《气体吸收过程》PPT课件.ppt

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1、过 程 系 统 原 理第五章 气体吸收 主讲人：程 明南京工业大学本科系列课程南京工业大学本科系列课程2/6/20231Process System Principle 教学内容相际传质理论相际传质理论气液相平衡理论气液相平衡理论吸收过程概述吸收过程概述吸收过程计算吸收过程计算2/6/20232Process System Principle 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 传质过程：传质过程：将将均均相相物物系系混混合合物物分分离离为为较较净净或或几几乎乎纯纯态态的的物物质质时时，利利用用原原物物系系中中各各组组分分间间某某种种物物性性的的差差异异，从从而而将将均均相相物物系系形形成成一一

2、个个两两相相物物质质，达达到到分分离的目的。离的目的。过过程程工工业业中中常常见见的的传传质质过过程程有有蒸蒸馏馏、吸吸收收、干干燥燥、萃萃取取和和吸吸附附等等单单元操作。元操作。物质在相间的转移过程称为物质传递过程（简称传质过程）。物质在相间的转移过程称为物质传递过程（简称传质过程）。吸收：吸收：利利用用混混合合气气体体中中各各组组分分在在液液相相吸吸收收剂剂中中溶溶解解度度的的差差异异而而实实现现气气体体混混合分离的操作称为吸收。合分离的操作称为吸收。2/6/20233Process System Principle 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 所用液体称为吸收剂（或溶剂）。所用液体

3、称为吸收剂（或溶剂）。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。吸收操作的目的：吸收操作的目的：（1 1）分离和净化原料气分离和净化原料气：原原料料气气在在加加工工以以前前，其其中中无无用用的的或或有有害害的的成成分分都都要要预预先先除除去去。如如从从合成氨所用的原料气中分离出合成氨所用的原料气中分离出COCO2 2、COCO、H H2 2S S等杂质。等杂质。（2 2）分离和吸收气体中的有用组分：分离和吸收气体中的有用组分：如如从从合合成成氨氨厂厂的的放放空空气气中中用用水水回回收收氨氨；从从焦

4、焦炉炉煤煤气气中中以以洗洗油油回回收收粗粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。2/6/20234Process System Principle 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 （3 3）某些产品的制取：某些产品的制取：选选择择适适当当的的工工艺艺和和溶溶剂剂进进行行SOSO2 2、H H2 2S S吸吸收收是是废废气气治治理理中中应应用用较较广广的的方法。方法。如如制制酸酸工工业业中中用用水水分分别别吸吸收收混混合合气气体体中中的的HClHCl、SOSO3 3和和NONO2 2制制取取盐盐酸酸、硫酸

5、和硝酸。硫酸和硝酸。（4 4）废气的治理废气的治理：2/6/20235Process System Principle 吸收过程概述工业吸收过程工业吸收过程图图5-1 5-1 吸收与解吸流程吸收与解吸流程 2/6/20236Process System Principle 吸收过程概述吸收操作需要解决的问题吸收操作需要解决的问题 选择合适的溶剂，选择性溶解被分离的组分：选择合适的溶剂，选择性溶解被分离的组分：吸收剂的选择时要从以下几方面来考虑：吸收剂的选择时要从以下几方面来考虑：对对被被吸吸收收的的组组分分要要有有较较大大的的溶溶解解度度，且且有有较较好好的的选选择择性性。即即对对溶质的溶解度

6、要大，而对惰性气体几乎不溶解。溶质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。腐蚀性要小腐蚀性要小,以减小设备费用和维修费。以减小设备费用和维修费。粘粘度度要要低低，以以利利于于传传质质及及输输送送；比比热热要要小小，使使再再生生时时的的耗耗热热量量较小；不易燃烧，以利于安全生产。较小；不易燃烧，以利于安全生产。吸收后的溶剂应易于再生。吸收后的溶剂应易于再生。2/6/20237Process System Princi

