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1、第第8章章吸收吸收8.1概述概述8.2吸收吸收过程相平衡基程相平衡基础8.3模型和模型和传质速率方速率方程程8.4吸收塔的吸收塔的计算算8.5其他其他类型吸收型吸收化工原理化工原理下册下册分离气体混合物。根据混合物各分离气体混合物。根据混合物各组分的物理分的物理和化学差异，如吸附、吸收。吸收是其中的一种，和化学差异，如吸附、吸收。吸收是其中的一种，根据溶解度差异。根据溶解度差异。吸收是将气体混合物与适当的液体接触，气吸收是将气体混合物与适当的液体接触，气体中一种或多种体中一种或多种组分溶解于液体中，不能溶解的分溶解于液体中，不能溶解的组分仍保留在气相中，利用各分仍保留在气相中，利用各组分在液体
2、中溶解分在液体中溶解度的差异度的差异,对其其进行行选择性溶解性溶解,使气体中不同使气体中不同组分得到分离的分得到分离的单元操作。元操作。混合气中，能溶解于液体的混合气中，能溶解于液体的组分称分称为溶溶质。不能溶解的不能溶解的组分称分称为惰性气体惰性气体。用于溶解气体的。用于溶解气体的液体称液体称为吸收吸收剂，溶有气体的溶液称，溶有气体的溶液称为溶液溶液。一、气体吸收在化工中的应用一、气体吸收在化工中的应用8.1概述概述1制取化工制取化工产品品将气体中需要的成分用指定的溶将气体中需要的成分用指定的溶剂吸收出吸收出来，成来，成为液液态产品。如：用水吸收品。如：用水吸收HCl、NO2制制取工取工业盐
3、酸和硝酸。酸和硝酸。2分离气体混合物分离气体混合物工工业上利用吸收分离气体混合物。上利用吸收分离气体混合物。热甲碱甲碱法吸收二氧化碳法吸收二氧化碳。3从气体中回收有用从气体中回收有用组分分用洗油回收粗苯或二用洗油回收粗苯或二氯乙乙烷。一、气体吸收在化工中的应用一、气体吸收在化工中的应用8.1概述概述4气体气体净化化原料气的原料气的净化。化。尾气、尾气、废气的气的净化以保化以保护环境。境。5生化工程生化工程菌体在菌体在发酵罐中培养。酵罐中培养。发酵罐中要酵罐中要给予大予大量的空气以量的空气以维持微生物的正常代持微生物的正常代谢，要，要应用空用空气中的氧在水中吸收气中的氧在水中吸收这一一过程程。一
4、、气体吸收在化工中的应用一、气体吸收在化工中的应用8.1概述概述化学吸收和物理吸收。化学吸收和物理吸收。单组分吸收和多组分吸收。单组分吸收和多组分吸收。非等温吸收和等温吸收。非等温吸收和等温吸收。本章研究物理吸收、单组分吸本章研究物理吸收、单组分吸收和等温吸收收和等温吸收。二二、吸收、吸收过程分类过程分类8.1概述概述吸收通常在吸收通常在吸收塔内进行，其中以填料塔的吸收塔内进行，其中以填料塔的应用较为普遍。生产中除少部分直接获得液体产应用较为普遍。生产中除少部分直接获得液体产品的吸收操作之外，一般都需对吸收后的溶液品的吸收操作之外，一般都需对吸收后的溶液三三、工业工业吸收吸收过程过程8.1概述
5、概述进行解吸，使溶进行解吸，使溶剂再生，能够循剂再生，能够循环使用。同时也环使用。同时也得到有价值的溶得到有价值的溶质。这样，除了质。这样，除了吸收塔以外，还吸收塔以外，还需与其它设备一需与其它设备一道组成一个完整道组成一个完整吸收吸收-解吸的流程。解吸的流程。采用吸收操作实现气体混合物的分离必须采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题：解决下列问题：1.选择适当的溶剂，能选择性的溶解某个被分选择适当的溶剂，能选择性的溶解某个被分离组分；离组分；2.提供适当的设备实现气液两相接触，使被分提供适当的设备实现气液两相接触，使被分离组分从气相转移到液相。离组分从气相转移到液相。3.溶剂的再生
