化工原理-吸收.ppt

吸收吸收是利用气体在溶剂中溶解度的不同，使混合气体组分得以是利用气体在溶剂中溶解度的不同，使混合气体组分得以分离的重要单元操作。可分为物理吸收和化学吸收。分离的重要单元操作。可分为物理吸收和化学吸收。物理吸收物理吸收是利用混合气中各组分在溶剂中的溶解度的差异分离是利用混合气中各组分在溶剂中的溶解度的差异分离气体混合物，如以水吸收气体混合物，如以水吸收NHNH3 3 、HClHCl、COCO2 2等，溶质气体溶于液等，溶质气体溶于液相后，在液相中不发生显著化学反应；相后，在液相中不发生显著化学反应；化学吸收化学吸收则是以气体混合物各组分能否在溶剂中发生化学反应则是以气体混合物各组分能否在溶剂中发生化学反应来分离混合气体。如用来分离混合气体。如用K K2 2COCO3 3水溶液吸收水溶液吸收COCO2 2，水中含有的化学，水中含有的化学组分组分K K2 2COCO3 3与溶入液体的与溶入液体的COCO2 2进行下列反应：进行下列反应：K K2 2COCO3 3+CO+CO2 2=2KHCO2KHCO3 3 化学反应不断地化学反应不断地“移走移走”溶入液相的溶质组分溶入液相的溶质组分CO2CO2，促，促使气相中的使气相中的CO2CO2更多、更快地转移至液相。化学吸收能明显地更多、更快地转移至液相。化学吸收能明显地增强吸收效果。增强吸收效果。本章基本内容主要介绍物理吸收过程和本章基本内容主要介绍物理吸收过程和解吸过程解吸过程吸吸收收解吸过程解吸过程1.1.解吸过程是吸收过程的逆过程，是从溶液中释放出溶解解吸过程是吸收过程的逆过程，是从溶液中释放出溶解其中的溶质气体的操作；其中的溶质气体的操作；2.2.吸收和解吸往往联合操作：液体溶剂对气体溶质的溶解吸收和解吸往往联合操作：液体溶剂对气体溶质的溶解度与温度密切相关，一般温度低时溶解度大，有利于吸度与温度密切相关，一般温度低时溶解度大，有利于吸收，因此吸收通常在较低温度下进行（温度过低液体粘收，因此吸收通常在较低温度下进行（温度过低液体粘度增大，对吸收不利，故低温要适度）。吸收溶质气体度增大，对吸收不利，故低温要适度）。吸收溶质气体后的溶液可在提高温度条件下，使已溶入的气体溶质释后的溶液可在提高温度条件下，使已溶入的气体溶质释出。吸收与解吸的联合操作一方面可以从气相中吸收需出。吸收与解吸的联合操作一方面可以从气相中吸收需要的某气体溶质并获得很纯的该溶质产品，另一方面可要的某气体溶质并获得很纯的该溶质产品，另一方面可使吸收剂循环使用。使吸收剂循环使用。3.3.实现解吸操作一般有三种方法实现解吸操作一般有三种方法 1 1）加热；）加热；2 2）减压；）减压；3 3）令惰性气体通过溶液，在吸收操作中往往可用上述三种令惰性气体通过溶液，在吸收操作中往往可用上述三种方法的不同联合方案进行方法的不同联合方案进行 煤气生产中从焦炉煤气中回收苯的生产过程煤气生产中从焦炉煤气中回收苯的生产过程焦炉煤气在吸收塔内与洗焦炉煤气在吸收塔内与洗油（贫油）逆流接触煤气油（贫油）逆流接触煤气中粗笨蒸汽被贫油吸收，中粗笨蒸汽被贫油吸收，吸收后的洗油称为富油，吸收后的洗油称为富油，从塔底流出；富油经换热从塔底流出；富油经换热器升温后从塔顶进入解吸器升温后从塔顶进入解吸塔，过热蒸汽（惰性气体）塔，过热蒸汽（惰性气体）从解吸塔底进塔，经解吸从解吸塔底进塔，经解吸后的洗油称为贫油，贫油后的洗油称为贫油，贫油经换热器降温后再进入吸经换热器降温后再进入吸收塔循环使用。于解吸塔收塔循环使用。于解吸塔顶引出的气体为过热顶引出的气体为过热水蒸气与粗苯蒸汽的混合物，冷却后，因两凝液不互溶，水蒸气与粗苯蒸汽的混合物，冷却后，因两凝液不互溶，液相分层，粗苯在上，水在下，从而取得粗苯产品液相分层，粗苯在上，水在下，从而取得粗苯产品 气体吸收和液体精馏的区别：气体吸收和液体精馏的区别：吸收：为对气相混合物中的组分吸收：为对气相混合物中的组分A A、B B的分离，以溶剂与的分离，以溶剂与气相接触，溶质气相接触，溶质A A便从气相转入液相，而便从气相转入液相，而B B则基本不溶于溶剂。则基本不溶于溶剂。即吸收操作利用的是各气体组分在一定溶剂中溶解度的差异；即吸收操作利用的是各气体组分在一定溶剂中溶解度的差异；溶质溶质A A在气、液相间的平衡为在气、液相间的平衡为“气气-液液”平衡，当平衡，当A A在溶液中浓在溶液中浓度低时，平衡关系服从亨利定律；溶质溶于液相，不存在气体度低时，平衡关系服从亨利定律；溶质溶于液相，不存在气体液化问题。