化工基础第三章-传质过程-II课件.ppt

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1、1第第 II 部分部分 吸收吸收吸吸吸吸收收收收是是利利用用适适当当液液体体吸吸收收（溶溶解解）气气体体混混合合物物中中的的有有关关组组分分（有有的的还还伴伴有有化化学学反反应应），以以分分离离气气气气体体体体混混混混合合合合物物物物的一种操作。的一种操作。（1）吸收剂：吸收剂：吸收剂：吸收剂：具有吸收能力的液体；具有吸收能力的液体；（2）吸收质吸收质吸收质吸收质（吸收组分）：吸收组分）：吸收组分）：吸收组分）：被吸收的气体组分；被吸收的气体组分；（3）惰性组分：惰性组分：惰性组分：惰性组分：不被吸收剂吸收的（不被吸收剂吸收的（气体气体）组分。）组分。2 吸收可分为物理吸收物理吸收和化学吸收化

2、学吸收两类。（一）（一）（一）（一）物理吸收物理吸收物理吸收物理吸收内内内内涵涵涵涵：吸收组分仅溶解于吸收剂中，并不与吸收剂发生化学反应。物理吸收的速率主要取决于组分从气相转移到液相的扩散速率扩散速率扩散速率扩散速率；物理吸收所能达到的最大的程度取决于在吸收条件下气体在液体中的平衡溶解度。3（二）（二）（二）（二）化学吸收化学吸收化学吸收化学吸收内内涵涵：在吸收过程中组分与吸收剂还发生化学反应，这种吸收就叫做化学吸收化学吸收化学吸收化学吸收。化学吸收的速率除了与扩散速率有关外，有时还与化学反应的速率有关；化学吸收的极限同时取决于气液相的平衡关系和其化学反应的平衡关系。4 吸收在工程中应用非常广

3、泛，例如用水除去合成氨原料气中的CO2，用中油吸收煤焦油中的萘和甲苯，用水吸收氨以制得氨水，用丙酮吸收乙烯和丙炔混合物中的乙炔等。6图3-II-1（a）中，在吸收塔塔顶喷淋液体吸收剂C，混合气由塔底进入，它与液体逆流而上，塔内装有各种板或填料，气液两相在塔内密切接触，液体吸收剂选择性地吸收易溶的气体A后从塔底排出；难溶的气体B则从塔顶引出，这样就实现了分离混合物中组分A和B的目的。当吸收反应的放热量很大，或需要加大液体喷淋量以保证填料表面润湿时，也可加大吸收剂量，然后将吸收后的吸收液部分出料，经冷却后在塔内循环使用（图3-II-1b）。7 工业上的吸收操作可以采用单塔操作流程。若生产任务很大，

4、用一个塔时嫌尺寸太大，则可采用多塔，即将大塔分成几个小塔，相互连接而成一套塔组。如塔径过大，则将大塔分成几个小塔并联；如塔太高，则将几个小塔串联起来操作。近年来由于塔板效率的提高和化工装置大型化，又多采用了单塔操作。上述的吸收过程是用吸收剂吸收气体中的有用组分，有时也需要用吸收剂除去气体中不要的组分，两者仅仅在工艺上不相同，其基本原理则是一样的，所以其流程也基本相似。8经过吸收过程以后，吸收剂中溶入了被吸收组分，如果吸收剂需反复使用，或根据工艺需要，要求从吸收剂中分离出有用的吸收组分，则需要多种方法，例如增加解解吸吸（为了吸收的相反过程，使溶解的气体组分析出，解吸在工业上有时也称“吹出”）装置

5、或采用其它分离方法，这样，在吸收流程上还需要加上后处理的工序。10在一定的温度和压力下，当吸收剂和混合气体接触时，气体中的吸收质就向液体吸收剂中转移，进行吸吸吸吸收收收收；同时，溶液中被吸收的吸收质也可能由液相向气相传递，进行解吸解吸解吸解吸。11开始时吸收是主要的，而随着时间的延长，吸收质在溶液中的浓度逐渐增加，相应地吸收质从气相向液体的传递速度逐渐减慢，从液相向气相的传递速度却逐渐加快。经过足够长的时间接触后，当吸收速度和解吸速度相等，气相和液相中吸收质的浓度不再变化时，气液两相就达到了相际动平衡相际动平衡相际动平衡相际动平衡，简称相平衡相平衡相平衡相平衡或平衡平衡平衡平衡。13图3-II

