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1、第五章第五章 吸收吸收第1页，本讲稿共81页主主 要要 内内 容容第一节第一节 概述概述第二节第二节 气液相平衡气液相平衡第三节第三节 吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率第四节第四节 吸收塔的计算吸收塔的计算第五节第五节 填料塔填料塔第2页，本讲稿共81页第一节第一节 概述概述1 1、吸收的原理、吸收的原理利用气体混合物中各组分在液体中的溶解度不同来分离气体混合物。吸收剂（溶剂）：吸收操作所用的液体吸收质（溶质）：混合气中被溶解的组分惰性气体（载体）：不被溶解的组分第3页，本讲稿共81页2 2、吸收操作的应用、吸收操作的应用制取液体产品例：用硫酸吸收SO3，制取发烟硫酸回收混合气中有用组分例
2、：用硫酸吸收焦炉气中的氨除去工艺气体中有害组分，以净化气体例：用水除去合成氨原料气中的CO2除去工业放空尾气中的有害组分例：除去尾气中的H2S第4页，本讲稿共81页3 3 3 3、用吸收操作进行气体混合物的分离时必须解决、用吸收操作进行气体混合物的分离时必须解决、用吸收操作进行气体混合物的分离时必须解决、用吸收操作进行气体混合物的分离时必须解决以下几方面的问题：以下几方面的问题：以下几方面的问题：以下几方面的问题：（1）选择合适的溶剂选择合适的溶剂选择合适的溶剂选择合适的溶剂（2）提供气液接触的场所（传质设备）提供气液接触的场所（传质设备）提供气液接触的场所（传质设备）提供气液接触的场所（传质
3、设备）（3）溶剂的再生溶剂的再生溶剂的再生溶剂的再生第5页，本讲稿共81页4、吸收剂的选择、吸收剂的选择对溶质应具有较大的溶解度；对溶质有较好的选择性；混合气中溶质的浓度不同，采用不同的吸收剂；吸收剂的挥发度要小，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失；吸收后的溶剂应易于解吸、再生；粘度要小，以利于传质及输送；应具有化学稳定性好、不易燃、无腐蚀性、无毒、易得、价廉。第6页，本讲稿共81页4、吸收设备、吸收设备类型类型qq填料塔填料塔填料塔填料塔：塔内有填料，气液接触在填料表面进行qq板式塔板式塔板式塔板式塔：塔中安装有筛孔塔板，气液两相在塔板上鼓泡接触流体流动方式流体流动方式两相逆流，气体从塔底向上流
4、动，吸收剂从塔顶向下流动。第7页，本讲稿共81页第8页，本讲稿共81页水蒸气吸收与解吸流程吸收塔解吸塔加热器CO2气体冷凝液冷却器冷却器原料气第9页，本讲稿共81页4 4 4 4、吸收过程的分类、吸收过程的分类、吸收过程的分类、吸收过程的分类（1）物理吸收与化学吸收物理吸收物理吸收物理吸收物理吸收：溶质与吸收剂之间没有化学反应，只靠溶质在吸收剂中的物理溶解度进行的吸收。化学吸收：溶质与溶剂发生明显的化学反应化学吸收：溶质与溶剂发生明显的化学反应（2）单组分吸收与多组分吸收（3）非等温吸收与等温吸收 等温吸收等温吸收等温吸收等温吸收：混合气中溶质含量低，吸收剂用量相对较大时，吸收过程中温度变化不
5、大，可近似为等温吸收。第10页，本讲稿共81页教教教教 学学学学 要要要要 求求求求重点掌握重点掌握重点掌握重点掌握：（1）最小液气比、适宜液气比、出塔溶液组成的计算；（2）运用平均推动力法和吸收因数法计算传质单元数及填料层高度。掌掌掌掌 握握握握：（1）亨利定律各种形式的表达式及其系数之间的换算关系；（2）传质速率方程的各种表达式以及相关的分传质系数与总传质系数的关系；（3）双膜理论，能解释气膜控制和液膜控制。第11页，本讲稿共81页了了了了 解解解解：（1）气体吸收的目的及吸收操作必须解决的问题；（2）费克定律及等分子反向扩散和单相扩散；（3）图解积分法与数值积分法计算传质单元数；（4）填
