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1、化工原理 PPT 气体吸收第1页，本讲稿共121页 化工生产中所处理的原料、中间产品、粗产品等几乎都是混合化工生产中所处理的原料、中间产品、粗产品等几乎都是混合物，而大部分是物，而大部分是均匀物系均匀物系。为进一步加工和使用，常需要将这些混合物分离为纯净或几为进一步加工和使用，常需要将这些混合物分离为纯净或几乎乎纯态纯态的物质。的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各组分对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种间某种物性的差异物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。另一相，
2、以达到分离的目的。物质在相间转移的过程称为物质在相间转移的过程称为物质传递过程物质传递过程（简称简称为为传质过程传质过程）。）。化学工业中常见的传质过程有化学工业中常见的传质过程有蒸馏蒸馏、吸收吸收、干燥干燥、萃取萃取和和吸附吸附等单等单元操作。元操作。第2页，本讲稿共121页5.1 概述（概述（Introduction）w利用混合气体中各组分利用混合气体中各组分(component)在某液体溶剂中的在某液体溶剂中的溶解度溶解度(solubility)的差异的差异而分离气体混合物的单元操作而分离气体混合物的单元操作称为称为吸收吸收。吸收操作时。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液某些易溶组分
3、进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在，不溶或难溶组分仍留在气相气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。，从而实现混合气体的分离。气体吸收是混合气体中气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相上溶解、在气相和液相内由内由浓度差浓度差推动的传质推动的传质过程。过程。吸收剂气体yx界面气相主体 液相主体 相界面气相扩散 液相扩散 yi xi 第3页，本讲稿共121页概述概述（Introduction）w吸收质或溶质吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。w惰性气体惰性气体(inert gas)或载体或载体：
4、不溶或难溶组分，以B表示。w吸收剂吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。w吸收液吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。w吸收尾气吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。w吸收过程在吸收塔吸收塔中进行，逆流逆流操作吸收塔示意图如右所示。吸收塔混合尾气混合尾气(A+B)吸收液吸收液(A+S)吸收剂吸收剂(S)吸收尾气吸收尾气(A+B)第4页，本讲稿共121页一、吸收操作的用途一、吸收操作的用途：w(1)制取产品制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品用吸收剂吸收气体中某些组
5、分而获得产品。如硫酸。如硫酸吸收吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，用水吸收氯化氢制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，用水吸收氯化氢制盐酸等制盐酸等。w(2)分离混合气体分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯还与氢、。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来吸收，使与甲烷、氢分离开来。w(3)气体净化气体净化 一类一类是原料气的净化，即除去混合气体中的
6、杂质是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱如合成氨原料气脱H2S、脱、脱CO2等；等；另一类另一类是尾气处理和废气净化是尾气处理和废气净化以保护环境以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气，硝酸尾气脱除脱除NO2等。等。第5页，本讲稿共121页1.根据溶质与溶剂是否反应：根据溶质与溶剂是否反应：物理吸收物理吸收和和化学吸收化学吸收2.根据热效应：根据热效应：非等温吸收非等温吸收和和等温吸收等温吸收3.根据被吸收溶质的数目：根据被吸收溶质的数目：单组分吸收单组分吸收和和多组分吸收多组分吸收4.根据操作压力：根据操作压力：常压吸收
