化工原理（第五版）第五章吸收課件

15.1.1過程原理依據(jù)：氣體混合物各組分在某液體中溶解度的不同。

溶質(zhì)（A）惰性氣體（B）溶劑或吸收劑（S）吸收液（A+S）尾氣（B+少量A）第5章

吸收5.1概述2ABS吸收：氣相——液相溶質(zhì)解吸：液相——氣相溶質(zhì)NH4OHNH3,O2,N2H2O+O2,N2,微量NH3+逆過程5.1.2在工業(yè)中的用途（1）回收混合氣中的有用物質(zhì)（2）除去雜質(zhì)以凈化氣體（3）制備某種氣體的溶液（4）工業(yè)廢氣的治理35.1.3操作流程P173（1）吸收和解吸聯(lián)合操作（2）氣液流向-多逆流（3）吸收——低溫高壓；解吸——高溫低壓4（2）選擇性高；（3）再生容易；（4）揮發(fā)性小；（6）化學(xué)穩(wěn)定性高；（7）無毒、腐蝕性低、價廉等5.1.4吸收劑的選擇原則（1）溶解度大；（5）粘度低；55.1.5傳質(zhì)設(shè)備65.1.6吸收分類（1）物理吸收和化學(xué)吸收（2）單組分吸收和多組分吸收（3）等溫吸收和非等溫吸收（4）高濃度吸收和低濃度吸收75.2.1氣液相平衡關(guān)系

氣液平衡狀態(tài)

飽和濃度或溶解度

平衡分壓一、相平衡關(guān)系——用pA或y表示——用cA或x表示

相律F＝C－＋2=3－2+2=3當(dāng)T、p一定（p<5atm）時：pA*

=f1（x

）y*=f2（x

）pA*=f3（

cA）5.2氣液相平衡關(guān)系及應(yīng)用8二、溶解度曲線氨在水中的溶解度曲線SO2在水中的溶解度曲線20℃9幾種氣體在水中的溶解度曲線10討論：（2）在同一溶劑中，T、y一定，p(pA)x（1）在同一溶劑中，pA(或p,y)一定，TxcO2

<cCO2

<cSO2

<cNH3

（3）相同pA(或p,y)低溫高壓利于吸收，高溫低壓利于解吸。O2、CO2等為難溶氣體，NH3等為易溶氣體11三．亨利定律E——亨利常數(shù)，單位同壓強。平衡分壓E的討論：1）E=f（物系、T

）2）E小，溶解度大，易溶氣體3）E的來源：實驗測得；查手冊物系一定，適用條件：一定T下、p<5atm，稀溶液。121）（2）亨利定律其它形式H——溶解度系數(shù)，kmol/（m3·kPa）H與E的關(guān)系：13H大，溶解度大，易溶氣體2）

m——相平衡常數(shù)，無因次H=f（物系、T

）物系一定，H的討論：m與E的關(guān)系：14m小，溶解度大，易溶氣體m=f（物系、T、p

）m的討論：3）用X,Y表示155.2.2相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用一、判斷過程進行的方向y

y*A由氣液傳質(zhì)，吸收平衡狀態(tài)A由液氣傳質(zhì)，解吸吸收過程：x*>x或16y1*yx·Ax1y1x1*·By2x2x2*y2*A點：平衡線上方，吸收B點：平衡線下方，解吸17二、指明過程進行的極限——相平衡1）逆流，塔高無限G,y2G，y1L，x2L，x12）逆流，塔高無限18三、確定過程的推動力1)表達式

y=y-

y*x=x*-x氣相：液相：

Y=Y

-Y*X=X*-X192）在x～y圖·Ayy*xx*BC205.3.1單相傳質(zhì)吸收過程：單相內(nèi)傳質(zhì)方式：分子擴散、湍（渦）流擴散（1）氣相主體相界面（2）A在相界面上溶解氣相內(nèi)傳質(zhì)（3）相界面液相主體液相內(nèi)傳質(zhì)5.3吸收過程的傳質(zhì)速率21一、分子擴散現(xiàn)象5.3.1.1分子擴散分子擴散：在靜止或?qū)恿髁黧w內(nèi)部，若某一組分存在濃度差，則因分子無規(guī)則的熱運動使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處。擴散通量：單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積擴散的物質(zhì)量。J22JA——A擴散速率（擴散通量）——A在z上的濃度梯度

