(17)--吸收化工原理化工原理.ppt

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1、第第3章章气体吸收气体吸收本节主要内容本节主要内容：3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 气液相平衡气液相平衡3.3 3.3 吸收过程模型及吸收速率方程吸收过程模型及吸收速率方程3.4 3.4 填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算3.5 3.5 解吸（脱吸）解吸（脱吸）3.6 3.6 其它类型吸收其它类型吸收2023/12/2919:46化工原理化工原理23.1概述概述2023/12/2919:46化工原理化工原理33易溶组分易溶组分 微溶或基本不溶组分微溶或基本不溶组分 一、什么是吸收？一、什么是吸收？3.1概述概述2023/12/2919:46化工原理化工原理4二、吸

2、收目的二、吸收目的3.1概述概述2023/12/2919:46化工原理化工原理5（溶解过程），例如水吸收（溶解过程），例如水吸收COCO2 2即溶质溶解时与吸收剂即溶质溶解时与吸收剂S间发生化学反应间发生化学反应溶质溶解时忽略溶解热的影响溶质溶解时忽略溶解热的影响 溶解热很大或伴有反应热，则系统温度变化显著溶解热很大或伴有反应热，则系统温度变化显著 本章重点：本章重点：单组分、等温、物理吸收单组分、等温、物理吸收三、吸收分类三、吸收分类3.1概述概述2023/12/2919:46化工原理化工原理61 1吸收设备吸收设备-塔设备塔设备四吸收设备、流程四吸收设备、流程3.1概述概述7四吸收设备、流

3、程四吸收设备、流程2 2吸收流程吸收流程2023/12/2919:46化工原理化工原理3.1概述概述8四吸收设备、流程四吸收设备、流程2 2吸收流程吸收流程3.1概述概述9四吸收设备、流程四吸收设备、流程2 2吸收流程吸收流程3.1概述概述10四吸收设备、流程四吸收设备、流程2 2吸收流程吸收流程3.1概述概述11四吸收设备、流程四吸收设备、流程2 2吸收流程吸收流程演示演示3.1概述概述12五吸收剂的选择五吸收剂的选择1 1溶解度：溶解度：对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有较大的溶解度2 2选择性：选择性：对溶质组分有良好的选择性，对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微

4、，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微，3 3挥发：挥发：应不易挥发应不易挥发4 4粘性：粘性：粘度要低粘度要低5 5其它：其它：无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。价廉易得，并具有化学稳定性等要求。3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）13 一溶解度一溶解度在一定的温度下，气相与液相长期或充分接触后，两相趋于平衡状态在一定的温度下，气相与液相长期或充分接触后，两相趋于平衡状态（动态平衡，传质速率（动态平衡，传质速率 ）。）。组分组分A A的平衡分压（或的平衡分压（或 的平衡浓度）的平衡浓度）3.2气液相平衡气液相平衡（

5、溶解平衡）（溶解平衡）14 一溶解度一溶解度3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）15 一溶解度一溶解度溶解度曲线溶解度曲线 气、液两相处于平衡状态时，表示溶质在气相中的分压与液相中气、液两相处于平衡状态时，表示溶质在气相中的分压与液相中的浓度的关系曲线为的浓度的关系曲线为溶解度曲线（平衡线）溶解度曲线（平衡线）,下面是几个典型的溶解度曲下面是几个典型的溶解度曲线图。线图。溶解度的大小溶解度的大小：3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）16 一溶解度一溶解度说明：说明：（1）当较高的）当较高的PA对应较低的对应较低的CA时时难溶气体（即溶解度很小），难溶气体（即溶解度很

6、小），例如例如O2（2）当较低的）当较低的PA对应较高的对应较高的CA时时易溶气体（即溶解度很大），易溶气体（即溶解度很大），例如例如NH3（3）介于两者之间的）介于两者之间的CA时时溶解度适中气体，例如溶解度适中气体，例如SO23.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）17 一溶解度一溶解度结论：结论：（1）对于同一溶剂同一操作条件，）对于同一溶剂同一操作条件，不同气体的溶解度有很大差别不同气体的溶解度有很大差别（2）同一溶质，随着温度的升高，）同一溶质，随着温度的升高，溶解度降低。溶解度降低。u加压、降温对吸收有利，加压、降温对吸收有利，反之对解吸有利反之对解吸有利3.2气液相平衡