6、，以便循环使用。溶剂的再生，以便循环使用。另外另外:溶剂具有良好的化学稳定性和热稳定溶剂具有良好的化学稳定性和热稳定性；无毒、不易燃易爆；腐蚀性小；价廉易得性；无毒、不易燃易爆；腐蚀性小；价廉易得等。等。三三、工业工业吸收吸收过程过程8.1概述概述8.2吸收过程相平衡基础吸收过程相平衡基础8.2.1气液相平衡关系气液相平衡关系 气体混合物与溶气体混合物与溶剂剂接触，溶接触，溶质质气体向液相气体向液相转转移，使溶液中溶移，使溶液中溶质质(A)的的浓浓度度cA增加，直到达到增加，直到达到饱饱和，和，浓浓度不再度不再发发生生变变化。化。这这种状种状态态称称为为气液溶解气液溶解相平衡。相平衡。平衡状平
7、衡状态态下气相中的溶下气相中的溶质质分分压压称称为为平衡分平衡分压压pA*，液相中的溶，液相中的溶质浓质浓度称度称为为平衡平衡浓浓度度cA*，简简称称为为溶解度。溶解度。8.2吸收过程相平衡基础吸收过程相平衡基础8.2.1气液相平衡关系气液相平衡关系对于单组分物系，组分数对于单组分物系，组分数3个个(溶质、惰性溶质、惰性气体和溶剂气体和溶剂)，相数，相数2个个(气、液气、液)，根据相率，根据相率，自由度自由度F为为F组分数相数组分数相数+232+2=3即在温度、总压和气、液组成四个变即在温度、总压和气、液组成四个变量中，三个是自变量。将溶解度量中，三个是自变量。将溶解度cA*表示成表示成温度温
8、度t、总压、总压P和气相组成的函数，即和气相组成的函数，即cA*f(t、P、气相组成、气相组成)。在总压不很高的情况下，认为溶解度在总压不很高的情况下，认为溶解度cA*与总压与总压无关，则无关，则cA*f(t、pA)，或者，或者，pA*f(t、cA)。在相同的温度和在相同的温度和分压下，不同气体溶解分压下，不同气体溶解度有很大的差别。度有很大的差别。O2、CO2，溶解度，溶解度很小，称难溶气体；很小，称难溶气体；NH3，溶解度很大，溶解度很大，称易溶气体；称易溶气体；介乎两者之间介乎两者之间SO2称称溶解度适中气体。溶解度适中气体。加压和降温可以提加压和降温可以提高气体溶解度，高气体溶解度，c
9、A*f(t，pA)，对吸收有利。，对吸收有利。课本课本32页页图图8-2如下如下8.2吸收过程相平衡基础吸收过程相平衡基础8.2.1气液相平衡关系气液相平衡关系pA*f(t、cA)亨利定律：稀溶液、低压和一定温度下，亨利定律：稀溶液、低压和一定温度下，气、液达到溶解相平衡，则气、液达到溶解相平衡，则pA*ExA亨利系数由实验确定，它随物性和亨利系数由实验确定，它随物性和温度而变化。对于一定气体溶于一定溶剂，温度而变化。对于一定气体溶于一定溶剂，温度升高，温度升高，E增大。增大。8.2吸收过程相平衡基础吸收过程相平衡基础8.2.2亨利定律亨利定律若干气体在水中的亨利常数若干气体在水中的亨利常数E
10、之值之值气体E,MPa0C5C10C15C20C25C30C35C40C50C60C80C100C氦1310012800127001260012300 11600氢5870616064406700692071607390752076107750775076507550氮53606050677074808140876093609980 10500 11400 12200 1280012800空气4380494055606150673072907810834088109580 10230 1080010800一氧化碳35704010448049505430588062806680705077108
11、32085608570氧2580295033103690406044404810514054205960637069607100甲烷2270262030103410381041804550492052705850634069107100一氧化氮1710153022102450267029103140335035703950423045404600乙烷1280157019202290266030603460388042905070572067007010乙烯560662778907103011601290臭氧197022125129238146360682912202780二氧化碳73.788.
