吸收操作技術(shù)知識(shí)目標(biāo)了解吸收裝置的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)理解

1、第四章吸收操作技術(shù)知識(shí)目標(biāo)：了解吸收裝置的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)；理解吸收單元操作基本概念、吸收傳質(zhì)機(jī)理、相平衡與吸收的關(guān)系；掌握吸收操作計(jì)算；能力目標(biāo)：能正確選擇吸收操作的條件，對吸收過程進(jìn)行正確的調(diào)節(jié)控制;能進(jìn)行吸收裝置的正常開停車操作和事故處理。工業(yè)生產(chǎn)中常常會(huì)遇到均相氣體混合物的分離問題。為了分離混合氣體中的各組分，通常將混合氣體與選擇的某種液體相接觸，氣體中的一種或幾種組分便溶解于液體內(nèi)而形成溶液，不能溶解的組分則保留在氣相中，從而實(shí)現(xiàn)了氣體混合物分離的目的。這種利用各組分溶解度不同而分離氣體混合的操作稱為吸收。吸收過程是溶質(zhì)由氣相轉(zhuǎn)移到液相的相際傳質(zhì)過程，那么，溶質(zhì)是如何在相際間轉(zhuǎn)移的，轉(zhuǎn)移的

2、方向、速率如何；用什么設(shè)備實(shí)現(xiàn)吸收操作；影響吸收過程的因素有哪些；怎樣對吸收設(shè)備進(jìn)行正確的操作調(diào)節(jié)等等，這些問題將在這一章分別進(jìn)行討論。第一節(jié)吸收塔的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用吸收過程通常在吸收塔中進(jìn)行。為了使氣液兩相充分接觸，可以采用板式塔和填料塔。一個(gè)工業(yè)吸收過程一般包括吸收和解吸兩個(gè)部分。解吸是吸收的逆過程，就是將溶質(zhì)從吸收后的溶液中分離出來。通過解吸可以回收氣體溶質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)吸收劑的再生循環(huán)使用。一、工業(yè)吸收過程圖 4-1 以合成氨生產(chǎn)中 CO2 氣體的凈化為例，說明吸收與解吸聯(lián)合操作的流程。合成氨原料氣（含 CO230左右）從底部進(jìn)入吸收塔，塔頂噴入乙醇胺溶液。氣、液逆流接觸傳質(zhì)，乙醇胺吸收了CO2

3、后從塔底排出， 從塔頂排出的氣體中CO2 含量可降至0.5以下。將吸收塔底排出的含CO2 的乙醇胺溶液用泵送至加熱器，加熱到 130左右后從解吸塔頂噴淋下來，與塔底送入的水蒸汽逆流接觸，CO2 在高溫、低壓下自溶液中解吸出來。從解吸塔頂排出的氣體經(jīng)冷卻、冷凝后得到可用的CO2。解吸塔底排出的含少量CO2 的乙醇胺溶液經(jīng)冷卻降溫至 50左右，經(jīng)加壓仍可作為吸收劑送入吸收塔循環(huán)使用。圖 4-1 吸收與解吸流程由此可見，采用吸收操作實(shí)現(xiàn)氣體混合物的分離必須解決以下問題：（ 1）選擇合適的吸收劑，選擇性的溶解某個(gè)（或某些）被分離組分；（ 2）選擇適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)設(shè)備以實(shí)現(xiàn)氣液兩相接觸，使溶質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移至液相

4、；（ 3）吸收劑的再生和循環(huán)使用。吸收操作中，能夠溶解的組分稱為吸收質(zhì)或溶質(zhì)，以A 表示；不被吸收的組分稱為惰性組分或載體，以B 表示；吸收操作所用的溶劑稱為吸收劑，以S 表示；吸收所得到的溶液稱為吸收液，其主要成分為溶劑S 和溶質(zhì)A ；吸收排出的氣體稱為吸收尾氣，其主要成分是惰性氣體B 和殘余的少量溶質(zhì)A 。二、吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用吸收操作在化工生產(chǎn)中的主要用途為：（ 1）凈化或精制氣體 例如用水或堿液脫出合成氨原料氣中的二氧化碳，用丙酮脫出石油裂解氣中的乙炔等。（ 2）制備某種氣體的溶液 例如用水吸收二氧化氮制造硝酸， 用水吸收氯化氫制取鹽酸，用水吸收甲醛制備福爾馬林溶液等。（ 3）回收

5、混合氣體中的有用組分 例如用硫酸處理焦?fàn)t氣以回收其中的氨，用洗油處理焦?fàn)t氣以回收其中的苯、二甲苯等，用液態(tài)烴處理石油裂解氣以回收其中的乙烯、丙稀等，（4）廢氣治理，保護(hù)環(huán)境工業(yè)廢氣中含有SO2 、NO、 NO2、 H2S 等有害氣體，直接排入大氣，對環(huán)境危害很大。可通過吸收操作使之凈化，變廢為寶，綜合利用。三、填料塔的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)（一）填料塔的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)1、填料塔的結(jié)構(gòu)填料塔由塔體、填料、液體分布裝置、 填料壓緊裝置、 填料支承裝置、液體再分布裝置等構(gòu)成。如圖4-2 所示。填料塔操作時(shí)， 液體自塔上部進(jìn)入，通過液體分布器均勻噴灑在塔截面上并沿填料表面呈膜狀下流。 當(dāng)塔較高時(shí)， 由于液體有向塔壁面