6、料塔的结构和特性。第12页，本讲稿共81页第二节第二节 气液相平衡气液相平衡一、平衡溶解度一、平衡溶解度气液平衡气液平衡气液平衡气液平衡：在一定温度、总压下，气液两相接触时溶质气体向液相转移，当液相中溶质达到饱和时，任一瞬间进入液相的溶质数量等于溶质从液相逸出的数量，气液两相达到了平衡。平衡溶解度（溶解度）：平衡时，液相中溶质的浓度平衡分压（饱和分压）：平衡时，气相中溶质的分压第13页，本讲稿共81页 溶解度随温度和溶质气体的分压不同而不同。溶解度随温度和溶质气体的分压不同而不同。溶质组分在两相中的组成服从相平衡关系。溶质组分在两相中的组成服从相平衡关系。加压和降温有利于吸收操作，反之，升温和
7、减压加压和降温有利于吸收操作，反之，升温和减压对解吸有利；但对解吸有利；但加压、减压费用太高，一般不采加压、减压费用太高，一般不采用。用。第14页，本讲稿共81页二、亨利定律二、亨利定律气液相平衡的溶解度曲线为直线时，气液两相组成之间的关系可用亨利定律表示。一定温度时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压一定温度时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压一定温度时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压一定温度时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成正比。与液相中溶质的摩尔分数成正比。与液相中溶质的摩尔分数成正比。与液相中溶质的摩尔分数成正比。PA*溶质A在气相中的平衡分压,kPax液相中溶质的摩
8、尔分数E享利系数，kPa第15页，本讲稿共81页易溶气体的E值小，难溶气体的E值大。亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式pA*=cA/HcA液相中溶质的摩尔浓度,kmol溶质/m3溶液H溶解度系数,kmol溶质/（kPam3溶液）y*=mx y*溶质在气相的摩尔分数m相平衡常数，无因次；值越大，表示溶解度越小第16页，本讲稿共81页气液两相组成用摩尔比X、Y表示当液相组成X很小时，上式近似为 第17页，本讲稿共81页亨利定律各系数之间的关系亨利定律各系数之间的关系p总压，kPas溶剂的密度，kg/m3Ms溶剂的摩尔质量，kg/kmol第18页，本讲稿共81页
9、三、气液相平衡在吸收中的应用三、气液相平衡在吸收中的应用（一）溶质的传质方向与传质推动力（判断过程方（一）溶质的传质方向与传质推动力（判断过程方（一）溶质的传质方向与传质推动力（判断过程方（一）溶质的传质方向与传质推动力（判断过程方向）向）向）向）以气相摩尔分数差表示推动力以气相摩尔分数差表示推动力yy*：溶质由气相液相，吸收过程，推动力为（y-y*）yy*：溶质由液相气相，解吸过程，推动力为（y*-y）第19页，本讲稿共81页以液相摩尔分数差表示推动力以液相摩尔分数差表示推动力x*x，溶质由气相液相，吸收过程，推动力为（x*-x）x*x，溶质由液相气相，解吸过程，推动力为（x-x*）第20页
10、，本讲稿共81页（二）吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度（指明过（二）吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度（指明过（二）吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度（指明过（二）吸收塔的吸收液及尾气的极限浓度（指明过程的极限）程的极限）程的极限）程的极限）1、吸收液的最大组成x1maxx1max为塔底混合气入口组成y1的平衡液相组成x1*2、吸收尾气的最小组成y2miny2min为吸收剂入口组成x2的平衡气相组成y2*第21页，本讲稿共81页第三节第三节 吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率一、吸收过程的步骤一、吸收过程的步骤一、吸收过程的步骤一、吸收过程的步骤用液体吸收气体中某一组分，是该组分从气相转移到液相的传质