7、气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）18二、亨利定律（二、亨利定律（Henry LawHenry Law）：）：18当总压不太高（当总压不太高（5atm）且等温情况下，对于稀溶液，气、液两相的）且等温情况下，对于稀溶液，气、液两相的平衡关系可用平衡关系可用亨利定律亨利定律描述。描述。*因为一般进行吸收操作的气体都是低浓度气体，所以因为一般进行吸收操作的气体都是低浓度气体，所以常温常压下，亨利定律适用。常温常压下，亨利定律适用。E越大，表明溶解度越小；越大，表明溶解度越小；E随温度变化而变化，随温度变化而变化，T，E 3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）19二、亨利定律（二、亨利定律

8、（Henry LawHenry Law）：）：19亨利定律的其他形式：亨利定律的其他形式：m越大，表明溶解度越小；越大，表明溶解度越小；m随温度、总压变化而变化，随温度、总压变化而变化，T，m，P，m H的数值如何变化？的数值如何变化？3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）20二、亨利定律（二、亨利定律（Henry LawHenry Law）：）：20 随着温度随着温度t亨利系亨利系数数 E溶解度系数溶解度系数H相平衡常数相平衡常数m是否利于吸收是否利于吸收对易溶气对易溶气体体 小小 大大 小小利于吸收利于吸收对难溶气对难溶气体体 大大 小小 大大不利于吸收不利于吸收相平衡常数，相

9、平衡常数，系统总压系统总压3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）21二、亨利定律（二、亨利定律（Henry LawHenry Law）：）：21在在中，中，假设假设B不溶解且不溶解且S不挥发，则为了以后计算简便，设定：不挥发，则为了以后计算简便，设定：当溶液很稀时，即当溶液很稀时，即x很小时，上式简化得：很小时，上式简化得：摩尔比表示法摩尔比表示法3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）22三、相平衡关系作用：三、相平衡关系作用：221.判断过程进行的方向判断过程进行的方向（1）以气相的组成判断）以气相的组成判断气相中气相中A的实际组成的实际组成高于高于与液相成平衡的组成

10、与液相成平衡的组成吸收，反吸收，反之为解吸。之为解吸。（2）以液相的组成判断）以液相的组成判断液相中液相中A的实际组成的实际组成低于低于与气相成平衡的组成与气相成平衡的组成吸收，反吸收，反之为解吸。之为解吸。2.指明过程的极限指明过程的极限3.表示吸收过程的推动力表示吸收过程的推动力3.2气液相平衡气液相平衡（溶解平衡）（溶解平衡）2323例题：例题：设设1atm下下20的稀氨水的相平衡方程如下，今使含氨的稀氨水的相平衡方程如下，今使含氨y=0.1的混合气体与的混合气体与x=0.05的氨水接触，判断过程进行的方向。的氨水接触，判断过程进行的方向。解：已知相平衡关系：解：已知相平衡关系：（1）以

11、气相组成判断：）以气相组成判断：操作状态（实际状态）操作状态（实际状态）x=0.05，y=0.1（此为实际气相组成）（此为实际气相组成）平衡状态：平衡状态：x=0.05，则，则即即则气相中的氨可溶解与液相中则气相中的氨可溶解与液相中吸收吸收（2）以液相组成判断：）以液相组成判断：操作状态（实际状态）操作状态（实际状态）x=0.05（此为实际液相组成）（此为实际液相组成），y=0.1 平衡状态：平衡状态：判断为发生发生了判断为发生发生了吸收过程。吸收过程。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程24一、分子扩散与费克定律一、分子扩散与费克定律24(见第见第1章章1.2节节)将中间隔板抽

12、出，则将中间隔板抽出，则A、B分别向另一侧运动。分别向另一侧运动。当运动时间足够长时，、将在整个容器内混合当运动时间足够长时，、将在整个容器内混合均匀均匀分子扩散现象分子扩散现象遵循遵循费克定律。费克定律。组分的浓度梯度组分的浓度梯度扩散方向上的距离，扩散方向上的距离，:组分组分A在在AB 混合物中的扩散系数混合物中的扩散系数 组分组分A的扩散速率（扩散通量）的扩散速率（扩散通量）同理：同理：式中负号表示扩散是沿着物质式中负号表示扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行浓度降低的方向进行演示演示1.1.扩散现象：（如图实验演示）扩散现象：（如图实验演示）3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率