6、偏流的傾向， 使液體分布逐漸變得不均勻， 因此經(jīng)過一定高度的填料層以后， 需要液體再分布裝置， 將液體重新均勻分布到下段填料層的截面上，最后從塔底排出。氣體自塔下部經(jīng)氣體分布裝置送入，通過填料支承裝置在填料縫隙中的自由空間上升并與下降的液體接觸，最后從塔頂排出。為了除去排出氣體中夾帶的少量霧狀液滴，在氣體出口4-2 填料塔結(jié)構(gòu)示意圖1- 塔體； 2- 液體分布器；3-填料壓緊裝置；4-填料層；5-液體再分布器； 6-支承裝置圖處常裝有除沫器。填料層內(nèi)氣液兩相呈逆流接觸，填料的潤濕表面即為氣液兩相的主要傳質(zhì)表面，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。2、填料塔的特點(diǎn)與板式塔相比，填料塔具有以下特點(diǎn)：（ 1）

7、結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝，小直徑的填料塔造價(jià)低。（ 2）壓力降較小，適合減壓操作，且能耗低。（ 3）分離效率高，用于難分離的混合物，塔高較低。（ 4）適于易起泡物系的分離，因?yàn)樘盍蠈ε菽邢拗坪推扑樽饔?。?5）適用于腐蝕性介質(zhì)，因?yàn)榭刹捎貌煌馁|(zhì)的耐腐蝕填料。（ 6）適用于熱敏性物料，因?yàn)樘盍纤忠毫康?，物料在塔?nèi)停留時(shí)間短。（ 7）操作彈性較小，對液體負(fù)荷的變化特別敏感。當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)，填料表面不能和好地潤濕，傳質(zhì)效果急劇下降；當(dāng)液體負(fù)荷過大時(shí)，則易產(chǎn)生液泛。（ 8）不宜處理易聚合或含有固體顆粒地物料。（二）填料的類型及性能評價(jià)填料是填料塔的核心部分，它提供了氣液兩相接觸傳質(zhì)的界面，是決定填料

8、塔性能的主要因素。對操作影響較大的填料特性有：1比表面積單位體積填料層所具有的表面積稱為填料的比表面積，以表示，其單位為m2 /m3。顯然，填料應(yīng)具有較大的比表面積，以增大塔內(nèi)傳質(zhì)面積。同一種類的填料，尺寸越小，則其比表面積越大。2空隙率單位體積填料層所具有的空隙體積，稱為填料的空隙率，以表示，其單位為m3/m3。填料的空隙率大，氣液通過能力大且氣體流動(dòng)阻力小。3填料因子將 與 組合成/ 3 的形式稱為干填料因子，單位為m-1 。填料因子表示填料的流體力學(xué)性能。當(dāng)填料被噴淋的液體潤濕后，填料表面覆蓋了一層液膜，與 均發(fā)生相應(yīng)的變化，此時(shí)/ 3稱為濕填料因子，以表示。值小則填料層阻力小，發(fā)生液泛

9、時(shí)的氣速提高，亦即流體力學(xué)性能好。4單位堆積體積的填料數(shù)目對于同一種填料，單位堆積體積內(nèi)所含填料的個(gè)數(shù)是由填料尺寸決定的。填料尺寸減小，填料數(shù)目可以增加，填料層的比表面積也增大，而空隙率減小，氣體阻力亦相應(yīng)增加，填料造價(jià)提高。反之，若填料尺寸過大，在靠近塔壁處，填料層空隙很大，將有大量氣體由此短路流過。為控制氣流分布不均勻現(xiàn)象,填料尺寸不應(yīng)大于塔徑D 的 1 1 。108此外，從經(jīng)濟(jì)、實(shí)用及可靠的角度考慮，填料還應(yīng)具有質(zhì)量輕、造價(jià)低，堅(jiān)固耐用，不易堵塞，耐腐蝕，有一定的機(jī)械強(qiáng)度等特性。各種填料往往不能完全具備上述各種條件，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)依具體情況加以選擇。填料的種類很多，大致可分為散裝填料和整

10、砌填料兩大類。散裝填料是一粒粒具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以散裝方式堆積在塔內(nèi)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，散裝填料分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。整砌填料是一種在塔內(nèi)整齊的有規(guī)則排列的填料，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可以分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。下面分別介紹幾種常見的填料，見表4-1。表 4-1 常見的填料類型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用拉外徑與高度相等的圓環(huán)，如圖拉西環(huán)形狀簡單， 制造容易，操作時(shí)有嚴(yán)重的溝流和壁流現(xiàn)象，氣西4-3（ a）所示。液分布較差， 傳質(zhì)效率低。填料層持液量大，氣體通過填料層的阻環(huán)力大，通量較低。拉西環(huán)是使用最早的一種填料，曾得到極為廣泛的應(yīng)用，目前拉西環(huán)工業(yè)應(yīng)用日

11、趨減少。鮑在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長鮑爾環(huán)填料的比表面積和空隙率與拉西環(huán)基本相當(dāng)，氣體流動(dòng)阻力爾方形的窗孔，被切開的環(huán)壁一側(cè)降低，液體分布比較均勻。同一材質(zhì)、 同種規(guī)格的拉西環(huán)與鮑爾環(huán)環(huán)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎填料相比，鮑爾環(huán)的氣體通量比拉西環(huán)增大50以上，傳質(zhì)效率曲，形成內(nèi)伸的舌葉，舌葉的側(cè)增加 30 左右。鮑爾環(huán)填料以其優(yōu)良的性能得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)邊在環(huán)中心相搭，如圖 4-3 （b）用。所示。階對鮑爾環(huán)填料改進(jìn)，其形狀如圖梯4-3（ c）所示。階梯環(huán)圓筒部分環(huán)的高度僅為直徑的一半，圓筒一端有向外翻卷的錐形邊，其高度為全高的 1/5 。是目前環(huán)形填料中性能最為良好的一種。 填料的空隙率大