12、7105124144166188212236287345乙炔72.985.197.2109123135148硫化氢27.131.937.242.848.955.261.768.575.589.5104137150溴2.162.783.704.726.07.469.161.3519.325.440.98.2.2亨利定律亨利定律1.亨利定律三种表达式亨利定律三种表达式pA*=ExAE为亨利系数为亨利系数单位单位PacA*=HpAH为溶解度系数为溶解度系数单位单位kmol/m3.Pay*=mxm为相平衡常数为相平衡常数单位单位无因次无因次2.三个系数间的关系三个系数间的关系E=C/Hm=E/P相平衡
13、常数相平衡常数m：相平衡常数：相平衡常数m与温度、压力有关与温度、压力有关。温度降低，温度降低，m减小；压力增大，减小；压力增大，m减小。减小。(加压和降温可以提高气体溶解度加压和降温可以提高气体溶解度)8.2吸收过程相平衡基础吸收过程相平衡基础8.2.2亨利定律亨利定律 气相中的溶气相中的溶质传递质传递到液相，到液相，分分为为三个步三个步骤骤：1.气相与界面的气相与界面的对对流流传质传质；2.溶溶质质在界面上的溶解；在界面上的溶解；3.界面与液相的界面与液相的对对流流传质传质。令：界面上气液两相令：界面上气液两相浓浓度度为为yi、xi1.气相与界面的气相与界面的对对流流传质传质；NA=kG(
14、pGpi)=ky(yyi)3.界面与液相的界面与液相的对对流流传质传质；NA=kL(cicL)=kx(xix)2.溶溶质质在界面上的溶解；在界面上的溶解；yi=f(xi)采用采用yi=mxi双膜模型：双膜模型：(yyi)代表气相传质推动力，代表气相传质推动力，(xix)代表代表液相传质推动力，穿过界面的传质阻力可以忽略，气、液液相传质推动力，穿过界面的传质阻力可以忽略，气、液在界面达到平衡。在界面达到平衡。8.3模型和传质速率方程模型和传质速率方程8.3.1双膜模型在吸收中的应用双膜模型在吸收中的应用8.3.2传质速率方程传质速率方程一、总传质速率方程一、总传质速率方程一、总传质速率方程一、总
15、传质速率方程 用总传质系数表示的速率方程用总传质系数表示的速率方程用吸收塔某一截面气液两相浓度用吸收塔某一截面气液两相浓度x和和y在图在图8-4用用a点点表示。相界面上气液平衡浓度表示。相界面上气液平衡浓度xi和和yi在图在图8-4用用P点表示，点表示，yi=mxi。8.3模型和传质速率方程模型和传质速率方程根据图根据图8-4，m(xix)=yiy*。气相与界面的对流传质：气相与界面的对流传质：NA=kG(pGpi)=ky(yyi)界面与液相的对流传质：界面与液相的对流传质：NA=kL(cicL)=kx(xix)即：即：进一步变形，得进一步变形，得8.3.2传质速率方程传质速率方程8.3模型和
16、传质速率方程模型和传质速率方程于是，相际传质速率方程式为：于是，相际传质速率方程式为：NA=Ky(yy*)式中，式中，Ky和和Kx的关系：的关系：mKy=KxKy和和Kx的单位：的单位：Ky:kmol/(m2.s.y)Kx:kmol/(m2.s.x)表表8-137页页传质速率方程的各种形式，只需传质速率方程的各种形式，只需掌握掌握NA=Ky(yy*)和和NA=Kx(x*x)同理，同理，NA=Kx(x*x)8.3.2传质速率方程传质速率方程8.3模型和传质速率方程模型和传质速率方程二、界面浓度的求取二、界面浓度的求取二、界面浓度的求取二、界面浓度的求取如图所示，如图所示，a(x,y)代表某代表某
17、一截面上气液相摩尔分率，一截面上气液相摩尔分率，b(xi,yi)代表该截面上界面的浓代表该截面上界面的浓度度(摩尔分率摩尔分率)，如何求出，如何求出(xi,yi)？，导出，导出联立求解（联立求解（1）和（）和（2），可求出），可求出(xi,yi)。用作图法求解，从用作图法求解，从a(x,y)出发，作斜率为出发，作斜率为-kx/ky的一的一条直线，此直线与平衡线的交点即为界面浓度条直线，此直线与平衡线的交点即为界面浓度(xi,yi)。（1）相平衡关系：）相平衡关系：yimxi（2）从式）从式(8-15)：8.3.2传质速率方程传质速率方程8.3模型和传质速率方程模型和传质速率方程三、传质阻力分析