7、ple图图5-2 5-2 两类吸收设备两类吸收设备 吸收过程概述吸收操作需要解决的问题吸收操作需要解决的问题 提供适当的传质设备，实现气液两相的接触：提供适当的传质设备，实现气液两相的接触：2/6/20238Process System Principle 吸收过程概述吸收类型及操作假设吸收类型及操作假设 （1 1）物物理理吸吸收收：气气体体各各组组分分因因在在溶溶剂剂中中溶溶解解度度的的不不同同而而被被分分离离的的吸收操作，称。吸收操作，称。物理吸收和化学吸收：物理吸收和化学吸收：例：例：（2 2）化学吸收：利用化学反应进行的吸收操作，称）化学吸收：利用化学反应进行的吸收操作，称 。吸收操作

8、假设：吸收操作假设：（1 1）气气体体混混合合物物中中只只有有一一个个组组分分溶溶于于溶溶剂剂，其其余余组组分分在在溶溶剂剂中中的的溶解度极低而可忽略不计，视为惰性气体。溶解度极低而可忽略不计，视为惰性气体。（2 2）溶剂的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略）溶剂的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略 。即即：气气相相中中仅仅包包含含一一个个惰惰性性组组分分和和一一个个可可溶溶解解组组分分；液液相相中中则则包包含含着可溶解组分（溶质）和溶剂。着可溶解组分（溶质）和溶剂。2/6/20239Process System Principle 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 平衡溶解度的概念：平衡溶解度的概

9、念：平衡溶解度曲线：平衡溶解度曲线：溶溶质质与与溶溶剂剂接接触触，在在进进行行溶溶解解的的过过程程中中，随随着着溶溶质质在在溶溶液液中中浓浓度度C C1 1的的逐逐渐渐提提高高，传传质质速速率率将将逐逐渐渐减减慢慢，最最后后降降到到零零，C C1 1达达到到一一最最大大限限度度。这时称气液达到了平衡，称为平衡溶解度。简称为溶解度。这时称气液达到了平衡，称为平衡溶解度。简称为溶解度。溶溶解解度度随随温温度度和和溶溶质质气气体体的的分分压压不不同同而而不不同同，平平衡衡时时溶溶质质在在气气相相中中的的分分压压称称为为平平衡衡分分压压e e。溶溶质质组组分分在在两两相相中中的的组组成成服服从从相相平

10、平衡衡关关系系。平平衡衡分分压压e e与与溶溶解解度度间间的的关关系系如如图图5-35-3、图图5-45-4等等的的曲曲线线所所示示，这这些些曲曲线称为溶解度曲线。线称为溶解度曲线。2/6/202310Process System Principle 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度图图5-3 5-3 氨在水中的平衡溶解度氨在水中的平衡溶解度图图5-4 SO5-4 SO2 2在水中的平衡溶解度在水中的平衡溶解度2/6/202311Process System Principle 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 亨利定律：亨利定律：当当总总压压不不高高（一一般般小小于于10105 5 NC

11、mNCm-2-2)时时，在在一一定定温温度度下下，稀稀溶溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：P Pe e=EX=EX 式中：式中：P Pe e-溶质在气相中的平衡分压溶质在气相中的平衡分压,KN/m,KN/m2 2 X-X-溶质在液相中的摩尔分率溶质在液相中的摩尔分率 E-E-享利系数，享利系数，kN/mkN/m2 2 亨利定律的其它表示方法：亨利定律的其它表示方法：P Pe e=HC=HC 式中：式中：C-C-液相中溶质的摩尔浓度液相中溶质的摩尔浓度,Kmol/m,Kmol/m3 3;H-H-溶解度系数溶解

12、度系数,mkN/kmol;,mkN/kmol;2/6/202312Process System Principle 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 y ye e=mx=mx 设：设：P-P-总压；总压；C CM M-液相总浓度。液相总浓度。所以享利系数所以享利系数E E、H H、m m之间的关系为：之间的关系为：式中：式中：y ye e-溶质在气相的摩尔分率；溶质在气相的摩尔分率；m-m-相平衡常数，无因次。相平衡常数，无因次。则：则：2/6/202313Process System Principle 气液相平衡理论相平衡关系的应用相平衡关系的应用 判断传质过程进行的方向：判断传质过程进

