀能力强，操作可靠，可处理含固体的物料，操作弹性和处理量较大，操作弹性可达到4:1。缺点：分布质量极易受液面的波动和分布器水平度的影响，故通常必须装有水平调节装置。槽式溢流分布器：液体从通常为V字形的溢流口中溢出。一般适用于直径大于1.0m的填料塔中。第一百零七页，共一百三十二页，2022年，8月28日（3）液体再分布器（Liquidredistributor）

随液体流经的填料层厚度的增加，偏流程度增加，液体的大尺度不良分布就越严重。解决方法：每隔一定高度设置一液体再分布器。偏流效应越严重，设置液体再分布器的填料间隔应越小，如拉西环每段填料高度一般约为塔径的3倍，而鲍尔环和鞍形填料可分为塔径的5~10倍。再分布器的形式：有盘式、槽式及截锥式等。盘式液体再分布器截锥式再分布器第一百零八页，共一百三十二页，2022年，8月28日（4）气体分布器（Gasdistributor）对于直径小于3000塔，可采用单管底部双排孔分布器。不仅气体分布均匀、阻力小，而且结构简单、造价低。超过3000塔可采用多排管式或升气管式气体分布器。还可以采用双效气体分布器，既提供良好的气体分布，又具有较高的传质效率。第一百零九页，共一百三十二页，2022年，8月28日（5）液体收集器（Liquidcollector）气液流率的偏差会造成局部气液比不同，使塔截面出现径向浓度差，如不及时重新混合，就会越来越坏。一般15～20个理论级需进行一次气液再分布。在各床层间用液体收集器将流下的液体完全收集并混合，再进入液体分布器，以消除塔径向质与量的偏差。斜板式液体收集器盘式液体收集器第一百一十页，共一百三十二页，2022年，8月28日（6）除沫器（Demister）

当塔内气速较高，液沫夹带较严重时，在塔顶气体出口处需设置除沫装置。折板除沫器(AngleVane-typeDemisters)：阻力较小(50~100Pa)，但只能除去50m以上的液滴。HorizontalflowVerticalflow第一百一十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日除沫器（Demister）

丝网除沫器(Wiregauzedemister)：造价较高，可除去5m的液滴，但压降较大(约250Pa)。第一百一十二页，共一百三十二页，2022年，8月28日除沫器（Demister）

TJCW型除雾器（TJCWDemister）：结构简单、造价低、易安装、除雾效率高、操作弹性大。对于>5m的液滴除雾率达到99.8%以上，对>8~40m的液滴，除雾效率可达100%。TJCW型除雾器除雾机理各种形式TJCW型除雾器5400TJCW型除雾器第一百一十三页，共一百三十二页，2022年，8月28日（7）防壁流圈在填料安装过程中，填料与塔壁之间存在一定的缝隙，为防止产生气液因壁流而短路，需在此间隙加防壁流圈。防壁流圈可与填料做成一体，也可分开到塔内组装。小直径整圆盘填料的防壁流圈常与填料做成一体，有时身兼两职，既做防壁流圈，又起捆绑填料的作用；Ø300板波纹填料防壁流圈分块式防壁流圈对于大直径的塔，可采用分块的防壁流圈。第一百一十四页，共一百三十二页，2022年，8月28日二、填料塔的流体力学性能填料塔效率主要取决于填充填料流体力学性能和传质性能。持液量、压降、液泛气速及气液分布对填料塔的设计和操作参数的确定至关重要。第一百一十五页，共一百三十二页，2022年，8月28日2.气体通过填料层的压力降当液体自塔顶向下借重力在填料表面作膜状流动时，膜内平均流速决定于流动的阻力，而此阻力来自于液膜与填料表面，液膜与上升气流之间的摩擦，称为压强降。液膜厚度不仅取决于液体流量，而且与气体流量有关。气量液膜厚填料内的持液量气体流速一般以空塔气速来表示，即全塔截面计算的气体流速。第一百一十六页，共一百三十二页，2022年，8月28日有一定持液量时，p~u将不再为简单的直线关系(喷淋密度为L1、L2曲线)，且存在两个较明显的转折点。压降气体通过干填料层的压降p与空塔气速u的关系在双对数坐标上为直线，斜率1.8~2.0。原因：喷淋液体在填料上形成液膜，占据部分空隙，减小了气体的流通截面，对相同空塔气速压降升高。载液区高液量低液量CC’BB’AA’L=0L1L2lgulgp载点气速液泛气速第一百一十七页，共一百三十二页，2022年，8月28日载点：空塔气速增大以后，气速以使上升气流与下降液体间摩擦力开始阻碍液体顺利下流，使填料表面持液量增多，占去更多空隙，气体实际速度与空塔气速的比值显著提高，故压力降比以前增加的快，这种现象称载液,B点称载点。泛点：空塔气速增大到到P与u成垂直关系，表明上升气体足以阻止液体下流，于是液体填料层充满填料层空隙，气体只能鼓泡上升，随之液体被气流带出塔顶，塔的操作极不稳定，甚至被完全破坏，这种现象称液泛，C点称为泛点。第一百一十八页，共一百三十二页，2022年，8月28日埃克特(Eckert)压降通用关联图第一百一十九页，共一百三十二页，2022年，8月28日埃克特(Eckert)压降通用关联图横坐标：GG,GL——气体和液体的质量流速，kg/(m2.s)；u——空塔气速，m/s；V,L——气体和液体的密度，kg/m3；L——液体的粘度，mPa.s；WG,WL——气体和液体的质量流量，kg/s；——湿填料因子(泛点填料因子)，1/m；Vs,Ls——气体和液体的体积流量，m3/s；g——重力加速度9.81m/s2；——液体密度校正系数(水与液相密度之比=/L)。纵坐标：第一百二十页，共一百三十二页，2022年，8月28日埃克特(Eckert)压降通用关联图适用范围：乱堆填料(Randompackings)，如拉西环、鲍尔环、矩鞍环等。与泛点线相对应的空塔气速为空塔液泛气速。利用此图可根据选定的空塔气速求压降，或根据规定的压降求算相应的空塔气速。最上方的三条线分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线。其余为乱堆填料的等压降线。第一百二十一页，共一百三十二页，2022年，8月28日三、填料塔的工艺设计1.塔径填料塔的直径可根据圆形管道内的流量公式计算式中：D—塔径，m；