液化问题。精馏：为对液相组分精馏：为对液相组分A A、B B的分离，利用液相组分挥发的分离，利用液相组分挥发度的差异，加热溶液使之沸腾，从而产生汽、液两相共存的情度的差异，加热溶液使之沸腾，从而产生汽、液两相共存的情况易挥发组分较多地进入汽相；汽液平衡时，对于稀溶液其含况易挥发组分较多地进入汽相；汽液平衡时，对于稀溶液其含量高的组分在一定浓度范围内服从拉乌尔定律，若为理想体系，量高的组分在一定浓度范围内服从拉乌尔定律，若为理想体系，则任何浓度时，则任何浓度时，A A与与B B均服从拉乌尔定律。均服从拉乌尔定律。一、目的一、目的1.1.制取产品及回收有用物质，如用水吸制取产品及回收有用物质，如用水吸HCLHCL气体制气体制取盐酸；取盐酸；在生产过程中，有些混合气的副产品必须回收在生产过程中，有些混合气的副产品必须回收,如煤气中的芳烃如煤气中的芳烃,可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯可采用洗油吸收方法回收芳烃获得粗苯.2.2.净化气体：原料气净化，防止污染。如在合成氨净化气体：原料气净化，防止污染。如在合成氨生产过程中，为保证合成氨反应生产过程中，为保证合成氨反应,必须除去变换气中的必须除去变换气中的CO2;CO2;通常采用吸收方法通常采用吸收方法,如水洗环丁砜吸收以及如水洗环丁砜吸收以及BenfialBenfial脱脱碳等碳等,如图如图7.1.27.1.2所示所示.此外三废处理中此外三废处理中,排出废气含有有害排出废气含有有害杂质杂质,常用吸收方法净化常用吸收方法净化,防止污染大气，保护环境防止污染大气，保护环境.二、二、吸收过程的分类吸收过程的分类分类方法分类方法:物理吸收与化学吸收物理吸收与化学吸收依有无化学反应。依有无化学反应。单组份吸收与多组份吸收，依吸收组份数单组份吸收与多组份吸收，依吸收组份数等温吸收与非等温吸收，依温度是否变化。等温吸收与非等温吸收，依温度是否变化。*在气体吸收操作中，由气相较易转移至液相的组分为溶在气体吸收操作中，由气相较易转移至液相的组分为溶质气体，不易由气相转移至液相的组分为惰性气体；吸收质气体，不易由气相转移至液相的组分为惰性气体；吸收了溶质气体的吸收剂称为溶液。当溶质气体为多种组分时，了溶质气体的吸收剂称为溶液。当溶质气体为多种组分时，吸收为多组分吸收吸收为多组分吸收*按混合溶质浓度高低，低浓度吸收为（按混合溶质浓度高低，低浓度吸收为（y y1 110%10%)10%)的吸收的吸收汽液相平衡汽液相平衡1 1）.气液相平衡气液相平衡吸收传质过程进行时，必定存在一定的推动力，这吸收传质过程进行时，必定存在一定的推动力，这一推动力于体系的平衡关系有关。气一推动力于体系的平衡关系有关。气-液相长时间充分接触，液相长时间充分接触，达动平衡时，即两相达到相平衡，其气相浓度与液相浓度之达动平衡时，即两相达到相平衡，其气相浓度与液相浓度之间的关系为相平衡关系。间的关系为相平衡关系。对于单组分物理吸收其组分数为对于单组分物理吸收其组分数为3 3，根据相律其自由，根据相律其自由度为：度为：溶质在液相中的浓度受溶质在液相中的浓度受T T、P P以及以及PePe的影响：的影响：当当T T、P P确定后则：确定后则：式中式中 PePe为溶质组分的分压，为溶质组分的分压，PaPa。相平衡关系与体系的温度、压力以及本身物性相关，对吸收相平衡关系与体系的温度、压力以及本身物性相关，对吸收混合气中低浓度溶质组分形成稀溶液时，其溶解度曲线用亨利混合气中低浓度溶质组分形成稀溶液时，其溶解度曲线用亨利定律描述，为通过原点的一直线：定律描述，为通过原点的一直线：（PePe=Ex=Ex）式中式中PePe-溶质组分在气相的平衡分压，溶质组分在气相的平衡分压，Pa;Pa;x-x-溶质组分在液相的组成，摩尔分数；溶质组分在液相的组成，摩尔分数；E-E-亨利系数，亨利系数，kPa/(kmolkPa/(kmol)。亨利定律的其他表现形式：亨利定律的其他表现形式：PePe=C/H =C/H C-C-溶质组分在液相中的摩尔浓度（溶质组分在液相中的摩尔浓度（Koml/m3Koml/m3）ye=ye=mxmxye-Aye-A在液相中的在液相中的molmol分数（分数（KomlKoml/KomlKoml）（2 2）.