18、三、传质阻力分析三、传质阻力分析三、传质阻力分析式式(8-18)表示总传质系数表示总传质系数Ky和分传质系数和分传质系数ky、kx的关系。的关系。它表明总传质阻力它表明总传质阻力1/Ky为气相分传质阻力为气相分传质阻力1/ky和液相和液相分传质阻力分传质阻力m/kx之和。之和。当当1/kym/kx，则，则1/Ky1/ky。此时传质阻力。此时传质阻力集中于气相，称为气相阻力控制集中于气相，称为气相阻力控制(气膜控制气膜控制)。气膜控制的条件：气膜控制的条件：(1)kykx。直线。直线ab很陡。直线很陡。直线ab的斜率的斜率kx/ky。(2)m很小，相平衡线很小，相平衡线OE平坦，表明溶质在吸平坦
19、，表明溶质在吸收剂中的溶解度很大，如水吸收收剂中的溶解度很大，如水吸收NH3、HCl。8.3.2传质速率方程传质速率方程8.3模型和传质速率方程模型和传质速率方程同理，当同理，当1/mky1/kx，则，则1/Kx1/kx。此时传质阻力。此时传质阻力集中于液相，称为液相阻力控制集中于液相，称为液相阻力控制(液膜控制液膜控制)。液膜控制的条件：液膜控制的条件：(1)kykx。直线。直线ab平坦。平坦。(2)m很大，相平衡线很大，相平衡线OE很陡，表明溶质在吸收剂中的很陡，表明溶质在吸收剂中的溶解度很小，如以水吸收溶解度很小，如以水吸收O2、CO2。三、传质阻力分析三、传质阻力分析三、传质阻力分析三
20、、传质阻力分析气液两相的分传质系数与流速的次方成正比，气液两相的分传质系数与流速的次方成正比，即：即：k ky yG G；k ky yL L。对于气膜控制，增加气体流。对于气膜控制，增加气体流率，可有效增加总传质系数率，可有效增加总传质系数K Ky yk ky y，加快吸收过程。，加快吸收过程。对于液膜控制，增加液体流率，可有效增加总传质对于液膜控制，增加液体流率，可有效增加总传质系数系数K Kx xk kx x，加快吸收过程。，加快吸收过程。例例8-1(课本课本40页页)吸收分离，操作总压吸收分离，操作总压310kPa，气相分传质系数气相分传质系数ky3.7710-3kmol/(m2s)，液
21、相分，液相分传质系数传质系数kx3.0610-4kmol/(m2s)，相平衡关系符，相平衡关系符合亨利定律：合亨利定律：p*=1.067104xkPa。求：。求：(1)总传质系数总传质系数Ky和和Kx(2)传质阻力分析。传质阻力分析。8.3.2传质速率方程传质速率方程8.3模型和传质速率方程模型和传质速率方程解：解：(1)相平衡关系：相平衡关系：(2)传质阻力分析传质阻力分析，液膜控制。，液膜控制。8.3.2传质速率方程传质速率方程8.3模型和传质速率方程模型和传质速率方程8.4吸收塔的计算吸收塔的计算工业上的吸收操作，既可采用板式塔，也可工业上的吸收操作，既可采用板式塔，也可采用填料塔。本章
22、采用填料塔分析和讨论吸收过采用填料塔。本章采用填料塔分析和讨论吸收过程。程。吸收塔内气、液两相既可以逆流，也可以并吸收塔内气、液两相既可以逆流，也可以并流。逆流可以获得较大的传质推动力，故吸收塔流。逆流可以获得较大的传质推动力，故吸收塔通常采用逆流操作。通常采用逆流操作。当已给定吸收任务当已给定吸收任务(处理的气流量，气体混合处理的气流量，气体混合物的初、终浓度物的初、终浓度)，选定吸收剂和吸收剂的入塔，选定吸收剂和吸收剂的入塔浓度，并得到相平衡关系。浓度，并得到相平衡关系。吸收塔的主要计算项目：吸收剂用量和溶液吸收塔的主要计算项目：吸收剂用量和溶液的出塔浓度，所需填料层高度。的出塔浓度，所需
