化工原理（第五版）第五章吸收课件

15.1.1过程原理依据：气体混合物各组分在某液体中溶解度的不同。

溶质（A）惰性气体（B）溶剂或吸收剂（S）吸收液（A+S）尾气（B+少量A）第5章

吸收5.1概述2ABS吸收：气相——液相溶质解吸：液相——气相溶质NH4OHNH3,O2,N2H2O+O2,N2,微量NH3+逆过程5.1.2在工业中的用途（1）回收混合气中的有用物质（2）除去杂质以净化气体（3）制备某种气体的溶液（4）工业废气的治理35.1.3操作流程P173（1）吸收和解吸联合操作（2）气液流向-多逆流（3）吸收——低温高压；解吸——高温低压4（2）选择性高；（3）再生容易；（4）挥发性小；（6）化学稳定性高；（7）无毒、腐蚀性低、价廉等5.1.4吸收剂的选择原则（1）溶解度大；（5）粘度低；55.1.5传质设备65.1.6吸收分类（1）物理吸收和化学吸收（2）单组分吸收和多组分吸收（3）等温吸收和非等温吸收（4）高浓度吸收和低浓度吸收75.2.1气液相平衡关系

气液平衡状态

饱和浓度或溶解度

平衡分压一、相平衡关系——用pA或y表示——用cA或x表示

相律F＝C－＋2=3－2+2=3当T、p一定（p<5atm）时：pA*

=f1（x

）y*=f2（x

）pA*=f3（

cA）5.2气液相平衡关系及应用8二、溶解度曲线氨在水中的溶解度曲线SO2在水中的溶解度曲线20℃9几种气体在水中的溶解度曲线10讨论：（2）在同一溶剂中，T、y一定，p(pA)x（1）在同一溶剂中，pA(或p,y)一定，TxcO2

<cCO2

<cSO2

<cNH3

（3）相同pA(或p,y)低温高压利于吸收，高温低压利于解吸。O2、CO2等为难溶气体，NH3等为易溶气体11三．亨利定律E——亨利常数，单位同压强。平衡分压E的讨论：1）E=f（物系、T

）2）E小，溶解度大，易溶气体3）E的来源：实验测得；查手册物系一定，适用条件：一定T下、p<5atm，稀溶液。121）（2）亨利定律其它形式H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）H与E的关系：13H大，溶解度大，易溶气体2）

m——相平衡常数，无因次H=f（物系、T

）物系一定，H的讨论：m与E的关系：14m小，溶解度大，易溶气体m=f（物系、T、p

）m的讨论：3）用X,Y表示155.2.2相平衡关系在吸收过程中的应用一、判断过程进行的方向y

y*A由气液传质，吸收平衡状态A由液气传质，解吸吸收过程：x*>x或16y1*yx·Ax1y1x1*·By2x2x2*y2*A点：平衡线上方，吸收B点：平衡线下方，解吸17二、指明过程进行的极限——相平衡1）逆流，塔高无限G,y2G，y1L，x2L，x12）逆流，塔高无限18三、确定过程的推动力1)表达式

y=y-

y*x=x*-x气相：液相：

Y=Y

-Y*X=X*-X192）在x～y图·Ayy*xx*BC205.3.1单相传质吸收过程：单相内传质方式：分子扩散、湍（涡）流扩散（1）气相主体相界面（2）A在相界面上溶解气相内传质（3）相界面液相主体液相内传质5.3吸收过程的传质速率21一、分子扩散现象5.3.1.1分子扩散分子扩散：在静止或层流流体内部，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。扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量。J22JA——A扩散速率（扩散通量）——A在z上的浓度梯度

DAB——A在B中的扩散系数负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反；二、费克定律总T、p一定扩散沿着浓度降低的方向进行。23理想气体：245.3.1.2单相内一维稳定的分子扩散形式：等摩尔逆向扩散、单向扩散一、等摩尔逆向扩散JAJBTppA2pB2TppA1pB112A：12扩散B：21

扩散25等摩尔逆向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。总p一定

JA=－JB

DAB=DBA=D26传质速率定义：任一固定的空间上，单位时间内通过垂直于传质方向单位面积的物质量。气相：得Nkmol/(m2·s)27液相：讨论：28（2）pA~z呈直线关系ppB1pA1pA2pB2z0zp29（1）总体流动：因Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物从气主体向界面处的流动。（2）特点