13、行的方向：设设101.3kpa101.3kpa、20 20 下，稀氨在水中的相平衡方程：下，稀氨在水中的相平衡方程：y ye e=0.94x=0.94x 图图5-5 5-5 判断吸收过程的方向判断吸收过程的方向2/6/202314Process System Principle 气液相平衡理论相平衡关系的应用相平衡关系的应用 指明过程的极限：指明过程的极限：图图5-6 5-6 指明吸收过程的极限指明吸收过程的极限2/6/202315Process System Principle 气液相平衡理论相平衡关系的应用相平衡关系的应用 计算过程的推动力：计算过程的推动力：图图5-7 5-7 计算吸收过

14、程的推动力计算吸收过程的推动力2/6/202316Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 相际传质过程的步骤：相际传质过程的步骤：吸收过程涉及两相间的物质传递。吸收过程涉及两相间的物质传递。传递过程包括三个步骤：传递过程包括三个步骤：溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递。溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递。溶溶质质在在相相界界面面上上的的溶溶解解，由由气气相相转转入入液液相相，即即界界面面上上发发生生的的溶溶解过程；解过程；溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。物

15、质传递机理：物质传递机理：分子扩散：浓度差。分子扩散：浓度差。对流传质：流体的宏观运动。对流传质：流体的宏观运动。2/6/202317Process System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散 主要讨论双组分混合物的分子扩散。主要讨论双组分混合物的分子扩散。式中：式中：J JA A-扩散速率，扩散速率，kmol/kmol/（m m2 2 s s）dC dCA A/dz-/dz-扩散方向上的浓度梯度，扩散方向上的浓度梯度，kmol/kmol/（m m3 3 m m）D DABAB-扩散系数，扩散系数，m m2 2/s/s （1 1）费克定律：）费克定律：恒温恒压条件下：恒温恒

16、压条件下：又：又：所以：所以：2/6/202318Process System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散 由费克定律可知：由费克定律可知：对于双组分混合物：对于双组分混合物：则：则：（2 2）分子扩散与主体流动：）分子扩散与主体流动：图图5-8 5-8 分子扩散分子扩散 -主体、界面主体、界面 A A 组分浓度。组分浓度。所以：所以：或或2/6/202319Process System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散 等等分分子子扩扩散散：在在扩扩散散方方向向上上没没有有流流体体的的宏宏观观流流动动，即即通通过过断断面面PQPQ的的净物质量为零。净物质

17、量为零。实实际际吸吸收收过过程程：假假设设 B B 物物质质为为惰惰性性物物质质，则则A A物物质质被被吸吸收收，B B物物质质被被阻阻隔隔，气气体体主主体体与与界界面面有有微微压压差差，造造成成主主体体流流动动现现象象，吸吸收收过过程程为为分分子子 A A单向扩散，而非等分子扩散。单向扩散，而非等分子扩散。（3 3）分子扩散速率方程：）分子扩散速率方程：通通过过任任一一与与气气液液界界面面平平行行的的静静止止平平面面PQPQ，一一般般存存在在着着三三个个物物流流：两两个扩散流个扩散流J JA A、J JB B，及一个主体流动，及一个主体流动N NM M。参见图参见图5-95-9所示。所示。2

18、/6/202320Process System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散图图5-9 5-9 主体流动与扩散流主体流动与扩散流 净物流净物流N N（kmol/mkmol/m2 2s）：）：因为：因为：所以：所以：称该式为组分称该式为组分A A的分子扩散速率方程。的分子扩散速率方程。2/6/202321Process System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散 等分子扩散速率的积分式：等分子扩散速率的积分式：因为：因为：所以：所以：积分得：积分得：对于理想气体：对于理想气体：则：则：图图5-10 5-10 等分子扩散等分子扩散2/6/202322Proc

19、ess System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散 单向扩散速率的积分式：单向扩散速率的积分式：在吸收过程中：在吸收过程中：则：则：积分得：积分得：式中：式中：图图5-11 5-11 单项扩散单项扩散2/6/202323Process System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散 （4 4）扩散系数：）扩散系数：式中：式中：D-D-气体的扩散系数，气体的扩散系数，cm cm2 2/s /s；T-T-绝对温度，绝对温度，K K；M MA A、M MB B-组分组分A A、B B的摩尔质量，的摩尔质量，kg/kmol kg/kmol；P-P-总压，总压，kpa

