第六章氣體吸收

1、第六章第六章 氣體吸收氣體吸收重點：雙膜理論、傳質基本方程、操作線方程重點：雙膜理論、傳質基本方程、操作線方程難點：雙膜理論難點：雙膜理論第一節(jié)第一節(jié) 物質傳遞原理物質傳遞原理傳質分離操作在生產(chǎn)中的應用傳質分離操作在生產(chǎn)中的應用 在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃在含有兩個或兩個以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分（或某些組分）將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)度梯度，某一組分（或某些組分）將由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)移動的趨勢，該移動過程稱為移動的趨勢，該移動過程稱為傳質過程傳質過程。 分離過程包括機械分離和傳質分離。分離過程包括機械分離和傳質分離。機械分離：過濾、沉降等機械分離：過

2、濾、沉降等傳質分離：吸收、蒸餾、干燥、萃取、膜分離等傳質分離：吸收、蒸餾、干燥、萃取、膜分離等 物質在兩相間從一相轉移到另一相的傳遞過程一般要經(jīng)過物質在兩相間從一相轉移到另一相的傳遞過程一般要經(jīng)過三個步驟：三個步驟：界面界面氣相氣相主體主體組分組分組分組分液相液相主體主體1、擴散物質從一相的主體擴散到兩相界面（單相中的傳質）；、擴散物質從一相的主體擴散到兩相界面（單相中的傳質）；2、在界面上的擴散物質從一相進入另一相（相際間傳質）；、在界面上的擴散物質從一相進入另一相（相際間傳質）；3、進入另一相的擴散物質從界面向該相的主體擴散（單相中、進入另一相的擴散物質從界面向該相的主體擴散（單相中 的傳

3、質）；的傳質）；物質在單相中的擴散物質在單相中的擴散 物質在單相中的傳遞靠擴散，發(fā)生在流體中的擴物質在單相中的傳遞靠擴散，發(fā)生在流體中的擴散有散有分子擴散分子擴散和和渦流擴散渦流擴散兩種。兩種。分子擴散分子擴散：依靠分子的無規(guī)則熱運動，主要發(fā)生在靜止或依靠分子的無規(guī)則熱運動，主要發(fā)生在靜止或 層流流體中。層流流體中。 渦流擴散渦流擴散：依靠流體質點的湍動和旋渦而傳遞物質，主要依靠流體質點的湍動和旋渦而傳遞物質，主要 發(fā)生在湍流流體中。發(fā)生在湍流流體中。 1、分子擴散、分子擴散 A BAB A BAB分子擴散分子擴散：在一相內部存在濃度差或濃度梯度的情況下，由：在一相內部存在濃度差或濃度梯度的情

4、況下，由于分子的無規(guī)則運動而導致的物質傳遞現(xiàn)象。分子擴散是物于分子的無規(guī)則運動而導致的物質傳遞現(xiàn)象。分子擴散是物質分子微觀運動的結果。質分子微觀運動的結果。擴散通量擴散通量：單位時間內單位面積上擴散傳遞的物質量，其單：單位時間內單位面積上擴散傳遞的物質量，其單位為位為kmol/(m2s)。一、分子擴散與菲克定律一、分子擴散與菲克定律2、菲克（、菲克（Fick）定律定律dzdCDJAABA式中式中 JA物質物質A在在z方向上的分子擴散通量，方向上的分子擴散通量，kmol/(m2s) dCA/dz物質物質A的濃度梯度，的濃度梯度，kmol/m4 DAB物質物質A在介質在介質B中的分子擴散系數(shù)，中的

5、分子擴散系數(shù)，m2/s 負號負號表示擴散是沿著物質表示擴散是沿著物質A濃度降低的方向進行的。濃度降低的方向進行的。 當物質當物質A在介質在介質B中發(fā)生擴散時，任一點處物質中發(fā)生擴散時，任一點處物質A的擴散通的擴散通量與該位置上量與該位置上A的濃度梯度成正比，即：的濃度梯度成正比，即：二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散假定：假定：pA1 pA2 pB11，漂流因子的大小直接反映了總體流動在傳質中所占分漂流因子的大小直接反映了總體流動在傳質中所占分量的大小，即漂流因子體現(xiàn)了總體流動對傳質速率的影響。量的大小，即漂流因子體現(xiàn)了總體流動對傳質速率的影響。單向擴散的傳質通量單向擴散的傳質通