12、， 填料個(gè)體之間呈點(diǎn)接觸，使液膜不斷更新，壓力降小，傳質(zhì)效率高。鞍是敞開型填料，包括弧鞍與矩弧鞍形填料是兩面對稱結(jié)構(gòu)， 有時(shí)在填料層中形成局部疊合或架空形鞍，其形狀如圖 4-3（ d）和（ e）現(xiàn)象，且強(qiáng)度較差，容易破碎影響傳質(zhì)效率。矩鞍形填料在塔內(nèi)不填所示。會(huì)相互疊合而是處于相互勾聯(lián)的狀態(tài)，有較好的穩(wěn)定性， 填充密度料及液體分布都較均勻，空隙率也有所提高，阻力較低，不易堵塞，制造比較簡單，性能較好。是取代拉西環(huán)的理想填料金如圖 4-3（f ）所示，采用極薄的綜合了環(huán)形填料通量大及鞍形填料的液體再分布性能好的優(yōu)點(diǎn)而屬金屬板軋制，既有類似開孔環(huán)形研制合發(fā)展起來的一種新型填料， 敞開的側(cè)壁有利于氣

13、體和液體通鞍填料的圓環(huán)、開孔和內(nèi)伸的葉過，在填料層內(nèi)極少產(chǎn)生滯留的死角，阻力減小，通量增大，傳質(zhì)環(huán)片，也有類似矩鞍形填料的側(cè)效率提高， 有良好的機(jī)械強(qiáng)度。 金屬鞍環(huán)填料性能優(yōu)于目前常用的面。鮑爾環(huán)和矩鞍形填料。球 形一般采用塑料材質(zhì)注塑而成，其球體為空心， 可以允許氣體、 液體從內(nèi)部通過。 填料裝填密度均勻，填料結(jié)構(gòu)有許多種，如圖 4-3（g）和不易產(chǎn)生空穴和架橋， 氣液分散性能好。 球形填料一般適用于某些（h）所示。特定場合，工程上應(yīng)用較少。波由許多波紋薄板組成的圓盤狀優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，比表面積大，傳質(zhì)效率高。填料阻力小，處理能紋填料，波紋與水平方向成 45°傾力提高。其缺點(diǎn)是不適于

14、處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，填角，相鄰兩波紋板反向靠疊，使填料裝卸、 清理較困難，造價(jià)也較高。金屬絲網(wǎng)波紋填料特別適用料波紋傾斜方向相互垂直。各盤填于精密精餾及真空精餾裝置， 為難分離物系、 熱敏性物系的精餾提料垂直疊放于塔內(nèi)，相鄰的兩盤供了有效的手段。 金屬孔板波紋填料特別適用于大直徑蒸餾塔。金填料間交錯(cuò) 90°排列。如圖 4-3屬壓延孔板波紋填料主要用于分離要求高，物料不易堵塞的場合。（n）、（o）所示脈脈沖填料是由帶縮頸的中空棱流道收縮、擴(kuò)大的交替重復(fù)，實(shí)現(xiàn)了“脈沖”傳質(zhì)過程。脈沖填料沖柱形單體，按一定方式拼裝而成的特點(diǎn)是處理量大， 壓降小。是真空蒸餾的理想填料；因其優(yōu)

15、良的填的一種整砌填料，如圖 4-3 （p）液體分布性能使放大效應(yīng)減少，特別使用于大塔徑的場合。料所示。圖 4-3 幾種常見填料（ a）拉西環(huán)境科； (b ）鮑爾環(huán)填料； (c ）階梯環(huán)填料； (d ）抓繁填料； (e ）矩鞍填料； (f ）金用環(huán)矩鞍填料；(g) 多面球形填料； （ h） TRI 球形填料； (n) 金屬絲網(wǎng)波紋填料（ o）金屬板波紋填料； （ p）脈沖填料無論散裝填料還是整砌填料的材質(zhì)均可用陶瓷、金屬和塑料制造。陶瓷填料應(yīng)用最早，其潤濕性能好，但因較厚，空隙小，阻力大，氣液分布不均勻?qū)е滦瘦^低，而且易破碎，故僅用于高溫、強(qiáng)腐蝕的場合。金屬填料強(qiáng)度高，壁薄，空隙率和比表面積大

16、，故性能良好。不銹鋼較貴，碳鋼便宜但耐腐蝕性差，在無腐蝕場合廣泛采用。塑料填料價(jià)格低廉，不易破碎，質(zhì)輕耐蝕，加工方便，但潤濕性能差。填料的性能的優(yōu)劣通常根據(jù)效率、通量及壓降來衡量。在相同的操作條件下，填料塔內(nèi)氣液分布越均勻，表面潤濕性能越優(yōu)良，則傳質(zhì)效率越高；填料的空隙率越大，結(jié)構(gòu)越開放，則通量越大，壓降也越低。國內(nèi)學(xué)者對九種常用填料的性能進(jìn)行了評價(jià)，用模糊數(shù)學(xué)方法得出了各種填料的評估值，結(jié)論如表4-2 所示。表 4-2 幾種填料綜合性能評價(jià)填料名稱評估值評價(jià)排序填料名稱評估值評價(jià)排序絲網(wǎng)波紋填料0.86很好1金屬鮑爾環(huán)0.51一般好6孔板波紋填料0.61相當(dāng)好2瓷鞍環(huán)填料0.41較好7金屬鞍

17、環(huán)填料0.59相當(dāng)好3瓷鞍形填料0.38略好8金屬鞍形填料0.57相當(dāng)好4瓷拉西環(huán)0.369金屬階梯環(huán)0.53一般好5（三）填料塔的附件填料塔的附件主要有填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體再分布裝置和除沫裝置等。合理的選擇和設(shè)計(jì)填料塔的附件，對保證填料塔的正常操作及良好的傳質(zhì)性能十分重要，見表4-3。表 4-3 填料塔的附件名稱作用結(jié)構(gòu)類型填 料支承塔內(nèi)填料及其持有的液體重量。常用的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等，如圖4-4支 承故支承裝置要有足夠的強(qiáng)度。 同時(shí)為所示。裝置使氣液順利通過， 支承裝置的自由截根據(jù)塔徑、 使用的填料種類及型號、塔體及填料的材質(zhì)、氣液面積應(yīng)大于填