相平衡关系的表示法相平衡关系的表示法各亨利系数之间的关系：各亨利系数之间的关系：PePe=YePYeP=Ex m=E/P =Ex m=E/P C=C=CMxCMx CM-1m3 CM-1m3溶液中（包括溶剂溶质）总的摩尔数溶液中（包括溶剂溶质）总的摩尔数PePe=yPyP=C/H=C/H=CMxCMx/H=Ex E=CM/H /H=Ex E=CM/H 对于稀溶液对于稀溶液 CMSCMS/MS S/MS S表示除溶质外液相的总物质量。表示除溶质外液相的总物质量。*总压改变对亨利系数值影响不大，一般在总压改变对亨利系数值影响不大，一般在5 5大气压下认大气压下认为亨利系数与总压无关。为亨利系数与总压无关。相平衡在吸收过程中的应用相平衡在吸收过程中的应用过程方向判断与过程推动力过程方向判断与过程推动力设设A A、B B点对应的状态点分别为点对应的状态点分别为A A（x x，y y），），B B（xx，yy）所示，过程平）所示，过程平衡关系为衡关系为y=y=mxmx 令：令：与与x x，xx相平衡的气相浓度分别相平衡的气相浓度分别为为y ye1e1，y ye1e1与与y y，yy相平衡的气相浓度分别为相平衡的气相浓度分别为x xe1e1，x xe1e1过程进行的方向与推动力可能出现三种情况：过程进行的方向与推动力可能出现三种情况：y=y=mxmx 过程推动力过程推动力y-yy-ye1e1=0=0，气液相浓度达到平衡；，气液相浓度达到平衡；y y mxmx 即过程推动力即过程推动力 y-yy-ye1e1 0 0，气液相浓度未达到平气液相浓度未达到平衡，溶质向液体转移；衡，溶质向液体转移；y y mxmx 即过程推动力即过程推动力 y-yy-ye1e1 0 yy ye1e1 故过程为吸收故过程为吸收吸收推动力：吸收推动力：y=y1-ye1=0.03 8.33 10y=y1-ye1=0.03 8.33 10-3-3=2.17 10=2.17 10-2-2或或 吸吸收推动力：收推动力：x=xx=xe1e1 x1=x1=y/my/m x x1 1=0.03/20.17 4.1310=0.03/20.17 4.1310-4-4=1.07*101.07*10-3-3 物质在一相内部和两相之间发生质量转移的现象称之为质量物质在一相内部和两相之间发生质量转移的现象称之为质量的传递，即传质现象。这种传递现象的关键在于传递速率及其的传递，即传质现象。这种传递现象的关键在于传递速率及其影响因素。影响因素。吸收过程涉及两相间的物质传递，可分解为三个基吸收过程涉及两相间的物质传递，可分解为三个基本步骤：本步骤：可溶组分（溶质）组分由气相主体传递至两相界面，即气相可溶组分（溶质）组分由气相主体传递至两相界面，即气相内的传质。内的传质。溶质组分在相界面上发生溶解，由气相转入液相，溶质组分在相界面上发生溶解，由气相转入液相，即界面发生溶解过程。即界面发生溶解过程。溶质由界面向液体主体传递，既液相溶质由界面向液体主体传递，既液相内的物质传递。一般说来，步骤内的物质传递。一般说来，步骤即界面上发生的溶解过程很即界面上发生的溶解过程很容易进行，阻力极小因而通常都认为界面上气液两相的溶质浓容易进行，阻力极小因而通常都认为界面上气液两相的溶质浓度满足相平衡关系，即认为界面上总是保持着两相的平衡。这度满足相平衡关系，即认为界面上总是保持着两相的平衡。这样总过程的速率取决于气相内的传质速率或液相内的传质速率。样总过程的速率取决于气相内的传质速率或液相内的传质速率。溶质气体组分无论在气相还是液相的传递均是凭借扩散完成的。溶质气体组分无论在气相还是液相的传递均是凭借扩散完成的。不论气相还是液相，物质传递的机理不外两种：不论气相还是液相，物质传递的机理不外两种：分子扩散分子扩散和和对对流扩散流扩散传质与吸收过程传质与吸收过程分子扩散：分子扩散：由分子无规则随机的热运由分子无规则随机的热运动引起的沿浓度梯度降低方向上的物动引起的沿浓度梯度降低方向上的物质传递。是靠分子热运动引起的组分质传递。是靠分子热运动引起的组分迁移，其效果是物质从高浓度处自发迁移，其效果是物质从高浓度处自发扩散至低浓度处。分子扩散发生在静扩散至低浓度处。分子扩散发生在静止的流体中，或发生于流体作层流运止的流体中，或发生于流体作层流运动时（在垂直于流向的方向上）。动时（在垂直于流向的方向上）。对流扩散：对流扩散：由流体宏观湍动和旋涡流由流体宏观湍动和旋涡流引起的物质传递。当流体作湍流流动引起的物质传递。当流体作湍流流动时，流体中不仅有分子扩散，而且在时，流体中不仅有分子扩散，而且在传质方向上有分子的宏观运动，有质传质方向上有分子的宏观运动，有质点的交换。