6、量第一節(jié)第一節(jié) 物質傳遞原理物質傳遞原理二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散二、氣相中的穩(wěn)定分子擴散在液相中以單向擴散多見，仿氣相中的擴散速率關系，則有在液相中以單向擴散多見，仿氣相中的擴散速率關系，則有 連續(xù)等價離子交換和理想溶液精餾時的擴散過程屬于等分連續(xù)等價離子交換和理想溶液精餾時的擴散過程屬于等分子反向擴散模型，連續(xù)結晶、吸附、浸提、吸收等擴散過程屬子反向擴散模型，連續(xù)結晶、吸附、浸提、吸收等擴散過程屬于單向擴散模型。于單向擴散模型。)(21AAsmACCzCCDN式中式中 NA溶質溶質A在液相中的傳遞速率，在液相中的傳遞速率，kmol/m2s D溶質溶質A在溶劑中的擴散系數(shù)，在溶劑中的擴散系數(shù)，

7、m2/s C溶液的總濃度，溶液的總濃度，C=CA+CS，kmol/m3 Csm擴散初、終截面上溶劑擴散初、終截面上溶劑S的對數(shù)平均濃度，的對數(shù)平均濃度， kmol/m3三、液相中的穩(wěn)定分子擴散三、液相中的穩(wěn)定分子擴散第一節(jié)第一節(jié) 物質傳遞原理物質傳遞原理四、分子擴散系數(shù)四、分子擴散系數(shù)分子擴散系數(shù)是物質的特征系數(shù)之一，表示物質在介質中分子擴散系數(shù)是物質的特征系數(shù)之一，表示物質在介質中的擴散能力；的擴散能力；擴散系數(shù)取決于擴散質和介質的種類及溫度等因數(shù)。擴散系數(shù)取決于擴散質和介質的種類及溫度等因數(shù)。對于氣體中的擴散，濃度的影響可以忽略；對于氣體中的擴散，濃度的影響可以忽略；對于液體中的擴散，濃度

8、的影響不可以忽略，而壓強的影對于液體中的擴散，濃度的影響不可以忽略，而壓強的影響不顯著。響不顯著。 物質的擴散系數(shù)可由實驗測得，或查有關資料，或借助于物質的擴散系數(shù)可由實驗測得，或查有關資料，或借助于經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進行計算。經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式進行計算。第一節(jié)第一節(jié) 物質傳遞原理物質傳遞原理u氣相中的擴散系數(shù)氣相中的擴散系數(shù)23/13/1235)(111036. 4BABAvvPMMTD式中式中 D擴散系數(shù)，擴散系數(shù)，m2/s； P總壓強，總壓強，kPa； MA、MB分別為分別為A、B兩種物質的分子量，兩種物質的分子量，g/mol； vA、vB分別為分別為A、B兩種物質的分子體積，兩種物質的分子

9、體積，cm3/molu液相中的擴散系數(shù)（非電解質）液相中的擴散系數(shù)（非電解質）)(107 . 73/13/115oAvvTD式中式中 D物質在其稀溶液中的擴散系數(shù)，物質在其稀溶液中的擴散系數(shù)，m2/s； T溫度，溫度，K； 液體的粘度，液體的粘度，Pas A擴散物質的分子體積，擴散物質的分子體積，cm3/mol； o常數(shù)，對于擴散物質在水、甲醇或苯中的稀常數(shù)，對于擴散物質在水、甲醇或苯中的稀 溶液，其值可分別取溶液，其值可分別取8、14.9、22.8， cm3/mol五、湍流流體中的對流傳質五、湍流流體中的對流傳質1、渦流擴散、渦流擴散 物質在湍流的流體中傳質，主要憑藉湍流流體質點的湍動和物質

10、在湍流的流體中傳質，主要憑藉湍流流體質點的湍動和旋渦引起流體各部分之間的劇烈混合，在有濃度差存在的條件旋渦引起流體各部分之間的劇烈混合，在有濃度差存在的條件下，物質朝著濃度降低的方向進行傳遞，這種現(xiàn)象稱為下，物質朝著濃度降低的方向進行傳遞，這種現(xiàn)象稱為渦流擴渦流擴散散（eddy diffusion）。）。 第一節(jié)第一節(jié) 物質傳遞原理物質傳遞原理 在湍流流體中同時存在渦流擴散和分子擴散（渦流擴散占在湍流流體中同時存在渦流擴散和分子擴散（渦流擴散占主導地位主導地位 ），其總擴散通量為），其總擴散通量為dZdCDDJAEA)(式中式中 D分子擴散系數(shù)，分子擴散系數(shù)，m2/s； DE渦流擴散系數(shù)，渦流