7、常压吸收和和加压吸收加压吸收5.根据溶质的浓度不同：根据溶质的浓度不同：低浓度吸收低浓度吸收和和高浓度吸收高浓度吸收二、吸收操作分类二、吸收操作分类第6页，本讲稿共121页w物理吸收物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。w化学吸收化学吸收(chemical absorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生
8、较难。w单组分吸收单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。w多组分吸收多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。w非等温吸收非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。w等温吸收等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。w低浓度吸收低浓度吸收：溶质在气液两相中的摩尔分数不超过0.1。本章主要研究：本章主要研究：常压、等温、单组分、低浓度物理吸收常压、等温、单组分、低浓度物理吸收第7页，本讲稿共121页水水粗苯粗苯水水直接蒸汽直接蒸汽焦炉煤气焦炉煤气脱苯煤气脱苯煤气贫油贫油富油富油吸吸收收塔塔解解吸吸塔塔换换热热器器冷冷却却器器冷却冷却-冷凝器冷凝器吸收
9、液贮槽吸收液贮槽脱吸液贮槽脱吸液贮槽从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图三、吸收的流程三、吸收的流程第8页，本讲稿共121页从合成氨原料气中回收从合成氨原料气中回收CO2的流程的流程第9页，本讲稿共121页必须解决问题：必须解决问题：1、选择合适的吸收剂、选择合适的吸收剂（溶剂溶剂）；）；2、提供合适的气液、提供合适的气液传质传质设备设备；3、吸收剂的、吸收剂的再生再生循循环使用。环使用。吸收塔解吸塔工业吸收过程工业吸收过程第10页，本讲稿共121页吸收剂应具有的吸收剂应具有的特点特点：溶解度：大溶解度：大 敏感性：好敏感性：好 选择性：高选择性：高 蒸汽压：低（不
10、易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）蒸汽压：低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）粘粘 度：低（利于传质及输送）度：低（利于传质及输送）比比 热：小（再生时耗热量小）热：小（再生时耗热量小）发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积）发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积）腐蚀性：低（减少设备费和维修费）腐蚀性：低（减少设备费和维修费）安全性：好（避免易燃易爆）安全性：好（避免易燃易爆）经济性：易得到、易再生经济性：易得到、易再生T、p，有利于有利于吸收吸收；T、p ，有利于，有利于解吸解吸四、溶剂选择四、溶剂选择第11页，本讲稿共121页5.2 吸收过程的相平
11、衡关系吸收过程的相平衡关系 气体吸收是一种典型的气体吸收是一种典型的相际间的传质相际间的传质过程，过程，气液相平衡关系是研究气体吸收过程的基础，气液相平衡关系是研究气体吸收过程的基础，该关系通常用气体在液体中的该关系通常用气体在液体中的溶解度溶解度及及亨利定亨利定律律表示。表示。第12页，本讲稿共121页5.2.1 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 气体溶解示意图气体溶解示意图 如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子
12、也便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为不再变化，这种状态称为相际动平衡，相际动平衡，简称简称相相平衡平衡或或平衡平衡。第13页，本讲稿共12