因分子本身扩散引起的宏观流动。

A和B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分数。二、单方向扩散(一组分通过另一静止组分的扩散)界面气：A，B液：A+S30

单方向扩散包括分子扩散和总体流动总体流动有利于传质JAJBNANMpA/pNMpB/p总体流动NM12z31（3）传质速率方程3233—静止气膜两侧B的对数平均压力34液相：（4）讨论1）、——漂流因数，无因次35漂流因数意义：其大小反映了总体流动对NA的影响程度；其值为总体流动使NA比较单纯分子扩散增大的倍数。漂流因数的影响因素：

溶质浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大；低浓度时，漂流因数1，总体流动的影响小。362）pA~z呈指数关系ppB1pB2pA1pA2z37三、分子扩散系数D物理意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力。物性常数，m2/s影响因素：A、B、T、P、浓度来源：查手册；半经验公式；测定38（1）气相D的范围：10-5～10-4m2/s（2）液相D的范围：10-10～10-9m2/s395.3.1.3.单相对流传质一、涡流扩散涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在组分浓度梯度，依靠质点相

互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递。涡流扩散速率：涡流扩散系数40注意：De与D不同，不是物性常数；

De与物性、流体流动状态及所处的位置有关。总扩散速率：41TTWtWt热流体冷流体pApAicAicA气相液相TtGLE二、有效膜模型（1）单相内对流传质壁液液气气界面421）层流内层：分子扩散，A的浓度梯度较大2）湍流主体：主要是涡流扩散，A浓度均一化3）过渡区：分子扩散+涡流扩散（2）有效膜模型

单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。δGδL43（1）气相三、单相对流传质速率方程以气相分压差表示推动力的气相传质分系数44其他形式：相互关系：以气相摩尔分数差得以气相摩尔比差45其他形式：（2）液相以液相摩尔浓度差表示推动力的液相传质分系数以液相摩尔分数差46相互关系：注意：对流传质分系数=f(操作条件、流动状态、物性）以液相摩尔比差475.3.2.1两相对流传质模型三大模型：双膜模型

双膜模型pApAicAicA气相液相GLE溶质渗透模型表面更新模型5.3.2两相对流传质48双膜模型的基本论点（假设）（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，溶质A以

分子扩散方式通过气膜和液膜。（2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力.

（3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质浓度均一.

双膜模型也称为双膜阻力模型495.3.3.2总传质速率方程（1）用气相组成表示吸收推动力以气相分压差表示推动力的气相总传质系数以气相摩尔分数差50以气相摩尔比差（2）用液相组成表示吸收推动力以液相摩尔浓度差表示推动力的液相总传质系数51以液相摩尔分数差以液相摩尔比差52由双膜理论（3）K与k之间的关系体系服从亨利定律53同理：类似方法得：54定态吸收过程的传质速率方程式：气相液相两相间两相间总传质系数K——

总推动力（相际）——

总阻力膜或分传质系数k——膜内推动力（单相）——膜阻力55传质系数的关系低浓气体吸收时，X、Y关系同x、y565.3.3.3界面上的浓度定态传质一、平衡关系满足亨利定律57二、图解法界面浓度：

I（cAi,pAi

）液膜阻力气膜阻力操作点OI(界面)cA0585.3.3.4传质阻力与传质速率的控制一、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。59二、传质速率的控制步骤（1）气膜控制气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程为气相阻力控制。特点：pApAicAcAiH较大易溶气体

60提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。（2）液膜控制液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程为液相阻力控制。特点：H较小难溶气体

61提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。同理：气膜控制：液膜控制：m小易溶气体m大难溶气体625.4.1物料衡算与操作线方程

一、全塔物料衡算条件：定态逆流，假设S不挥发，B不溶解全塔范围内，对A作物料衡算：G,Y2G,Y1L,X2L,X1——A被吸收的百分率，称为回收率或吸收率5.4吸收塔的计算63二、操作线方程式及操作线（1）逆流吸收G,Y2G,Y1L,X2L,X1G,YL,XGY+LX2=GY2+LXY2=Y1（1－）——操作线方程式64同理：逆流吸收操作线具有如下特点：XY1Y2X1X2ABY653）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关；与系统的平衡关系、填料及操作条件无关。2）操作线通过：塔顶（稀端）A（X2，Y2）；塔底（浓端）B（X1，Y1）。1）定态，L、G、Y1、Y2、X2恒定；操作线在X～Y坐标上为一直线，斜率为L/G；