11、擴散系數(shù)，m2/s； dCA/dZ沿沿z方向的濃度梯度，方向的濃度梯度，kmol/m4； J總擴散通量總擴散通量kmol/(m2s)注：渦流擴散系數(shù)注：渦流擴散系數(shù)DE不是物性常數(shù)，它與湍動有關，且隨位置不是物性常數(shù)，它與湍動有關，且隨位置而不同。由于其難以測定，常將分子擴散和渦流擴散結合在一而不同。由于其難以測定，常將分子擴散和渦流擴散結合在一起考慮。起考慮。第一節(jié)第一節(jié) 物質傳遞原理物質傳遞原理五、湍流流體中的對流傳質五、湍流流體中的對流傳質2、對流傳質、對流傳質對流傳質對流傳質是指發(fā)生在運動著的流體與相界面之間的傳質過程。是指發(fā)生在運動著的流體與相界面之間的傳質過程。在實際生產(chǎn)中，傳質操

12、作多發(fā)生在流體湍流的情況下，此時的在實際生產(chǎn)中，傳質操作多發(fā)生在流體湍流的情況下，此時的對流傳質對流傳質是湍流主體與相界面之間的渦流擴散與分子擴散兩種是湍流主體與相界面之間的渦流擴散與分子擴散兩種傳質作用的總和。傳質作用的總和。 以吸收為例：吸收劑沿壁面自上而下流動，混合氣體自下以吸收為例：吸收劑沿壁面自上而下流動，混合氣體自下而上流過液體表面。考察穩(wěn)定操作狀況下吸收塔設備任一截面而上流過液體表面。考察穩(wěn)定操作狀況下吸收塔設備任一截面m-n處相界面的氣相一側溶質處相界面的氣相一側溶質A濃度分布情況。濃度分布情況。五、湍流流體中的對流傳質五、湍流流體中的對流傳質第一節(jié)第一節(jié) 物質傳遞原理物質傳遞

13、原理 流體主體與相界面之間存在三個流動區(qū)域。流體主體與相界面之間存在三個流動區(qū)域。過渡層過渡層 同時存在分子擴散和渦流擴散，分壓梯度漸降。同時存在分子擴散和渦流擴散，分壓梯度漸降。滯流層滯流層 溶質主要依靠分子擴散作用傳遞，分壓梯度大。溶質主要依靠分子擴散作用傳遞，分壓梯度大。湍流主體湍流主體 主要依靠渦流擴散，大量旋渦引起的混合作主要依靠渦流擴散，大量旋渦引起的混合作用使得氣相主體內溶質的分壓趨于一致。用使得氣相主體內溶質的分壓趨于一致。液相液相mn氣氣相相 0 zG zG距離距離zpHpi氣氣相相分分壓壓 p氣相有氣相有效膜層效膜層厚度厚度滯流滯流內層內層厚度厚度氣相滯流內層氣相滯流內層相

14、界面相界面五、湍流流體中的對流傳質五、湍流流體中的對流傳質 延長滯流內層的分壓線和氣相主體延長滯流內層的分壓線和氣相主體 的分壓線交于的分壓線交于H點，點，此點與相界面的距離為此點與相界面的距離為zG， 在在zG以內的流動為滯流，其物質以內的流動為滯流，其物質傳遞純屬分子擴散，此虛擬的膜層稱為傳遞純屬分子擴散，此虛擬的膜層稱為有效滯流膜有效滯流膜。 整個有效滯流層的傳質推動力為氣相主體與相界面處的整個有效滯流層的傳質推動力為氣相主體與相界面處的分壓之差，即全部傳質阻力都包含在有效滯流膜層內。分壓之差，即全部傳質阻力都包含在有效滯流膜層內。 五、湍流流體中的對流傳質五、湍流流體中的對流傳質液相液

15、相mn氣氣相相 0 zG zG距離距離zpHpi氣氣相相分分壓壓 p氣相有效膜層厚度氣相有效膜層厚度滯流內層厚度滯流內層厚度氣相滯流內層氣相滯流內層相界面相界面 由氣相主體至相界面的對流傳質速率為（按有效滯流膜層由氣相主體至相界面的對流傳質速率為（按有效滯流膜層內的分子擴散速率計算）內的分子擴散速率計算）)()(iGiBmGAppkpppRTzDPN式中式中 NA溶質溶質A 的對流傳質速率，的對流傳質速率，kmol/(m2s)； zG氣相有效滯流膜層厚度氣相有效滯流膜層厚度,m； kG氣膜吸收系數(shù)；氣膜吸收系數(shù)； p氣相主體中溶質氣相主體中溶質A的分壓的分壓,kPa； pi相界面處溶質相界面處