23、填料层高度。8.4.1物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算 吸收塔内气、液流率和组成如图吸收塔内气、液流率和组成如图所示，下标所示，下标a代表塔顶，代表塔顶，b代表塔底。代表塔底。气体：惰性气体气体：惰性气体B的流率的流率GB不变不变。液体：溶剂液体：溶剂(吸收剂吸收剂)S的流率的流率Ls不不变变。则：则：GB=G(1-y)，Ls=L(1-x)气、液组成采用摩尔比：气、液组成采用摩尔比：Y=y/1-y，X=x/1-x作全塔物料衡算，作全塔物料衡算，GB(Yb-Ya)=LS(Xb-Xa)8.4吸收塔的计算吸收塔的计算吸收操作时，
24、表征吸收程度吸收操作时，表征吸收程度有两种方式：有两种方式：(1)吸收的目的是为了回收有用物吸收的目的是为了回收有用物质，用吸收率质，用吸收率表示：表示：被吸收的溶质被吸收的溶质/进塔气中的溶质进塔气中的溶质(YbYa)/Yb1Ya/Yb(2)吸收的目的是为了除去气体混吸收的目的是为了除去气体混合物中的有害物质，直接规定出合物中的有害物质，直接规定出塔气体有害物质的浓度塔气体有害物质的浓度Ya8.4.1物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程8.4吸收塔的计算吸收塔的计算一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算一、全塔物料衡算 二、操作线方程二、操作线方程二、操作线方程二、操作线方程
25、为确定塔内某一截面上相互接触的为确定塔内某一截面上相互接触的气液组成间的关系，对塔顶与任意截面间气液组成间的关系，对塔顶与任意截面间作物料衡算，得：作物料衡算，得：GB(Y-Ya)LS(X-Xa)，整理，得，整理，得 同理，对塔底与任意截面间作物料衡算，得：同理，对塔底与任意截面间作物料衡算，得：GB(Yb-Y)LS(Xb-X)，整理，得，整理，得(8-29)(8-31)8.4.1物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程8.4吸收塔的计算吸收塔的计算直线直线AB上任一点上任一点P代表代表塔内相应截面上气、液浓度塔内相应截面上气、液浓度Y、X。直线。直线AB称操作线。称操作线。PR代表液相摩尔比
26、差表代表液相摩尔比差表示的总推动力示的总推动力(X*-X)，PQ代代表气相摩尔比差表示的总推表气相摩尔比差表示的总推动力动力(Y-Y*)。操作线离平衡线越远，气操作线离平衡线越远，气相（或液相）总推动力越大。相（或液相）总推动力越大。式式(8-29)及及(8-31)称称为为吸收塔操作吸收塔操作线线方程，直方程，直线线的斜率的斜率LS/GB，且直，且直线线通通过过B(Xb,Yb)和和A(Xa,Ya)两点，如两点，如图图所示。所示。二、操作线方程二、操作线方程二、操作线方程二、操作线方程 8.4.1物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程8.4吸收塔的计算吸收塔的计算设计时，由吸收任务和要求设计时
27、，由吸收任务和要求可以确定可以确定GB、Yb、Ya，由工艺条，由工艺条件可知道件可知道Xa。因此，图中点因此，图中点A(Xa，Ya)(表示表示塔顶状态塔顶状态)固定，固定，GB也固定。也固定。点点B(Xb，Yb)(表示塔底状态表示塔底状态)Yb固定，固定，B点在水平线上移动，由点在水平线上移动，由斜率确定，即由斜率确定，即由Ls确定。确定。若若Ls减小，减小，B点向点向C点靠近，点靠近，Xb增大，即出塔液体浓度增大，增大，即出塔液体浓度增大，推动力减少。推动力减少。8.4.2吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定8.4吸收塔的计算吸收塔的计算当当B点到达点到达C点，出塔液体点，出塔液体和入塔气体达到
