譚天恩版化工原理第九章-吸收

01-2月-23第五章

吸收一、吸收的有關(guān)概念二、吸收在工業(yè)上的應(yīng)用三、吸收的分類四、吸收的流程和溶劑五、相組成表示方法第一節(jié)

概述01-2月-23傳質(zhì)過程：物質(zhì)在相際間的轉(zhuǎn)移——物質(zhì)傳遞過程傳質(zhì)過程的依據(jù)：混合物中各組分在兩相間平衡分配不同。以傳質(zhì)過程為特征的單元操作在化工升中應(yīng)用甚廣。如：(1)氣體吸收：依據(jù)氣體組分在液相中的溶解度差別來處理氣體混合物。(2)液體蒸餾:加熱液體混合物，利用混合物不同組分揮發(fā)性的差異，使得液體混合物得以分離。(3)液液萃?。阂后w組分在溶劑中的溶解度差別來分離液體混合物。(4)固體干燥：對含有一定濕份（液體）的固體提供一定的熱量，使之汽化，從固體的表面或內(nèi)部轉(zhuǎn)入氣相。一、吸收的有關(guān)概念01-2月-23

混合氣體與適當(dāng)?shù)囊后w接觸，氣體中的一個(gè)或幾個(gè)組分溶解在該液體內(nèi)形成溶液，不能夠溶解的組分則保留在氣相中，這樣使得原混合氣體得以分離。這種利用各組分溶解度不同而分離氣體混合物的操作稱為吸收。

混合氣體中能溶解的組分稱為溶質(zhì)，以A表示；

不被吸收的組分稱為惰性組分，以B表示；

吸收操作所用的溶劑稱為吸收劑，以S表示。

01-2月-23二、吸收在工業(yè)上的應(yīng)用1.分離混合氣體以獲得一定的組分;（液態(tài)烴處理裂解氣回收其中的乙烯、丙烯等）2.除去有害組分以凈化或精制氣體;（用水或堿液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳）3.制備某種氣體的溶液;（用水吸收氯化氫制取鹽酸、用水吸收甲醛以制備福爾馬林溶液等）4.工業(yè)廢氣的治理。（工業(yè)廢氣中含有的SO2、NOx等有害成分需在排放前進(jìn)行處理）01-2月-23三、吸收的分類1.物理吸收和化學(xué)吸收；溶質(zhì)與溶劑是否有明顯的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生2.單組分吸收和多組分吸收；被吸收的組分的數(shù)目3.等溫吸收和非等溫吸收；熱效應(yīng)是否顯著或設(shè)備散熱狀況4.高濃度吸收和低濃度吸收。

混合物中氣體的濃度01-2月-23四、吸收的流程、溶劑的選擇吸收與解吸流程含苯煤氣脫苯煤氣洗油苯水過熱蒸汽加熱器冷卻器01-2月-231.溶解度：對溶質(zhì)組分應(yīng)具有較大的溶解度2.選擇性高：對混合氣體中的其他組分基本不吸收3.揮發(fā)性?。簻p少溶劑的用量，避免引入新雜質(zhì)4.黏度低：便于運(yùn)輸；比熱?。涸偕鷷r(shí)節(jié)能；發(fā)泡性低：減少設(shè)備的尺寸。5.腐蝕性低：減少設(shè)備費(fèi)用。6.化學(xué)穩(wěn)定性高；7.無毒、無害、價(jià)廉、易于再生等。溶劑選擇要求：總的選擇原則是：經(jīng)濟(jì)、合理。01-2月-23五、相組成表示法1、質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)：在混合物中某組分的質(zhì)量占混合物總質(zhì)量的分?jǐn)?shù)。摩爾分?jǐn)?shù)：在混合物中某組分的摩爾數(shù)占混合物總摩爾數(shù)的分?jǐn)?shù)。01-2月-23氣相：液相：質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系：01-2月-232、質(zhì)量比與摩爾比質(zhì)量比：混合物中某組分A的質(zhì)量與惰性組分B

（不參加傳質(zhì)的組分）的質(zhì)量之比。摩爾比：混合物中某組分的摩爾數(shù)與惰性組分摩爾數(shù)之比。氣相：液相：01-2月-23質(zhì)量分?jǐn)?shù)與質(zhì)量比的關(guān)系：摩爾分?jǐn)?shù)與摩爾比的關(guān)系：01-2月-233、質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度質(zhì)量濃度：單位體積混合物中某組分的質(zhì)量。物質(zhì)的量濃度：單位體積混合物中某組分的摩爾數(shù)。質(zhì)量濃度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系：濃度與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系(c為混合物的總濃度)01-2月-234、氣體總壓與理想氣體中組分的分壓總壓與某組分分壓之間的關(guān)系:摩爾比與分壓之間的關(guān)系:摩爾濃度與分壓之間的關(guān)系:01-2月-23第五章