16、溶質A的分壓的分壓,kPa； pBM惰性組分惰性組分B在氣相主體中與相界面處的分壓的對數(shù)平均在氣相主體中與相界面處的分壓的對數(shù)平均 值值,kPa； 在液相中的傳質速率為在液相中的傳質速率為)()(cckccczCDNiLiSmLA式中式中 zL液相有效滯流膜層厚度，液相有效滯流膜層厚度，m； C液相主體中的溶質液相主體中的溶質A濃度，濃度，kmol/m3； ci相界面處的溶質相界面處的溶質A濃度，濃度， kmol/m3； cSm溶劑溶劑S在液相主題與相界面處的濃度的對數(shù)均在液相主題與相界面處的濃度的對數(shù)均 值，值， kmol/m3； kL液膜吸收系數(shù)或液膜傳質系數(shù)液膜吸收系數(shù)或液膜傳質系數(shù)六、

17、雙膜理論六、雙膜理論（two-film theory）當氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側當氣液兩相接觸時，兩相之間有一個相界面，在相界面兩側分別存在著呈層流流動的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質必分別存在著呈層流流動的穩(wěn)定膜層（有效層流膜層）。溶質必須以分子擴散的形式連續(xù)的通過這兩個膜層，膜層的厚度主要須以分子擴散的形式連續(xù)的通過這兩個膜層，膜層的厚度主要隨流速而變，流速愈大厚度愈小。隨流速而變，流速愈大厚度愈小。在相界面上氣液兩相相互成平衡。在相界面上氣液兩相相互成平衡。在膜層以外的主體內，由于流體的充分湍動，溶質的濃度分在膜層以外的主體內，由于流體的充分湍動，溶質的濃度分布

18、均勻，可認為兩相主體中的濃度梯度為零，即濃度梯度全部布均勻，可認為兩相主體中的濃度梯度為零，即濃度梯度全部集中在兩個有效膜層中。集中在兩個有效膜層中。 用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體用雙膜理論解釋具有固定相界面的系統(tǒng)及速度不高的兩流體間的傳質過程（如濕壁塔），與實際情況是大致相符合的。間的傳質過程（如濕壁塔），與實際情況是大致相符合的。pAcA pA,i cA,i氣氣膜膜液液膜膜相界面相界面氣相主體氣相主體液相主體液相主體傳質方向傳質方向圖圖 雙膜理論示意圖雙膜理論示意圖溶溶質質A在在氣氣相相中中的的分分壓壓溶溶質質A在在液液相相中中的的摩摩爾爾濃濃度度第二節(jié)第二節(jié) 氣體

19、吸收氣體吸收 吸收是氣體混合物與作為吸收劑的液體接觸，使氣體中的吸收是氣體混合物與作為吸收劑的液體接觸，使氣體中的某一或某些組分溶于液體的操作某一或某些組分溶于液體的操作。吸收是分離氣體混合物的吸收是分離氣體混合物的重要單元操作之一。重要單元操作之一。吸收操作的類型吸收操作的類型吸收的定義：吸收的定義：1、按吸收過程是否發(fā)生化學反應分類：物理吸收、化學吸收、按吸收過程是否發(fā)生化學反應分類：物理吸收、化學吸收2、按吸收過程中體系的溫度變化分類：等溫吸收、非等溫吸收、按吸收過程中體系的溫度變化分類：等溫吸收、非等溫吸收3、按被吸收組分的數(shù)目分類：單組分吸收、多組分吸收、按被吸收組分的數(shù)目分類：單組

20、分吸收、多組分吸收本章主要討論低濃度氣體混合物的單組分等溫物理吸收。本章主要討論低濃度氣體混合物的單組分等溫物理吸收。吸收操作流程吸收操作流程第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收一、氣一、氣-液相平衡關系液相平衡關系1、氣體在液體中的溶解度、氣體在液體中的溶解度1）在一定溫度下，氣體組分的溶解度隨該組分在氣相中的平衡）在一定溫度下，氣體組分的溶解度隨該組分在氣相中的平衡分壓的增大而增大；而在相同平衡分壓條件下，氣體組分的溶分壓的增大而增大；而在相同平衡分壓條件下，氣體組分的溶解度則隨溫度的升高而減小。解度則隨溫度的升高而減小。2）在同一溫度下，對于不同種類的氣體組分，欲得到相同濃度）在同一溫度下，對

21、于不同種類的氣體組分，欲得到相同濃度的溶液，易溶氣體僅需控制較低的分壓，而難溶氣體則需較高的溶液，易溶氣體僅需控制較低的分壓，而難溶氣體則需較高分壓。分壓。3）加壓和降溫對吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸。）加壓和降溫對吸收操作有利；反之，升溫和減壓有利于解吸。第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收2、亨利定律、亨利定律 當總壓不高（當總壓不高（5105Pa）時，在一定溫度下，時，在一定溫度下，稀溶液稀溶液上方上方溶質的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關系：溶質的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在著如下的關系： 上式表示溶液中溶質的平衡分壓與它在溶液中的摩爾分率成上式表示溶液中溶質的