18、料層的自由截面積，否流速選擇哪種支承裝置則當(dāng)氣速增大時(shí)， 填料塔的液泛將首先在支承裝置發(fā)生。填 料安裝于填料上方， 保持操作中填料床分為填料壓板和床層限制板兩大類，每類又有不同的型式， 如壓 緊層高度恒定，防止在高壓降、瞬時(shí)負(fù)圖 4-5 所示。填料壓板適用于陶瓷、石墨制的散裝填料。床層裝置荷波動(dòng)等情況下填料床層發(fā)生松動(dòng)限制板用于金屬散裝填料、塑料散裝填料及所有規(guī)整填料。和跳動(dòng)。液 體液體分布裝置設(shè)在塔頂， 為填料層提常用的液體分布裝置如圖4-6 所示。蓮蓬式噴灑器一般適用于分 布供足夠數(shù)量并分布適當(dāng)?shù)膰娏茳c(diǎn)，以處理清潔液體，且直徑小于600mm 的小塔。盤式分布器常用裝置保證液體初始均勻的分布

19、。于直徑較大的塔。管式分布器適用于液量小而氣量大的填料塔。槽式液體分布器多用于氣液負(fù)荷大及含有固體懸浮物、粘度大的分離場合。液 體壁流將導(dǎo)致填料層內(nèi)氣液分布不均，最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。如圖4-7 所示。再 分使傳質(zhì)效率下降。為減小壁流現(xiàn)象，圖（ a）是將截錐筒體焊在塔壁上。圖（b）是在截錐筒的上方布 裝可間隔一定高度在填料層內(nèi)設(shè)置液加設(shè)支承板， 截錐下面隔一段距離再裝填料，以便于分段卸出置體再分布裝置。填料。除 沫在液體分布器的上方安裝除沫裝置，折板除沫器，絲網(wǎng)除沫器，填料除沫器，見圖4-8裝置清除氣體中夾帶的液體霧沫(a)柵板型(b)孔管型(c)駝峰型圖 4-4 填料支承裝

20、置4-5 填料壓緊裝置（a）壓緊柵板； (b)壓緊網(wǎng)板； (c)905 型金屬壓板圖 4-6 液體分布裝置（ a）蓮蓬式； (b)盤式篩孔型； (c)盤式溢流管式； (d)排管式； (e)環(huán)管式； (f) 槽式圖 4-7 液體再分布裝置(a)折板除沫器（ b）絲網(wǎng)除沫器（ c）填料除沫器圖 4-8 除沫器活動(dòng)建議進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，了解填料及塔設(shè)備的結(jié)構(gòu)。四、填料塔的流體力學(xué)性能在逆流操作的填料塔內(nèi)，液體從塔頂噴淋下來，依靠重力在填料表面作膜狀流動(dòng)，液膜與填料表面的摩擦及液膜與上升氣體的摩擦構(gòu)成了液膜流動(dòng)的阻力。因此，液膜的膜厚取決于液體和氣體的流量。液體流量越大，液膜越厚；當(dāng)液體流量一定時(shí)，上升氣

21、體的流量越大，液膜也越厚。液膜的厚度直接影響到氣體通過填料層的壓力降、液泛氣速及塔內(nèi)持液量等流體力學(xué)性能。1氣體通過填料層的壓力降填料層壓降與液體噴淋量及氣速有關(guān)，在一定的氣速下，液體噴淋量越大，壓降越大；一定的液體噴淋量下氣速越大，壓降也越大。不同液體噴淋量下的單位填料層的壓圖 49 填料層的 P/Z-u 示意圖降 pZ與空塔氣速u 的關(guān)系標(biāo)繪在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上，可得到如圖4-9所示的曲線。圖 4-9中，直線L 0 表示無液體噴淋（L 0）時(shí)干填料的p 與u 關(guān)系，稱為干填料壓降線。曲線L1、L 2、L 3 表示不同液體噴淋量下填料層的p 與u 的關(guān)系（噴淋量L 1<L 2 <L

22、3）。從圖中可看出， 在一定的噴淋量下，壓降隨空塔氣速的變化曲線大致可分為三段：當(dāng)氣速低于A點(diǎn)時(shí)，氣體流動(dòng)對液膜的曳力很小，液體流動(dòng)不受氣流的影響，填料表面上覆蓋的液膜厚度基本不變，因而填料層的持液量不變，該區(qū)域稱為恒持液量區(qū)。此時(shí)在對數(shù)座標(biāo)圖上p 與u近似為一直線，且基本上與干填料壓降線平行。當(dāng)氣速超過A 點(diǎn)時(shí)，氣體對液膜的曳力較大，對液膜流動(dòng)產(chǎn)生阻滯作用，使液膜增厚，填料層的持液量隨氣速的增加而增大，此現(xiàn)象稱攔液。開始發(fā)生攔液現(xiàn)象時(shí)的空塔氣速稱為載點(diǎn)氣速，曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)A ，稱為載點(diǎn)。 若氣速繼續(xù)增大，到達(dá)圖中B 點(diǎn)時(shí)，由于液體不能順利流下，使填料層的持液量不斷增大，填料層內(nèi)幾乎充滿液體。