13、1页气体的溶解度气体的溶解度w在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应一一对应关关系。系。w平衡状态下气相中溶质的分压平衡状态下气相中溶质的分压称为称为平衡分压平衡分压或或饱和分压饱和分压，与之对应的液，与之对应的液相浓度相浓度称为称为平衡浓度平衡浓度或气体在液体中的或气体在液体中的溶解度溶解度。这时溶液已经这时溶液已经饱和饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱饱和浓度和浓度，习惯上习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示以单位质量（或
14、体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。w在一定温度下达到平衡时，在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。较高的平衡压力。w气体的溶解度与温度有关，一般来说，气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解度增高温度下降则气体的溶解度增高。气体的溶解度气体的溶解度 1.对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度
15、升高而减小；对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度升高而减小；2.对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。加压加压和和降温降温有利于吸收操作，反之，有利于吸收操作，反之，减压减压和和升温升温有利于解吸操作。有利于解吸操作。第14页，本讲稿共121页溶溶解解度度曲曲线线：在在一一定定温温度度、压压力力下下，平平衡衡时时溶溶质质在在气气相相和和液液相相中的浓度的关系曲线。中的浓度的关系曲线。溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30
16、oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC在相同条件下，在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较在水中的溶解度较 SO2 大得多。大得多。用用水水作作吸吸收收剂剂时时，称称 NH3 为为易易溶溶气气体体，SO2为为中中等等溶溶解解气气体体，溶溶解解度度更更小小的的气气体体则则为为难难溶溶气气体体(如如O2 在在 30 和和溶溶质质的的分分压压为为 40kPa 的的条条件件下下，1kg 水水中中溶溶解解的的质质量量仅仅为为 0.0
17、14g)。第15页，本讲稿共121页5.2.2 亨利定律（亨利定律（Henrys law）当当总总压压不不太太高高时时，一一定定温温度度下下的的稀稀溶溶液液的的溶溶解解度度曲曲线线近近似似为为直直线线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中：式中：p*溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，kPa；x 溶质在液相中的摩尔分数；溶质在液相中的摩尔分数；E 亨利系数亨利系数，kPa。亨利定律亨利定律亨利系数的值随物系的特性及温度而异；亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，物系一定，E 值一般随温度的上升而增大；值一般随温
18、度的上升而增大；E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体在同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体值很大，易溶气体 E 值很小；值很小；E 的单位与气相分压的压强单位一致。的单位与气相分压的压强单位一致。第16页，本讲稿共121页亨利定律其它表示方法亨利定律其它表示方法 当当气气、液液相相溶溶质质浓浓度度用用其其它它组组成成表表示示法法表表示示时时，通通过过浓浓度度换换算算可可得其它形式的亨利定律。常用的形式有：得其它形式的亨利定律。常用的形式有：cA 溶质在液相中的摩尔浓度，溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H