22、平衡分壓與它在溶液中的摩爾分率成正比。亨利系數(shù)正比。亨利系數(shù)E值較大表示溶解度較小。一般值較大表示溶解度較小。一般E值隨溫度的值隨溫度的升高而增大。升高而增大。 Pe=EX 式中式中: Pe-溶質在氣相中的平衡分壓溶質在氣相中的平衡分壓, kPa； X-溶質在液相中的摩爾分率溶質在液相中的摩爾分率 E-享利系數(shù)，享利系數(shù)， kPa第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收u亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式EMH 溶液的密度溶液的密度, kg/m3 ； M溶液的平均分子量溶液的平均分子量, kg/kmol 1）氣相用平衡分壓，液相用物質的濃度表示）氣相用平衡分壓，液相用物質的濃度表示 Pe=C/H式中：

23、式中： C-液相中溶質的摩爾濃度液相中溶質的摩爾濃度, kmol/m3 ; H-溶解度系數(shù)溶解度系數(shù), kmol/mkN; 在亨利定律適用的范圍內在亨利定律適用的范圍內,H是溫度的函數(shù)是溫度的函數(shù),而與而與Pe或或C無關。無關。對于一定的溶質和溶劑，對于一定的溶質和溶劑，H值一般隨溫度升高減小。易溶氣體值一般隨溫度升高減小。易溶氣體H值較大，難溶氣體值較大，難溶氣體H值較小。值較小。 第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收2）溶質在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率）溶質在液相和氣相中的濃度分別用摩爾分率x、y表示表示 ye=mx 式中：式中： x溶質在液相中的摩爾分率；溶質在液相中的摩爾分率； ye與

24、該液相成平衡的氣相中溶質的摩爾分率；與該液相成平衡的氣相中溶質的摩爾分率； m相平衡常數(shù)相平衡常數(shù),無因次。無因次。 m=E/P 上式中上式中P為系統(tǒng)總壓，值越大，表示溶解度越小。為系統(tǒng)總壓，值越大，表示溶解度越小。 第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收u亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式3）對于低濃度氣體吸收，兩相的組成通常用物質的量比來表示）對于低濃度氣體吸收，兩相的組成通常用物質的量比來表示xxX1液相中溶劑的摩爾數(shù)液相中溶質的摩爾數(shù)yyY1數(shù)氣相中惰性組分的摩爾氣相中溶質的摩爾數(shù)XmmXYe)1 (1當溶液濃度很低時當溶液濃度很低時,上式右端分母約等于上式右端分母約等于1,于是上式可簡化為

25、于是上式可簡化為: Ye=mX u亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收二、吸收速率方程二、吸收速率方程GiiGiBmGAkppppkpppRTzDPN1)()(液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式LiiLiSmLAkcccckccczCDN1)()( 吸收過程中的吸收過程中的吸收速率吸收速率是指單位時間內，在單位面積上被是指單位時間內，在單位面積上被吸收的溶質量。表明吸收速率與吸收推動力之間關系的數(shù)學吸收的溶質量。表明吸收速率與吸收推動力之間關系的數(shù)學式稱為式稱為吸收速率方程吸收速率方程。氣膜吸收速率方程式氣膜吸收速率方程式第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收界面濃度界

26、面濃度)()(cckppkNiLiGAGLiikkccpp 上式表明，在分壓上式表明，在分壓濃度圖濃度圖上，上，pi-ci關系為過定點關系為過定點D（c，p），），斜率為斜率為-kG/kL的直線。的直線。根據(jù)雙膜理論，界面處的氣液根據(jù)雙膜理論，界面處的氣液濃度符合平衡關系，所以該直濃度符合平衡關系，所以該直線與氣液平衡線的交點即為點線與氣液平衡線的交點即為點（ ci，pi ）0 c ci液相濃度液相濃度D(c,p)(ci,pi) 平衡線pe=f(c) p pi氣氣相相分分壓壓對于定態(tài)傳質，氣液兩膜中的傳質速率應當相等，即對于定態(tài)傳質，氣液兩膜中的傳質速率應當相等，即總吸收速率方程總吸收速率方程

27、 吸收過程的總推動力可采用任何一相的主體濃度與其平衡吸收過程的總推動力可采用任何一相的主體濃度與其平衡濃度的差值來表示。濃度的差值來表示。1）以（）以（p-pe）表示總推動力表示總推動力雙膜理論：雙膜理論： pi=ci/H亨利定律：亨利定律： pe=c/H 液相吸收速率方程液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-pe)氣相吸收速率方程氣相吸收速率方程NA=kG(p-pi)eGLAppkHkN)11(代入代入令令GLGkHkK111式中式中 KG氣相總吸收系數(shù)，氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2skPa) 對于易溶氣體，對于易溶氣體，H值很大，則有：值很大，則有：1/HkL1/k