6、-2 SO2在水中的溶解度 综观平衡时吸收质的分压和溶液浓度，可发现它们之间一般存在一定的函数关系，如 p*=f(x)。实验结果表明，在在一一定定温温度度下下，对对于于多多数数气气体体的的稀稀稀稀溶溶溶溶液液液液，在在气气气气体体体体总总总总压压压压不不不不高高高高（低低于于5 大大气气压压，即即506.5 kPa）的的情情况况下下，吸吸收收质质在在液液相相中中的的浓浓度度与与其其在在气气相相中中的的平平衡衡分分压压成成正正比比，这 一 规 律 也 就 是 亨亨亨亨 利利利利（HenryHenry）定律）定律）定律）定律。15 在实际应用中，亨利定律表达式还有其他的常用形式，例如：（1 1）液

7、相中吸收质浓度用）液相中吸收质浓度用）液相中吸收质浓度用）液相中吸收质浓度用c c kmol/m kmol/m3 3 表示表示表示表示：式中：p*气相中吸收质的平衡分压 kPa；c 吸收质在溶液中的浓度 kmol/m3；HH 溶溶溶溶解解解解度度度度系系系系数数数数，它随温度的升高而减小，其单位为 kmol/m3kPa。16（2 2）两两两两相相相相组组组组成成成成均均均均用用用用摩摩摩摩尔尔尔尔分分分分数数数数表表表表示示示示：当气相中吸收质浓度y也用摩尔分数表示时，根据道道道道尔尔尔尔顿顿顿顿（DaltonDalton）分分分分压压压压定定定定律律律律，吸收质在气相中的分压可以写成：p=P

8、总y式中：P总 混合气体的总压 kPa；y 吸收质在气相中的摩尔分数。将上式代入式（3-II-1）p*=Ex，得：P总y*=Ex 令故 式中：mm 相相相相平平平平衡衡衡衡关关关关系系系系，无因次；与x呈平衡的吸收质在气相中的摩尔分数。18（3 3）两相组成都用）两相组成都用）两相组成都用）两相组成都用比摩尔分数比摩尔分数比摩尔分数比摩尔分数表示表示表示表示：式中：X 每千摩尔吸收剂中所含吸收质的量 kmol；Y 每干摩尔惰性气体中所含吸收质的量 kmol。这种表示两相组成的方法就是比摩尔分数表示法。19下面以液相为例看x与X的关系。对于液相，由x的定义（吸收质在液相中的浓度 摩尔分数）如：得

9、 或 20 同理，对于气相，由y的定义（吸收质在气相中的浓度 摩尔分数）得：或 将 、代入 ，得整理后得：在稀溶液（溶液浓度很小）的情况下，X 很小，上式分母趋近于1，故该式可简化为 这是亨利定律的另一种数学表达式。21 亨利定律的四种表达式综合表亨利定律的四种表达式综合表亨利定律的四种表达式综合表亨利定律的四种表达式综合表22三个系数之间的关系为：一些气体在不同溶剂中的E值（或H值）可在相关手册中查到，再根据E值（或H值）和上述的关系求出m值及H（或E）值。24物质传递方向判断（补充）物质传递方向判断（补充）对于一切未达平衡的系统，组分由一相向另一相传递，其结果是使系统趋于相平衡。所以，传传

10、传传质质质质方方方方向向向向是是是是使使使使系系系系统统统统向向向向达达达达到到到到相相相相平平平平衡衡衡衡的的的的方方方方向向向向变变变变化化化化。例如，吸收质分压为pA的气相与溶液浓度为cA（或x）的溶液相接触体系：（1）可利用相平衡关系由cA（或x）计算出与其相平衡的 值，若25（2）也可以用气相分压pA计算出与其相平衡的 或x*的值，并作出判断，若26增增增增例例例例1 1 已知亨利系数E=2.41 108 Pa，平衡蒸气压为48.5 103 Pa，当水溶液实际浓度c实=0.010 kmol/m3时，试问气、液相传质进行的方向（水的密度=1000 kg/m3）。解解解解：由亨利定律 得

11、所以此时气相中吸收质向液相扩散，即为吸收过程。28增增增增例例例例2 2：含有30（mol）CO2的某原料气用水吸收，吸收温度为303 K，总压力为101.3 kPa、已知该条件下CO2的亨利系数E=0.188 106 kPa，求液相中CO2的最大浓度。解 由本题操作条件，在水中难溶的CO2形成稀溶液，故达到平衡时的溶液的最大浓度可按亨利定律计算。按题意，CO2的平衡分压为p*=101.3 30%=30.4 kPa故 x=p*/E=30.4/0.188 106=0.0001616即液相中CO2的最大浓度为0.0001616（摩尔分数）29增增增增 例例例例 3 3：在 101.3 kPa、28