13、方程25二、气相中的稳态分子扩散二、气相中的稳态分子扩散1.1.等分子反向扩散等分子反向扩散（蒸馏过程即是典型例子蒸馏过程即是典型例子）将中间隔板抽出，则将中间隔板抽出，则A、B分分别向另一侧运动。当运动时间足别向另一侧运动。当运动时间足够长时，、将在整个容器内够长时，、将在整个容器内混合均匀，即直到混合均匀，即直到 过程当产生组分过程当产生组分A的扩散流时，的扩散流时，必伴有方向相反的组分必伴有方向相反的组分B的扩散的扩散流，即流，即 演示演示3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程26二、气相中的稳态分子扩散二、气相中的稳态分子扩散提出：提出：NAA的传递速率的传递速率（此概念在

14、工程实际中应用性很强此概念在工程实际中应用性很强），），指通过空间某固定位置上单位面积的指通过空间某固定位置上单位面积的A的量的量kmol/m2s呈直线关系，则积分：呈直线关系，则积分：3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程27二、气相中的稳态分子扩散二、气相中的稳态分子扩散2.2.单向扩散单向扩散（吸收过程吸收过程典型例子典型例子）即一个组分通过另一静止组分的扩散。即一个组分通过另一静止组分的扩散。在气体吸收中，溶质在气体吸收中，溶质A溶解于溶剂中，惰性组溶解于溶剂中，惰性组分分B不溶解，显然，液相中不存在组分不溶解，显然，液相中不存在组分B，故吸收，故吸收过程是组分过程是组分A

15、通过另一通过另一“静止静止”组分组分B的单向扩散的单向扩散过程。过程。如图所示，液相界面象一层选择性膜，可使如图所示，液相界面象一层选择性膜，可使A通过。在界面处气相中组分通过。在界面处气相中组分A溶于溶剂中，溶于溶剂中，A的分的分子数迅速减少，分压减低，产生分压梯度子数迅速减少，分压减低，产生分压梯度;而组分而组分B仍存在由相界面向主体的反向扩散，产生仍存在由相界面向主体的反向扩散，产生B的分压的分压梯度。梯度。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程28二、气相中的稳态分子扩散二、气相中的稳态分子扩散2.2.单向扩散单向扩散（吸收过程吸收过程典型例子典型例子）由于界面处由于界面处

16、A的分压降低及的分压降低及B由界面向主体扩散，则界面处总压将降由界面向主体扩散，则界面处总压将降低，导致气相主体与界面间产生微小的压差，这一压差促使气体向界面低，导致气相主体与界面间产生微小的压差，这一压差促使气体向界面流动，这种流动纯属宏观流动，因此称为流动，这种流动纯属宏观流动，因此称为主体流动（或总体流动）主体流动（或总体流动）。主体流动主体流动同时携带组分同时携带组分A和和B流向界面，其中所带有的流向界面，其中所带有的组分组分B正好补偿组分正好补偿组分B的反向扩散，才能使的反向扩散，才能使p保持恒定，进保持恒定，进而使气体各处的总压保持基本稳定。而使气体各处的总压保持基本稳定。则则组分

17、组分A和和B中气相主体到界面的物质传递包括了分子中气相主体到界面的物质传递包括了分子扩散和总体流动之和。扩散和总体流动之和。即由即由微观扩散运动导致了宏观的总体流动。微观扩散运动导致了宏观的总体流动。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程29二、气相中的稳态分子扩散二、气相中的稳态分子扩散这这里里令令：这里定义这里定义 漂流因数漂流因数1，它反应了总体流动对传质速率的影响它反应了总体流动对传质速率的影响，即，即有有 1，说明总体流动而使物质，说明总体流动而使物质A的传递速率单纯分子扩散速率。的传递速率单纯分子扩散速率。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程30三、吸收过