23、氣速增加很小便會(huì)引起壓降的劇增，此現(xiàn)象稱為液泛。開始發(fā)生液泛現(xiàn)象時(shí)的空塔氣速稱為泛點(diǎn)氣速，以uF 表示。曲線上的點(diǎn)B 稱為泛點(diǎn)，從載點(diǎn)到泛點(diǎn)的區(qū)域稱為載液區(qū)，泛點(diǎn)以上的區(qū)域稱為液泛區(qū)。通常認(rèn)為泛點(diǎn)氣速是填料塔正常操作氣速的上限。影響泛點(diǎn)氣速的因素很多，其中包括填料的特性，流體的物理性質(zhì)以及液氣比等。泛點(diǎn)氣速計(jì)算方法很多，目前最廣泛的是?？颂靥岢龅耐ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖。查一查查閱相關(guān)資料，了解通用關(guān)聯(lián)圖的結(jié)構(gòu)及工業(yè)應(yīng)用。2液泛在泛點(diǎn)氣速下，持液量的增多使液相由分散相變?yōu)檫B續(xù)相，而氣相則由連續(xù)相變?yōu)榉稚⑾?，此時(shí)氣體呈氣泡形式通過液層，氣流出現(xiàn)脈動(dòng)，液體被大量帶出塔頂，塔的操作極不穩(wěn)定，甚至?xí)黄茐?，此種情況

24、稱為淹塔或液泛。影響液泛的因素很多，如填料的特性、流體的物性及操作的液氣比等。填料特性的影響集中體現(xiàn)在填料因子上。填料因子 值在某種程度上能反映填料流體力學(xué)性能的優(yōu)劣。實(shí)踐表明， 值越小，液泛速度越高，即越不易發(fā)生液泛。流體物性的影響體現(xiàn)在氣體密度 、液體的密度 和粘度 上。因液體靠重力流下,液VLL體的密度越大，則泛點(diǎn)氣速越大；氣體密度越大，液體粘度越大，相同氣速下對液體的阻力也越大，故均使泛點(diǎn)氣速下降。操作的液氣比愈大，則在一定氣速下液體噴淋量愈大，填料層的持液量增加而空隙率減小，故泛點(diǎn)氣速愈小。3持液量因填料與其空隙中所持的液體是堆積在填料支承板上的，故在進(jìn)行填料支承板強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，要考慮

25、填料本身的重量與持液量。持液量小則氣體流動(dòng)阻力小，到載點(diǎn)以后，持液量隨氣速的增加而增加。持液量是由靜持液量與動(dòng)持液量兩部分組成的。靜持液量指填料層停止接受噴淋液體并經(jīng)過規(guī)定的滴液時(shí)間后，仍然滯留在填料層中的液體量，其大小決定于填料的類型、尺寸及液體的性質(zhì)。動(dòng)持液量指一定噴淋條件下持于填料層中的液體總量與靜持液量之差，表示可以從填料上滴下的那部分液體，亦指操作時(shí)流動(dòng)于填料表面的液體量，其大小不但與填料的類型、尺寸及液體的性質(zhì)有關(guān)，而且與噴淋密度有關(guān)。持液量一般用經(jīng)驗(yàn)公式或曲線圖估算。第二節(jié)吸收基礎(chǔ)知識(shí)對任何過程都需要解決兩個(gè)基本問題：過程的極限和過程的速率。吸收是氣液兩相之間的傳質(zhì)過程，因此本節(jié)

26、首先討論吸收的氣液相平衡關(guān)系以及傳質(zhì)的基本概念，以解決這兩個(gè)基本問題。一、氣體吸收的分類吸收操作通常有以下分類方法：1按過程有無化學(xué)反應(yīng)分類（ 1）物理吸收吸收過程中溶質(zhì)與吸收劑之間不發(fā)生明顯的化學(xué)反應(yīng)；（ 2）化學(xué)吸收吸收過程中溶質(zhì)與吸收劑之間有顯著的化學(xué)反應(yīng)。2按被吸收的組分?jǐn)?shù)目分類（ 1）單組分吸收 混合氣體中只有一個(gè)組分（溶質(zhì)）進(jìn)入液相，其余組分皆可認(rèn)為不溶解于吸收劑的吸收過程；（ 2）多組分吸收混合氣體中有兩個(gè)或更多組分進(jìn)入液相的吸收過程。3按吸收過程有無溫度變化分類（ 1）非等溫吸收 氣體溶解于液體時(shí)，常常伴隨著熱效應(yīng)，當(dāng)有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，還會(huì)有反應(yīng)熱，其結(jié)果是隨吸收過程的進(jìn)行，溶液溫

27、度會(huì)逐漸變化，則此過程為非等溫吸收；（ 2）等溫吸收 若吸收過程的熱效應(yīng)較小，或被吸收的組分在氣相中濃度很低，而吸收劑用量相對較大時(shí)，溫度升高不顯著，則可認(rèn)為是等溫吸收。4按吸收過程的操作壓力分類（ 1）常壓吸收（ 2）加壓吸收 當(dāng)操作壓力增大時(shí)，溶質(zhì)在吸收劑中的溶解度將隨之增加。本章主要以填料塔為例，著重討論常壓下單組分等溫物理吸收過程。二、吸收相平衡1亨利定律在恒定溫度與壓力下，使某一定量混合氣體與吸收劑接觸，溶質(zhì)便向液相中轉(zhuǎn)移，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入液相的溶質(zhì)分子數(shù)與從液相逸出的溶質(zhì)分子數(shù)相等時(shí)，吸收達(dá)到了相平衡。此時(shí)液相中溶質(zhì)達(dá)到飽和，氣液兩相中溶質(zhì)濃度不再隨時(shí)間改變。在低濃度吸收操作中，對