19、 溶解度系数溶解度系数；kmol/(m3 kPa)，随温度升高而减小，易溶气体的，随温度升高而减小，易溶气体的H值很大，而难溶气体的值很大，而难溶气体的H值很小。值很小。（1）气相组成用溶质）气相组成用溶质A的分压的分压PA*,液相组成用物质的浓度液相组成用物质的浓度cA表示：表示：溶解度系数可视为在一定温度下溶质气体分压为溶解度系数可视为在一定温度下溶质气体分压为1kPa的平衡浓度。的平衡浓度。第17页，本讲稿共121页y*与组成为与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；m 相平衡常数相平衡常数，m值越大，表明该气体的溶解度越小；值越大，表明该气
20、体的溶解度越小；（2）气、液相组成分别用溶质）气、液相组成分别用溶质A的摩尔分数的摩尔分数y、x表示：表示：第18页，本讲稿共121页三个比例系数之间的关系：三个比例系数之间的关系：（1）H与E的关系溶液的总浓度溶液的总浓度 cm=kmol（溶质）（溶质）+kmol（溶剂）（溶剂）m3溶质的浓度溶质的浓度 cA=cm x溶液密度，kg/m3溶液的平均分子量，kg/kmol第19页，本讲稿共121页由于溶液很稀，即溶质很少，故溶液的密度可近似用溶剂的密度代由于溶液很稀，即溶质很少，故溶液的密度可近似用溶剂的密度代替，即替，即溶液的平均摩尔质量可用溶液的平均摩尔质量可用溶剂溶剂的摩尔质量代替，即的
21、摩尔质量代替，即第20页，本讲稿共121页（3）E与m的关系由理想气体的分压定律由理想气体的分压定律:第21页，本讲稿共121页亨利定律亨利定律 在在低低浓浓度度气气体体吸吸收收计计算算中中，通通常常采采用用基基准准不不变变的的摩摩尔尔比比 Y（或或 X）表示组成。表示组成。以摩尔比表示组成的相平衡关系以摩尔比表示组成的相平衡关系 X 溶质在液相中的摩尔比浓度；溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*与与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当溶液的当溶液的浓度很低浓度很低时，时，m 趋近趋近 1 或当或当 X 很小时很小时第22页，本讲稿共121页5.2.3 吸收过程相平
22、衡关系吸收过程相平衡关系应用应用（1）判断传质方向判断传质方向:y*=mx x*=y/m 若若 y y*，吸收过程，吸收过程 若若 x x*，解吸过程，解吸过程 y=y*，平衡过程，平衡过程 x=x*，平衡过程，平衡过程 y y*，解吸过程，解吸过程 x 0 y x（不是传质推动力，因为不同相（不是传质推动力，因为不同相)x*-x 0,pA-pA*0，cA*-cA 0 解吸：解吸：y*-y 0，x-x*0，pA*-pA 0，cA-cA*0（3）确定传质过程极限确定传质过程极限 y-y*0为吸收过程，为吸收过程，x，当，当x x*时，达到最大时，达到最大第24页，本讲稿共121页例：在总压例：在
23、总压101.3kPa、温度、温度303K下，含下，含SO2为为0.105（摩尔（摩尔分数）的气体与含分数）的气体与含SO2为为0.002的水溶液相遇，已知平衡关的水溶液相遇，已知平衡关系为系为y*=46.5x。问：会发生吸收还是脱吸？。问：会发生吸收还是脱吸？解：从气相分析解：从气相分析 y*=46.5x=46.5y*=46.5x=46.50.002=0.093y=0.1050.002=0.093x=0.002x*=y/46.5=0.105/46.5=0.0023x=0.002结论同上。结论同上。第25页，本讲稿共121页5.3 5.3 吸收传质机理与吸收速率吸收传质机理与吸收速率 w平平衡衡
24、关关系系只只能能回回答答混混合合气气体体中中溶溶质质气气体体能能否否进进入入液液相相这这个个问问题题，至至于于进进入入液液相相速速率率大大小小，却却无无法法解解决决，后后者者属属于于传传质质的的机机理理问问题题。本本节节的的内内容容是是结结合合吸吸收收操操作作来来说说明明传传质质的的基基本本原原理理，并并导导出出传传质质的的速速率率关关系系，作作为为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。分析吸收操作与计算吸收设备的依据。w气气体体吸吸收收是是溶溶质质先先从从气气相相主主体体扩扩散散到到气气液液界界面面，再再从从气液界面扩散到气液界面扩散到液相主体液相主体的传质过程。的传质过程。第26页，本讲稿共1
25、21页5.3.1 气液相际传质理论气液相际传质理论相相对对于于气气相相浓浓度度 y 而而言言，液液相相浓浓度度欠欠饱饱和和(xy*)，溶溶质质 A 由气相向液相转移。由气相向液相转移。一、传质过程的方向一、传质过程的方向一、传质过程的方向一、传质过程的方向 气气、液液相相浓浓度度(y,x)在在平平衡线上方衡线上方(P点点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结结论论：若若系系统统气气、液液相相浓浓度度(y,x)在在平平衡衡线线上上方方，则则体体系系将将发发生生从从气相到液相的传质，即气相到液相的传质，即吸收过程吸收过程。x*释放溶质吸收溶质第27页，本讲稿共121页相相对对于于气气相相浓浓度度而而