吸收一、氣體的溶解度二、亨利定律三、氣液相平衡與吸收過程的關(guān)系

第二節(jié)

氣液相平衡01-2月-23一、氣體的溶解度

1、氣體在液體中溶解度的概念氣體在液相中的溶解度：

表明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度。

2、溶解度曲線

氣體在液體中的飽和濃度

對于單組分物理吸收，由相律知

01-2月-23在總壓不高，P<5atm時(shí)

總壓不高、一定溫度下液相組成是氣相組成的單值函數(shù)

同理，一定溫度下的氣相平衡分壓是液相組成的函數(shù)：

01-2月-2301-2月-2301-2月-2301-2月-23吸收劑、溫度T、P一定時(shí)，不同物質(zhì)的溶解度不同。

對于同一種氣體，分壓一定時(shí)，溫度T越高，溶解度越小。對于同一種氣體，溫度T一定時(shí)，分壓P越大，溶解度越大。加壓和降溫對吸收操作有利。

01-2月-23二、亨利定律1、亨利定律

——稀溶液E——亨利常數(shù)，單位與壓力單位一致。

E值取決于物系的特性及溫度；對于一定的氣體和一定的溶劑，溫度T上升，E值增大，溶解度下降；在同一溶劑中，E值越大的氣體越難溶。2、亨利定律的其他表示形式1）用溶質(zhì)A在溶液中的摩爾濃度和氣相中的分壓表示的亨利定律

01-2月-23H——溶解度系數(shù)，單位：kmol/m3·Pa或kmol/m3·atm。

H是溫度的函數(shù)，H值隨溫度升高而減小。易溶氣體H值大，難溶氣體H值小。溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E間的關(guān)系設(shè)溶液的密度為

，濃度為

，則

或01-2月-23對于亨利定律適用的稀溶液，

2)用氣、液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)表示的亨利定律m——相平衡常數(shù)，無量綱，是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)。

溫度升高、總壓下降則m值變大，m值越大，表明氣體的溶解度越小。

01-2月-23相平衡常數(shù)m與亨利系數(shù)E的關(guān)系

由分壓定律知：由亨利定律：即：01-2月-233）用摩爾比Y和X分別表示氣液兩相組成的亨利定律a)

摩爾比定義：

01-2月-23當(dāng)溶液濃度很低時(shí)，X≈0，上式簡化為：由01-2月-23亨利定律的各種表達(dá)式所描述的都是互成平衡的氣液兩相組成間的關(guān)系，他們既可以用來根據(jù)液相組成計(jì)算平衡的氣相組成，同樣可用來根據(jù)氣相組成來計(jì)算平衡的液相組成，于是上述幾種表達(dá)式可改寫為：（稀溶液）01-2月-23例：在常壓及20℃下，測得氨在水中的平衡數(shù)據(jù)為：0.5gNH3溶于100gH2O形成的稀氨水溶液，溶液上方的平衡分壓為400Pa，在該濃度范圍下相平衡關(guān)系可用亨利定律表示，試求亨利系數(shù)E，溶解度系數(shù)H，及相平衡常數(shù)m。（氨水密度可取為1000kg/m3）01-2月-23∴亨利系數(shù)為∴相平衡常數(shù)解：由亨利定律表達(dá)式知：又，而01-2月-23∴溶解度系數(shù)為：或由各系數(shù)間的關(guān)系求出其它系數(shù)01-2月-23三、氣液相平衡與吸收過程的關(guān)系

1、判斷過程的方向

例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的氣液相平衡關(guān)系為：，若含氨0.094摩爾分?jǐn)?shù)的混合氣和組成的氨水接觸,確定過程的方向。解：用相平衡關(guān)系確定與實(shí)際氣相組成成平衡的液相組成01-2月-23將其與實(shí)際組成比較：∴氣液相接觸時(shí)，氨將從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程?；蛘呃孟嗥胶怅P(guān)系確定與實(shí)際液相組成成平衡的氣相組成將其與實(shí)際組成比較：∴氨從氣相轉(zhuǎn)入液相，發(fā)生吸收過程。若含氨0.02摩爾分?jǐn)?shù)的混合氣和x=0.05的氨水接觸，則01-2月-23氣液相接觸時(shí)，氨由液相轉(zhuǎn)入氣相，發(fā)生解吸過程。此外，用氣液相平衡曲線圖也可判斷兩相接觸時(shí)的傳質(zhì)方向具體方法：已知相互接觸的氣液相的實(shí)際組成y和x，在x-y坐標(biāo)圖中確定狀態(tài)點(diǎn)，若點(diǎn)在平衡曲線上方，則發(fā)生吸收過程；若點(diǎn)在平衡曲線下方，則發(fā)生解吸過程。01-2月-232、吸收過程的推動(dòng)力