28、應(yīng)的氣相中溶質(zhì)濃度與液相中溶質(zhì)濃度之間可用亨利定律描述：當(dāng)總壓不高，在一定溫度下氣液兩相達(dá)到平衡時(shí)，稀溶液上方氣體溶質(zhì)的平衡分壓與溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)成正比，即p*Ex（4-1）或y*mx（4-2）式中 p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa；E亨利系數(shù)， kPa；y* 相平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相中的摩爾分?jǐn)?shù)；溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)；m相平衡常數(shù)， m E/P；亨利系數(shù) E 的值隨物系而變化。當(dāng)物系一定時(shí)，溫度升高，E 值增大。 亨利系數(shù)由實(shí)驗(yàn)測定，一般易溶氣體的 E 值小，難溶氣體的 E 值大。由于氣、液相組成表示方法不同，亨利定律可有多種形式。查一查什么是比摩爾分?jǐn)?shù)？用比摩爾分?jǐn)?shù)表示的亨利定律。2

29、相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用（ 1）判別過程的方向?qū)τ谝磺形催_(dá)到相際平衡的系統(tǒng)，組分將由一相向另一相傳遞，其結(jié)果是使系統(tǒng)趨于相平衡。所以，傳質(zhì)的方向是使系統(tǒng)向達(dá)到平衡的方向變化。一定濃度的混合氣體與某種溶液相接觸，溶質(zhì)是由液相向氣相轉(zhuǎn)移？還是由氣相向液相轉(zhuǎn)移？可以利用相平衡關(guān)系作出判斷。下面舉例說明。【例4-1】設(shè)在、 下，稀氨水的相平衡方程為y*0.94 x，現(xiàn)將含氨摩1013kPa20爾分?jǐn)?shù)為10的混合氣體與x0.05 的氨水接觸， 試判斷傳質(zhì)方向。 若以含氨摩爾分?jǐn)?shù)為5的混合氣體與x 0.10的氨水接觸，傳質(zhì)方向又如何？解：實(shí)際氣相摩爾分?jǐn)?shù)y0.10 。根據(jù)相平衡關(guān)系與實(shí)際x0.05 的

30、溶液成平衡的氣相摩爾分?jǐn)?shù) y *0.940.050.047由于 yy *故兩相接觸時(shí)將有部分氨自氣相轉(zhuǎn)入液相，即發(fā)生吸收過程。同樣，此吸收過程也可理解為實(shí)際液相摩爾分?jǐn)?shù)x 0.05 ，與實(shí)際氣相摩爾分?jǐn)?shù)y 0.10成平衡的液相摩爾分?jǐn)?shù)x*y0.106 ， x*x 故兩相接觸時(shí)部分氨自氣相轉(zhuǎn)入液相。m反之，若以含氨 y0.05 的氣相與 x 0.10的氨水接觸，則因 yy* 或 x*x ，部分氨將由液相轉(zhuǎn)入氣相，即發(fā)生解吸。Y 2（2）指明過程的極限將溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)為y1 混合氣體送入某吸收塔的底部，溶劑向塔頂淋人作逆流吸收，如圖 4-10 所示。當(dāng)氣、液兩相流量和溫度、壓力一定情況下， 設(shè)塔高無

31、限 （即接觸時(shí)間無限長） ，最終完成液中溶質(zhì)的極限濃度最大值是與氣相進(jìn)口摩爾分?jǐn)?shù)y1 相平衡的液相組成V ， Y 1L， X2X 1圖 4 10 逆流吸收塔x1* ，即x1max x1*y1m同理，混合氣體尾氣溶質(zhì)含量y2 最小值是進(jìn)塔吸收劑的溶質(zhì)摩爾分?jǐn)?shù)x2 相平衡的氣相組成 y2* ，即 y2 miny2*mx2由此可見，相平衡關(guān)系限制了吸收劑出塔時(shí)的溶質(zhì)最高含量和氣體混合物離塔時(shí)最低含量。想一想若混合氣體組成一定，采用逆流吸收，減少吸收劑用量，完成液出塔時(shí)吸收質(zhì)濃度會(huì)上升還是下降？極限值如何計(jì)算？若無限增大吸收劑用量，即使在無限高的塔內(nèi)，吸收尾氣中吸收質(zhì)濃度會(huì)降為零嗎？最低極限值如何計(jì)算

32、？（ 3）計(jì)算過程的推動(dòng)力相平衡是過程的極限，不平衡的氣液兩相相互接觸就會(huì)發(fā)生氣體的吸收或解吸過程。吸收過程通常以實(shí)際濃度與平衡濃度的差值來表示吸收傳質(zhì)推動(dòng)力的大小。推動(dòng)力可用氣相推動(dòng)力或液相推動(dòng)力表示，氣相推動(dòng)力表示為塔內(nèi)任何一個(gè)截面上氣相實(shí)際濃度y 和與該截面上液相實(shí)際濃度x 成平衡的y* 之差，即yy*（其中y *mx ）液相推動(dòng)力即以液相摩爾分?jǐn)?shù)之差x*x 表示吸收推動(dòng)力，其中x*y。m三、吸收機(jī)理吸收操作是溶質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)移到液相的傳質(zhì)過程，其中包括溶質(zhì)由氣相主體向氣液相界面的傳遞，和由相界面向液相主體的傳遞。因此，討論吸收過程的機(jī)理，首先要說明物質(zhì)在單相（氣相或液相）中的傳遞規(guī)律。（一

33、）傳質(zhì)的基本方式物質(zhì)在單一相（氣相或液相）中的傳遞是擴(kuò)散作用。發(fā)生在流體中的擴(kuò)散有分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散兩種：一般發(fā)生在靜止或?qū)恿鞯牧黧w里，憑藉著流體分子的熱運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行物質(zhì)傳遞的是分子擴(kuò)散；發(fā)生在湍流流體里，憑藉流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和漩渦而傳遞物質(zhì)的是渦流擴(kuò)散。1分子擴(kuò)散分子擴(kuò)散是物質(zhì)在一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由流體分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而引起的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。習(xí)慣上常把分子擴(kuò)散稱為擴(kuò)散。分子擴(kuò)散速率主要決定于擴(kuò)散物質(zhì)和流體的某些物理性質(zhì)。分子擴(kuò)散速率與其在擴(kuò)散方向上的濃度梯度及擴(kuò)散系數(shù)成正比。分子擴(kuò)散系數(shù)D 是物質(zhì)性質(zhì)之一。擴(kuò)散系數(shù)大，表示分子擴(kuò)散快。溫度升高，壓力降低，擴(kuò)散系數(shù)增加。同一物質(zhì)在不同介質(zhì)