28、平衡，推动力和入塔气体达到平衡，推动力为零。这意味着塔高要无限高为零。这意味着塔高要无限高才能实现指定的分离要求。这才能实现指定的分离要求。这在实际上行不通。在实际上行不通。B点到达点到达C点，表示一种极点，表示一种极限情况，即最小液气比限情况，即最小液气比(Ls/GB)min的情况。根据生产经的情况。根据生产经验，实际液气比是最小液气比验，实际液气比是最小液气比的倍。即：的倍。即：Ls/GB2.0(Ls/GB)min8.4.2吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定8.4吸收塔的计算吸收塔的计算最小液气比用图解法求出，最小液气比用图解法求出，即即 液气比也不是越大越好。液气比越大，固然推动液气比也不
29、是越大越好。液气比越大，固然推动力越大，对传质有利；但吸收剂用量随之增大，因而力越大，对传质有利；但吸收剂用量随之增大，因而输送、回收等输送、回收等操作费用操作费用增加。增加。液气比越小，推动力越小，对传质不利，因而液气比越小，推动力越小，对传质不利，因而设设备费用备费用增加。增加。实际实际液气比的液气比的选选定，是定，是操作操作费费用用和和设备费设备费用用的的权权衡衡。8.4.2吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定8.4吸收塔的计算吸收塔的计算8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度多数工业吸收操作，进塔的混合气溶质浓度多数工业吸收操作，进塔的混合气溶质浓度不高不高(小于小
30、于5%10%)，称为低浓度气体吸收。为，称为低浓度气体吸收。为此，我们作如下假设：此，我们作如下假设：气、液流率视为常数，即用气、液的总流率气、液流率视为常数，即用气、液的总流率G、L代替惰性气体流率代替惰性气体流率GB和吸收剂流率和吸收剂流率LS，因，因而，气体流率而，气体流率G与液体流率与液体流率L不变。不变。等温吸收等温吸收传质系数传质系数kx和和ky在全塔各截面处不变在全塔各截面处不变以摩尔分率以摩尔分率y、x代替摩尔比代替摩尔比Y、X8.4吸收塔的计算吸收塔的计算 因此，操作线方程变为：因此，操作线方程变为：或或 最小液气比变为：最小液气比变为：且平衡关系采用亨利定律且平衡关系采用亨
31、利定律注意：上三式是我注意：上三式是我们们真正要用的公式真正要用的公式8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算 一、填料层高度的计算一、填料层高度的计算一、填料层高度的计算一、填料层高度的计算 填料塔是连续接触式设备，在填料塔内连填料塔是连续接触式设备，在填料塔内连续接触的气液两相，其组成沿填料层高度连续续接触的气液两相，其组成沿填料层高度连续变化。变化。为此，先取微元填料层高度，列出物料衡为此，先取微元填料层高度，列出物料衡算式和传质速率方程，然后积分得到填料层总算式和传质速率方程，然后积分得到填料层总高度高度。8.4.3低浓度气体吸收时填
32、料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算如图所示，填料塔的横截面积如图所示，填料塔的横截面积m2。取一段微元填料层取一段微元填料层dh，列溶质，列溶质A的物料的物料衡算：衡算：单位时间内气相进入液相溶质单位时间内气相进入液相溶质A的量的量气相所失溶质气相所失溶质A的量的量液相所得溶质液相所得溶质A的量的量dmA=G(y+dy)Gy=L(x+dx)Lx即：即：dmA=Gdy=Ldx在微元填料层在微元填料层dh中，微元的体积为中，微元的体积为dh，单位体积填料层提供的有效传质，单位体积填料层提供的有效传质面积为面积为a(m2/m3)，气液两相组成变化很，气液两相组成变化很小