3、確定過程的極限

所謂過程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的最大可能性。對于吸收(脫吸)而言，其極限為氣液相平衡。、y-

y*、x*

-x、、Y-

Y*·APYY*XX*01-2月-23組成為y1的混合氣塔高無限減少吸收劑用量L塔底x1增加極限組成為：組成為y1的混合氣塔高無限增加吸收劑用量L塔頂y2降低極限組成為：V，y2V，y1L，x2L，x101-2月-23第五章

吸收一、分子擴(kuò)散與菲克定律二、氣相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散三、擴(kuò)散系數(shù)四、對流傳質(zhì)五、吸收機(jī)理——雙膜理論六、吸收速率方程式第三節(jié)

傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率01-2月-23吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個(gè)步驟：溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞；溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生的溶解過程；溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機(jī)理分子擴(kuò)散：分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)而傳遞物質(zhì)渦流擴(kuò)散：流體的湍動(dòng)和漩渦而傳遞物質(zhì)01-2月-23一、分子擴(kuò)散與菲克定律

1、分子擴(kuò)散：在靜止或滯流流體內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。

01-2月-232）菲克定律：溫度、總壓一定，組分A在擴(kuò)散方向上任一點(diǎn)處的擴(kuò)散通量與該處A的濃度梯度成正比。單位面積上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)量，單位：kmol/(m2.s)。2．菲克定律

——用來描述擴(kuò)散速率的規(guī)律1）擴(kuò)散通量：

DAB——組分A在B組分中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。理想氣體：=01-2月-23二、氣相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散

1．等摩爾相互擴(kuò)散1）等摩爾相互擴(kuò)散

例如精餾過程JAJBTppA2pB2TppA1pB11201-2月-23等摩爾相互擴(kuò)散：任一截面處兩個(gè)組分的擴(kuò)散速率大小相等，方向相反。

總壓一定=

JA=－JB

DAB=DBA=D01-2月-232）傳質(zhì)速率單位時(shí)間通過單位固定截面的A物質(zhì)量，稱為A的傳遞速率，以NA表示。單位：kmol/(m2·s)

分離變量并進(jìn)行積分，積分限為：01-2月-23傳質(zhì)速率為：對于液相則有傳質(zhì)速率為：NA=同理，B傳質(zhì)速率為為：01-2月-233）討論（1）（2）組分的濃度與擴(kuò)散距離z成直線關(guān)系。ppB1pA1pA2pB2擴(kuò)散距離z0zp（3）等摩爾相互擴(kuò)散發(fā)生在蒸餾過程中。01-2月-23例：如圖8-3，左右兩個(gè)大容器內(nèi)分別裝有濃度不同的NH3和N2的混合物，連通管長0.61m，內(nèi)徑為24.4mm，系統(tǒng)溫度為25℃，壓力為101.3kPa，左側(cè)NH3分壓為20kPa，右側(cè)NH3分壓為6.67kPa，已知在系統(tǒng)條件下NH3-N2的擴(kuò)散系數(shù)為2.3×10-5m2·s-1.試求(1)單位時(shí)間內(nèi)自左容器向右容器傳遞的NH3的量，kmol/s；(2)連通管中與截面1相距0.305m處的NH3的分壓，kPa。01-2月-23例如吸收2、單向擴(kuò)散(一組分通過另一“停滯”組分的擴(kuò)散)1）單向擴(kuò)散01-2月-23總體流動(dòng)中物質(zhì)B向右傳遞的通量為而即2）傳遞速率設(shè)總體流動(dòng)通量為N則總體流動(dòng)中物質(zhì)A向右的通量為：01-2月-23將和代入若擴(kuò)散在氣相中進(jìn)行，則：微分式

01-2月-23即分離變量后積分積分式

01-2月-23——漂流因數(shù)，無因次。反映總體流動(dòng)對傳質(zhì)速率的影響。因P＞pBm，所以漂流因數(shù)積分式

01-2月-233）.討論（1）組分A的濃度與擴(kuò)散距離z為指數(shù)關(guān)系（2）、——漂流因數(shù)，無因次漂流因數(shù)意義：其大小反映了總體流動(dòng)對傳質(zhì)速率的影響程度，其值為總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率較單純分子擴(kuò)散增大的倍數(shù)。（3）單向擴(kuò)散體現(xiàn)在吸收過程中。