34、中擴(kuò)散系數(shù)不同。對不太大的分子而言，在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)值約為0.1 1cm2/s 的量級；在液體中約為在氣體中的104 105 分之一。這主要是因?yàn)橐后w的密度比氣體的密度大得多，其分子間距小，故而分子在液體中擴(kuò)散速率要慢的多。擴(kuò)散系數(shù)一般由實(shí)驗(yàn)方法求取，有時(shí)也可由物質(zhì)的基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)及狀態(tài)參數(shù)估算。2渦流擴(kuò)散在有濃度差異的條件下，物質(zhì)通過湍流流體的傳遞過程稱渦流擴(kuò)散。渦流擴(kuò)散時(shí)，擴(kuò)散物質(zhì)不僅靠分子本身的擴(kuò)散作用，并且借助湍流流體的攜帶作用而轉(zhuǎn)移，而且后一種作用是主要的。渦流擴(kuò)散速率比分子擴(kuò)散速率大得多。由于渦流擴(kuò)散系數(shù)難于測定和計(jì)算，常將分子擴(kuò)散與渦流擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用結(jié)合起來予以考慮即對流擴(kuò)散過

35、程。3對流擴(kuò)散與傳熱過程中的對流傳熱相類似，對流擴(kuò)散就是湍流主體與相界面之間的渦流擴(kuò)散與分子擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用過程。由于對流擴(kuò)散過程極為復(fù)雜，影響因素很多，所以對流擴(kuò)散速率也采用類似對流傳熱的處理方法，依靠試驗(yàn)測定。對流擴(kuò)散速率比分子擴(kuò)散速率大得多，主要取決于流體的湍流程度。想一想能舉例說明分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散嗎？（二）雙膜理論吸收過程是氣液兩相間的傳質(zhì)過程，關(guān)于這種相際間的傳質(zhì)過程的機(jī)理曾提出多種不同的理論，其中應(yīng)用最廣泛的是劉易斯和惠特曼在上世紀(jì)二十年代提出的雙膜理論。相界面濃度pcipi傳質(zhì)方向氣膜液膜c圖 4-11 雙膜理論示意圖雙膜理論的基本論點(diǎn)如下：1在氣液兩流體相接觸處,有一穩(wěn)定的分

36、界面,叫相界面。在相界面兩側(cè)附近各有一層穩(wěn)定的氣膜和液膜。這兩層薄膜可以認(rèn)為是由氣液兩流體的滯流層組成,即虛擬的層流膜層,吸收質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過這兩個(gè)膜層。膜的厚度隨流體的流速而變，流速愈大膜層厚度愈小。2在兩膜層以外的氣、液兩相分別稱為氣相主體與液相主體。在氣、液兩相的主體中，由于流體的充分湍動(dòng)，吸收質(zhì)的濃度基本上是均勻的，即兩相主體內(nèi)濃度梯度皆為零，全部濃度變化集中在這兩個(gè)膜層內(nèi)，即阻力集中在兩膜層之中。3無論氣、液兩相主體中吸收質(zhì)的濃度是否達(dá)到相平衡，而在相界面處,吸收質(zhì)在氣、液兩相中的濃度達(dá)成平衡,即界面上沒有阻力。對于具有穩(wěn)定相界面的系統(tǒng)以及流動(dòng)速度不高的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論與

37、實(shí)際情況是相當(dāng)符合的，根據(jù)這一理論的基本概念所確定的吸收過程的傳質(zhì)速率關(guān)系，至今仍是吸收設(shè)備設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，這一理論對生產(chǎn)實(shí)際具有重要的指導(dǎo)意義。但是對于具有自由相界面的系統(tǒng)，尤其是高度湍動(dòng)的兩流體間的傳質(zhì)，雙膜理論表現(xiàn)出它的局限性。針對這一局限性，后來相繼提出了一些新的理論，如溶質(zhì)滲透理論、表面更新理論、界面動(dòng)力狀態(tài)理論等。這些理論對于相際傳質(zhì)過程的界面狀態(tài)及流體力學(xué)因素的影響等方面的研究和描述都有所前進(jìn)，但由于其數(shù)學(xué)模型太復(fù)雜，目前應(yīng)用于傳質(zhì)設(shè)備的計(jì)算或解決實(shí)際問題較困難。五、吸收阻力的控制由吸收機(jī)理知，吸收過程的相際傳質(zhì)是由氣相與界面的對流傳質(zhì)、界面上溶質(zhì)組分的溶解、液相與界面的對流傳質(zhì)

38、三個(gè)過程構(gòu)成。仿照間壁兩側(cè)對流給熱過程傳熱速率分析思路，現(xiàn)分析對流傳質(zhì)過程的傳質(zhì)速率NA 的表達(dá)式及傳質(zhì)阻力的控制。（一）氣體吸收速率方程式1氣相與界面的傳質(zhì)速率N AkG ( ppi )或N Aky ( yyi )式中N A 單位時(shí)間內(nèi)組分A 擴(kuò)散通過單位面積的物質(zhì)的量，即傳質(zhì)速率，p、 pi溶質(zhì) A 在氣相主體與界面處的分壓，kPa；y、 yi氣相主體與界面處的摩爾分?jǐn)?shù)；kG 以分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol （ s· m2·kPa）；ky 以摩爾分?jǐn)?shù)差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(s ·m2 )。（ 4-3）（ 4-3）kmol/(m 2&