11、过程。组分从气相主体传递到气、液相界面的气相一侧；在相界面上溶解而进入液相，从相界面的气相一侧进入液相一侧；从液相一侧界面向液相主体传递。在相内（气相或液相）传质方式包括分子扩散和湍流扩散。第22页，本讲稿共81页二、分子扩散与费克定律二、分子扩散与费克定律1、分子扩散分子扩散分子扩散分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，因微观的分子热运动使组分从浓度高处扩散到浓度较低处，这种现象称为分子扩散。非稳态分子扩散第23页，本讲稿共81页2 2、费克（、费克（、费克（、费克（FickFick）定律）定律）定律）定律扩散速率（J）：单位时间通过单位面积扩散的物质的量，kmol/（m2s）当物质A在
12、B中发生扩散时，任一点处物质A的扩散速率(通量)与该位置上A的浓度梯度成正比JA组分的扩散速率，kmol/(m2s)组分A沿扩散方向上的浓度梯度，kmol/m4DAB比例系数，组分A在组分B中的扩散系数，m2/s第24页，本讲稿共81页对于理想气体混合物pA气体混合物中组分A的分压，kPa；T热力学温度，K；R摩尔气体常数，8.314kJ（kmolK）第25页，本讲稿共81页三、等摩尔逆向扩散三、等摩尔逆向扩散假设：假设：温度和总压相同的两个大容器推断推断：联通管内的分子扩散为稳定的分子扩散，在1、2两截面上，A、B的分压各自保持不变第26页，本讲稿共81页两容器总压相同，A、B作等摩尔反方向
13、扩散JA=-JB组分A的扩散速率组分B的扩散速率第27页，本讲稿共81页稳态等摩尔逆向扩散过程中，物系内任一点的总压力不变结合A、B的扩散速率方程第28页，本讲稿共81页根据边界条件进行积分连续精馏过程，易挥发组分与难挥发组分之间的扩散可以近似按等摩尔逆向扩散处理。第29页，本讲稿共81页四、组分四、组分A通过静止组分通过静止组分B的扩散的扩散1、由A、B形成的均相气体混合物，A溶解于液相，B不溶于液相，液相中不存在B组分；吸收过程为组分组分A通过通过“静止静止”组分组分B的单相扩散的单相扩散。2、整体移动整体移动因界面附近的气相总压力比气相主体的总压力稍低，A、B混合气体从主体向界面的移动为
14、整体移动。第30页，本讲稿共81页B组分，相对静止A组分气相整体移动中第31页，本讲稿共81页又JA=-JB根据边界条件，进行积分B.C.Z=0,pA=pA1;Z=Z,pA=pA2第32页，本讲稿共81页对于稳态吸收过程，NA为定值；操作条件一定，D、p、T均为常数，积分得：因p=pA1+pB1=pA2+pB2A单方向扩散的传质速率方程第33页，本讲稿共81页漂流因子漂流因子漂流因子漂流因子（移动因子）：p/pBm对于组分A通过静止组分B的扩散，漂流因子大于1，p/pBm越大，表明整体移动在传质中所占分率越大。用气体混合物的浓度c表示：第34页，本讲稿共81页五、分子扩散系数五、分子扩散系数1
15、、物质的物性常数，表示物质在介质中的扩散能力；扩散系数随介质的种类、温度、浓度和压力的不同而变化；2、单位：m2/s气体扩散系数：0.11.0cm2/s液体扩散系数：110-5510-5cm2/s气相DT1.5、1/p液相DT、1/3、获取途径：查手册、资料、实测，用经验或半经验的公式进行计算第35页，本讲稿共81页六、单相内的对流传质六、单相内的对流传质1、对流传质对流传质对流传质对流传质：流体与某一界面（如气体吸收过程中的气液两相界面）之间的传质；包括分子扩散和湍流扩散（也称涡流扩散）。2、湍流扩散湍流扩散湍流扩散湍流扩散：当流体流动或搅拌时，由于流体质点的宏观运动（湍流），使组分从浓度高