物质的扩散由于有这种质点的交换。物质的扩散由于有这种质点交换而显著加速，称为涡流扩散。点交换而显著加速，称为涡流扩散。流体主体的涡流扩散与层流内层的分流体主体的涡流扩散与层流内层的分子扩散的总称，为对流扩散子扩散的总称，为对流扩散。a.a.分子扩散是在一相内部因浓度梯度的存在，由于分子扩散是在一相内部因浓度梯度的存在，由于分子的无规则的随机热运动而产生的物质传质现象。尽管分分子的无规则的随机热运动而产生的物质传质现象。尽管分子运动向各方向是无规则的，但是在浓度高处的分子向浓度子运动向各方向是无规则的，但是在浓度高处的分子向浓度低方向扩散表现为数量大，低方向扩散表现为数量大，频频率高，反之，浓度低处的分子率高，反之，浓度低处的分子向浓度高方向扩散的数量少，频率低，即浓度高处向浓度低向浓度高方向扩散的数量少，频率低，即浓度高处向浓度低处扩散的量大，从而表现出沿浓度降低方向上质量的传递。处扩散的量大，从而表现出沿浓度降低方向上质量的传递。b.b.费克定律费克定律当恒定温度，压力，总浓度一定均相混合物内部，当恒定温度，压力，总浓度一定均相混合物内部，分子扩散的通量可由分子扩散的通量可由FickFick定律描述。对于定律描述。对于A A、B B混合物中两组混合物中两组分的稳态扩散通量可以表示为：分的稳态扩散通量可以表示为：分子扩散与费克（分子扩散与费克（FickFick）定律）定律等分子反向扩散等分子反向扩散1 1）体系为定态；）体系为定态；2 2）气相）气相或液相中处处总浓度恒定或液相中处处总浓度恒定的条件下，即：的条件下，即：C CA A=C=CB B=C CM M=常数。体系内部将发常数。体系内部将发生等分子方向扩散生等分子方向扩散 扩散通量则有以下关系：扩散通量则有以下关系：JA=-JB JA=-JB 由费克定律：由费克定律：C CM M=C=CA A+C+CB B D DABAB=-=-D DBABA=D=D对于稳态扩散则有：对于稳态扩散则有：对于气相对于气相伴随气相总体运动扩散伴随气相总体运动扩散设：设：1 1）过程定态；）过程定态；2 2）总）总浓度恒定，即单相中处处浓度恒定，即单相中处处C CA A+C+CB B=C=CM M=常数，常数，3 3）D DABAB=D=DBABA=D =D，4 4）A A、B B组分的气体混合物与液体组分的气体混合物与液体接触时，在相界面处，只接触时，在相界面处，只有组分有组分A A可溶于液相，而组可溶于液相，而组分分B B不溶于液相不溶于液相(惰性组分惰性组分)总体运动导致了惰性组分总体运动导致了惰性组分B B浓度浓度在界面处的升高，使界面处惰性在界面处的升高，使界面处惰性组分组分B B的浓度高于气相主体中的浓度高于气相主体中B B的的浓度，形成逆向浓度差浓度，形成逆向浓度差组分组分B B在逆向浓度差下产生反向在逆向浓度差下产生反向扩散，其通量扩散，其通量J JA A=-J=-JB B 。总体流动。总体流动使使A A、B B组分向截面扩散通量同时组分向截面扩散通量同时提高提高Nm为总体流对传质速率为总体流对传质速率总的贡献总的贡献Nm=NmA+NmB当有流体总体运动存在时传质速率由两部分组成，一部分为分当有流体总体运动存在时传质速率由两部分组成，一部分为分子扩散的量，另一部分为总体流动的量：子扩散的量，另一部分为总体流动的量：JA=-JB漂流因子气相可视为理想气体，则：气相可视为理想气体，则：分子扩散系数分子扩散系数依据分子运动理论导出，（假定分子为刚性）修正后得依据分子运动理论导出，（假定分子为刚性）修正后得：气体分子扩散系数气体分子扩散系数液体中的分子扩散系数液体中的分子扩散系数*溶剂缔合因子溶剂缔合因子,对于水对于水,甲甲醇醇,乙醇分别为乙醇分别为2.6,1.92.6,1.9和和1.5,1.5,苯苯,乙醚等非缔合溶剂取为乙醚等非缔合溶剂取为1 1*平均误差对水溶液约为平均误差对水溶液约为10-15%,10-15%,对对非水溶液约为非水溶液约为25%,25%,建议使用范围为建议使用范围为278-313K,V278-313K,VA A50cm3/mol50cm3/mol欲测苯蒸汽在空气中的分子扩散系数，将液态苯装入一垂直管欲测苯蒸汽在空气中的分子扩散系数，将液态苯装入一垂直管中，操作温度为中，操作温度为250250C C，该温度下苯的蒸汽压为，该温度下苯的蒸汽压为95.33mmHg95.33mmHg，操，操作压强为作压强为1atm1atm，苯蒸汽通过垂直管段扩散至水平管，即被惰性，苯蒸汽通过垂直管段扩散至水平管，即被惰性气流带走，若测得液位由气流带走，若测得液位由ZaZa=20mm=20mm下降至下降至ZbZb=22mm=22mm，需要，需要147.53 147.53 minmin，试计算苯蒸汽在空气中的扩散系数。