18、程机理三、吸收过程机理吸收过程的三个步骤：吸收过程的三个步骤：（1）A由气相主体传递至两相界面；由气相主体传递至两相界面；（2）A在两相界面上溶解；在两相界面上溶解；（3）A由两相界面传递至液相主体。由两相界面传递至液相主体。演示演示*1双膜理论双膜理论 如图所示，对界面两侧的气、液两相分如图所示，对界面两侧的气、液两相分别应用膜模型。别应用膜模型。（1）A由气相主体至界面，推动力为：由气相主体至界面，推动力为：相应阻力折合在有效气膜内。相应阻力折合在有效气膜内。（2）A由界面至液相主体，推动力：由界面至液相主体，推动力：相相应阻力折合在有效液膜内。应阻力折合在有效液膜内。3.3吸收模型及吸收

19、速率方程吸收模型及吸收速率方程31三、吸收过程机理三、吸收过程机理*1双膜理论双膜理论（3）一般认为，两相界面上传质阻力很小，小到可以忽略。即界面上气、液两相处于）一般认为，两相界面上传质阻力很小，小到可以忽略。即界面上气、液两相处于平衡状态，为平衡关系。平衡状态，为平衡关系。上述用膜模型处理界面两侧的传质及界面上无传质阻力的设想，称为双膜模型。上述用膜模型处理界面两侧的传质及界面上无传质阻力的设想，称为双膜模型。双膜模型的三条基本论点：双膜模型的三条基本论点：（1）相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的）相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个

20、很薄的有效层流膜，溶质以分子扩散的方式穿过此二层膜由气相主体进入液相主体。流有效层流膜，溶质以分子扩散的方式穿过此二层膜由气相主体进入液相主体。流体的流速越快，膜越薄。体的流速越快，膜越薄。（2）相界面处气液处于平衡状态，没有传质阻力。）相界面处气液处于平衡状态，没有传质阻力。（3）两相主体中由于质点间充分湍动，浓度均匀，无浓度梯度，即无阻力存在。）两相主体中由于质点间充分湍动，浓度均匀，无浓度梯度，即无阻力存在。双膜理论认定：双膜理论认定：气体吸收过程的全部阻力均集中在两层膜中，阻力的气体吸收过程的全部阻力均集中在两层膜中，阻力的大小决定了传质速率的大小。大小决定了传质速率的大小。3.3吸收

21、模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程32四、吸收速率方程四、吸收速率方程(见第见第3章的章的3.3节节)本节内容是个桥梁，它将抽象理论与具体工程实践相关系，以下应用均以双膜理论本节内容是个桥梁，它将抽象理论与具体工程实践相关系，以下应用均以双膜理论为基础。为基础。速率速率=传质推动力传质推动力/传质阻力传质阻力=传质系数传质系数*传质推动力传质推动力注意：注意：分子的推动力与分母的阻力必须相对应匹配分子的推动力与分母的阻力必须相对应匹配。1两膜速率方程两膜速率方程（1）气膜）气膜气膜推动力气膜推动力/气膜阻力气膜阻力=气膜推动力气膜推动力/气膜阻力气膜阻力3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模

22、型及吸收速率方程33（2）液膜）液膜=液膜推动力液膜推动力/液膜阻力液膜阻力或或=液膜推动力液膜推动力/液膜阻力液膜阻力其中：其中：2界面浓度的求取界面浓度的求取 前面推得的吸收速率方程式中都涉及到界前面推得的吸收速率方程式中都涉及到界面浓度的问题。求得前提是（面浓度的问题。求得前提是（1）：界面处气液）：界面处气液平衡（平衡（2）稳态时气液膜传质速率相等。）稳态时气液膜传质速率相等。=常数常数 当当P、C已知后，可求出已知后，可求出成直线关系。成直线关系。即由此直线与平衡线交点可推出界面即由此直线与平衡线交点可推出界面浓度，即图中的浓度，即图中的I点点 ，3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型