26、言言实实际际液液相相浓浓度度过过饱饱和和(xx*)，故故液液相有释放溶质相有释放溶质 A 的能力。的能力。相相对对于于液液相相浓浓度度 x 而而言言气气相相浓浓度度为为欠欠饱饱和和(y 1/（H kL），），KGkG溶解度H很大，m很小，1/kym/kx举例：氯化氢溶于水或稀盐酸中；氨溶解于水或稀氨水中；浓硫酸吸收水蒸汽举例：氯化氢溶于水或稀盐酸中；氨溶解于水或稀氨水中；浓硫酸吸收水蒸汽传质阻力集中于气膜中，称为气膜阻力控制或传质阻力集中于气膜中，称为气膜阻力控制或气膜控制气膜控制。传质速率方程：第50页，本讲稿共121页三点说明：三点说明：1.气膜控制时，液相界面浓度气膜控制时，液相界面浓度
27、cicAL（液（液相主体溶质相主体溶质A的浓度），气膜推动力的浓度），气膜推动力（PAG-Pi）（PAG-P*）(气相总推动力气相总推动力)；2.溶解度系数溶解度系数H很大时，平衡线斜率很大时，平衡线斜率很小。此时，较小的气相分压（或很小。此时，较小的气相分压（或浓度）能与较大的液相浓度浓度）能与较大的液相浓度cA*相平相平衡；衡；3.气膜控制时，要提高总传质系数，应气膜控制时，要提高总传质系数，应加大气相湍流加大气相湍流程度。程度。0EPI（a)气膜控制气膜控制 第51页，本讲稿共121页（2）难溶气体（液膜控制）难溶气体（液膜控制）H ，H/kG，H/kG 1 。漂流因数可表示为 P/PB
28、m，它反映 由于总体流动使传质速率比单纯分子扩散增加的比率。4一般来说，两组份的等分子反相扩散体现在 精流 单元操作中，而A组份通过B组份的单相扩散体现在 吸收 操作中。10分子扩散中菲克定律的表达式为，气相中的分子扩散系数D随温度升高而增大（增大、减小），随压力增加而减小（增大、减小）。第58页，本讲稿共121页 5.易溶气体溶液上方的分压 小 ，难溶气体溶液上方的分压 大 ，只要组份在气相中的分压 大于 液相中该组分的平衡分压，吸收就会继续进行。6.某低浓度气体吸收过程，已知相平衡常数m=1 ，气膜和液膜体积吸收系数分别为kya=210-4kmol/m3.s,kxa=0.4 kmol/m3
29、.s,则该吸收过程及气膜阻力占总阻力的百分数分别为 气膜控制，约100%；该气体为 易 溶气体。二、选择1 根据双膜理论，当被吸收组分在液相中溶解度很小时，以液相浓度表示的总传质系数 B 。A大于液相传质分系数 B 近似等于液相传质分系数C小于气相传质分系数 D 近似等于气相传质分系数2 单向扩散中飘流因子 A 。A 1 B 1 C =1 D 不一定3 已知SO2水溶液在三种温度t1、t2、t3下的亨利系数分别为E1=0.0035atm、E2=0.011atm、E3=0.00625atm，则AA t1t2 C t1t2 D t3t1A 增大 B 减小 C 不变 D 不能判断第59页，本讲稿共1
30、21页计算题：含氨极少的空气于101.33kPa，20被水吸收。已知：气膜传质系数 kG=3.1510-6kmol（m2skPa）；液膜传质系数 kL=1.8110-4 kmol（m2skmol/m3）；溶解度系数 H=1.5kmol（m3kPa）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气液相总传质系数KG、KY；液相总传质系数KL、KX。解：物系的气液相平衡关系服从亨利定律。此物系中氨极易溶于水，溶解度非常大，属气膜控制。第60页，本讲稿共121页此系统属低浓度气体吸收。第61页，本讲稿共121页5.4 5.4 低浓度气体吸收塔的计算低浓度气体吸收塔的计算化化工工单单元元设设备备的的计计算算，按按给
31、给定定条条件件、任任务务和和要要求求的的不不同同，一一般般可可分分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设设计计型型计计算算：按按给给定定的的生生产产任任务务和和工工艺艺条条件件来来设设计计满满足足任任务务要要求的单元设备。求的单元设备。操操作作型型计计算算：根根据据已已知知的的设设备备参参数数和和工工艺艺条条件件来来求求算算所所能能完完成成的的任任务。务。两两种种计计算算所所遵遵循循的的基基本本原原理理及及所所用用关关系系式式都都相相同同，只只是是具具体体的的计计算算方方法法和和步步骤骤有有些些不不同同而而已已。本本章章着着重重讨讨论论吸吸收收塔