20、 kpa；T TCACA、T TCBCB-组分组分A A、B B的临界温度，的临界温度，K K；V VCACA、V VCBCB-组分组分A A、B B的临界体积，的临界体积，cmcm3 3/mol/mol。组分在气体中的扩散系数：组分在气体中的扩散系数：2/6/202324Process System Principle 相际传质理论分子扩散分子扩散 组分在液体中的扩散系数：组分在液体中的扩散系数：式中：式中：D DABAB-组分组分A A的扩散系数，的扩散系数，cm cm2 2/s /s；T-T-绝对温度，绝对温度，K K；-溶剂粘度，溶剂粘度，mPas mPas；M MB B-溶剂溶剂B

21、B的摩尔质量，的摩尔质量，kg/mol kg/mol；V VA A-组分组分A A在常沸点下的摩尔体积，在常沸点下的摩尔体积，cmcm3 3/mol/mol。扩散组分为低摩尔质量的非电解质，在稀溶液中：扩散组分为低摩尔质量的非电解质，在稀溶液中：2/6/202325Process System Principle 相际传质理论对流扩散对流扩散 对流对传质的贡献：对流对传质的贡献：图图5-12 MN5-12 MN截面上可溶组分的浓度分布截面上可溶组分的浓度分布 1 1静止流体；静止流体；2 2滞流；滞流；3 3湍流湍流 流流动动流流体体与与相相界界面面之之间间的物质传递称为对流传质。的物质传递称

22、为对流传质。参见图参见图5-125-12所示。所示。2/6/202326Process System Principle 相际传质理论对流扩散对流扩散 对流传质速率：对流传质速率：对流传质现象复杂，传质速率难以解析求得，必须依靠实验测得。对流传质现象复杂，传质速率难以解析求得，必须依靠实验测得。气相与界面的传质速率式可写成：气相与界面的传质速率式可写成：式中：式中：p p、p pi i-溶质溶质A A在气相主体与界面处的分压，在气相主体与界面处的分压，kPa kPa；y y、y yi i-溶质溶质A A在气相主体与界面处的摩尔分数；在气相主体与界面处的摩尔分数；k kG G-以分压差表示推动力

23、的气相传质系数，以分压差表示推动力的气相传质系数，kmol/(s kmol/(smm2 2kPa)kPa)k ky y-以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数，以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数，kmol/(skmol/(smm2 2)2/6/202327Process System Principle 相际传质理论对流扩散对流扩散 液相与界面的传质速率式可写成：液相与界面的传质速率式可写成：式中：式中：c c、c ci i-溶质溶质A A的主体浓度和界面浓度，的主体浓度和界面浓度，kmol/mkmol/m3 3 ；x x、x xi i-溶质溶质A A在主体与界面处的摩尔分数；在主体与界面处的

24、摩尔分数；k kL L-以浓度差表示推动力的液相传质系数，以浓度差表示推动力的液相传质系数，m/s m/s；k kx x-以摩尔分数差表示推动力的液相传质系数，以摩尔分数差表示推动力的液相传质系数，kmol/(skmol/(smm2 2)比较前几个式子，可得：比较前几个式子，可得：2/6/202328Process System Principle 相际传质理论对流扩散对流扩散 传质系数的无因次关联式：传质系数的无因次关联式：影响因素：影响因素：流体密度流体密度（kg/mkg/m3 3）；流体粘度流体粘度（PaPas s）；流体速度流体速度u u（m/sm/s）；定性尺寸定性尺寸d d（m m

25、）；对流传质系数对流传质系数k k（气相或液相均以浓度差（气相或液相均以浓度差cc为推动力）（为推动力）（m/sm/s）。扩散系数扩散系数D D（m m2 2/s/s）；待求函数为：待求函数为：传质系数无因次化为：传质系数无因次化为：2/6/202329Process System Principle 相际传质理论对流扩散对流扩散 Schmidt number Schmidt number：Sherwood number Sherwood number：Reynlods number Reynlods number：当当气气体体或或液液体体在在降降膜膜吸吸收收器器内内作作湍湍流流流流动动，Re