23、及吸收速率方程34类似地：类似地：-膜吸收速率方程膜吸收速率方程 3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程353.气相及液相总吸收速率方程气相及液相总吸收速率方程*（气相主体到液相主体气相主体到液相主体）吸收过程的总推动力应该用任何一相的主体组成与其平衡组成的差值吸收过程的总推动力应该用任何一相的主体组成与其平衡组成的差值来表示来表示总吸收速率方程来描述吸收传质过程。总吸收速率方程来描述吸收传质过程。（1）=总推动力总推动力/总阻力总阻力式中：式中：气相总吸收系数或气相总传质系数，相应于总推动力气相总吸收系数或气相总传质系数，相应于总推动力与实际液相主体浓度与实际液相主体浓度C相平衡

24、的气相分压相平衡的气相分压，kPa；同理，同理，=总推动力总推动力/总阻力总阻力式中：式中：液相总吸收系数或液相总传质系数，液相总吸收系数或液相总传质系数，与气相主体分压与气相主体分压p平衡的液相平衡浓度。平衡的液相平衡浓度。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程363.气相及液相总吸收速率方程气相及液相总吸收速率方程*（气相主体到液相主体气相主体到液相主体）其中：其中：（2）以摩尔比表示相组成：）以摩尔比表示相组成：3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程373.气相及液相总吸收速率方程气相及液相总吸收速率方程*（气相主体到液相主体气相主体到液相主体）假设气液相平衡关系

25、满足亨利定律，则假设气液相平衡关系满足亨利定律，则-以分压差为推动力的以分压差为推动力的气相总吸收速率方程气相总吸收速率方程3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程38可推出：可推出：式中式中：气相传质分阻力，相应于推动力气相传质分阻力，相应于推动力液相传质分阻力，相应于推动力液相传质分阻力，相应于推动力总传质阻力，相应于总推动力总传质阻力，相应于总推动力 各项阻力表达同上各项阻力表达同上3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程39-以以摩摩尔尔分分率率差差为为推推动动力力的的气气相相总总吸吸收收速率方程速率方程-以摩尔分率差为推以摩尔分率差为推动力的动力的液相总吸收速液相

26、总吸收速率方程率方程-以以摩摩尔尔浓浓度度差差为为推推动动力力的的液液相相总总吸收速率方程吸收速率方程3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程40五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制1.气膜控制气膜控制：对于对于易溶气体易溶气体来说（来说（例如水吸收氨例如水吸收氨），由），由 因为因为H很大，设很大，设 和和 数量级相等，则数量级相等，则 该式表明该式表明气膜阻力气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收的控制着整个吸收过程的速率，吸收的总推动力总推动力主要用来克服气膜阻力主要用来克服气膜阻力，这种情况称为，这种情况称为“气膜控制气膜控制”。用水吸收氨、氯化氢用水吸收氨、氯化氢等过程等过

27、程 气膜控制的吸收过程。气膜控制的吸收过程。若想若想加速加速该类吸收过程，则必须设法该类吸收过程，则必须设法降低气相的传质阻力降低气相的传质阻力，例如，例如强化气相流动，设法加大气相湍动，例如加大气量，强化装置等。强化气相流动，设法加大气相湍动，例如加大气量，强化装置等。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程41五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制2.液膜控制：液膜控制：适用于适用于难溶气体难溶气体，例如水吸收，例如水吸收CO2，可由，可由 上式表明上式表明液膜阻力控制整个吸收速率液膜阻力控制整个吸收速率，吸收总推动力的绝大部分吸收总推动力的绝大部分用于克服液膜阻力用于克服液膜阻力

28、，这种情况称为，这种情况称为“液膜控制液膜控制”,吸收速率吸收速率大小受大小受液膜一侧阻力控制。液膜一侧阻力控制。水吸收水吸收o2、co2等过程等过程 液膜控制的吸收过程液膜控制的吸收过程。若想加速该。若想加速该类吸收过程，则必须类吸收过程，则必须设法降低液相的传质阻力设法降低液相的传质阻力，例如强化液相流动，例如强化液相流动，设法加大液相湍动，例如加大吸收剂用量，强化装置等。设法加大液相湍动，例如加大吸收剂用量，强化装置等。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程42五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制3.双膜控制双膜控制:具有具有中等溶解度的气体吸收中等溶解度的气体吸收，气膜和液