32、塔的的设设计计型型计计算算，而操作型计算则通过习题加以训练。而操作型计算则通过习题加以训练。吸吸收收塔塔的的设设计计型型计计算算是是按按给给定定的的生生产产任任务务及及条条件件（已已知知待待分分离离气气体体的的处处理理量量与与组组成成，以以及及要要达达到到的的分分离离要要求求），设设计计出出能能完完成此分离任务所需的成此分离任务所需的吸收塔吸收塔。第62页，本讲稿共121页已知：处理气量及初、终浓度、相平衡已知：处理气量及初、终浓度、相平衡 关系关系求：（求：（1）溶剂的用量及吸收液浓度）溶剂的用量及吸收液浓度 （2）填料塔的填料层高度）填料塔的填料层高度 （3）吸收塔塔径）吸收塔塔径 吸收（
33、或解吸）塔的计算吸收（或解吸）塔的计算 吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端第63页，本讲稿共121页吸收过程既可采用板式塔又可采用填料塔。吸收过程既可采用板式塔又可采用填料塔。本章重点讨论连续接触的本章重点讨论连续接触的填料填料吸收塔。吸收塔。填料塔内气液两相流动：填料塔内气液两相流动：逆流逆流和和并流并流。逆流的优点：逆流的优点：（1）在两相进出口浓度相同的条件下，逆流的）在两相进出口浓度相同的条件下，逆流的平均推动力大平均推动力大于并流。于并流。（2）逆流时，下降至塔底的液体刚好与进入塔内的混合气接触，有利于）逆流时，下降至塔底的液体刚好与进入塔内的混合气接触
34、，有利于提高液体浓度，可提高液体浓度，可减少吸收剂用量减少吸收剂用量。（3）上升至塔顶的气体与刚刚进塔的新鲜吸收剂接触，有利于降低出塔气）上升至塔顶的气体与刚刚进塔的新鲜吸收剂接触，有利于降低出塔气体的浓度，可体的浓度，可提高提高溶质的溶质的吸收率吸收率。逆流的缺点：逆流的缺点：向下流的液体受到上升气体的作用力（曳力），会阻碍液体下流，因而限制向下流的液体受到上升气体的作用力（曳力），会阻碍液体下流，因而限制了允许的液体和气体的流量。了允许的液体和气体的流量。设计恰当，可以克服这一缺陷，设计恰当，可以克服这一缺陷，一般吸收操作多一般吸收操作多采用逆流采用逆流。第64页，本讲稿共121页在许多工
35、业生产过程中，当进塔的混合气体中的在许多工业生产过程中，当进塔的混合气体中的溶质浓度不高（溶质浓度不高（510%），通常称为），通常称为低浓度气体低浓度气体吸收吸收。低浓度气体吸收的低浓度气体吸收的特点特点：（1）G、L可视为可视为常量常量；（2）吸收过程是在）吸收过程是在等温等温下进行；下进行；（3）传质系数为）传质系数为常数常数。使计算过程简化。使计算过程简化。第65页，本讲稿共121页G2、G1组分组分(A+B)出塔、入塔气体流率，出塔、入塔气体流率，kmol(A+B)/(m2.s);L2、L1组分组分(A+S)入塔、出塔液体流率，入塔、出塔液体流率，kmol(A+S)/(m2.s);G
36、、L通过塔任一截面的气、液流率，通过塔任一截面的气、液流率，kmol/(m2.s);y2、y1出塔、入塔气体组成的摩尔分率出塔、入塔气体组成的摩尔分率,kmol A/kmol(A+B);x2、x1入塔、出塔液体组成的摩尔分率入塔、出塔液体组成的摩尔分率,kmol A/kmol(A+S);x、y通过塔任一截面的气、液组成。通过塔任一截面的气、液组成。塔底塔底5.4.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶稀端稀端浓端浓端以逆流操作为例：或用字母表示塔顶和塔或用字母表示塔顶和塔底：底：a=2 ;b=1第66页，本讲稿共121页吸收塔的物料
37、衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端全塔物料衡算式：全塔物料衡算式：一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程惰性气体GB和溶剂LS量不变化第67页，本讲稿共121页吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端或或塔顶塔顶与任一截面间的物料衡算：与任一截面间的物料衡算：塔底塔底与任一截面间的物料衡算：与任一截面间的物料衡算：或或吸收操作线方程第68页，本讲稿共121页实际上是实际上是等效等效的，逆流吸收塔操作线只的，逆流吸收塔操作线只有一条，在图中为一条直线，如图中有一条，在图中为一条直线，如图中AB线所示。线所示。由全塔物料衡算可得由