例：

設(shè)法改變條件，使得前例所示的聯(lián)通裝置中發(fā)生NH3通過停滯的N2而向截面2穩(wěn)定擴(kuò)散的過程，且維持1、2截面上NH3的分壓和系統(tǒng)的溫度、壓力仍與上例數(shù)值相同，再求上述問題。對于液相中的單向擴(kuò)散的傳質(zhì)速率關(guān)系式：Csm—1、2截面上溶劑S濃度的對數(shù)均值D—溶質(zhì)A在溶劑中的擴(kuò)散系數(shù)01-2月-23三、擴(kuò)散系數(shù)

擴(kuò)散系數(shù)的意義：單位濃度梯度下的擴(kuò)散通量，反映某組分在一定介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一；D，m2/s。D的影響因素：A、B、T、P、濃度D的來源：查手冊；半經(jīng)驗(yàn)公式；測定對于氣體中的擴(kuò)散，濃度的影響可以忽略；對于液體中的擴(kuò)散，濃度的影響不可忽略，而壓力的影響不顯著。01-2月-23四、對流傳質(zhì)

分子擴(kuò)散現(xiàn)象只存在與靜止流體和層流流體中，而工業(yè)中常見的是物質(zhì)在湍流流體中的對流傳質(zhì)現(xiàn)象，與傳熱相似，對流傳質(zhì)通常指的流體與某一界面之間的傳質(zhì)。對流傳質(zhì)包括分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散。渦流擴(kuò)散是憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和漩渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象，傳質(zhì)過程中，渦流擴(kuò)散遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散。01-2月-231、渦流擴(kuò)散憑籍流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象。仿照菲克定律，渦流擴(kuò)散通量為：注意：渦流擴(kuò)散系數(shù)與分子擴(kuò)散系數(shù)不同，不是物性常數(shù)，其值與流體流動(dòng)狀態(tài)及所處的位置有關(guān)?！獪u流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s?！獪u流擴(kuò)散速率，kmol/(m2·s)；01-2月-23在吸收設(shè)備內(nèi)，吸收劑自上而下，混合氣自下而上流過液體表面：2、對流傳質(zhì)流動(dòng)流體與兩相界面之間的傳質(zhì)01-2月-23兩股逆流的流體在液體表面進(jìn)行接觸傳質(zhì)，上圖考查穩(wěn)定操作狀況下吸收設(shè)別內(nèi)任一橫截面m-n處相界面的氣相一側(cè)溶質(zhì)A濃度分布情況。層流內(nèi)層，溶質(zhì)A的傳遞靠分子擴(kuò)散，故分壓梯度較大，p-z曲線陡峭；過渡區(qū)，受到渦流擴(kuò)散的作用，分壓梯度變小，p-z曲線逐漸平緩；湍流主體區(qū)，強(qiáng)烈的渦流擴(kuò)散作用，分壓梯度幾乎為零，p-z為一水平線。01-2月-23有效膜模型單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力全部集中在一層虛擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴(kuò)散。有效膜厚zG由層流內(nèi)層濃度梯度線延長線與流體主體濃度線相交于一點(diǎn)H，則厚度zG為H到相界面的垂直距離。——以分壓差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa）。

(1)氣相對流傳質(zhì)速率方程01-2月-23=傳質(zhì)系數(shù)×吸收的推動(dòng)力氣相對流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：——以氣相摩爾分率表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)，

kmol/（m2·s）；

——以氣相摩爾比差表示推動(dòng)力的氣相傳質(zhì)系數(shù)，

kmol/（m2·s）；

01-2月-23(2)液相對流傳質(zhì)速率方程液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：kL——以液相組成摩爾濃度表示推動(dòng)力的液相對流傳質(zhì)分系數(shù)，m／s；——以液相組成摩爾分率表示推動(dòng)力的液相對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2·s）；01-2月-23五、吸收機(jī)理——雙膜理論

1、雙膜理論相互接觸的氣液兩相間有一個(gè)穩(wěn)定的界面，界面上沒有傳質(zhì)阻力，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。界面兩側(cè)分別存在著兩層膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜，這兩層膜均很薄，膜內(nèi)的流體是層流流動(dòng)，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳質(zhì)。膜外的氣液相主體中，流體流動(dòng)的非常劇烈，溶質(zhì)的濃度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計(jì)，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。01-2月-2301-2月-23六、吸收傳質(zhì)速率方程式

吸收傳質(zhì)速率：單位面積，單位時(shí)間內(nèi)吸收的溶質(zhì)A的摩爾數(shù)，用NA表示，單位通常用kmol/m2.s。吸收傳質(zhì)速率方程：吸收速率與吸收推動(dòng)力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)式吸收速率=傳質(zhì)系數(shù)×推動(dòng)力