26、2100Re2100，Sc=0.6Sc=0.630003000时，实验获得的结果为：时，实验获得的结果为：2/6/202330Process System Principle 相际传质理论对流传质理论对流传质理论 有效膜理论：有效膜理论：图图5-13 5-13 有效膜理论有效膜理论 全全部部传传质质阻阻力力集集中中与与该该两两层静止膜中；层静止膜中；膜膜中中的的传传质质是是定定态态的的分分子子扩散。扩散。气气液液界界面面两两侧侧各各存存在在一一层层静静止止的的气气膜膜和和液液膜膜，其其厚厚度度为为G G和和L L；简化假设：简化假设：2/6/202331Process System Princ

27、iple 相际传质理论对流传质理论对流传质理论 式中：式中：D DG G、D DL L-分别为溶质组分在气膜与液膜中的扩散系数；分别为溶质组分在气膜与液膜中的扩散系数；（P/PP/PBmBm）-气相扩散中的漂流因子，气相扩散中的漂流因子，也可写成也可写成1/y1/yBmBm或或1/1/（1-y1-y）m m，（1-y1-y）m m为惰性组分在气相主体和界面上的对数平均浓度；为惰性组分在气相主体和界面上的对数平均浓度；（C CM M/C/CBmBm）-液相扩散中的漂流因子，液相扩散中的漂流因子，也可写成也可写成1/x1/xBmBm或或1/1/（1-x1-x）m m （1-x1-x）m m为液相惰

28、性组分在液相主体和界面上的对数平均为液相惰性组分在液相主体和界面上的对数平均 浓度；浓度；因此：因此：2/6/202332Process System Principle 相际传质理论对流传质理论对流传质理论 溶质渗透理论：溶质渗透理论：在在0 0时时间间内内，液液相相中中发发生生的不再是定态的扩散过程。的不再是定态的扩散过程。传质过程简化：传质过程简化：液液体体在在下下流流过过程程中中每每隔隔一一定定时时间间0 0发发生生一一次次完完全全混混合合，使使液体的浓度均匀化。液体的浓度均匀化。图图5-14 5-14 溶质在液相中的浓度分布溶质在液相中的浓度分布 传质系数的理论计算式为：传质系数的理

29、论计算式为：2/6/202333Process System Principle 相际传质理论对流传质理论对流传质理论 表面更新理论：表面更新理论：主要内容：主要内容：S-S-单位时间内表面被更新的百分率，或称为更新频率。单位时间内表面被更新的百分率，或称为更新频率。液液体体在在下下流流过过程程中中表表面面不不断断更更新新，即即不不断断有有液液体体从从主主体体转转为为界界面而暴露于气相中。面而暴露于气相中。通过表面更新，深处的液体就能直接与气体接触以接受溶质。通过表面更新，深处的液体就能直接与气体接触以接受溶质。传质系数的理论计算式为：传质系数的理论计算式为：溶溶质质渗渗透透理理论论与与表表面

30、面更更新新理理论论的的基基本本区区别别在在于于前前者者假假定定表表面面更更新新过过程程是是每每隔隔0 0时时间间周周期期性性地地发发生生一一次次，而而后后者者则则认认为为更更新新是是随随时时进进行行的的过过程。程。2/6/202334Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 吸吸收收过过程程的的相相际际传传质质是是由由气气相相与与界界面面的的对对流流传传质质、界界面面上上溶溶质质组组分分的溶解、液相与界面的对流传质三个过程串联而成。的溶解、液相与界面的对流传质三个过程串联而成。图图5-15 5-15 相际传质相际传质2/6/202335Proces

31、s System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 （1 1）相际传质过程的速率方程：）相际传质过程的速率方程：气相传质过程的速率方程：气相传质过程的速率方程：液相传质过程的速率方程：液相传质过程的速率方程：界界面面上上气气体体的的溶溶解解没没有有阻阻力力，则则界界面面上上气气液液两两相相组组成成服服从从相相平平衡衡方方程：程：对稀溶液，物系服从亨利定律：对稀溶液，物系服从亨利定律：或在计算范围内，平衡线可近似作直线处理，即：或在计算范围内，平衡线可近似作直线处理，即：2/6/202336Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质