，试计算苯蒸汽在空气中的扩散系数。解解：此过程为非定态过程，但任一时刻，扩散通量此过程为非定态过程，但任一时刻，扩散通量NA=(D/ZRT)(P/PBM)(pA1-pA2)NA=(D/ZRT)(P/PBM)(pA1-pA2)（a a）由物料衡算：由物料衡算：（ANANA A）dtdt=（A A/M/MA A）dVdV=（AA/M/MA A）AdZAdZ （b b）将（将（a a）代入）代入 （b b）得：）得：(D/ZRT)(P/P(D/ZRT)(P/PBMBM)(p)(pA1A1-p-pA2A2)dt=)dt=（A A/M/MA A）dZdZ 积分得：积分得：(D/ZRT)(P/P(D/ZRT)(P/PBMBM)(p)(pA1A1-p-pA2A2)t=)t=（1/21/2）（）（A A/M/MA A）（Z Zb b2 2-Z-Za a2 2）由由 P PA1A1=95.33mmHg=95.33mmHg，P PA2A2=0,P=0,PB1B1=（760-95.33760-95.33）,P PB2B2=760mmHg,P=760mmHg=760mmHg,P=760mmHg P PBmBm=（760-(760-95.33)/(ln760/(760-95.33)760-(760-95.33)/(ln760/(760-95.33)=711.3=711.3查得：查得：L L=872Kg/m=872Kg/m3 3 将已知数代入并注意单位一致性得将已知数代入并注意单位一致性得 D=9.68 D=9.681010-6-6m m2 2/s/s涡流扩散与对流传质涡流扩散与对流传质湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，称为湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，称为涡流扩散涡流扩散借助于费克定律形式借助于费克定律形式:为涡流扩散系数，不仅和物性有为涡流扩散系数，不仅和物性有关，而且与流动状况相关关，而且与流动状况相关对流扩散速率对流扩散速率 有分子扩散又有涡流扩散有分子扩散又有涡流扩散层流区层流区 D De e=0 =0 湍流区湍流区 分子扩分子扩散可忽略散可忽略 过渡区过渡区 两者均两者均不可忽略不可忽略对流传质理论对流传质理论吸收速率取决于两个单相传质，因为两个单相传质是串联机制，因此吸收必由单相传质慢的一方控制，如若气相传质困难，过程便为气相传质控制体系，反之，则为液相传质控制体系。亦有气液相共同控制的体系对于单相传质，要解决的问题是：溶质是以什么方式从气相主对于单相传质，要解决的问题是：溶质是以什么方式从气相主体转移到气液界面以及又是怎样从界面转移至液相主体。目前体转移到气液界面以及又是怎样从界面转移至液相主体。目前对实际传质过程速率的描述，已提出了以下基本吸收模型：对实际传质过程速率的描述，已提出了以下基本吸收模型：1 1）对流传质的停滞膜模型理论（双膜模型理论）对流传质的停滞膜模型理论（双膜模型理论）；2 2）溶质渗溶质渗透模型理论透模型理论；3 3）表面更新模型理论表面更新模型理论；吸收速率取决于两个单相传质，因为两个单相传质是串联机制，吸收速率取决于两个单相传质，因为两个单相传质是串联机制，因此吸收必由单相传质慢的一方控制，如若气相传质困难，过因此吸收必由单相传质慢的一方控制，如若气相传质困难，过程便为气相传质控制体系，反之，则为液相传质控制体系。亦程便为气相传质控制体系，反之，则为液相传质控制体系。亦有气液相共同控制的体系有气液相共同控制的体系对流传质的停滞膜模型对流传质的停滞膜模型a.a.模型要点模型要点:*相界面处存在一层虚拟的停滞膜相界面处存在一层虚拟的停滞膜;*膜外为流体流动的湍流区膜外为流体流动的湍流区,*停滞膜非常薄停滞膜非常薄,膜内无物质累积膜内无物质累积,为稳态分子扩散为稳态分子扩散.*对流传质阻力全部集中于停滞膜内对流传质阻力全部集中于停滞膜内.b.b.