1、氣膜吸收速率方程式

01-2月-23令——?dú)饽の账俾史匠淌健獨(dú)饽の障禂?shù)，kmol/(m2.s.Pa)。也可寫成：01-2月-23當(dāng)氣相的組成以摩爾分率表示時(shí)—以表示的氣膜吸收系數(shù)，knoll/(m2.s)。當(dāng)氣相組成以摩爾比濃度表示時(shí)—以表示推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。01-2月-232、液膜吸收速率方程式

令或——液膜吸收速率方程—以為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，m/s；01-2月-23當(dāng)液相的組成以摩爾分?jǐn)?shù)表示時(shí)—以為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。當(dāng)液相組成以摩爾比濃度表示時(shí)—以為推動(dòng)力的液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)。01-2月-233、界面濃度當(dāng)已知兩相組成的平衡關(guān)系，如和上式聯(lián)立便可求出01-2月-23pcAIcipi01-2月-234、總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程式1）以氣相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式a）以△p為推動(dòng)力的吸收速率方程

—以為推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s.Pa)—與液相主體濃度c成平衡的氣相分壓，Pa。01-2月-23

b）以△y為推動(dòng)力的吸收速率方程2）以液相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式—以△y為推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s)。a）以△c為推動(dòng)力的吸收速率方程—以△c為推動(dòng)力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，m/s01-2月-23b）以△x為推動(dòng)力的吸收速率方程—以△x為推動(dòng)力的液相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s)3）用摩爾比濃度為總推動(dòng)力的吸收速率方程式適用條件：溶質(zhì)濃度很低時(shí)

a）以表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式—以為推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s)01-2月-23b）以表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式—以為推動(dòng)力的液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)5、各種吸收系數(shù)之間的關(guān)系1）總系數(shù)與分系數(shù)的關(guān)系

01-2月-23由亨利定律：

01-2月-23分別為總阻力、氣膜阻力和液膜阻力即總阻力=氣膜阻力+液膜阻力同理01-2月-23在溶質(zhì)濃度很低時(shí)2）總系數(shù)間的關(guān)系a）氣相總吸收系數(shù)間的關(guān)系01-2月-23當(dāng)溶質(zhì)在氣相中的濃度很低時(shí)b）液相總傳質(zhì)系數(shù)間的關(guān)系c）氣相總吸收系數(shù)與液相總吸收系數(shù)的關(guān)系01-2月-233）各種分系數(shù)間的關(guān)系6、傳質(zhì)速率方程的分析

1）溶解度很大時(shí)的易溶氣體——?dú)饽た刂铺岣邆髻|(zhì)速率的措施：提高氣體流速；加強(qiáng)氣相湍流程度。01-2月-23H較大，易溶氣體氣膜控制的特點(diǎn)：.pAGIpAicAcAi液膜控制的特點(diǎn)：H較小，難溶氣體01-2月-232）溶解度很小時(shí)的難溶氣體當(dāng)H很小時(shí)，——液膜控制3）對于溶解度適中的氣體吸收過程氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高過程速率，必須兼顧氣液兩端阻力的降低。提高傳質(zhì)速率的措施：提高液體流速；加強(qiáng)液相湍流程度。01-2月-23小結(jié)：吸收速率方程與膜系數(shù)相對應(yīng)的傳質(zhì)速率式與總系數(shù)對應(yīng)的傳質(zhì)速率式用一相主體與界面的濃度差表示推動(dòng)力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動(dòng)力01-2月-2301-2月-23注意：吸收傳質(zhì)系數(shù)的單位；吸收系數(shù)與吸收推動(dòng)力的正確搭配；阻力的表達(dá)形式與推動(dòng)力的表達(dá)形式的對應(yīng)；吸收速率方程的適用條件；各種吸收系數(shù)間的關(guān)系；氣膜控制與液膜控制的條件。01-2月-23【例】常壓下操作吸收塔某截面上氣液兩相主體中分壓和濃度分別為0.03atm和1kmol/m3，已知?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)kG=5×10-4kmol/(m2·s·Pa)，液相傳質(zhì)系數(shù)kL=1.5×10-4m/s，平衡關(guān)系可用亨利定律表示，且H=73.7kmol/(m3·atm)，試計(jì)算：1）以分壓差表示的總推動(dòng)力、總傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)速率；2）以摩爾分?jǐn)?shù)差表示總推動(dòng)力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)；3）氣膜與液膜阻力的相對大?。辉撨^程屬于什么過程。4）氣液界面上的兩相組成。01-2月-23第五章