16、处向低处移动，这种现象称为湍流扩散。在湍流状态下，流体内部产生旋涡，又称为涡流扩散。第36页，本讲稿共81页3、有效层流膜（虚拟膜）有效层流膜（虚拟膜）有效层流膜（虚拟膜）有效层流膜（虚拟膜）由气相主体到界面的对流扩散速率等于通过厚度为ZG的膜层的分子扩散速率，厚度为ZG的膜层为有效层流膜（虚拟膜）第37页，本讲稿共81页4 4、气相传质速率方程式、气相传质速率方程式、气相传质速率方程式、气相传质速率方程式将流体的对流传质折合成有效层流膜的分子扩散pAG气相主体中A的分压pAi界面A的分压ZG不能直接测定和计算，对于一定的物系、操作条件一定时，D、p、T、pBm、ZG为定值第38页，本讲稿共8
17、1页令kG气膜传质系数（气相传质系数），kmol/(m2skPa）pA-pi溶质A在气相主体与界面间的分压差，kPa第39页，本讲稿共81页5、液相传质速率方程式、液相传质速率方程式令kL液膜传质系数（液相传质系数），kmol/(m2skPa）ci-cA溶质A在界面与液相主体间的浓度差，kmol/m3第40页，本讲稿共81页七、两相间传质的双膜理论七、两相间传质的双膜理论1 1、双膜理论、双膜理论相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，相界面两侧分别存在着稳定的层流膜，溶质以分子扩散的方式连续通过两层膜，由气相进入液相主体。在相界面处，气液两相达平衡。在气液两相的主体中，由于流体充分湍动，
18、物质浓度均匀，主体中没有浓度梯度存在。第41页，本讲稿共81页双膜理论示意图双膜理论示意图第42页，本讲稿共81页2 2 2 2、气相传质速率方程、气相传质速率方程、气相传质速率方程、气相传质速率方程NA传质速率，kmol/(m2s)pA、pi溶质在气相主体处的分压、在界面处的分压kG以分压差为推动力的气膜传质系数，kmol/(m2skPa）y、yi溶质在气相主体处的摩尔分数、在界面处的摩尔分数ky以摩尔分数差为推动力的气膜传质系数，kmol/(m2s）Y、Yi溶质在气相主体处的摩尔比、在界面处的摩尔比kY以摩尔比差为推动力的气膜传质系数，kmol/(m2s）第43页，本讲稿共81页3 3 3
19、 3、液相传质速率方程、液相传质速率方程、液相传质速率方程、液相传质速率方程用气相或液相的传质速率方程计算传质速率，需知道两相界面的组成。第44页，本讲稿共81页八、总传质速率方程八、总传质速率方程（一）总传质速率方程（一）总传质速率方程1、以(Y-Y*)为推动力的总传质速率方程稳定的传质过程中假设气液相平衡满足亨利定律第45页，本讲稿共81页令KY：气相总传质系数，kmol/（m2s）相间传质总阻力=气膜阻力+液膜阻力第46页，本讲稿共81页2、以(X*-X)为推动力的总传质速率方程令KX：液相总传质系数，kmol/（m2s）第47页，本讲稿共81页（二）气膜控制与液膜控制（二）气膜控制与液
20、膜控制（二）气膜控制与液膜控制（二）气膜控制与液膜控制1、当溶质的溶解度很大，m很小液膜传质阻力m/kX气膜传质阻力1/kYKYky传质阻力集中于气膜中，为气膜控制气膜控制第48页，本讲稿共81页注意：注意：气膜控制时，XiX，气膜推动力气相总推动力相平衡常数m很小时，平衡线斜率很小气膜控制时，要提高总传质系数KY，应增大气相湍动程度第49页，本讲稿共81页2、当溶质的溶解度很小，m很大气膜传质阻力1/mkY气膜传质阻力1/kXKXkx传质阻力集中于液膜中，为液膜控制液膜控制要提高总传质系数KX，应增大液相湍动程度第50页，本讲稿共81页3、中等溶解度的溶质气膜阻力与液膜阻力均不可忽略，要提高