L/G为吸收操作的液气比。665）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吸收的推动力愈大4）吸收操作线在平衡线的上方解吸操作线在平衡线下方ABK.YXX*Y*水平线：X=X*-X垂直线：Y=Y-Y*675.4.2.吸收剂用量的确定在G,Y1,Y2,X2一定

LX1B2点Lmin,X1maxB1Y1Y2ABOEX2X1X1*B268一、最小液气比（1）平衡曲线一般情况（直线、凹线）

对一定的分离任务，操作条件和物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到指定分离程度所需塔高无穷大时的液气比。

计算

定义与Y1达平衡的液相组成69（2）平衡曲线为凸形曲线情况70二、操作液气比总费用最小715.4.3填料层高度的计算一、基本计算式气相传入液相的A=气相所失A=液相所得AZYY+dYXX+dXdZY2X2X1Y1从微元塔段dZ分析a：单位体积填料层所提供的有效传质面积，m2/m3

72以气相为例：73填料层高度气相总传质单元数（无因次）气相总传质单元高度，m74Z计算通式：Z=传质单元高度×传质单元数751）传质单元数定义气相总传质单元数（2）传质单元数与传质单元高度

以为例76NOG的大小反映了取得一定分离效果的难易程度。

气体流经一段填料，溶质组成变化等于该段填料平均传质推动力（Y－Y*）m

时，该段填料为一个传质单元。

高,

(Y1-Y2)NOG，吸收困难

一定,(Y-Y*)，推动力NOG，吸收困难772）传质单元高度

定义：气相总传质单元高度，m

意义：完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度；

影响因素：物性、操作条件、填料性能、流动状况HOG的大小反映了吸收设备效能的高低。78HOG变化范围：0.1～1.0m

体积总传质系数与传质单元高度的关系气膜控制79同理：比较上式：

各种传质单元高度之间的关系80（3）传质单元数的计算1）对数平均推动力法相平衡线为直线操作线为直线底：Y1=Y1-Y1*顶：Y2=Y2-Y2*中：Y=Y-Y*Y1Y2Y1Y2Y81Y~Y呈直线代入82同理：对数平均浓度差83

平衡线与操作线平行时注意：平衡线为直线，逆或并流皆可当、时842）吸收因数法平衡关系服从亨利定律

逆流为例：注意：L/G=m时，不能用此式；此时采用平均推动力法。85L/mG865.4.4吸收塔的操作计算

核算

Z一定时，操作条件与吸收效果间的分析和计算（１）定性分析步骤：

1）根据条件定HOG、mG/L2）用Z=HOGNOG

，确定NOG的变化

3）用吸收因数法确定Y2的变化

4）由全塔物料衡算分析X1变化

（2）定量计算87解吸过程：A从吸收液中分离出的操作目的：获得所需较纯的溶质5.4.5解吸塔的计算吸收的逆过程溶剂再生循环使用88（1）气提解吸：（2）减压解吸：（3）加热解吸：解吸方法：或解吸能耗大，整个吸收分离的能耗主要在解吸89物料衡算与操作线方程全塔：操作线：L—吸收剂流量，kmol/sG—载气流量，kmol/s

G(

Y1

－Y2)=L(

X1

－X2)G,Y1G,Y2L,X1L,X2YX90解吸操作线在相平衡线下方塔顶A—高浓，塔底B—低浓入塔X1、Y2、L一定，由工艺定X2Y*=f(X)B（底）A（顶）Y2*X2Y1*X1Y1X1*BA1221Y2X2*91最小气液比操作线与平衡线最早的交点实际气液比：92解吸塔Z的计算：（1）对数平均推动力法93（2）解吸因数法945.5.1填料塔的结构及填料特性一、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，以避免发生沟流现象5.5填料塔953、液体再分布器

——避免壁流现象发生4、支撑板

——支撑填料层和持液量，使流体均匀分布5、除沫器

——防止塔顶气体出口处夹带液体96二、填料作用及特性1、填料作用（1）提供气液接触面；（2）强化气体湍动，降低气相传质阻力；（3）更新液膜表面，降低液相传质阻力。2、填料特性（1）比表面积at

定义：单位堆积体积所具有的表面积

[m2/m3]、[1/m]97（2）空隙率ε

定义：单位体积