吸收一、物料衡算與操作線方程

二、吸收劑用量的確定三、塔徑的計(jì)算

四、填料層高度的計(jì)算

五、理論板層數(shù)的計(jì)算六、吸收的操作型計(jì)算

第四節(jié)

吸收塔的計(jì)算01-2月-23操作型：核算；操作條件與吸收結(jié)果的關(guān)系計(jì)算依據(jù)：物料衡算；相平衡；吸收速率方程。吸收塔的計(jì)算內(nèi)容：設(shè)計(jì)型：流向、流程、吸收劑用量、吸收劑濃度、塔高(填料層高度)、塔徑01-2月-23具體的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般的已知條件為：1）氣體混合物中溶質(zhì)A的組成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s)2）吸收劑的種類及T、P下的相平衡關(guān)系；3）出塔的氣體組成需要計(jì)算：1）吸收劑的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工藝尺寸，塔徑和填料層高度01-2月-23一、吸收塔的物料衡算與操作線方程

1、物料衡算

目的：確定各物流之間的量的關(guān)系以及設(shè)備中任意位置兩物料組成之間的關(guān)系。對單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)出吸收塔的A的物質(zhì)量作衡算V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，X逆流吸收01-2月-23吸收率：混合氣中溶質(zhì)A被吸收的百分率2、吸收塔的操作線方程式與操作線對于逆流吸收：為了得到塔內(nèi)任意截面處相互接觸的氣液組成間的關(guān)系，在m—n截面與塔底截面之間作組分A的衡算01-2月-23——逆流吸收塔操作線方程在m—n截面與塔頂截面之間作組分A的衡算——逆流吸收塔操作線方程表明：塔內(nèi)任一截面的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關(guān)系，直線的斜率為L/V。01-2月-23逆流吸收操作線具有如下特點(diǎn)：XY1Y2X1X2ABY01-2月-23（3）操作線僅與液氣比、濃端及稀端組成有關(guān)，與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、塔型及操作條件T、p無關(guān)。（2）操作線通過塔頂（稀端）A

（X2，Y2）及塔底（濃端）B

（X1，Y1）;（1）穩(wěn)定態(tài)，L、V、Y1、X2恒定，操作線在X～Y

坐標(biāo)上為一直線，斜率為L/V。L/V為吸收操作的液氣比；01-2月-23（5）平衡線與操作線共同決定吸收推動(dòng)力。操作線離平衡線愈遠(yuǎn)吸收的推動(dòng)力愈大；（4）吸收操作線在平衡線的上方，解吸操作線在平衡線OE下方。XABYK.YXX*Y*01-2月-23對于并流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX=VY2+LX2Y2Y1X2X1ABXY逆流與并流的比較：1）逆流推動(dòng)力均勻，且2）Y1大，逆流時(shí)Y1與X1在塔底相遇有利于提高X1；

X2小，逆流時(shí)Y2與X2在塔頂相遇有利于降低Y2。01-2月-23二、吸收劑用量的確定液氣比Y1L/VBB*最小液氣比01-2月-231、最小液氣比最小液氣比定義：針對一定的分離任務(wù)，操作條件和吸收物系一定，塔內(nèi)某截面吸收推動(dòng)力為零，達(dá)到分離程度所需塔高無窮大時(shí)的液氣比。用表示。最小液氣比的計(jì)算(1)平衡曲線一般情況X*1——與Y1相平衡的液相組成。01-2月-23平衡關(guān)系符合亨利定律時(shí)：(2)平衡曲線為凸形曲線情況01-2月-232、操作液氣比01-2月-23例：空氣與氨的混合氣體，總壓為101.33kPa，其中氨的分壓為1333Pa，用20℃的水吸收混合氣中的氨，要求氨的回收率為99%，每小時(shí)的處理量為1000kg空氣。物系的平衡關(guān)系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的2.0倍，試求每小時(shí)送入塔內(nèi)的水量。溶液濃度(gNH3/100gH2O)2氨氣分壓Pa160001-2月-23分析：求水量吸收劑用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常數(shù)解：1）平衡關(guān)系01-2月-232）最小吸收劑用量：其中：01-2月-233）每小時(shí)用水量01-2月-23【例】含SO2的混合氣體送入填料吸收塔中，用清水洗滌以除去其中的SO2。吸收塔的操作溫度為20℃，壓力為101.3kPa?；旌蠚獾牧髁繛?000m3/h，其中含SO2體積百分?jǐn)?shù)為9%，要求SO2的回收率為90%。若吸收劑用量為理論最小用量的1.2倍，試計(jì)算：已知101.3kPa，20℃條件下SO2在水中的平衡數(shù)據(jù)與Y1相平衡的液相組成=0.0032