传质速率方程传质速率方程:在气相中的传质过程度速率可表示为：在气相中的传质过程度速率可表示为：液膜传质系数液膜传质系数气膜传质系数气膜传质系数传质系数关联传质系数关联 薛伍德准数薛伍德准数雷诺准数雷诺准数施密特准数施密特准数吸收过程（相际传质）的双膜模型吸收过程（相际传质）的双膜模型双膜模型理论要点：双膜模型理论要点：基于停滞膜模型基于停滞膜模型.a.a.气液相间有稳定的相界面气液相间有稳定的相界面b.b.若流动流体的主体部分为湍流，在若流动流体的主体部分为湍流，在靠近相界面两侧各有一停滞膜，膜内靠近相界面两侧各有一停滞膜，膜内的传质以分子扩散的传质以分子扩散 方式进行（虚拟方式进行（虚拟膜或者有效膜）膜或者有效膜）c.c.传质阻力全部集中在虚拟膜内，虚拟膜是实际层流层的适当传质阻力全部集中在虚拟膜内，虚拟膜是实际层流层的适当延伸，包括了湍流及过渡流部分的传质阻力，气、液虚拟膜膜延伸，包括了湍流及过渡流部分的传质阻力，气、液虚拟膜膜厚分别为厚分别为G G和和L L。膜外的主体中高度湍流传质阻力为。膜外的主体中高度湍流传质阻力为0 0。d d在定态操作条件下，两膜层溶质的固体浓度分布状况在很在定态操作条件下，两膜层溶质的固体浓度分布状况在很短时间内建立。短时间内建立。吸收过程传质速率方程式吸收过程传质速率方程式a.a.气液相中膜内传质速率方程气液相中膜内传质速率方程 以气相推动力表示：以气相推动力表示：NA=NA=kG(pkG(p-pi)-pi)，NA=NA=KG(p-peKG(p-pe)以液相推动力表示：以液相推动力表示：NA=NA=kL(ci-ckL(ci-c)，NA=NA=KL(ce-cKL(ce-c)当以摩尔分数表示推动力时，气相推动力：当以摩尔分数表示推动力时，气相推动力：NA=NA=ky(yky(y-yiyi)，NA=NA=Ky(yKy(y-ye)-ye)液相推动力液相推动力NA=NA=kx(xi-xkx(xi-x)，NA=NA=Kx(xe-xKx(xe-x)式中式中ky,kxky,kx分别为气液相膜的传质系数。分别为气液相膜的传质系数。Ky,KxKy,Kx气液相总传质系数。气液相总传质系数。传质系数传质系数KyKy、KxKx,kyky及及kxkx的关系的关系由传质速率方程可得：由传质速率方程可得：NA=NA=ky(y-yiky(y-yi)=)=kx(xi-xkx(xi-x)总推动力总推动力/总阻力：总阻力：N NA A=ky(y-yiky(y-yi)=)=kx(xi-xkx(xi-x)传质系数传质系数K KG G,K,KL L与与KyKy及及KxKx的关系：的关系：K KG G=KyPKyP，K KL L=KxCKxC单相传质速率单相传质速率方程方程以总推动力表示以总推动力表示的传质速率方程的传质速率方程传质系数间的关系及传质系数间的关系及各传质阻力间的关系各传质阻力间的关系界面浓度的确定界面浓度的确定由由ky(yky(y-yiyi)=)=kx(xi-xkx(xi-x)，经变换后可得：，经变换后可得：(y-(y-yiyi)/(x-xi)=-)/(x-xi)=-kx/kykx/ky 根据气、液浓度，平衡线以及根据气、液浓度，平衡线以及kyky、kxkx的值，可以确定界面状的值，可以确定界面状态态yiyi和和xi xi 溶解度对传质系数的影响溶解度对传质系数的影响 1 1.气相阻力控制气相阻力控制 对于对于易溶气体易溶气体，即，即溶解度大的物系溶解度大的物系，其，其传质系数传质系数kykykxkx,传质阻力主要集中气相侧膜内，在吸收操作中表现为气传质阻力主要集中气相侧膜内，在吸收操作中表现为气膜阻力控制，称为气膜控制。如膜阻力控制，称为气膜控制。如HClHCl、NHNH3 3等溶于水等溶于水易溶气体的平衡线斜率很小，如图所示。易溶气体的平衡线斜率很小，如图所示。CDBC CDkxkx，传质阻力主要，传质阻力主要集中在液相侧的膜内，集中在液相侧的膜内，故称之为液膜控制。如故称之为液膜控制。如图图(b)(b)所示。如空气、所示。如空气、二氧化碳溶于水。二氧化碳溶于水。液相阻力控制液相阻力控制BC CD BC CD 点点E E比较接近比较接近F F点（点（FEFE较短），这时可把较短），这时可把EFEF段平衡线段平衡线近似视为直线，设其平均斜率为近似视为直线，设其平均斜率为m m，这段平衡线为，这段平衡线为y=y=mx+bmx+b，同样，同样，则前面按直线为平衡线推导出的关系：则前面按直线为平衡线推导出的关系：就仍可以使用了。当液膜控制过程时，可取：就仍可以使用了。当液膜控制过程时，可取：即：即：总阻力总阻力液相阻力液相阻力填料塔中气体吸收过程的计算填料塔中气体吸收过程的计算1.1.