39、#183; s）；2液相與界面的傳質(zhì)速率N A kL (cic)（4-5）或N Ak x ( xi x)（ 4-6）式中c、c 溶質(zhì)A 的液相主體濃度和界面濃度，kmol m3 ；ix、 xi 溶質(zhì)A 在液相主體與界面處的摩爾分?jǐn)?shù)；kL 以摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，m s；kx以摩爾分?jǐn)?shù)差表示推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(s · m2）。相界面上的濃度yi、 xi，根據(jù)雙膜理論成平衡關(guān)系，如圖4-11。但是無法測取。以上傳質(zhì)速率用不同的推動(dòng)力表達(dá)同一個(gè)傳質(zhì)速率，類似于傳熱中的牛頓冷卻定律的形式，即傳質(zhì)速率正比于界面濃度與流體主體濃度之差。將其他所有影響對流傳質(zhì)的因素均包

40、括在氣相（或液相）傳質(zhì)系數(shù)之中。傳質(zhì)系數(shù)kG 、ky、kL 、kx 的數(shù)據(jù)只有根據(jù)具體操作條件由實(shí)驗(yàn)測取，它與流體流動(dòng)狀態(tài)和流體物性、擴(kuò)散系數(shù)、密度、粘度、傳質(zhì)界面形狀等因素有關(guān)。類似于傳熱中對流給熱系數(shù)的研究方法。對流傳質(zhì)系數(shù)也有經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，可查閱有關(guān)手冊得到。3相際傳質(zhì)速率方程吸收總傳質(zhì)速率方程氣相和液相傳質(zhì)速率方程中均涉及到相界面上的濃度（pi 、 yi 、 ci、 xi），由于相界面是變化的，該參數(shù)很難獲取。工程上常利用相際傳質(zhì)速率方程來表示吸收的速率方程。即N AppK G p p（4-7）1K GN AYYKYY Y（4-8）1K YN AccK L c c（ 4-9）1K LNA

41、 KX (X*( X *X )X )（ 4-10）1K X式中c* 、 X * 、 p* 、 Y * 分別與液相主體或氣相主體組成成平衡關(guān)系的濃度；X 、 Y 用摩爾比表示的液相主體或氣相主體濃度；K L以液相濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，m/s；K G以氣相濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol （ m2· s· kN/m2）；K X 以液相摩爾比濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol （ m2· s）；K Y 以氣相摩爾比濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/( m 2· s)。采用與對流傳熱過程相類似的處理方法，氣、液相傳質(zhì)系數(shù)與總傳質(zhì)系數(shù)之間的關(guān)系舉例

42、推倒如下：p pici ccicpi pp pip i pp pN AHH111.11111k Gk Lk L Hk L Hk Gk L HkGk L H故111（4-11）K GkGHk LN Ap piH p H pic*cici cc*c1HH1H1kGkGkGklkGk L故11HK LkL（ 4-12 ）kG可見，氣、液兩相相際傳質(zhì)總阻力等于分阻力之和，總推動(dòng)力等于各層推動(dòng)力之和。查一查由于濃度有許多表示方法， 因此吸收速率方程有很多形式，再能舉出幾種嗎？有什么規(guī)律？（二）吸收阻力的控制對于難溶氣體,H 值很小 , 在 kG 和 kL 數(shù)量級相同或接近的情況下，存在如下關(guān)系，即H1氣

43、膜阻力可以忽略， 因而式（4-12 ）kG，此時(shí)吸收過程阻力的絕大部分存在于液膜之中，k L11kL 意即液膜阻力控制著整個(gè)吸收過程，可以化為或 K L吸收總推動(dòng)力的絕大部分K LkL用于克服液膜阻力。這種吸收稱為液膜控制吸收。例如：用水吸收氧氣，二氧化碳等過程。對于液膜控制的吸收過程，要強(qiáng)化傳質(zhì)過程，提高吸收速率，在選擇設(shè)備型式及確定操作條件時(shí)，應(yīng)特別注意減小液膜阻力。對于易溶氣體,H 值很大 , 在 kG 和 kL 數(shù)量級相同或接近的情況下，存在如下關(guān)系，即11Hk L，此時(shí)吸收過程阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略，因而式kG（ 4-11）可以化為11或 K GkG 意即氣膜

44、阻力控制著整個(gè)吸收過程，吸收總推動(dòng)力的K GkG絕大部分用于克服氣膜阻力。這種吸收稱為氣膜控制吸收。 例如 :用水吸收氨或氯化氫等過程。對于氣膜控制的吸收過程，要強(qiáng)化傳質(zhì)過程，提高吸收速率，在選擇設(shè)備型式及確定操作條件時(shí)，應(yīng)特別注意減小氣膜阻力。對于具有中等溶解度的氣體吸收過程，氣膜阻力與液膜阻力均不可忽略。要提高吸收過程速率，必須兼顧氣、液兩膜阻力的降低，方能得到滿意的效果。六、吸收劑的選擇在吸收操作中，吸收劑性能的優(yōu)劣，常常是吸收操作是否良好的關(guān)鍵。在選擇吸收劑時(shí)，應(yīng)注意考慮以下幾方面的問題：1溶解度吸收劑對于溶質(zhì)組分應(yīng)具有較大的溶解度，或者說，在一定溫度與濃度下，溶質(zhì)組分的氣相平衡分壓要低。這樣從平衡的角度講，處理一定量的混合氣體所需的吸收劑數(shù)量較少，吸收尾氣中溶質(zhì)的極限殘余濃度也可降低。就傳質(zhì)速率而言，溶解度越大、吸收速率越大,所需設(shè)備的尺寸就小。2選擇性吸收劑要對溶質(zhì)組分有良好的吸收能力的同時(shí),對混合