（1）吸收劑用量及塔底吸收液的組成X1；01-2月-23（2）當(dāng)用含SO20.0003（摩爾比）的水溶液作吸收劑時(shí)，保持二氧化硫回收率不變，吸收劑用量比原情況增加還是減少？塔底吸收液組成變?yōu)槎嗌伲?1-2月-23三、塔徑的計(jì)算

—空塔氣速

在吸收過程中，溶質(zhì)不斷進(jìn)入液相，混合氣體量由塔底至塔頂逐漸減小，計(jì)算時(shí)一般應(yīng)以塔底的氣量為依據(jù)。

計(jì)算塔徑的關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速。該問題將會(huì)在課程設(shè)計(jì)中遇到。01-2月-23四、填料層高度的計(jì)算

1、填料層高度的基本計(jì)算式

填料層體積取決于完成規(guī)定任務(wù)所需要的總傳質(zhì)面積和每立方米填料層所能提供的氣液有效接觸面積?？倐髻|(zhì)面積應(yīng)等于塔的吸收負(fù)荷（單位時(shí)間內(nèi)的傳質(zhì)量，kmol/s）與塔內(nèi)傳質(zhì)速率(單位時(shí)間內(nèi)單位氣液接觸面積上的傳質(zhì)量，kmol/m2·s)的比值。01-2月-23對組分A作物料衡算單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的A的物質(zhì)量為：ZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1VVLLa-有效比表面積，m2/m3

-塔截面積，m2dA-微元填料層內(nèi)的傳質(zhì)面積01-2月-23微元填料層內(nèi)的吸收速率方程式為：01-2月-23由此得到填料層高度計(jì)算的基本關(guān)系式為：氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù)物理意義：在推動(dòng)力為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)量。其單位均為：kmol/m3·sa——有效比表面積，總小于填料層的比表面積，只有被液體膜層所覆蓋的填料表面才能提供氣液接觸的有效面積；影響因素較多，難以測定。01-2月-23的單位稱為“氣相總傳質(zhì)單元高度”，用表示：為無因次的數(shù)值，可理解為所需填料層高度為相當(dāng)于HOG的倍數(shù)—稱為“氣相總傳質(zhì)單元數(shù)”用NOG表示。2、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)

1）傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念可理解為由過程條件所決定的某種單元高度，01-2月-23—液相總傳質(zhì)單元高度，m；—液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次；依此類推，可以寫出通式：填料層高度=傳質(zhì)單元高度傳×傳質(zhì)單元數(shù)

于是：同理：01-2月-23—?dú)庀鄠髻|(zhì)單元高度，m—?dú)庀鄠髻|(zhì)單元數(shù)—液相傳質(zhì)單元高度，m—液相傳質(zhì)單元數(shù)于是可寫出用膜吸收傳質(zhì)系數(shù)及其相應(yīng)推動(dòng)力表示時(shí)的填料層高度計(jì)算式：01-2月-232）傳質(zhì)單元高度的物理意義01-2月-23可見：氣體流經(jīng)一段填料層前后的濃度變化恰等于此段填料層內(nèi)以氣相濃度差表示的總推動(dòng)力的的平均值時(shí)，那么，這段填料層的高度就是一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元高度。01-2月-23傳質(zhì)單元高度的意義:

完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度，反映了吸收設(shè)備效能的高低。傳質(zhì)單元高度影響因素：填料性能、流動(dòng)狀況傳質(zhì)單元高度變化范圍：0.2～1.5m。體積總傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)單元高度的關(guān)系:01-2月-23傳質(zhì)單元數(shù)的意義：反映了取得一定吸收效果的難易程度。

結(jié)論：吸收過程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比面積越小，每個(gè)傳質(zhì)單元所相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨仍酱?。傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過程的難度，任務(wù)所要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推動(dòng)力越小，則意味著過程難度越大，此時(shí)所需的傳質(zhì)單元數(shù)越大。01-2月-231）平衡線為直線時(shí)a）脫吸因數(shù)法平衡關(guān)系用直線表示時(shí)，平衡線為直線時(shí)對數(shù)平均推動(dòng)力法脫吸因數(shù)法平衡線為曲線時(shí)圖解積分法近似梯級(jí)法3、傳質(zhì)單元數(shù)的求法

01-2月-23令將代入01-2月-23——脫吸因數(shù)。平衡線斜率和操作線斜率的比值無因次。S愈大，脫吸愈易進(jìn)行?！找驍?shù)01-2月-2301-2月-23討論：m、Y1、X2、S一定時(shí)：