12、3 K条 件 下 用 水 吸 收 含 有0.8%(mol)环氧乙烷的气体。已知该条件下环氧乙烷的亨利系数E=550 kPa，求溶解度系数H和用比摩尔分数形式表示的平衡关系式。解 先假设吸收后的水溶液是稀溶液，则c总可用纯溶剂的摩尔浓度替代。取纯水的密度0=1000 kgm-3，摩尔质量M 0=18 kgmol-1，则有则水中环氧乙烷的极限浓度为：与总浓度比较，显然符合稀溶液假设。313 吸收传质速率方程式吸收传质速率方程式3-1 3-1 吸收传质速率方程式及各吸收传质系数之间的关系吸收传质速率方程式及各吸收传质系数之间的关系吸收传质速率方程式及各吸收传质系数之间的关系吸收传质速率方程式及各吸收

13、传质系数之间的关系气膜及液膜吸收传质速率方程式气膜及液膜吸收传质速率方程式气膜及液膜吸收传质速率方程式气膜及液膜吸收传质速率方程式 根据双膜理论及单相传质速率方程可以写出吸收质穿过气膜和液膜时的吸收传质速率方程式：32式中：N/吸收传质通量 kmol/m2s或kmol/m2h；p 气相主体中吸收质的分压 kPa；pi 界面处吸收质的分压 kPa；ci 界面处吸收质的浓度 kmol/m3；c 液相主体中吸收质的浓度 kmol/m3；kg 气膜吸收传质分系数 kmol/m2hkPa；kl 液膜吸收传质分系数m/s或m/h；33总吸收传质速率方程式总吸收传质速率方程式 上面的方程式只指出扩散传质时单

14、相扩散的情况，而在实际条件下，相界面上的分压 pi 或浓度 ci 是难以测得的，但两相主体中的分压或浓度却易于测得。为计算方便，可将总体的分压差或浓度差作为吸收过程的总传质推动力来表示吸收传质速率，则吸收速率方程式可写成：式中：p p*与液相主体浓度 c 平衡时，气相中吸收质所具有的 饱和分压 kPa，（p-p*）为传质推动力；K KGG 气气气气相相相相吸吸吸吸收收收收传传传传质质质质总总总总系系系系数数数数 kmol/m2hkPa。表示吸收质扩散传递时，包括气膜和液膜阻力（将液膜阻力折算成气膜阻力）在内的总传质系数。34 吸收传质速率方程式也可以用浓度差作为传质的总推动力来表示，即式中：c

15、*当溶液中吸收质(在气相中在气相中)分压为 p 时，吸收质溶 于溶液并达到平衡时所具有的平衡浓度 kmol/m3，（c*-c）传质推动力；K KL L 液相吸收传质总系数 m/h。表示吸收质扩散传递时，包括气膜（将气膜阻力折算成液膜阻力）和液膜阻力在内的总传质系数。虽然KG和KL有相同的意义，但由于它们的单位不同，所以其绝对数值并不相同。35吸收传质总系数与吸收传质分系数之间的变换关系吸收传质总系数与吸收传质分系数之间的变换关系虽然吸收传质总系数可简单而实用地表示吸收过程情况，进行有关吸收的计算，但工程上进行的吸收过程是多种多样的，要得到每个具体过程中的吸收传质总系数是很困难的。为了使所得的数

16、据可更广泛地应用，一般都研究吸收传质分系数，因此需了解分系数与总系数之间的关系。对稳定的吸收操作，按气膜吸收传质速率方程式和总吸收速率方程式，吸收质的吸收传质通量可表示为：36上式也可写成：同时，对于稳定操作，也可按气液膜吸收传质速率方程式将吸收质的吸收传质通量表示为：N/=kg(p pi)=kl(ci c)或 将式（3-II-11）代入式（3-II-10）得：37在上述公式中，应注意到pi和ci是界面上吸收质的分压和浓度。按双膜理论，pi和ci是相互处于平衡状态的。当气液关系服从亨利定律时，即 或 则 c=Hp*ci=Hpi再将上面的关系式代入式（3-II-12）中，就可得到吸收传质总系数和

17、传质分系数之间的关系：同理，可得：由式（3-II-13）和式（3-II-14）即可得出吸收气相传质总系数与液相传质总系数的关系：KG=HKL (3-II-15)当气体易溶时，H很大，因而KG kg；当气体难溶时，H很小，得KL k1。38例例例例3-II-33-II-3 已知某低浓度气体吸收过程服从亨利定律，其气膜吸收传质分系数 kg=0.27 kmol/m2hatm，液膜吸收传质分系数kl=0.42 m/h；其平衡方程式 y*=102x。试求气相吸收传质总系数KG。设吸收塔以水喷淋，塔内总压强为104.5 kPa。解解解解 0=1000 kgm-3，M 0=18 kgmol-1，m=102