32、过程图图5-16 5-16 主体含量与界面含量的图示主体含量与界面含量的图示2/6/202337Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 传质速率可写成推动力与阻力之比：传质速率可写成推动力与阻力之比：将将上上式式最最右右端端分分子子、分分母母均均乘乘以以m m，将将推推动动力力加加和和以以及及阻阻力力加加和和即即得：得：2/6/202338Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 又：又：所以：所以：其中：其中：K Ky y-称称以以气气相相摩摩尔尔分分数数差差（y-yy-ye e）为为推推动动力力的

33、的总总传传热热系系数数，kmol/kmol/（smsm2 2）。）。同理：同理：其中：其中：K Kx x-称称以以液液相相摩摩尔尔分分数数差差（x xe e-x-x）为为推推动动力力的的总总传传热热系系数数，kmol/kmol/（smsm2 2）。）。2/6/202339Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程其中：其中：（2 2）传质速率方程的各种表达形式）传质速率方程的各种表达形式 即：吸收方程为：即：吸收方程为：解吸方程为：解吸方程为：2/6/202340Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程

34、（3 3）传质阻力的控制步骤）传质阻力的控制步骤 气相阻力控制过程：气相阻力控制过程：当当 则则 液相阻力控制过程：液相阻力控制过程：当当 则则 例例题题：总总压压为为101.3 101.3 kPakPa、温温度度为为303K303K下下用用水水吸吸收收混混合合气气中中的的氨氨，操操作作条条件件下下的的气气液液平平衡衡关关系系为为y y1.20 x 1.20 x。已已知知气气相相传传质质系系数数k ky y为为5.31105.31104 4 kmoIkmoI(sm(sm2 2)，液液相相传传质质系系数数k kx x为为5.33105.33103 3 kmolkmol(sm(sm2 2)，并并在

35、在塔塔的的某某一一截截面面上上测测得得氨氨的的气气相相摩摩尔尔分分数数y y为为0.050.05，液液相相摩摩尔尔分分数数x x为为0.0120.012。试求该截面上的传质速率及气液界面上两相的摩尔分数。试求该截面上的传质速率及气液界面上两相的摩尔分数。2/6/202341Process System Principle 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 解：总传质系数：解：总传质系数：与实际液相组成成平衡的气相组成为：与实际液相组成成平衡的气相组成为：传质速率为：传质速率为：联立求解以下两式：联立求解以下两式：2/6/202342Process System Principle 相际传质

36、理论相际传质过程相际传质过程 求出界面上两项含量为：求出界面上两项含量为：气相传质阻力占总阻力的比例为：气相传质阻力占总阻力的比例为：2/6/202343Process System Principle 吸收过程计算吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述图图5-17 5-17 吸收塔内两项含量的变化吸收塔内两项含量的变化 图图5-175-17为为定定态态操操作作的的填填料料吸吸收收塔塔。其其横横截截面面面面积积为为A A，单单位位体体积积内内具具有有的的有有效效表表面面（吸吸收收）为为（m m2 2/m/m3 3）。混混合合气气 体体 自自 下下 而而 上上 流流 动动，流流 率率G G（kmo

37、l/(skmol/(smm2 2)）；吸吸收收剂剂自自上上而而下下流流动，流率动，流率L L（kmol/(skmol/(smm2 2)）。）。溶质气相含量小于溶质气相含量小于5 51010；G G、L L为常量；为常量；吸收过程是等温的；吸收过程是等温的；（1 1）低含量气体吸收的特点：）低含量气体吸收的特点：2/6/202344Process System Principle 吸收过程计算吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述 （2 2）物料衡算的微分表达式：）物料衡算的微分表达式：对于气相：对于气相：又：又：则：则：设设为为单单位位容容积积具具有有的的有有效效相相际际传传质质面面积积，m m