28、G ，此時傳此時傳質阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略。質阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可以忽略。NA=KG(p-pe)1/KG 1/kG 或或 KG kG 對于氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應該加大氣相湍對于氣膜控制的吸收，要提高總吸收系數(shù)，應該加大氣相湍動程度。動程度。 即氣膜阻力控制著整個吸收過程的速率，吸收總推動力的絕即氣膜阻力控制著整個吸收過程的速率，吸收總推動力的絕大部分用于克服氣膜阻力，此種情況稱為大部分用于克服氣膜阻力，此種情況稱為 “ “氣膜控制氣膜控制”（gas-film control）。）。如：水吸收氨，濃硫酸吸收水蒸氣等過程。如：水吸收氨，濃硫

29、酸吸收水蒸氣等過程。2）以（）以（Ce-C）表示總推動力表示總推動力eGLAppkHkN)11(HcHckHkNeGLA)11(cckHkNeGLA)1(GLLkHkK11令令代入代入NA=KL(ce-c)KL液相總吸收系數(shù)，液相總吸收系數(shù)，m/s 對于難溶氣體，對于難溶氣體，H值很小，則有：值很小，則有：H/kG1/kL ，此時傳質此時傳質阻力的絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略。阻力的絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略。1/KL 1/kL 或或 KL kL 即液膜阻力控制著整個吸收過程的速率，吸收總推動力的絕即液膜阻力控制著整個吸收過程的速率，吸收總推動力的絕大部分用于克服液膜

30、阻力，此種情況稱為大部分用于克服液膜阻力，此種情況稱為 “液膜控制液膜控制”（ liquid-film control ）。如：水吸收氧或氫。）。如：水吸收氧或氫。 對于中等溶解度的氣體，氣膜阻力和液膜阻力都不可忽略，對于中等溶解度的氣體，氣膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高總吸收系數(shù)，必須同時增大氣相和液相的湍動程度。要提高總吸收系數(shù)，必須同時增大氣相和液相的湍動程度。3）以（）以（Y-Ye）表示總推動力表示總推動力分壓定律：分壓定律：p=PyY=y/（1-y）y=Y/（1+Y） YYPp1eeeYYPp1 同理同理式中式中 Ye表示與液相濃度表示與液相濃度X成平衡的氣相濃度成平衡的氣相濃度

31、NA=KG(p-pe)()()1)(1 (eYeeGAYYKYYYYPKN當吸收質在氣相中的濃度很小時，當吸收質在氣相中的濃度很小時，Y和和Ye都很小，則有都很小，則有KY KGP4）以（）以（Xe-X）表示傳質總推動力表示傳質總推動力液相濃度以液相濃度以X表示，與氣相濃度成平衡的液相濃度以表示，與氣相濃度成平衡的液相濃度以Xe表示。表示。)()1)(1 (XXXXCKNeeLA)(XXKNeXA當吸收質濃度在液相中很小時，當吸收質濃度在液相中很小時，Xe和和X都很小，則有都很小，則有)1)(1 (XXCKKeLX令令KX液相總吸收系數(shù)，液相總吸收系數(shù)，kmol/（m2s）KX KLC 、 為

32、推動為推動力力 、 為推動力為推動力 、 為推動力為推動力 氣 膜 NA=kG(p-pi) NA=kY(Y-Yi) kY=PkG/(1+Y)(1+Yi) NA=ky(y-yi) ky=PkG液 膜 NA=kL(ci-c) NA=kX(Xi-X) kX=kLC/(1+Xi)(1+X) NA=kX(xi -X) kX=CkL氣 相 NA=KG(P-Pe)KG=1/(1/kG+1/HkL) 氣膜控制氣膜控制KG=kG NA=KY(Y-Ye) KY=PKG/(1+Y)(1+Ye) KY=1/(1/kY+m/kX) 氣膜控制時氣膜控制時KY=kY NA=Ky(y-ye) Ky=PKG Ky=1/(1/k

33、y+m/kX) 氣膜控制時氣膜控制時Ky=ky 液相 NA=KL(ce -c) KL=1/(H/kG+1/kG) 液膜控制時液膜控制時KL=kL NA=KX(Xe -X) KX=KL. /(1+Xe)(1+X) KX=1/(1/mky+1/kx) 液膜控制時液膜控制時KX=kX NA=Kx(xe-x) Kx=CKL Kx=1/(1/mky+1/kx) 液膜控制時液膜控制時Kx=kx 傳質速率方程式的各種形式傳質速率方程式的各種形式 三、吸收塔的計算三、吸收塔的計算假設：假設： 吸收塔計算的內容主要是通過物料衡算及操作線方程，確吸收塔計算的內容主要是通過物料衡算及操作線方程，確定吸收劑的用量和塔