18、kg=0.27/101.3=0.0027 kmol/m2hkPa39由公式（3-II-13）40增增增增例例例例 在吸收塔中用某溶剂吸收混合气体中的A物质，在塔中的某一截面测得气相中A的分压为0.144 atm，液相中A的浓度为 ，气液之间的传质通量 ，气膜传质分系数 。实验证实系统服从亨利定律，当 时，液相的平衡浓度为 。试求：（1）推动力（2）传质系数（3）气膜阻力占总阻力的百分率为多少？41解解解解：（1）求各推动力 用分压差表示的气膜推动力由得 用分压差表示的气相总推动力42用浓度差表示液膜推动力由双膜理论知 ，其中由 得43 用浓度差表示液相总推动力因为 呈平衡的液相浓度所以（2 2

19、）求各传质系数）求各传质系数）求各传质系数）求各传质系数44（3）气膜阻力占总阻力的百分率453-2 以以比比摩摩尔尔分分数数差差表表示示推推动动力力的的吸吸收收传传质质速速率方程式及吸收传质系数之间的变换关系率方程式及吸收传质系数之间的变换关系以比摩尔分数差表示推动力的吸收传质速率方程式以比摩尔分数差表示推动力的吸收传质速率方程式 在很多情况下，用比摩尔分数差表示推动力，在计算上采用分压差或浓度差更为方便。这时气膜和液膜以及总体吸收传质速率方程式，可写为如下形式：气膜吸收传质速率方程式：气膜吸收传质速率方程式：气膜吸收传质速率方程式：气膜吸收传质速率方程式：N N/=k kY Y（Y Y Y

20、 Yi i）（3-II-16）液膜吸收传质速率方程式：液膜吸收传质速率方程式：液膜吸收传质速率方程式：液膜吸收传质速率方程式：N N/=k kX X（X Xi i X X）（3-II-17）46总体吸收传质速率方程式：N N/=K KY Y（Y Y Y Y*）（3-II-18）N N/=K=KX X（X X*X X）（3-II-19）稳定状态下：N/=kY（Y Yi）=kX（Xi X）=KY（Y Y*）=KX（X*X）式中：kY及kX 以气膜及液膜比摩尔分数差 及 为推动力表示的吸收传质分系数 kmol/m2h；47KY及KX 以总体比摩尔分数差 及 为推动力表示的吸收传质总系数 kmol/m

21、2h；Y及X 吸收质在气相及液相主体中的浓度 及 ，（无因次）；Yi及Xi 在界面上吸收质的浓度 及 ，（无因次）；Y*及X*与液相主体X及气相主体Y成平衡时，吸收质所应具有的平衡浓度 及 ，（无因次）。48不同表示方式的吸收传质分系数之间及总系数不同表示方式的吸收传质分系数之间及总系数之间的变换关系之间的变换关系气气气气膜膜膜膜吸吸吸吸收收收收传传传传质质质质分分分分系系系系数数数数之之之之间间间间的变换关系：的变换关系：的变换关系：的变换关系：将 及p=P总y代入式（3-II-6）得 N/=kg（P总y P总yi）由式（3-II-16）N/=kY（Y Yi）得：N/(YYi)=kY故 49

22、 同理，液膜吸收传质分系数之间的变换关系液膜吸收传质分系数之间的变换关系液膜吸收传质分系数之间的变换关系液膜吸收传质分系数之间的变换关系：将 及c=c总x代入式（3-II-7）得：由式（3-II-17）N/=kX（Xi X）得：故 50 同理，可以得到吸收传质总系数之间的变换关系：如果气液两相的浓度都很小，则上述各吸收传质系数式中的分母都趋近于1，故各式可分别简化为：k kY Y=k kg g P P总总总总 （3-II-20a）k kX X=k kl l c c总总总总 （3-II-21a）K KY Y=K KGG P P总总总总 （3-II-22a）K KX X=K KL L c c总总总

23、总 （3-II-23a）51总结吸收传质系数的物理意义：吸吸吸吸收收收收传传传传质质质质系系系系数数数数（k kg g、k kl l、KKGG、KKL L、k ky y、k kx x、KKY Y、KKX X）表表表表明明明明，当当当当吸吸吸吸收收收收推推推推动动动动力力力力为为为为一一一一个个个个相相相相应应应应单单单单位位位位分分分分压压压压差差差差 kPakPa，或或或或浓浓浓浓度度度度差差差差 kmol/mkmol/m3 3 或或或或 比比比比摩摩摩摩尔尔尔尔分分分分数数数数（无无无无因因因因次次次次）时时时时，每每每每小小小小时时时时穿穿穿穿过过过过1 1 mm2 2 的的的的接接接接