29、膜气膜和液膜共同共同控制着整个吸收过程，气膜阻力和液膜阻力均不可控制着整个吸收过程，气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，该过程称为忽略，该过程称为双膜控制双膜控制，用水吸收用水吸收so2等过程等过程既属于双膜控制的吸收过程。既属于双膜控制的吸收过程。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程43五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制液相总传液相总传质推动力质推动力气气相相总总传传质质推推动动力力气相分传气相分传质推动力质推动力液相分传液相分传质推动力质推动力3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程44五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制气膜控制气膜控制（易溶体系）（易溶体系）：故故

30、3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程45五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制液膜控制（难溶体系）：液膜控制（难溶体系）：故故 3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程46五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制双膜控制：双膜控制：气气膜膜阻阻力力和和液液膜膜阻阻力力均均不不可忽略，称其为可忽略，称其为双膜控制双膜控制。3.3吸收模型及吸收速率方程吸收模型及吸收速率方程47五、气膜与液膜控制五、气膜与液膜控制3.说明：说明：(1)传质推动力和传质阻力在各传质步骤的分配情况与传热过程类似，但传质传质推动力和传质阻力在各传质步骤的分配情况与传热过程类似，但传质过程中，气、液平衡关

31、系对各步骤的推动力和阻力的分配有较大的影响。过程中，气、液平衡关系对各步骤的推动力和阻力的分配有较大的影响。(2)(2)气膜控制过程，增加气相流率，可提高气相传质分系数，降低气相传质气膜控制过程，增加气相流率，可提高气相传质分系数，降低气相传质阻力，从而有效地加快吸收过程。阻力，从而有效地加快吸收过程。而增加液相流率，可提高液相传质分系数，而增加液相流率，可提高液相传质分系数，但对传质速率影响不大。这就是说，吸收操作中若发现总传质系数主要受气但对传质速率影响不大。这就是说，吸收操作中若发现总传质系数主要受气相流率的影响，过程必为气膜控制，主要传质阻力必在气相。液膜控制过程，相流率的影响，过程必

32、为气膜控制，主要传质阻力必在气相。液膜控制过程，情况与上述相反。情况与上述相反。(3)(3)若气相传质阻力与液相传质阻力的数量级相当，既非气膜控制也非液膜若气相传质阻力与液相传质阻力的数量级相当，既非气膜控制也非液膜控制，此时提高传质速率，应分别增加两相流率。控制，此时提高传质速率，应分别增加两相流率。适当地改变操作条件，可使气膜控制与液膜控制相互转化。适当地改变操作条件，可使气膜控制与液膜控制相互转化。3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算48本节学习的重点：本节学习的重点：（1）物料衡算与操作线方程。物料衡算与操作线方程。（2）最小液气比与适宜液气比。）最小液气比与

33、适宜液气比。（3）用传质单元数法计算填料层高度。）用传质单元数法计算填料层高度。其中，对传质单元高度其中，对传质单元高度与传质单元数概念的理解是本节教学难点。与传质单元数概念的理解是本节教学难点。一、吸收塔的计算问题分类一、吸收塔的计算问题分类（一）（一）设计型计算设计型计算1.设计要求设计要求计算达到指定分离要求所需的计算达到指定分离要求所需的填料塔高（填料层高度）填料塔高（填料层高度）。2.给定条件给定条件(1)进口气相中进口气相中A的浓度；的浓度；(2)气相的进塔流率；气相的进塔流率；(3)相平衡关系；相平衡关系；3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算49分离要求

34、分离要求2种种表达方式是：表达方式是：(1)若吸收目的是除去气相中的有害物质若吸收目的是除去气相中的有害物质A，直接规定，直接规定A的残余浓度（气相出的残余浓度（气相出塔浓度）；塔浓度）；(2)若吸收目的是回收气相中的有用物质若吸收目的是回收气相中的有用物质A，规定，规定A的回收率。的回收率。3.操作条件的选择操作条件的选择 (1)气、液两相流向的选择（逆流或并流）；气、液两相流向的选择（逆流或并流）；(2)液相（吸收剂）进塔浓度的选择及最高允许浓度；液相（吸收剂）进塔浓度的选择及最高允许浓度；(3)吸收剂用量的选择和最小液气比的确定。吸收剂用量的选择和最小液气比的确定。(4)解吸塔的最小液气