33、，传质速率小，传质速率NA不变，则不变，则NAadh=dmA8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算因此，得到：因此，得到：NAadhGdy和和NAadhLdx对上两式积分，可得：对上两式积分，可得：注意：注意：a是单位体积填料层提供的有效传质面积，是单位体积填料层提供的有效传质面积，它很难测定。因此，我们将它很难测定。因此，我们将a与传质系数与传质系数Ky和和Kx的乘的乘积作为一个完整的物理量来看待，称积作为一个完整的物理量来看待，称Kya和和Kxa为气相为气相总体积传质系数及液相总体积传质系数，单位均为总体积传质系数及液相总体积传质系数，
34、单位均为kmol/(m3s)。8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算二、传质单元数与传质单元高度二、传质单元数与传质单元高度二、传质单元数与传质单元高度二、传质单元数与传质单元高度 分析填料层高度的计算公式，令分析填料层高度的计算公式，令，即即 和和式中，式中，NOG称气相称气相总传质单总传质单元数，无因次元数，无因次HOG称气相称气相总传质单总传质单元高度，元高度，单单位位m8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算NOG和和HOG的物理意的物理意义义：lNOG表示气体经过填料层后浓度的变
35、化表示气体经过填料层后浓度的变化(yb-ya)除以传质推除以传质推动力的对数平均值。动力的对数平均值。lNOG只与相平衡以及进出口的浓度有关，而与设备的形式只与相平衡以及进出口的浓度有关，而与设备的形式无关。这样，我们在设备选型之前可以先计算无关。这样，我们在设备选型之前可以先计算NOG，如果，如果NOG太大，说明吸收剂性能太差，或说明分离要求过高。太大，说明吸收剂性能太差，或说明分离要求过高。lHOG表示气体经过填料层后，表示气体经过填料层后，NOG刚好等于刚好等于1时的填料层高时的填料层高度，它的单位是度，它的单位是m。因此，填料层高度气相总传质单元。因此，填料层高度气相总传质单元数数NO
36、G气相总传质单元高度气相总传质单元高度HOG。lHOG与设备的形式有关，是吸收设备效能高低的反映，显与设备的形式有关，是吸收设备效能高低的反映，显然，然，HOG越小，传质效果越好。越小，传质效果越好。8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算采用传质单元高度采用传质单元高度HOG的优点：的优点：1.单位与填料层高度相同，较为直观；单位与填料层高度相同，较为直观；2.数值变化范围较窄，一般在至范围内。数值变化范围较窄，一般在至范围内。同理，同理，即，即和式中，式中，NOL称液相称液相总传质单总传质单元数，无因次元数，无因次HOL称液相称液相总传质
37、单总传质单元高度，元高度，单单位位m课本课本表表8-2364页页8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算三、传质单元数的计算三、传质单元数的计算三、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）对数平均推动力法相平衡线为直线，即相平衡线为直线，即y*=mx采用对数平均采用对数平均推动力法，需推动力法，需要知道要知道4个浓度：个浓度：xa，xb，ya和和yb8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算（2）吸收因数法）吸收因数法相平衡线为直线，即相平衡线为直线，即y*=mx令令S=m