24、触触触触面面面面积积积积，在在在在气气气气相相相相或或或或液液液液相相相相中中中中或或或或由由由由气气气气相相相相传传传传递递递递到到到到液液液液相相相相中中中中的的的的扩扩扩扩散散散散物物物物质质质质量量量量 kmolkmol。其具体意义如下表所示：52下面再总结一下各吸收传质速率方程式和各吸收传质系数之间的关系：P P12012053 上面各吸收传质速率方程式也可写成同传热速率表示式类似的形式：54增增增增例例例例 已知某气体在填料塔中的吸收过程服从亨利定律，其气膜吸收传质分系数 ，液膜吸收传质分系数 ，其平衡线方程式为 ,设吸收塔以水喷淋，塔内总压强 ，试计算KG，KL，KY，KX。解解

25、解解：（1）计算气相吸收传质总系数由 得：55H值可由下式求出：已知：代入上式得：所以56（2）计算液相传质总系数（3）计算以总体比摩尔分差表示的气相传质总系数（4）计算以总体比摩尔分差表示的液相传质总系数57 吸吸吸吸收收收收的的的的传传传传质质质质速速速速率率率率方方方方程程程程式式式式也也也也可可可可以以以以用用用用单单单单位位位位时时时时间间间间的的的的传传传传质质质质量量量量 kmol/hkmol/h表示如下表示如下表示如下表示如下：N=NN=N/A=KA=KY Y A A（Y Y Y Y*）（3-II-24）N=NN=N/A=KA=KX X A A（X X*X X）（3-II-24

26、a）式中：N 吸收传质速率 kmol/h；A 传质面积 m2。58 此外，对填料式的吸收塔，吸收速率方程式往往写成如下形式：N=kN=kc caVaV（c cg g c cigig）或）或）或）或 N=kN=kg gaVaV（p p p pi i）（3-II-25）N=kN=kl laVaV（c cil il c cl l）（3-II-25a）式中：kca和kla 气膜和液膜吸收传质推动力都以浓度差（cg cig）、（cil cl）kmol/m3 表示的体积吸收传质分系数kmol/m3h(kmol/m3)（=1/h）；kga 气膜吸收传质动力以分压差 kPa表示的体积吸收传质分系数 kmol/

27、m3hkPa；V 填料的总体积。594 吸收过程的物料衡算及吸收过程的物料衡算及操作线方程式操作线方程式 图3-II-4(a)所示为稳定状态下连续逆流操作的填料吸收塔。V V 单位时间通过吸收塔的惰性气体量 kmol/h；L L 单位时间通过吸收塔的吸收剂量 kmol/h；Y、Y1和Y2 在塔的任一截面、塔底和塔顶的气体组成kmol吸收质/kmol惰气；X、X1和X2 在塔的任一截面、塔底和塔顶的液相组成kmol吸收质/kmol吸收剂。60图3-II-4 逆流操作的填料吸收塔 设如图3-II-4(a)所示塔内的任意截面上的组成为X及Y，与此截面相距一微分距离dZ的另一截面，其组成为X+dX及Y

28、+dY。61因在稳定条件下操作，在这两个截面间的微分截段中从气相扩散出去的吸收质必为同截段的液相所吸收，故可得出任意截段的物料衡算式如下：dNdN=V V（dYdY）=（L L）dXdX式中：dN 扩散传质速率 kmol吸收质/h；（dY）的负号表示吸收质扩散传出；（L）的负号表示液流与气流流向相反。整理上式，得：VdY=LdXVdY=LdX （3-II-26）62 又因为在稳定连续操作条件下 L 和 V 都是定值，上式VdY=LdXVdY=LdX 可直接从任意截面至塔底进行积分，得：V V（Y Y1 1 Y Y）=L L（X X1 1 X X）或 上述方程为一通过（X1，Y1）点的直线方程式

29、，其斜率为 。63若就全塔进行衡算 VdY=LdX VdY=LdX，则得：V V（Y Y1 1 Y Y2 2）=L=L（X X1 1 X X2 2）（3-II-28）从图3-II-4(b)可看到，这个方程式是代表通过（X1，Y1）和（X2，Y2）两点的一条直线。这条直线叫做操操操操作作作作线线线线，表示操作线的数学式叫操操操操作作作作线线线线方方方方程程程程式式式式。操操操操作作作作线线线线上上上上的的的的任任任任一一一一点点点点，代代代代表表表表吸吸吸吸收收收收塔塔塔塔任任任任一一一一截截截截面面面面上上上上的的的的气气气气、液液液液两两两两相相相相组组组组成成成成（X X及及及及Y Y）之