21、吸收总系数，须同时增大气相和液相流速，增大两相的湍动程度，从而减小两膜的厚度。4、气体在液体中溶解度的难易程度区分：用气液相平衡常数用气液相平衡常数用气液相平衡常数用气液相平衡常数mm区分区分区分区分m1，易溶气体m100，难溶气体m=1100，中等溶解度第51页，本讲稿共81页九、传质速率方程式的各种表示形式九、传质速率方程式的各种表示形式书P224传质系数与传质推动力应相互对应第52页，本讲稿共81页第四节第四节 吸收塔的计算吸收塔的计算1、吸收塔类型填料塔（本章介绍）、板式塔（下章介绍）2、计算内容吸收剂用量、填料层高度及塔径3、计算关系式相平衡关系、操作线方程、传质速率方程第53页，本
22、讲稿共81页一、物料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程1、操作方式两相逆流，塔顶稀端、塔底浓端2、物料衡算在塔内，任取O-O截面，与塔顶作溶质的物料衡算第54页，本讲稿共81页整理得吸收操作线方程吸收操作线方程G通过吸收塔的惰性气体流量，kmol/sL通过吸收塔的吸收剂流量，kmol/sY、Y2分别为O-O截面及塔顶气相中溶质的摩尔比，kmol（溶质）/kmol（惰性气体）X、X2分别为O-O截面及塔顶液相中溶质的摩尔比，kmol（溶质）/kmol（溶剂）第55页，本讲稿共81页全塔物料衡算方程第56页，本讲稿共81页二、吸收剂的用量与最小
23、液气比二、吸收剂的用量与最小液气比吸收剂用量是影响吸收操作的重要因素之一，直接影响设备尺寸和操作费用。1 1 1 1、已知量与待求量、已知量与待求量、已知量与待求量、已知量与待求量已知量：G、Y1、X2、分离要求待求量：L第57页，本讲稿共81页2 2、分离要求的表示方式、分离要求的表示方式当吸收的目的是回收有用物质，规定溶质的回收率当吸收的目的是除去气体中的有害物质，一般规定尾气中残留有害物质的组成Y2第58页，本讲稿共81页3 3、最小液气比、最小液气比操作线与平衡线相交时，塔底推动力为0，所需填料塔的高度为，此时的液气比为最小液气比，（L/G）min第59页，本讲稿共81页最小液气比的计
24、算若气液相平衡服从亨利定律，则如右图时第60页，本讲稿共81页4 4、适宜液气比、适宜液气比L/G小时，吸收剂用量少，操作费用低，但吸收塔高，设备费用多L/G大时，吸收剂用量多，操作费用高，但吸收塔低，设备费用少适宜液气比为：第61页，本讲稿共81页三、填料塔高度的计算三、填料塔高度的计算（一）填料层高度的基本计算式（一）填料层高度的基本计算式（一）填料层高度的基本计算式（一）填料层高度的基本计算式塔内气、液两相中溶质的组成沿填料层高度连续变化，各截面上的传质推动力和传质速率也不相同。方法方法：在填料层中任意取一微元高度，采用微分方法，然后积分得到填料层的总高度。第62页，本讲稿共81页在填料
25、层中取微元高度dZ，气液两相接触面积为：塔的横截面积，m2 a1m3填料的有效气液传质面积，m2/m3单位时间内，气液两相在dZ所传递的溶质A的量为：0Y2YY+dYXL，X2X+dXG，Y1X1ZdZ第63页，本讲稿共81页结合传质速率方程，可得kYa、kXa、KYa、KXa体积传质系数，kmol/（m3s）对于稳定操作的吸收塔，G、L、为常数，低浓度气体吸收时，kYa、kXa、KYa、KXa等在全塔近似为常数，积分上式可得第64页，本讲稿共81页(二、传质单元高度与传质单元数二、传质单元高度与传质单元数)气相传质单元高度；气相传质单元数液相传质单元高度；液相传质单元数气相总传质单元高度；气