38、全塔物料衡算可得:故以上两式故以上两式:ERQBPA0YXY1Y2YX2X X1摩尔比坐标系中的操作摩尔比坐标系中的操作线和平衡线线和平衡线第69页，本讲稿共121页ERQBPA0YXY1Y2YX2X X1摩尔比坐标系中的操作摩尔比坐标系中的操作线和平衡线线和平衡线吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程稳定吸收条件下，稳定吸收条件下，Ls、GB、X1、Y2均为定值均为定值吸收操作线为一条直线，斜率为吸收操作线为一条直线，斜率为LS/GB，截距为截距为吸收操作线方程描述了塔任意截面上吸收操作线方程描述了塔任意截面上气液两相浓度之间的关系。气液两相浓度之间的关系。第70页，本讲稿
39、共121页ERQBPA0YXY1Y2YX2X X1摩尔比坐标系中的操作摩尔比坐标系中的操作线和平衡线线和平衡线操作线通过操作线通过A（X2，Y2）和点）和点(X1,Y1);点点A代表塔顶的状态；代表塔顶的状态；点点B代表塔底的状态；代表塔底的状态；AB为操作线。为操作线。由于吸收过程气相中的溶质分压总由于吸收过程气相中的溶质分压总大于液相溶质的平衡分压大于液相溶质的平衡分压吸收操作线吸收操作线AB总在平衡线的上方总在平衡线的上方第71页，本讲稿共121页用摩尔比表示的传质速率方程：用摩尔比表示的传质速率方程：以气相摩尔比差为推动力的总传质系数，以气相摩尔比差为推动力的总传质系数，kmol/(m
40、2.s)以液相摩尔比差为推动力的总传质系数，以液相摩尔比差为推动力的总传质系数，kmol/(m2.s)当为当为低浓度吸收低浓度吸收时，时，GBG，LSL，Yy，Xx，或或吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程第72页，本讲稿共121页取决于气液两相的流量取决于气液两相的流量L、G、吸收塔内某截面上的、吸收塔内某截面上的气、液组成，与相平衡关系、塔型（板式或填料）、气、液组成，与相平衡关系、塔型（板式或填料）、相际接触情况以及操作条件无关相际接触情况以及操作条件无关。上式的应用的唯一条件：上式的应用的唯一条件：稳定连续逆流操作稳定连续逆流操作。溶质的物料平衡关系溶质的物料平衡关
41、系注意:第73页，本讲稿共121页回收率（吸收率）回收率（吸收率）吸收塔设计计算中，吸收塔设计计算中，气体的处理量气体的处理量进塔气体的组成进塔气体的组成Y1吸收剂的入塔组成吸收剂的入塔组成X2分离要求分离要求一定一定确定吸确定吸收剂用收剂用量量分离要求：分离要求：（1）回收有用物质时，通常规定回收率（吸收率）回收有用物质时，通常规定回收率（吸收率）（2）除去气体中的有害物质，一般直接规定气体中残余有害溶质的组成）除去气体中的有害物质，一般直接规定气体中残余有害溶质的组成Y1第74页，本讲稿共121页并流并流操作的吸收塔操作的吸收塔XEA0YY1Y2X2X1B吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔
42、的物料衡算与操作线方程第75页，本讲稿共121页5.4.2 5.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定 由全塔物料衡算式由全塔物料衡算式 G=G2=G1=GBL=L2=L1=LS低浓度气体吸收低浓度气体吸收:吸吸收收剂剂用用量量 Ls 或或液液气气比比 Ls/GB 在在吸吸收收塔塔的的设设计计计计算算和和塔塔的的操操作作调调节节中是一个很重要的参数。中是一个很重要的参数。吸吸收收塔塔的的设设计计计计算算中中，气气体体处处理理量量G，以以及及进进、出出塔塔组组成成 Y1、Y2 由由设设计计任任务务给给定定，吸吸收收剂剂入入塔塔组组成成 X2 则则是是由由工工艺艺
43、条条件件决决定定或或设设计人员选定。计人员选定。第76页，本讲稿共121页选选取取的的 L/G ，操操作作线线斜斜率率 ，操操作作线线与与平平衡衡线线的的距距离离 ，塔塔内内传传质质推推动动力力 ，完完成成一一定定分分离离任任务务所所需需塔塔高高 ；L/G ，吸吸收收剂剂用用量量 ，吸吸收收剂剂出出塔塔浓浓度度 X1 ，循环和再生费用，循环和再生费用 ；若若L/G ，吸吸收收剂剂出出塔塔浓浓度度 X1 ，塔塔内内传传质质推推动动力力 ，完完成成相相同同任任务务所所需需塔塔高高 ，设备费用，设备费用 。ERQBPA0分析分析第77页，本讲稿共121页若减少吸收剂用量，操作线斜率减小，若减少吸收剂
44、用量，操作线斜率减小，向平衡线靠近（向平衡线靠近（AB），溶液变浓，），溶液变浓，推动力减小，吸收困难，气液接触推动力减小，吸收困难，气液接触面积必须增大，塔高增大。面积必须增大，塔高增大。若吸收剂用量减少到使操作线与平若吸收剂用量减少到使操作线与平衡线相交（衡线相交（C点），此处气液相浓点），此处气液相浓度（度（Y、X*）相平衡。推动力为零）相平衡。推动力为零,所需相际面积为无限大所需相际面积为无限大,是一种是一种达达不到的极限不到的极限。CB1ERQBPA0摩尔比坐标系中的操作线和平衡线摩尔比坐标系中的操作线和平衡线此时所需的吸收剂用量此时所需的吸收剂用量称为称为最小吸收剂用量最小吸收剂用