30、之之之间间间间的的的的关关关关系系系系。645 吸收设备的计算吸收设备的计算5-1 吸收剂的比用量吸收剂的比用量 吸收剂的比用量吸收剂的比用量吸收剂的比用量吸收剂的比用量也称吸收剂的单位消耗量吸收剂的单位消耗量吸收剂的单位消耗量吸收剂的单位消耗量或称液气比液气比液气比液气比L L/V/V，它是指处理1 kmol惰性气体所需吸收剂的量 kmol。在吸收塔的计算中，需要处理的惰性气体量V，气相的初始和终止的浓度Y1和Y2，以及吸收剂的最初组成X2，都为过程本身和生产分离要求所决定，而所需吸收剂的用量则有待于选择，它直接影响着设备的尺寸和操作费用。65根据吸收操作线方程式（3-II-28）V V（Y

31、 Y1 1 Y Y2 2）=L=L（X X1 1 X X2 2）可得单位惰性气体所需吸收剂的量：也就是操作线的斜率操作线的斜率。66吸收剂用量的影响：吸收剂用量的影响：若将吸收剂的用量逐渐减少，操作线的斜率就变小，操作线就向平衡线靠近。直到操作线与平衡线相交或相切（图3-II-5a或图3-II-5b）时，推动力为零，此时的吸收剂用量称为最最最最小小小小吸吸吸吸收收收收剂剂剂剂用用用用量量量量，以 L Lminmin表示，而相应的吸收液浓度则最大。图3-II-5 吸收剂比用量的计算67图3-II-5 吸收剂比用量的计算 若逐渐增加吸收剂用量，则操作线将向远离平衡线方向偏移，此时操作线与平衡线距离

32、加大，也就是过程推动力（Y）加大，完成同样的生产任务所需要的设备尺寸减小，但操作费用却增加。68 根据以上的分析可知：（1）若 L/V 过大，则吸收剂的比用量太大，吸收液的浓度很稀，无论是用来输送吸收剂的费用或是用于解吸的费用都要增加；（2）L/V 过小，则所需的吸收塔必将过高，用于建造吸收塔的投资将增大。概述：概述：69一般设计吸收塔时，应该在这两者（吸收剂用量和塔高）之间加以权衡，选择最佳的吸收剂比用量，使两者总费用为最小。在实际操作中，为保证合理的吸收塔的生产能力，多取L适宜=1.12 Lmin （3-II-30）70 L Lminmin值的求取值的求取值的求取值的求取 可按下式计算：若

33、平衡关系可以用 Y=mX*表达，则上式中Xmax为Xl*，因为此时液相中吸收质可以达到的最大浓度是平衡浓度Xl*，于是：71另外需要指出的是，在选定吸收剂用量L时，还必须考虑能否保证填料塔的充分润湿，一般情况下，液体的喷淋密度（即每小时每平方米塔截面上喷淋的液体量）至少应为5 m3/m2h。p126例题 例例 3-II-4725-2 吸收塔塔径的确定吸收塔塔径的确定 填料塔的塔径，可按下式确定：式中：V 在操作条件下混合气体的体积流量 m3/s；w 混合气体的空塔速度 m/s。生产任务确定以后，先对不同型式的填料塔求出出现液泛的空塔速度。实际空塔气速常选液泛速度的6080。73补补补补充充充充

34、：空空空空塔塔塔塔速速速速度度度度(又称表观速度，superficial velocity)，在精馏、吸收等操作中所应用的板式塔或填料塔，当计算通过塔内的流体速度时，不考虑塔内装入的物件，按空塔计算流体通过塔的平均流速，以流体的流量被塔的总横截面积除而得到的数值。74求液泛速度的公式有很多，对于环形填料，较常用的公式为如下形式：(3-II-34)式中：液泛气速 m/s；L/V 液体对气体的质量流量之比；液体的比重 厘泊；填料比表面积 m2/m3；填料空隙率 m3/m3；A 常数，拉西环为0.22，弧鞍形填料为0.26。755-3 吸收塔填料层高度的确定吸收塔填料层高度的确定 填料层高度的基本计

35、算方程式填料层高度的基本计算方程式 计算填料塔填料层高度时，可将吸吸吸吸收收收收传传传传质质质质速速速速率率率率方方方方程式程式程式程式和物料衡算式物料衡算式物料衡算式物料衡算式结合起来考虑。在填料塔操作中，组分的浓度随填料层的高度而改变，接触表面也随填料层的高度而改变，因而推动力的数值随接触表面而改变，故吸收速率方程式和物料衡算方程式均采用微分式，并且将两方程式结合。76 速率方程式速率方程式速率方程式速率方程式：dN=KY（Y Y*）dA （3-II-35）或 dN=KX（X*X）dA （3-II-35a）式中：N 吸收质的吸收速率 kmol/h；A 接触面积 m2。物料衡算式物料衡算式物