34、設備的主要尺寸（塔徑和塔高）。定吸收劑的用量和塔設備的主要尺寸（塔徑和塔高）。 吸收操作多采用逆流；吸收操作多采用逆流；低濃度氣體吸收；低濃度氣體吸收；吸收是在等溫下進行；吸收是在等溫下進行；傳質分系數(shù)傳質分系數(shù)kG、kL在全塔為常數(shù)；在全塔為常數(shù)；傳質總系數(shù)傳質總系數(shù)KG或或KL也可認為是常數(shù)。也可認為是常數(shù)。第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收1、吸收塔的物料衡算、吸收塔的物料衡算V，Y1L，X1Y XV，Y2L，X2mn 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算第二節(jié)第二節(jié) 氣體吸收氣體吸收 對全塔來說，氣體混合物經(jīng)過吸收塔后，吸收質的減少量對全塔來說，氣體混合物經(jīng)過吸收塔后，吸收質的減少量等

35、于液相中吸收質的增加量，即：等于液相中吸收質的增加量，即：V(Y1 - Y2 ) = L(X1 - X2 ) Y2=Y1（1-A）式中：式中： V惰性氣體的摩爾流量惰性氣體的摩爾流量, Kmol/S L吸收劑摩爾流量吸收劑摩爾流量, Kmol/S Y1 、Y2 分別為吸收塔的塔底和塔頂?shù)囊合啾饶柗致剩环謩e為吸收塔的塔底和塔頂?shù)囊合啾饶柗致剩?X1、X2分別為吸收塔的塔底和塔頂?shù)囊合啾饶柗致?；分別為吸收塔的塔底和塔頂?shù)囊合啾饶柗致剩?A混合氣體中溶質混合氣體中溶質A被吸收的百分率，稱為吸收率或回收率被吸收的百分率，稱為吸收率或回收率 現(xiàn)取塔內任一截面與塔底（圖中的虛線范圍）作溶質現(xiàn)取塔內

36、任一截面與塔底（圖中的虛線范圍）作溶質的物料衡算，的物料衡算， 即：即：)(11XVLYXVLY)(22XVLYXVLYV(Y1 - Y) = L(X1 - X) 式中：式中： Y、Y1 分別為分別為m-n截面和塔底氣相中溶質的比摩爾分率，截面和塔底氣相中溶質的比摩爾分率， Kmol(溶質溶質)/Kmol(惰性氣體惰性氣體)； X、X1分別為分別為m-n截面和塔底液相中溶質的比摩爾分率，截面和塔底液相中溶質的比摩爾分率， Kmol(溶質溶質)/Kmol(溶劑溶劑)。 同理，可得同理，可得上兩式稱為上兩式稱為吸收操作線方程式吸收操作線方程式。 0 X2 X X1Y1YY2TABYe=f（X） 在

37、任一截面上的氣相濃度在任一截面上的氣相濃度Y與液相濃度與液相濃度X之間成直線關系，之間成直線關系，直線的斜率為直線的斜率為L/V，過點過點B（X1，Y1）和和T（X2，Y2）兩點。兩點。端點端點B代表塔底端面，稱為代表塔底端面，稱為“濃端濃端”，端點，端點T代表塔頂端面，代表塔頂端面，稱為稱為“稀端稀端”。 說明：說明： 2 2、在進行實際吸收操作時，在塔內任一截面上，溶質在氣、在進行實際吸收操作時，在塔內任一截面上，溶質在氣相中的實際分壓總高于與其接觸的液相的平衡分壓，故吸收相中的實際分壓總高于與其接觸的液相的平衡分壓，故吸收操作線總位于平衡線上方；若在下方，則為脫吸。操作線總位于平衡線上方

38、；若在下方，則為脫吸。 3 3、吸收操作線方程是從溶質的物料平衡關系出發(fā)而推得的、吸收操作線方程是從溶質的物料平衡關系出發(fā)而推得的關系式，它只取決于氣液兩相的流量、以及吸收塔內某關系式，它只取決于氣液兩相的流量、以及吸收塔內某截面上的氣液濃度，而與相平衡關系、塔的類型、相際接觸截面上的氣液濃度，而與相平衡關系、塔的類型、相際接觸情況及操作條件無關。此式應用的唯一必要條件是穩(wěn)定狀態(tài)情況及操作條件無關。此式應用的唯一必要條件是穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)逆流操作。下連續(xù)逆流操作。 1 1、上述操作關系是針對逆流操作而言的，在并流操作情況、上述操作關系是針對逆流操作而言的，在并流操作情況下，吸收塔的操作線方程以及