45、量，以，以Lmin表示。表示。第78页，本讲稿共121页CB1ERQBPA0最小液气比（最小液气比（Limiting gas-liquid ratio）摩尔比坐标系中的操作线和平衡摩尔比坐标系中的操作线和平衡线线5.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定塔底流出液组成与进塔混合气组成达到平衡，塔底流出液组成与进塔混合气组成达到平衡，这是理论上吸收液所能达到的最高组成。这是理论上吸收液所能达到的最高组成。适宜的液气比：适宜的液气比：Y*=f(X)确定合适的吸收剂用量确定合适的吸收剂用量是吸收塔设计计算的首要任务。是吸收塔设计计算的首要任务。在气量在气量G一定的情况下，确定吸收剂用量也就是确定液
46、气比一定的情况下，确定吸收剂用量也就是确定液气比具体步骤具体步骤：（1）确定最小液气比）确定最小液气比 （2）根据工程经验，确定适宜的液气比。）根据工程经验，确定适宜的液气比。第79页，本讲稿共121页CB1ERQBPA0 摩尔比坐标系中摩尔比坐标系中 的操作线和平衡线的操作线和平衡线总费用总费用=设备费设备费+操作费操作费（L/G），操作线斜率，操作线斜率，传质推，传质推动力动力，塔高（填料层高度），塔高（填料层高度），操，操作费用作费用，设备费用，设备费用；（L/G），操作线斜率，操作线斜率，传质推，传质推动力动力，塔高（填料层高度），塔高（填料层高度），操，操作费用作费用，设备费用，设备
47、费用；吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定第80页，本讲稿共121页Y1Y2X1X2X1,maxY*=f(X)第81页，本讲稿共121页讨论：讨论：1 1、相平衡关系、相平衡关系符合亨利定律符合亨利定律时，时，X1*=Y1/m当当X2=0时，时，（清溶剂）（清溶剂）2 2、若为低浓度气体吸收（如无特别说明以后均为低浓度气体吸收）、若为低浓度气体吸收（如无特别说明以后均为低浓度气体吸收）吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定用摩尔分数代替摩尔比，公用摩尔分数代替摩尔比，公式形式不变式形式不变第82页，本讲稿共121页塔径的计算塔径的计算D-吸收塔直径；吸收塔直径；m；G-操作条件下混合气体的体积流量，操作
48、条件下混合气体的体积流量，m 3/s;u-空塔气速（按空塔界面计算的混合气体线速度，空塔气速（按空塔界面计算的混合气体线速度，m/s）注意：注意：（1）计算塔径时，一般以塔底的气量为依据；）计算塔径时，一般以塔底的气量为依据；（2）计算出塔径后，需要按塔径的系列标准进行圆整。）计算出塔径后，需要按塔径的系列标准进行圆整。工业上标准塔径：工业上标准塔径：400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、1000mm、1200mm、1600mm、2000mm计算塔径的计算塔径的关键关键在于确定适宜的空塔气速。在于确定适宜的空塔气速。第83页，本讲稿共121页塔高的计算塔高的计算填料吸收塔
49、的有效高度，指填料吸收塔的有效高度，指填料的高度填料的高度。填料高度的计算通常采用：填料高度的计算通常采用：（1）传质单元数法）传质单元数法 （2）等板高度法）等板高度法第84页，本讲稿共121页定义定义：吸收因子吸收因子（因数）：（因数）：A=L/（mG）或）或 A=LS/（mGB）几何意义几何意义：操作线斜率与平衡线斜率之比：操作线斜率与平衡线斜率之比解吸因子解吸因子（因数）：（因数）：S=mG/L 或或 S=mGB/LS（1）A1，则，则L/G 1，则，则L/G m y2，。在塔顶达到平衡。在塔顶达到平衡x2*，若若x2=0,max=1（3）A=1，则，则L/G=m 塔高无穷大时，全塔处
50、处平衡，塔高无穷大时，全塔处处平衡，max=1填料层无穷高的吸收塔填料层无穷高的吸收塔第86页，本讲稿共121页a 单位体积填料的单位体积填料的有效有效传质面积，传质面积，m2/m3；h 填料层高度，填料层高度，m；塔截面积（即填料层截面），塔截面积（即填料层截面），m2；D 塔直径，塔直径，mKya kmol/(m3.s)Ky kmol/(m2.s)5.4.4 有限高吸收塔填料层高度计算有限高吸收塔填料层高度计算气相总体积传质系数气相总体积传质系数气液两相的接触面积：气液两相的接触面积：A的影响因素：的影响因素：（1）设备的大小）设备的大小 （2）填料的特性）填料的特性 （3）流体流动状况）