36、料衡算式物料衡算式：dN=VdY=LdX （3-II-36）结合两式得：dN=VdY=KY（Y Y*）dA （3-II-36a）或 dN=LdX=KX（X*X）dA （3-II-36b）77dN=VdY=KY（Y Y*）dA （3-II-36a）dN=LdX=KX（X*X）dA （3-II-36b）因此得：在同一塔中及一定操作条件下，取KY和KX为定值，则沿全部接触面进行积分得：或 78再与下式关联 式中：H 填料层高度 m；填料塔的横截面积 m2；a 填料的有效比表面 m2/m3填料。从而得出填料层的高度：或以上两式即为填料吸收塔填料层高度的基本计算方程式填料吸收塔填料层高度的基本计算方程式

37、填料吸收塔填料层高度的基本计算方程式填料吸收塔填料层高度的基本计算方程式。79n 传质单元高度传质单元高度与与传质单位数传质单位数的计算方法的计算方法1.传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数：式（3-II-38）中，令 则得 H=HOGNOG （3-II-39）式中：HHOGOG称为气相传质单元高度气相传质单元高度气相传质单元高度气相传质单元高度 m；N NOGOG称为气相传质单元数气相传质单元数气相传质单元数气相传质单元数 无因次。80 若以液相组成为推动力，也可类似地得出如下关系：式中：HHOLOL 液相传质单元高度液相传质单元高

38、度液相传质单元高度液相传质单元高度 mm；N NOLOL 液相传质单元数液相传质单元数液相传质单元数液相传质单元数 无因次无因次无因次无因次。81 传传传传质质质质单单单单元元元元数数数数 的的的的物物物物理理理理意意意意义义义义：积分号中dY为气相浓度变化，（Y-Y*）为吸收推动力，假设Y-Y*=Ym（平平平平均均均均推推推推动动动动力力力力），则 ；若将气相浓度每改变Ym称为一个“气气气气相相相相传传传传质质质质单单单单元元元元”，则 为气气相相传传质单元数质单元数。同理，可以定义液相传质单元数。传传传传质质质质单单单单元元元元高高高高度度度度就是每每每每一一一一个个个个传传传传质质质质单

39、单单单元元元元相相相相应应应应的的的的填填填填料料料料层层层层高高高高度度度度 mm。82 2.传质单元高度与传质单元数的具体计算方法：气相和液相传质单元高度HOG和HOL可分别直接用 和 求算。至于气相和液相传质单元数的求算，比较复杂，下面是三种常采用的方法。83（1）图图图图解解解解积积积积分分分分法法法法：它是适用性最广泛的一种方法。为了求取 ，首先在X-Y图中作出平衡线和操作线；然 后 在 Y1和 Y2范 围 内 逐 步 找 出 Y对 Y*的 值；之 后 再 以 Y对 作图，曲线下的面积即为NOG。图3-II-984（2 2）对对对对数数数数平平平平均均均均浓浓浓浓度度度度差差差差法法

40、法法：当吸收的平衡关系服从亨利定律，即平衡线为一直线或接近直线时，计算可以简化，采用对数平均浓度差法（也称解析法）。（推导p131,略）对气相吸收的对数平均推动力对气相吸收的对数平均推动力对气相吸收的对数平均推动力对气相吸收的对数平均推动力：对液相吸收的对数平均推动力对液相吸收的对数平均推动力对液相吸收的对数平均推动力对液相吸收的对数平均推动力：85当 或 时即平均推动力取算术平均值对计算准确性影响不大。对气相传质单元数，对数平均浓度差法的计算公式对气相传质单元数，对数平均浓度差法的计算公式对气相传质单元数，对数平均浓度差法的计算公式对气相传质单元数，对数平均浓度差法的计算公式：对液相传质单元

41、数，对数平均浓度差法的计算公式对液相传质单元数，对数平均浓度差法的计算公式对液相传质单元数，对数平均浓度差法的计算公式对液相传质单元数，对数平均浓度差法的计算公式：86（3）吸吸吸吸收收收收因因因因数数数数法法法法：当平衡关系符合亨利定律，X很小，平衡线为直线时，Y*=mX。(推导p132，略)（3-II-44）其中 。在半对数坐标上，以 为参变量，按式（3-II-44）的关系对NOG与 进行绘图，可得一组曲线，如图3-II-10所示。利用这组曲线进行计算十分方便，只是准确度稍差。87图3-II-10 吸收塔的气相总传质单元数（mV/L为参变数）88 若送入塔内的液体为纯溶剂，X2=0，则 。