38、2 2/m/m3 3 。对对微微元元塔塔段段dhdh作物料衡算，并忽略微元塔段两端面轴向的分子扩散。作物料衡算，并忽略微元塔段两端面轴向的分子扩散。对于液相：对于液相：对于两相：对于两相：传质系数为常量。传质系数为常量。2/6/202345Process System Principle 吸收过程计算吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述 （4 4）填料塔高度计算：）填料塔高度计算：（3 3）全塔物料衡算：）全塔物料衡算：和和 （5 5）传质单元数与传质单元高度：）传质单元数与传质单元高度：对于对于式，令：式，令：则：则：同理：同理：则：则：对对 、两式分别积分，得：两式分别积分，得：2/6/2

39、02346Process System Principle 吸收过程计算吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述 说明：说明：N NOGOG、N NOLOL分分别别是是以以（y-yy-ye e）、（x xe e-x-x）为为推推动动力力的的传传质质单单元元数数，无无因因次次；传传质质单单元元数数只只与与物物质质的的相相平平衡衡以以及及进进、出出口口的的含含量量条条件件有有关关，其其大大小小反反映映了了分分离离任任务务的的难难易易程程度度，其其数数值值大大，则则表表明明吸吸收收剂剂性性能能差差，或或表表明分离要求过高。明分离要求过高。H HOGOG、H HOLOL分分别别是是以以（y-yy-ye e

40、）、（x xe e-x-x）为为推推动动力力的的传传质质单单元元高高度度，m m。传传质质单单元元高高度度与与设设备备的的型型式式和和设设备备中中的的操操作作条条件件有有关关，其其值值表表示示完完成成一个传质单元所需的塔高，是吸收设备效能高低的反映。一个传质单元所需的塔高，是吸收设备效能高低的反映。传传质质单单元元数数计计算算方方法法一一般般有有以以下下几几种种：对对数数平平均均推推动动力力法法、吸吸收收因因数法、图解法以及数值积分法等等。数法、图解法以及数值积分法等等。2/6/202347Process System Principle 吸收过程计算吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述 传质

41、单元高度的计算参见传质单元高度的计算参见“气液传质设备气液传质设备”一章。一章。传质单元数与传质单元高度的各种计算方法参见下表：传质单元数与传质单元高度的各种计算方法参见下表：2/6/202348Process System Principle 吸收过程计算传质单元数计算方法传质单元数计算方法 （1 1）操作线与推动力的变化规律：）操作线与推动力的变化规律：图图5-18 5-18 逆流吸收的操作线逆流吸收的操作线2/6/202349Process System Principle 吸收过程计算传质单元数计算方法传质单元数计算方法 对图对图5-185-18（a a），从塔任意界面到塔顶做物料衡算

42、，得：），从塔任意界面到塔顶做物料衡算，得：或：或：该该方方程程即即为为图图5-185-18（b b）中中的的直直线线ABAB，该该直直线线称称为为吸吸收收的的操操作作线线。其斜率其斜率L/GL/G称为吸收操作的液气比。称为吸收操作的液气比。若平衡线为直线，则推动力若平衡线为直线，则推动力yy或或xx相对于相对于y y和和x x的变化率为常数。的变化率为常数。即：即：2/6/202350Process System Principle 吸收过程计算传质单元数计算方法传质单元数计算方法 （2 2）平衡线为直线的对数平均推动力法：）平衡线为直线的对数平均推动力法：其中：其中：即：即：同理：同理：对

43、于对于、式进行积分，并将式进行积分，并将、代入其中，得：代入其中，得：2/6/202351Process System Principle 吸收过程计算传质单元数计算方法传质单元数计算方法 其中：其中：即：即：（3 3）吸收因数法：）吸收因数法：直接积分。若相平衡服从亨利定律直接积分。若相平衡服从亨利定律 ，则积分结果为：，则积分结果为：式中：式中：1/A=mG/L-1/A=mG/L-称解吸因数；称解吸因数；A-A-吸收因数。吸收因数。将相平衡关系、操作线方程，代入下式：将相平衡关系、操作线方程，代入下式：2/6/202352Process System Principle 吸收过程计算传质单