DAB——A在B中的擴散系數(shù)負(fù)號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反；二、費克定律總T、p一定擴散沿著濃度降低的方向進行。23理想氣體：245.3.1.2單相內(nèi)一維穩(wěn)定的分子擴散形式：等摩爾逆向擴散、單向擴散一、等摩爾逆向擴散JAJBTppA2pB2TppA1pB112A：12擴散B：21

擴散25等摩爾逆向擴散：任一截面處兩個組分的擴散速率大小相等，方向相反。總p一定

JA=－JB

DAB=DBA=D26傳質(zhì)速率定義：任一固定的空間上，單位時間內(nèi)通過垂直于傳質(zhì)方向單位面積的物質(zhì)量。氣相：得Nkmol/(m2·s)27液相：討論：28（2）pA~z呈直線關(guān)系ppB1pA1pA2pB2z0zp29（1）總體流動：因Ａ擴散到界面溶解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，使得混合物從氣主體向界面處的流動。（2）特點

因分子本身擴散引起的宏觀流動。

A和B在總體流動中方向相同，流動速度正比于摩爾分?jǐn)?shù)。二、單方向擴散(一組分通過另一靜止組分的擴散)界面氣：A，B液：A+S30

單方向擴散包括分子擴散和總體流動總體流動有利于傳質(zhì)JAJBNANMpA/pNMpB/p總體流動NM12z31（3）傳質(zhì)速率方程3233—靜止氣膜兩側(cè)B的對數(shù)平均壓力34液相：（4）討論1）、——漂流因數(shù)，無因次35漂流因數(shù)意義：其大小反映了總體流動對NA的影響程度；其值為總體流動使NA比較單純分子擴散增大的倍數(shù)。漂流因數(shù)的影響因素：

溶質(zhì)濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大；低濃度時，漂流因數(shù)1，總體流動的影響小。362）pA~z呈指數(shù)關(guān)系ppB1pB2pA1pA2z37三、分子擴散系數(shù)D物理意義：單位濃度梯度下的擴散通量，反映某組分在一定介質(zhì)中的擴散能力。物性常數(shù)，m2/s影響因素：A、B、T、P、濃度來源：查手冊；半經(jīng)驗公式；測定38（1）氣相D的范圍：10-5～10-4m2/s（2）液相D的范圍：10-10～10-9m2/s395.3.1.3.單相對流傳質(zhì)一、渦流擴散渦流擴散：流體作湍流運動時，若流體內(nèi)部存在組分濃度梯度，依靠質(zhì)點相

互碰撞和混合，組分從高濃度向低濃度方向傳遞。渦流擴散速率：渦流擴散系數(shù)40注意：De與D不同，不是物性常數(shù)；

De與物性、流體流動狀態(tài)及所處的位置有關(guān)?？倲U散速率：41TTWtWt熱流體冷流體pApAicAicA氣相液相TtGLE二、有效膜模型（1）單相內(nèi)對流傳質(zhì)壁液液氣氣界面421）層流內(nèi)層：分子擴散，A的濃度梯度較大2）湍流主體：主要是渦流擴散，A濃度均一化3）過渡區(qū)：分子擴散+渦流擴散（2）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)形式僅為分子擴散。δGδL43（1）氣相三、單相對流傳質(zhì)速率方程以氣相分壓差表示推動力的氣相傳質(zhì)分系數(shù)44其他形式：相互關(guān)系：以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差得以氣相摩爾比差45其他形式：（2）液相以液相摩爾濃度差表示推動力的液相傳質(zhì)分系數(shù)以液相摩爾分?jǐn)?shù)差46相互關(guān)系：注意：對流傳質(zhì)分系數(shù)=f(操作條件、流動狀態(tài)、物性）以液相摩爾比差475.3.2.1兩相對流傳質(zhì)模型三大模型：雙膜模型

雙膜模型pApAicAicA氣相液相GLE溶質(zhì)滲透模型表面更新模型5.3.2兩相對流傳質(zhì)48雙膜模型的基本論點（假設(shè)）（1）氣液兩相存在一個穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)為層流，溶質(zhì)A以

分子擴散方式通過氣膜和液膜。（2）相界面處兩相達平衡，無擴散阻力.