26、相总传质单元数液相总传质单元高度；液相总传质单元数填料层高度=传质单元高度传质单元数第65页，本讲稿共81页（1 1 1 1）传质单元数）传质单元数）传质单元数）传质单元数 传质单元数的大小反映了传质的推动力；传质推动力小，则传质单元数大。根据积分中值定理：（2 2）传质单元高度）传质单元高度传质单元高度是传质单元数为1时的填料层高度。各传质单元高度的关系P232233第66页，本讲稿共81页（三）传质单元数的计算（三）传质单元数的计算1、对数平均推动力法、对数平均推动力法当平衡线和操作线为直线时，Y=Y-Y*与Y也呈线性关系(类似传热时的tm)，直线的斜率为：令令气相对数平均推动力第67页，
27、本讲稿共81页液相总传质单元数当Y1/Y22或X1/X22时，Ym或Xm可用算术平均值代替对数平均值第68页，本讲稿共81页2、吸收因数法、吸收因数法吸收因数当气液平衡关系服从亨利定律时，Y*=mX根据操作线方程第69页，本讲稿共81页将上式整理可得求NOG直接将数据代入式中进行查图P235第70页，本讲稿共81页影响影响影响影响N NOGOG的各种因素的各种因素的各种因素的各种因素L、G、m、X2、Y1、Y2L、G、m对NOG的影响L、G、m平衡线远离操作线，传质推动力NOGL/mG一般取1.02.0范围Y1、Y2、X2对NOG的影响Y1或Y2NOGX2NOG第71页，本讲稿共81页3、图解
28、积分法、数值积分法、图解积分法、数值积分法 当气液两相的平衡关系Y*=f（X）为曲线时，传质推动力处处不等，用图解或数值积分的方法求NOG。第72页，本讲稿共81页四、吸收塔的操作计算四、吸收塔的操作计算主要计算公式：主要计算公式：主要计算公式：主要计算公式：物料衡算式（操作方程式）气液平衡关系稀溶液，用亨利定律表达式传质速率方程式NA=传质系数传质推动力填料层高度Z计算式Z=传质单元高度传质单元数第73页，本讲稿共81页第五节第五节 填料塔填料塔一、填料塔的结构一、填料塔的结构第74页，本讲稿共81页二、填料性能二、填料性能1 1、类型、类型散装填料、整装填料2 2、填料性能、填料性能比表面
29、积a：单位体积填料层中所具有填料表面积，m2/m3空隙率：单位体积填料层所具有的空隙体积，m3/m3堆积密度：单位体积填料层的质量，kg/m3第75页，本讲稿共81页干填料因子a/3：气体通过干填料层的流动特性用干填料因子关联。填料因子：湿填料因子，用来关联对填料层内气液两相流动的影响。3 3、对填料的基本要求、对填料的基本要求比表面积和空隙率较大，堆积密度较小，有足够的机械强度，良好的化学稳定性及液体的润湿性、价格低廉。第76页，本讲稿共81页三、气液两相在填料层内的流动三、气液两相在填料层内的流动持液量：单位体积填料层中滞留的液体体积称为持液量。（一）（一）（一）（一）气体通过填料层的压力
30、降气体通过填料层的压力降气体通过填料层的压力降气体通过填料层的压力降1）L=0，pu1.82.02）L，填料表面的持液量随气速增大而增大，气流通道截面积，p，p与u的关系曲线斜率。第77页，本讲稿共81页载点载点A液泛点液泛点B：液泛点后，空塔气速稍有增加，液体将受阻而积聚在填料层中，不能向下流动，甚至从塔顶溢出，液泛点是填料塔操作的上限。操作气速为泛点气速的操作气速为泛点气速的0.5 0.8倍倍（二）泛点气速的计算（二）泛点气速的计算（二）泛点气速的计算（二）泛点气速的计算第78页，本讲稿共81页四、塔径的计算四、塔径的计算Vs在操作条件下混合气体的体积流量，m3/s u混合气体的空塔速度，m/s第79页，本讲稿共81页小小 结结q了解吸收的目的及溶剂选择的依据；q掌握亨利定律各种形式的表达式及其系数之间的换算关系；q了解费克定律及等摩尔逆向扩散和一组分通过另一静止组分的扩散；q掌握传质速率方程的各种表达式以及相关的分传质系数与总传质系数的关系；q掌握双膜理论并能解释气膜控制和液膜控制；第80页，本讲稿共81页q掌握最小液气比、适宜液气比及出塔溶液浓度的计算；q熟练地运用平均对动力法计算传质单元数；q掌握利用传质单元高度和传质单元数计算填料层高度；q了解用图解积分法计算传质单元数；q对填料吸收塔的结构和特性有所了解。第81页，本讲稿共81页