注意：圖的適用范圍為>20及S<0.75。

(1)的意義：反映了A吸收率的高低。

(2)參數(shù)S的意義：反映了吸收過程推動(dòng)力的大小，其值為平衡線斜率與吸收操作線斜率的比值。

01-2月-23(3)對于一固定的吸收塔來說，當(dāng)NOG已確定時(shí)，S值越小，愈大，愈能提高吸收的程度。減小S增大液氣比吸收劑用量增大，能耗加大，吸收液濃度降低適宜的S值：(5)(4)01-2月-23b）對數(shù)平均推動(dòng)力法吸收的操作線為直線，當(dāng)平衡線也為直線時(shí)將上式代入01-2月-23簡化可得:其中：——塔頂與塔底兩截面上吸收推動(dòng)力的對數(shù)均值，稱為對數(shù)平均推動(dòng)力。01-2月-23注意：1）平均推動(dòng)力法適用于平衡線為直線，逆流、并流吸收皆可。2）平衡線與操作線平行時(shí)，3）當(dāng)、時(shí)，對數(shù)平均推動(dòng)力可用算術(shù)平均推動(dòng)力。01-2月-23同理可導(dǎo)出如下傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算式：01-2月-23例：某生產(chǎn)車間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.5m，進(jìn)料混合氣組成為0.04（組分的Amol分率，下同），出塔尾氣組成為0.0053，出塔水溶液濃度為0.0128，操作條件下的平衡關(guān)系為Y=2.5X（X、Y均為摩爾比），試求：1）L/V為(L/V)min的多少倍？2）所需填料層高度。3）若氣液流量和初始組成均不變，要求最終的尾氣排放濃度降至0.0033，求此時(shí)所需填料層高度為若干米？01-2月-23解：1）L/V為(L/V)min的倍數(shù)01-2月-232）所需填料層高度脫吸因數(shù)法

01-2月-23對數(shù)平均推動(dòng)力法01-2月-23

01-2月-233）尾氣濃度下降后所需的填料層高度

尾氣濃度

01-2月-232）平衡線不為直線a）圖解積分法

AA*YY*XYY2Y101-2月-23平衡線為曲線時(shí)，圖解積分法步驟如下：1）操作線上任取一點(diǎn)（X,Y），其推動(dòng)力為

(Y-Y*)。2）系列Y～作圖得曲線。3）積分計(jì)算Y2至Y1范圍內(nèi)的陰影面積。上述積分也可采用數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算，如9—65式

01-2月-23b）近似梯級(jí)法—Baker圖解法MM’M1F1F01-2月-23分析梯級(jí)TF1F

在梯級(jí)T*A*FT中，——平均推動(dòng)力01-2月-23命題：物系、操作條件一定，計(jì)算達(dá)到指定分離要求所需塔高。分離要求：殘余濃度Y2或溶質(zhì)的回收率

吸收塔設(shè)計(jì)型計(jì)算總結(jié)1.流向的選擇

逆流特點(diǎn)：1)逆流推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快；2）吸收液的濃度高；3）溶質(zhì)的吸收率高；4）液體受到上升氣體的曳力，限制了液體流量和氣體流量。01-2月-232、吸收劑進(jìn)口濃度的選擇及其最高允許濃度3、吸收劑流量的確定例：空氣中含丙酮2%（體積百分?jǐn)?shù)）的混合氣以0.024kmol/(m2·s)的流率進(jìn)入一填料塔，今用流率為0.065kmol/(m2·s)的清水逆流吸收混合氣中的丙酮，要求丙酮的回收率為98.8%。已知操作壓力為100kPa，操作溫度下的亨利系數(shù)為177kPa，氣相總體積吸收系數(shù)為0.0231kmol/(m3·s)，試用解吸因數(shù)法求填料層高度。01-2月-23【例5-7】在一塔徑為0.8m的填料塔內(nèi)，用清水逆流吸收空氣中的氨，要求氨的吸收率為99.5%。已知空氣和氨的混合氣質(zhì)量流量為1400kg/h，氣體總壓為101.3kPa，其中氨的分壓為1.333kPa。若實(shí)際吸收劑用量為最小用量的1.4倍，操作溫度（293K）下的氣液相平衡關(guān)系為Y*=0.75X，氣相總體積吸收系數(shù)為0.088kmol/(m3·s)，試求（1）每小時(shí)用水量；（2）用平均推動(dòng)力法求出所需填料層高度。

01-2月-23命題：塔高一定時(shí)，吸收操作條件與吸收效果間的分析和計(jì)算;

吸收塔的核算。

1.定性分析【例5-8】在一填料塔中用清水吸收氨－空氣中的低濃氨氣，若清水量適量加大，其余操作條件不變，則Y2、X