（3）有效膜以外主體中，充分湍動，溶質(zhì)濃度均一.

雙膜模型也稱為雙膜阻力模型495.3.3.2總傳質(zhì)速率方程（1）用氣相組成表示吸收推動力以氣相分壓差表示推動力的氣相總傳質(zhì)系數(shù)以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差50以氣相摩爾比差（2）用液相組成表示吸收推動力以液相摩爾濃度差表示推動力的液相總傳質(zhì)系數(shù)51以液相摩爾分?jǐn)?shù)差以液相摩爾比差52由雙膜理論（3）K與k之間的關(guān)系體系服從亨利定律53同理：類似方法得：54定態(tài)吸收過程的傳質(zhì)速率方程式：氣相液相兩相間兩相間總傳質(zhì)系數(shù)K——

總推動力（相際）——

總阻力膜或分傳質(zhì)系數(shù)k——膜內(nèi)推動力（單相）——膜阻力55傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)系低濃氣體吸收時，X、Y關(guān)系同x、y565.3.3.3界面上的濃度定態(tài)傳質(zhì)一、平衡關(guān)系滿足亨利定律57二、圖解法界面濃度：

I（cAi,pAi

）液膜阻力氣膜阻力操作點OI(界面)cA0585.3.3.4傳質(zhì)阻力與傳質(zhì)速率的控制一、傳質(zhì)阻力相間傳質(zhì)總阻力=液相(膜)阻力+氣相(膜)阻力注意:傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)阻力與推動力一一對應(yīng)。59二、傳質(zhì)速率的控制步驟（1）氣膜控制氣膜控制：傳質(zhì)阻力主要集中在氣相，此吸收過程為氣相阻力控制。特點：pApAicAcAiH較大易溶氣體

60提高傳質(zhì)速率的措施：提高氣體流速；加強氣相湍流程度。（2）液膜控制液膜控制：傳質(zhì)阻力主要集中在液相，此吸收過程為液相阻力控制。特點：H較小難溶氣體

61提高傳質(zhì)速率的措施：提高液體流速；加強液相湍流程度。同理：氣膜控制：液膜控制：m小易溶氣體m大難溶氣體625.4.1物料衡算與操作線方程

一、全塔物料衡算條件：定態(tài)逆流，假設(shè)S不揮發(fā)，B不溶解全塔范圍內(nèi)，對A作物料衡算：G,Y2G,Y1L,X2L,X1——A被吸收的百分率，稱為回收率或吸收率5.4吸收塔的計算63二、操作線方程式及操作線（1）逆流吸收G,Y2G,Y1L,X2L,X1G,YL,XGY+LX2=GY2+LXY2=Y1（1－）——操作線方程式64同理：逆流吸收操作線具有如下特點：XY1Y2X1X2ABY653）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、填料及操作條件無關(guān)。2）操作線通過：塔頂（稀端）A（X2，Y2）；塔底（濃端）B（X1，Y1）。1）定態(tài)，L、G、Y1、Y2、X2恒定；操作線在X～Y坐標(biāo)上為一直線，斜率為L/G；

L/G為吸收操作的液氣比。665）平衡線與操作線共同決定吸收推動力操作線離平衡線愈遠吸收的推動力愈大4）吸收操作線在平衡線的上方解吸操作線在平衡線下方ABK.YXX*Y*水平線：X=X*-X垂直線：Y=Y-Y*675.4.2.吸收劑用量的確定在G,Y1,Y2,X2一定

LX1B2點Lmin,X1maxB1Y1Y2ABOEX2X1X1*B268一、最小液氣比（1）平衡曲線一般情況（直線、凹線）

對一定的分離任務(wù)，操作條件和物系一定，塔內(nèi)某截面吸收推動力為零，達到指定分離程度所需塔高無窮大時的液氣比。

計算

定義與Y1達平衡的液相組成69（2）平衡曲線為凸形曲線情況70二、操作液氣比總費用最小715.4.3填料層高度的計算一、基本計算式氣相傳入液相的A=氣相所失A=液相所得AZYY+dYXX+dXdZY2X2X1Y1從微元塔段dZ分析a：單位體積填料層所提供的有效傳質(zhì)面積，m2/m3