44、元数计算方法传质单元数计算方法 该式包含：该式包含：（1 1）N NOGOG （2 2）1/A=mG/L 1/A=mG/L （3 3）图图5-19 5-19 传质单元数传质单元数 三三者者之之间间的的关关系系如如图图5-195-19所示。所示。2/6/202353Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 、吸收过程基本方程：、吸收过程基本方程：、全塔物料衡算式：、全塔物料衡算式：计算用基本公式：计算用基本公式：、相平衡方程式：、相平衡方程式：2/6/202354Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型

45、计算吸收塔的设计型计算 （1 1）设计型命题：）设计型命题：设计要求：设计要求：计算达到指定的分离要求所需要的塔高。计算达到指定的分离要求所需要的塔高。给给定定条条件件：进进口口气气体体的的溶溶质质摩摩尔尔分分数数y y1 1、气气体体的的处处理理量量G G、相相平平衡衡关关系以及分离要求。系以及分离要求。分离要求：分离要求：气相出口浓度气相出口浓度y y2 2；溶质回收率溶质回收率：式中：式中：G G1 1与与G G2 2为气体进、出口流率。为气体进、出口流率。2/6/202355Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 对于低含量气

46、体，对于低含量气体，G G1 1G G2 2G G。于是有：。于是有：或或 为为计计算算塔塔高高H H，必必须须知知道道总总传传质质系系数数K Ky y或或K Kx x以以及及H HOGOG、H HOLOL等等，所所以设汁者必须面临一系列条件的选择。以设汁者必须面临一系列条件的选择。（2 2）条件选择：）条件选择：流体流向选择：流体流向选择：微微分分接接触触的的吸吸收收塔塔内内，气气、液液两两相相可可以以作作逆逆流流也也可可作作并并流流流流动动。取取图图5-195-19所示的塔段为控制体作物料衡算，可得并流时的操作线方程：所示的塔段为控制体作物料衡算，可得并流时的操作线方程：2/6/20235

47、6Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算图图5-20 5-20 并流吸收的操作线并流吸收的操作线 一般选择逆流吸收操作。一般选择逆流吸收操作。2/6/202357Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 吸收剂进口含量选择及其最高允许含量：吸收剂进口含量选择及其最高允许含量：图图5-21 5-21 吸收剂进口含量的上限吸收剂进口含量的上限 吸吸收收剂剂进进口口含含量量过过高高，吸吸收收过过程程的的推推动动力力减减小小，所所需需的的吸收塔高度增加；吸收塔高度增加；吸吸收收剂剂进进

48、口口含含量量过过底底，吸吸收收剂剂再再生生过过程程要要求求过过高高，再再生生设备和费用加大；设备和费用加大；技术上：技术上：x x2 2 x x2e2e ；x x2max 2max=x=x2e2e2/6/202358Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 吸收剂用量的选择和最小液气比：吸收剂用量的选择和最小液气比：图图5-22 5-22 最小液气比最小液气比2/6/202359Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 吸收剂用量即液气比愈大，出口含量吸收剂用量即液气比愈大，出口

49、含量x x1 1愈小。愈小。例例题题：在在一一逆逆流流操操作作的的吸吸收收塔塔中中用用清清水水吸吸收收氨氨空空气气混混合合气气中中的的氨氨，混混合合气气流流量量为为0.025kmol/s0.025kmol/s，混混合合气气入入塔塔含含氨氨摩摩尔尔分分数数为为0.020.02，出出塔塔含含氨氨摩摩尔尔分分数数为为0.0010.001。吸吸收收塔塔操操作作时时的的总总压压为为101.3kPa101.3kPa，温温度度为为293K293K，在在操操作作浓浓度度范范围围内内，氨氨水水系系统统的的平平衡衡方方程程为为y y1.2x1.2x，总总传传质质系系数数KyKy为为0.0522kmol/(sm0.

50、0522kmol/(sm2 2)。若若塔塔径径为为1m1m，实实际际液液气气比比为为最最小小液液气气比比的的1.21.2倍倍，所需塔高为多少所需塔高为多少?一般而言，一般而言，2/6/202360Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 解：最小液气比：解：最小液气比：实际液气比：实际液气比：液相出口摩尔分数：液相出口摩尔分数：平均推动力：平均推动力：2/6/202361Process System Principle 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 气相流率：气相流率：传质单元高度：传质单元高度：传质单元数：传质单元