42、一般情况下，X2即使不为零，也是一个很小的值，所以上述比率意义也可以按 来理解。它就是进、出口气体浓度之比，其值愈大，吸收愈完全。则代表平衡线斜率与操作线之比。从图3-II-10可以看出，若吸收质被吸收的完全程度一定，愈大，NOG就愈大，即所需的填料层愈高。可见，愈大，愈不利于吸收而有利于解吸，因此 称为解解解解吸吸吸吸因因因因数数数数，以 表示。它的倒数A，即 ，则称为吸收因数吸收因数吸收因数吸收因数。897 化学吸收化学吸收化学吸收在工业生产中是常见的，例如用硫酸吸收二氧化硫，用氨水吸收二氧化碳，铜铜氨液吸收一氧化碳等等，都伴有化学反应的吸收过程。在化学吸收过程中：（一）吸收质先从气相主体

43、扩散到气液界面（在气相无化学反应），其扩散的机理和物理吸附是一样的，因此气相传质系数不受影响；90（二）吸收质（例如A）达到界面以后，与吸收剂中能与吸收质起反应的组分（例如B）进行化学反应，吸收剂中组分B在界面的浓度降低，因而又从液相主体向界面扩散，与A相遇。A与B在哪一位置上进行反应，取决于反应速率和扩散速率的大小。反应进行愈快，A消耗得愈快，则A抵达气液界面后不必再扩散很远便会消耗干净；反之，反应进行很慢，则A也可能扩散到液相主体中，仍有大部分未能参加反应。91影响化学吸收速率的因素影响化学吸收速率的因素影响化学吸收速率的因素影响化学吸收速率的因素：（1）与物理吸收相同的因素，如物料的性质

44、与流体流动状况等；（2）与化学速率有关的因素，即化学反应速度常数、反应物浓度等。92 在考虑上述因素之后，如果能找到一个关系来表示化学吸收液相传质系数，它为物理吸收液相传质系数的若干倍，则化学吸收传质速率方程式便可以写成：式中：化学反应使物理吸收通量（或物理吸收速率）增大的倍数，称为增强因数增强因数增强因数增强因数或反应因数反应因数反应因数反应因数；cAi 气液相界面上吸收组分A的浓度；cAl 液相主体中吸收组分A的浓度。从上述可见，进行有关化学吸收的计算，关键问题在于求 值。93化学吸收与物理吸收相比较，它具有下述特点下述特点下述特点下述特点：第一，吸收质A因与溶剂中反应组分B起化学反应而消

45、耗，使得与此液相成平衡的吸收质A的分压降低，若反应是不可逆的，在溶剂中的反应组分B耗尽以前，吸收质A的平衡分压甚至可以降到零，从而提高了吸收的推动力提高了吸收的推动力提高了吸收的推动力提高了吸收的推动力。第二，如果反应进行地很快，以至在气液界面附近吸收质A已完全反应，则吸收质在液膜内扩散需要克服的阻力便大大降低，对不可逆的飞速反应（反应速率极大），当溶剂中的反应组分B浓度足够大时，阻力甚至可以减到零，这时吸收变为气膜控制吸收变为气膜控制。94第第 II 部分例题类型部分例题类型确定气、液相传质过程的方向；确定气、液相传质过程的方向；计算吸收推动力、传质系数及判定吸收的控制步骤。计算吸收推动力、

46、传质系数及判定吸收的控制步骤。由传质分系数计算各种传质总系数；由传质分系数计算各种传质总系数；吸收剂用量的计算；吸收剂用量的计算；填料塔填料高度的计算。填料塔填料高度的计算。95例例例例3-II-53-II-5（p134p134）用纯水做吸收剂，在常压、273 K下吸收混合气中的甲醇。处理混合气量为3600 m3/h，其中甲醇每立方米含25 g（其它均认为是惰性组分），甲醇的吸收率要求达到90，吸收剂用量为最小液气比的130，并已知在当时条件下甲醇在水中的溶解度呈直线关系，其方程式为：吸收用水量为多少 吨/小时？吸收所需气相传质单元数为多少？96 解解 1.吸收用水量的计算吸收用水量的计算 （

47、1）换算原料气组分：式中y1为吸收质在原料气中的摩尔分数。原料气中的甲醇含量=25 g/m3，CH3OH的摩尔质量=32 g/mol，所以97（2）求溶液平衡浓度：（3）求吸收最小液气比：纯水吸收，X2=0（4）求实际液气比：98（5）求出口溶液浓度：因为X2=0故 （6）从所得溶液实际浓度计算吸收用水量 处理气体量为3600 m3/h，其中甲醇含量为25 g/m3，回收率为90，即所以 992.计算气相传质单元数（1）采用对数平均浓度差法：其中 故 100（2）采用吸收因数法：从图3-II-10中查出：（3）采用图解积分法：略（教材P135）101练练 习习 题题第第3、5、7、8、11（只只采采用用对对数数平平均均浓度差法）题。浓度差法）题。