塔填料的几何特性塔填料的几何特性（1 1）公称直径公称直径 ,mm,mm（2 2）比表面积，每单位体比表面积，每单位体积填料的几何表面积积填料的几何表面积,（3 3）空隙率空隙率 ，单位体积填，单位体积填料中空隙所占的体积分率，料中空隙所占的体积分率，与填料，与填料结构以及装填方式有关结构以及装填方式有关（4 4）填料因子填料因子 ，反映特定，反映特定结构和尺寸的填料在气结构和尺寸的填料在气-液两相实际操液两相实际操作中的综合流体力学性能。作中的综合流体力学性能。2.2.塔填料的分类塔填料的分类 I.I.散堆填料散堆填料II.II.规整填料规整填料 填料塔填料塔3.3.塔填料附件塔填料附件 a.a.填料支承结构填料支承结构b.b.液体分布器液体分布器低浓度的吸收，通常是指混合气中溶质组成低浓度的吸收，通常是指混合气中溶质组成y y1 110%1A1，当，当h h无限高时，无限高时，塔顶首先达平衡；塔顶首先达平衡；A1A1，当，当h h无限高时，无限高时，塔底首先达平衡；塔底首先达平衡；从苯吸收塔出来的吸收液中含苯从苯吸收塔出来的吸收液中含苯0.0390.039（质量分数），其（质量分数），其余为不挥发性的油（吸收剂）。今需将此溶液中的的苯余为不挥发性的油（吸收剂）。今需将此溶液中的的苯加以解吸回收。为此，先将溶液预热到加以解吸回收。为此，先将溶液预热到149149，然后送入，然后送入填料塔的顶部，塔底通入温度为填料塔的顶部，塔底通入温度为149149的过热水蒸气（水的过热水蒸气（水蒸气与油互不相溶），每蒸气与油互不相溶），每100 100 kmolkmol油吸收剂通入油吸收剂通入20 20 kmolkmol的蒸气，整个塔系在减压下等温操作，塔顶压力为的蒸气，整个塔系在减压下等温操作，塔顶压力为66.7kPa66.7kPa，塔底压力为，塔底压力为72kPa72kPa。塔底液体中含苯。塔底液体中含苯0.0010.001（质（质量分数），油的相对分子质量为量分数），油的相对分子质量为220220，水蒸气不凝结。设，水蒸气不凝结。设溶液服从拉乌尔定律，在溶液服从拉乌尔定律，在149149时，纯苯的蒸气压为时，纯苯的蒸气压为563kPa563kPa。试求：。试求：1)1)从塔顶出来的蒸气的苯的含量（摩尔从塔顶出来的蒸气的苯的含量（摩尔分数）；分数）；2)2)全塔对数平均推动力（用气相摩尔分数表示）；全塔对数平均推动力（用气相摩尔分数表示）；3)3)气相总传质单元数。气相总传质单元数。解：油中苯的摩尔比分别为：解：油中苯的摩尔比分别为：根据物料衡算式根据物料衡算式L L（X X2 2-X-X1 1）=V=V（Y Y2 2-Y-Y1 1）得：）得：（2 2）塔底处，已知总压为）塔底处，已知总压为p p1 1=72kPa=72kPa。根据拉乌尔定律可得气。根据拉乌尔定律可得气相中苯的平衡分压相中苯的平衡分压同样，由塔顶处：同样，由塔顶处：p p2 2=66.7kPa=66.7kPa(3)(3)根据定义式可得气相总传质单元数根据定义式可得气相总传质单元数平衡线为曲线平衡线为曲线当相平衡关系为曲线时，当相平衡关系为曲线时，NOGNOG中被积函数难以表示为简单形中被积函数难以表示为简单形式的函数直接获取解析解。此时只能采用图解积分或数值积式的函数直接获取解析解。此时只能采用图解积分或数值积分的方法求解分的方法求解图解积分法图解积分法近似梯级图解法近似梯级图解法气相组成变化气相组成变化yy=ymym的填的填料段视为一个传质单元数料段视为一个传质单元数 在某填料吸收塔中，用清水处理含在某填料吸收塔中，用清水处理含SO2SO2的混合气体，逆流操作，的混合气体，逆流操作，进塔气体中含进塔气体中含SOSO2 20.080.08（摩尔分数），其余为惰性气体。混合气（摩尔分数），其余为惰性气体。混合气的平均相对分子质量取的平均相对分子质量取2828。水的用量比最小用量大。水的用量比最小用量大65%65%，要求每，要求每小时从混合气中吸收小时从混合气中吸收20002000的的SOSO2 2。操作条件下气、液平衡关系。操作条件下气、液平衡关系为为Y=26.7XY=26.7X。计算每小时用水量为多少立方米。计算每小时用水量为多少立方米。