72以氣相為例：73填料層高度氣相總傳質(zhì)單元數(shù)（無因次）氣相總傳質(zhì)單元高度，m74Z計算通式：Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)751）傳質(zhì)單元數(shù)定義氣相總傳質(zhì)單元數(shù)（2）傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度

以為例76NOG的大小反映了取得一定分離效果的難易程度。

氣體流經(jīng)一段填料，溶質(zhì)組成變化等于該段填料平均傳質(zhì)推動力（Y－Y*）m

時，該段填料為一個傳質(zhì)單元。

高,

(Y1-Y2)NOG，吸收困難

一定,(Y-Y*)，推動力NOG，吸收困難772）傳質(zhì)單元高度

定義：氣相總傳質(zhì)單元高度，m

意義：完成一個傳質(zhì)單元分離效果所需的填料層高度；

影響因素：物性、操作條件、填料性能、流動狀況HOG的大小反映了吸收設(shè)備效能的高低。78HOG變化范圍：0.1～1.0m

體積總傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)單元高度的關(guān)系氣膜控制79同理：比較上式：

各種傳質(zhì)單元高度之間的關(guān)系80（3）傳質(zhì)單元數(shù)的計算1）對數(shù)平均推動力法相平衡線為直線操作線為直線底：Y1=Y1-Y1*頂：Y2=Y2-Y2*中：Y=Y-Y*Y1Y2Y1Y2Y81Y~Y呈直線代入82同理：對數(shù)平均濃度差83

平衡線與操作線平行時注意：平衡線為直線，逆或并流皆可當(dāng)、時842）吸收因數(shù)法平衡關(guān)系服從亨利定律

逆流為例：注意：L/G=m時，不能用此式；此時采用平均推動力法。85L/mG865.4.4吸收塔的操作計算

核算

Z一定時，操作條件與吸收效果間的分析和計算（１）定性分析步驟：

1）根據(jù)條件定HOG、mG/L2）用Z=HOGNOG

，確定NOG的變化

3）用吸收因數(shù)法確定Y2的變化

4）由全塔物料衡算分析X1變化

（2）定量計算87解吸過程：A從吸收液中分離出的操作目的：獲得所需較純的溶質(zhì)5.4.5解吸塔的計算吸收的逆過程溶劑再生循環(huán)使用88（1）氣提解吸：（2）減壓解吸：（3）加熱解吸：解吸方法：或解吸能耗大，整個吸收分離的能耗主要在解吸89物料衡算與操作線方程全塔：操作線：L—吸收劑流量，kmol/sG—載氣流量，kmol/s

G(

Y1

－Y2)=L(

X1

－X2)G,Y1G,Y2L,X1L,X2YX90解吸操作線在相平衡線下方塔頂A—高濃，塔底B—低濃入塔X1、Y2、L一定，由工藝定X2Y*=f(X)B（底）A（頂）Y2*X2Y1*X1Y1X1*BA1221Y2X2*91最小氣液比操作線與平衡線最早的交點實際氣液比：92解吸塔Z的計算：（1）對數(shù)平均推動力法93（2）解吸因數(shù)法945.5.1填料塔的結(jié)構(gòu)及填料特性一、填料塔結(jié)構(gòu)及作用1、填料層

——提供氣液接觸的場所2、液體分布器

——均勻分布液體，以避免發(fā)生溝流現(xiàn)象5.5填料塔953、液體再分布器

——避免壁流現(xiàn)象發(fā)生4、支撐板

——支撐填料層和持液量，使流體均勻分布5、除沫器

——防止塔頂氣體出口處夾帶液體96二、填料作用及特性1、填料作用（1）提供氣液接觸面；（2）強化氣體湍動，降低氣相傳質(zhì)阻力；（3）更新液膜表面，降低液相傳質(zhì)阻力。2、填料特性（1）比表面積at

定義：單位堆積體積所具有的表面積

[m2/m3]、[1/m]97（2）空隙率ε

定義：單位體積