39、操作線可以用相同的方法求得。下，吸收塔的操作線方程以及操作線可以用相同的方法求得。2、吸收劑的用量、吸收劑的用量L與最小液氣比與最小液氣比0 X2 X1Y1Y2TBYe=f（X）B 操作線的斜率操作線的斜率V/L稱為稱為“液氣比液氣比”，是溶劑與惰性氣體摩，是溶劑與惰性氣體摩爾流量的比值。它反映單位氣體處理量的溶劑耗用量大小。爾流量的比值。它反映單位氣體處理量的溶劑耗用量大小。 如左圖所示，在如左圖所示，在V、Y1、Y2及及X2已知的情況下，吸收已知的情況下，吸收操作線的一個端點操作線的一個端點T已固定，已固定，另一個端點另一個端點B則在則在Y=Y1上移上移動，點動，點B的橫坐標由操作線的橫坐

40、標由操作線的斜率的斜率V/L決定。決定。 當塔底流出的吸收液與剛進塔的混合氣體呈平衡狀態(tài)時，吸當塔底流出的吸收液與剛進塔的混合氣體呈平衡狀態(tài)時，吸收的推動力為零。此種狀況下，吸收操作線的斜率稱為收的推動力為零。此種狀況下，吸收操作線的斜率稱為最小液最小液氣比氣比，以，以(L/V)min。相應的吸收劑用量為最小吸收劑用量，用相應的吸收劑用量為最小吸收劑用量，用Lmin表示。表示。 增大吸收劑用量可以使吸收推動力增大，達到一定限度后，增大吸收劑用量可以使吸收推動力增大，達到一定限度后，效果變得不明顯，而溶劑的消耗、輸送及回收等項操作費用急效果變得不明顯，而溶劑的消耗、輸送及回收等項操作費用急劇增加

41、。劇增加。吸收劑用量的選擇吸收劑用量的選擇：應從設備費與操作費兩方面綜合考慮，選：應從設備費與操作費兩方面綜合考慮，選擇適宜的液氣比，使兩種費用之和最小。擇適宜的液氣比，使兩種費用之和最小。L/V=(1.11.2)(L/V)min 或或 L= (1.11.2) Lmin圖解法求最小液氣比圖解法求最小液氣比2121min)(XXYYVLe2121minXXYYVLe1）平衡線為凹形）平衡線為凹形 根據(jù)水平線根據(jù)水平線Y=Y1與平衡線的交點與平衡線的交點B 的的橫坐標橫坐標Xe1求出。求出。0 X2 X1Y1Y2TBYe=f（X）B2）平衡線為凸形）平衡線為凸形2121min)(XXYYVL212

42、1minXXYYVL步驟：過點步驟：過點T作平衡線的作平衡線的切線，找出水平線切線，找出水平線Y=Y1與切線的交點與切線的交點B，讀出讀出B的橫坐標的橫坐標X1，再按下再按下式計算。式計算。0 X2 X1Y1Y2TBYe=f（X）B 若氣液濃度都很低，平衡關系符合亨利定律，可用若氣液濃度都很低，平衡關系符合亨利定律，可用Ye=mX表示，可直接用下式計算出最小液氣比，即表示，可直接用下式計算出最小液氣比，即2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL例例 在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的SO2。氣體處理量為氣體處理量為1

43、.20m3（標準）標準）s-1，進塔氣體中含進塔氣體中含SO2 8%（體積（體積百分數(shù)），要求百分數(shù)），要求SO2的吸收率為的吸收率為85%，在該吸收操作條件下的相，在該吸收操作條件下的相平衡關系平衡關系Ye=26.7X，用水量為最小用量的用水量為最小用量的1.5倍。試求：倍。試求： （1）用水量為多少？）用水量為多少？ （2）若吸收率提高至）若吸收率提高至90%，用水量又為多少？，用水量又為多少？11331329.49)08. 01 ()(104 .22)(20. 1smolmolmsmV087. 008. 0108. 01111yyY解解：惰性氣體量為：惰性氣體量為（1）當吸收率為）當吸收

44、率為85%時時68.22010258. 30131. 0087. 0)(32121minXXYYVLe實際液氣比實際液氣比 最小液氣比最小液氣比Y2=Y1（1-A）=0.087(1-0.85)=0.0131Xe1=Y1/26.7=0.087/26.7=3.258 10-3X2=0（清水）清水）L=34.02V=34.02 49.29=1677mols-1=0.03m3 s-1L/V=1.5(L/V)min =1.5 22.68=34.02實際用水量實際用水量 （2）若吸收率提高至）若吸收率提高至90%，出塔氣體濃度為，出塔氣體濃度為Y2，則最小液氣比則最小液氣比03.247 .269 . 00)1 ()(1112121minmmYYYXXYYV