解：解：由塔物料衡算：由塔物料衡算：G G（Y Y1 1Y Y2 2）=L(X=L(X1 1X X2 2)G G（Y Y1 1Y Y2 2）=2000/64=31.25kmol/h=2000/64=31.25kmol/h已知已知X X2 2=0=0，而，而X X1 1未知，故未知，故L L不可直接求取，需要根据不可直接求取，需要根据L Lminmin求取求取于是，于是，L=1.65Lmin=1.5810L=1.65Lmin=1.58104 4 kmol/hkmol/h=285m=285m3 3/h/h今有逆流操作的填料吸收塔，用清水吸收原料气中甲醇。已今有逆流操作的填料吸收塔，用清水吸收原料气中甲醇。已知处理气量为知处理气量为1000m3(1000m3(标准标准)/h)/h，原料气中含甲醇，原料气中含甲醇100g/m3,100g/m3,吸吸收后的水中含甲醇量等于进料气体平衡时组成的收后的水中含甲醇量等于进料气体平衡时组成的67%67%。设在标。设在标准状况下操作，吸收平衡关系为准状况下操作，吸收平衡关系为y=1.15xy=1.15x，甲醇的回收率为，甲醇的回收率为98%98%，KyKy=0.5kmol/(=0.5kmol/(h)h)，塔内填料的有效比表面积为，塔内填料的有效比表面积为190190/m3,/m3,塔内气体的空塔流速为塔内气体的空塔流速为0.5m/s,0.5m/s,试求：试求：（1 1）水的用量；）水的用量；（2 2）塔径；）塔径；（3 3）填料层高度。）填料层高度。解解 以下标以下标1 1表示塔底，表示塔底，2 2表示塔顶。根据已知操作条件，有表示塔顶。根据已知操作条件，有kmol/hkmol/h（1 1）根据全塔的甲醇物料衡算式）根据全塔的甲醇物料衡算式L L（X1-X2X1-X2）=V=V（Y1-Y2Y1-Y2）可以）可以得出用水量：得出用水量：（2 2）塔径）塔径（3 3）由于是低浓度吸收，故可以将）由于是低浓度吸收，故可以将y=1.15xy=1.15x近似为近似为Y=1.15XY=1.15X，并存在并存在kyKkyKY Y,则可进行以下计算：则可进行以下计算：H=NOGHOGH=6.7m(a)(a)吸收过程塔板数的计算吸收过程塔板数的计算对于吸收过程，也可以同精馏过程一样，对于吸收过程，也可以同精馏过程一样，采用平衡级方法来研究吸收过程，确定完采用平衡级方法来研究吸收过程，确定完成规定的分离需要所需的理论板数成规定的分离需要所需的理论板数 图解法求理论塔板数图解法求理论塔板数解吸法求理论塔板数解吸法求理论塔板数若平衡关系符合亨利定律，可应用克列姆塞尔（若平衡关系符合亨利定律，可应用克列姆塞尔（Kromser,AKromser,A）提出的解析法计算公式，直接求得完成规定吸收任务所需要的提出的解析法计算公式，直接求得完成规定吸收任务所需要的理论板数：理论板数：当当A=1A=1时时实际塔板数实际塔板数(或填料层高度或填料层高度)的计算的计算HETP HETP 填料的理论板当量高度填料的理论板当量高度,或等板高度或等板高度吸收过程的设计型计算吸收过程的设计型计算方法步骤：方法步骤：任务：任务：1 1）已知欲分离的气体混合物体系，处理量）已知欲分离的气体混合物体系，处理量Gkmol/sGkmol/s，进塔浓度，进塔浓度y y1 1，要求的尾气浓度，要求的尾气浓度y y2 2或溶质组分的回收率或溶质组分的回收率=G=G（y y1 1-y-y2 2）/Gy/Gy1 1=1 y=1 y2 2/y/y1 12 2）吸收剂及操作温度、压强的确定：）吸收剂及操作温度、压强的确定：对给定的气体混合物，往往可用不同的吸收剂去处理，根对给定的气体混合物，往往可用不同的吸收剂去处理，根据手册、资料，以及同一生产任务的实际生产情况。确定据手册、资料，以及同一生产任务的实际生产情况。确定操作压强和温度。操作压强和温度。对于不同的吸收情况，按已发表的一些经验的传质速率计对于不同的吸收情况，按已发表的一些经验的传质速率计算式计算。算式计算。3 3）填料的选择：种类、材质及尺寸等）填料的选择：种类、材质及尺寸等,见塔设备章节。见塔设备章节。2.2.计算工具：计算工具：平衡关系：平衡关系平衡关系：平衡关系 Y=Y=mXmX ；Y=Y=mX+bmX+b ；或；或 Y=fY=f（X X）操作线方程：操作线方程：G G（Y-Y2Y-Y2）=L=L（X-X2X-X2）吸收基本方程：吸收基本方程：H=HH=HOG OG N NOGOG=（）或或 H=H H=HOL OL N NOLOL=3.3.确定吸收剂进塔浓度确定吸收剂进塔浓度：若用纯溶剂若用纯溶剂，吸收效果好，但溶剂只能一次性使用，吸收效果好，但