38、G/L，S为脱吸因素，是相平衡线斜率为脱吸因素，是相平衡线斜率m与操作线斜率与操作线斜率L/G的比值。的比值。NOG可以用变量可以用变量S和和(yb-mxa)/(ya-mxa)来表示，见来表示，见课本课本368页图页图8-13。当当xa=0，且已知吸收率，且已知吸收率=1-ya/yb，公式则变为：，公式则变为：非常简单非常简单。8.4.3低浓度气体吸收时填料层高度低浓度气体吸收时填料层高度8.4吸收塔的计算吸收塔的计算一、填料塔的设计型计算一、填料塔的设计型计算 设计型计算的特点是给定进口气体的设计型计算的特点是给定进口气体的溶质浓度、进料混合气的流率、相平衡关系及溶质浓度、进料混合气的流率、
39、相平衡关系及分离要求，计算达到指定分离要求所需要的填分离要求，计算达到指定分离要求所需要的填料层高度。为此，我们需要解决以下几方面的料层高度。为此，我们需要解决以下几方面的问题：问题：（1 1）为计算塔高，必须确定传质系数。）为计算塔高，必须确定传质系数。（2 2）气、液流向的选择。气、液逆流）气、液流向的选择。气、液逆流 （3 3）吸收剂进口浓度的确定。题目会告）吸收剂进口浓度的确定。题目会告诉，已知条件。诉，已知条件。（4 4）吸收剂用量的确定。吸收剂用量是）吸收剂用量的确定。吸收剂用量是最小用量的倍。最小用量的倍。8.4.48.4.4填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作
40、型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析8.4吸收塔的计算吸收塔的计算例例8-2 8-2 在一填料吸收塔中，用煤油逆流吸收在一填料吸收塔中，用煤油逆流吸收含苯含苯5 5（体积百分比）的煤气，煤气的流量（体积百分比）的煤气，煤气的流量为为41kmol/h41kmol/h，要求苯的回收率为，要求苯的回收率为9292。已知塔。已知塔顶进入的煤油含苯（摩尔分率），煤油的耗顶进入的煤油含苯（摩尔分率），煤油的耗用量是最小耗用量的倍。气液平衡关系，总传用量是最小耗用量的倍。气液平衡关系，总传质系数质系数K Ky ya a3 3s s。已知塔径，问塔高为多少？。已知塔径，问塔高为多
41、少？8.4.48.4.4填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析8.4吸收塔的计算吸收塔的计算解：解：yb，ya=(1-)yb，xa=0.002最小液气比：最小液气比：(xb*=yb/m)气相流率气相流率G=(41/3600)/(0.25d2)=0.04kmol/(m2s)液相流率液相流率min0.0083kmol/(m2s)用平均推用平均推动动力法和吸收因数法力法和吸收因数法计计算填料算填料层层高度。高度。8.4.48.4.4填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分
42、析填料塔的设计型计算和操作型分析8.4吸收塔的计算吸收塔的计算1.平均推动力法平均推动力法先求先求xb。xb(G/L)(ybya)+xa塔顶推动力塔顶推动力ya=yaya*=yamxa=0.00372塔底推动塔底推动力力yb=ybyb*=ybmxb全塔平均推动力全塔平均推动力ym=(ybya)/ln(yb/ya)=9.2610-3气相总传质单元数气相总传质单元数NOG=(ybya)/ym=4.97气相总传气相总传质单元高度质单元高度HOG=G/Kya=1.14m所需填料层高度所需填料层高度h=NOGHOG8.4.48.4.4填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析8.4吸收塔的计算吸收塔的计算2.2.吸收因数法吸收因数法先求脱吸因数先求脱吸因数 S=mG气相总传质单元数气相总传质单元数所需填料所需填料层层高度高度h=NOGHOG8.4.48.4.4填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析填料塔的设计型计算和操作型分析8.4吸收塔的计算吸收塔的计算