35、比解吸塔的最小液气比3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算50第一类命题第一类命题1.给定条件给定条件(1)吸收塔高度及其它有关尺寸；吸收塔高度及其它有关尺寸；(2)气、液两相流量及进塔浓度；气、液两相流量及进塔浓度；(3)相平衡关系；相平衡关系；(4)流动方式；流动方式；(5)气、液两相总传质系数。气、液两相总传质系数。2.计算目的计算目的气、液两相的出塔浓度。气、液两相的出塔浓度。3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算51第二类命题第二类命题:1.给定条件给定条件 （1）吸收塔高度及其它有关尺寸；）吸收塔高度及其它有关尺寸；（2）气相流量及进

36、、出塔浓度；）气相流量及进、出塔浓度；（3）液相进塔浓度；）液相进塔浓度；（4）相平衡关系；）相平衡关系；(5）流动方式；）流动方式；（6）气、液两相总传质系数。）气、液两相总传质系数。2计算目的计算目的 液相的用量及出塔浓度液相的用量及出塔浓度3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算52解决上述问题（解决上述问题（设计型和操作型计算设计型和操作型计算）的方法是应用如下方程：）的方法是应用如下方程：(1)物料衡算式；物料衡算式；(2)相平衡方程；相平衡方程；(3)吸收速率基本方程。吸收速率基本方程。工业上一般采用工业上一般采用逆流操作逆流操作，气相在输送设备的作用下由气相

37、在输送设备的作用下由下向上流动，液相由上向下流动，这种操作方式的平均推动下向上流动，液相由上向下流动，这种操作方式的平均推动力最大。力最大。塔中气液接触部件可以是塔中气液接触部件可以是塔板塔板，也可以是，也可以是填料。填料。板式塔是逐级接触式的分离设备；而填料塔是连续接触板式塔是逐级接触式的分离设备；而填料塔是连续接触式的接触设备。式的接触设备。本章结合填料塔讲解本章结合填料塔讲解 3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算53计算项目主要有：计算项目主要有：（1）吸收剂用量）吸收剂用量（2）塔的主要工艺尺寸：）塔的主要工艺尺寸：包括包括塔径、填料层高度塔径、填料层高度或或

38、塔板数塔板数3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算54 3.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程一、物料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程式中：式中：V单位时间内通过吸收塔的单位时间内通过吸收塔的惰性气体流量惰性气体流量Kmol(B)/sL单位时间内通过吸收塔的单位时间内通过吸收塔的溶剂流量溶剂流量，Kmol(S)/s分别为进塔及出塔气体中溶质的分别为进塔及出塔气体中溶质的摩尔比摩尔比，Kmol(A)/Kmol(B)分别为进塔及出塔液体中溶质的分别为进塔及出塔液体中溶质的摩尔比摩尔比，Kmol(A)/Kmol(S)3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料

39、塔中二元低浓气体吸收计算55 3.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程这里提出一个重要概念：这里提出一个重要概念：回收率（吸收率）：回收率（吸收率）：若已知：若已知：可由上式得到可由上式得到Y2，则，则3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算56 3.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程2.操作线方程操作线方程吸收塔内任一横截面上气液组成吸收塔内任一横截面上气液组成Y与与X之间的关系称为之间的关系称为操作线方程。操作线方程。在稳态操作的情况下，操作线方程可通过在在稳态操作的情况下，操作线方程可通过在任意任意m-n截面与塔底端面截面与塔底端面之之间对

40、组分间对组分A进行衡算。进行衡算。若取若取任意截面任意截面mn与塔顶间作与塔顶间作物料衡算物料衡算：由总物料衡算式：由总物料衡算式：以上两式是等价的，均称为逆流吸收塔的操作线方程，以上两式是等价的，均称为逆流吸收塔的操作线方程，它表明塔内任一截面上气液相组成之间的关系。它表明塔内任一截面上气液相组成之间的关系。3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算57 3.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程-操作线方程操作线方程当给定当给定 时时,操作线为一条直线，斜率为操作线为一条直线，斜率为3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算58 3.4.1

41、 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程（1）操作线两端点分别为）操作线两端点分别为A（）和）和B（）点）点A代表代表塔顶点塔顶点稀端稀端B代表代表塔底点塔底点浓端浓端（2）操作线上任一点）操作线上任一点P（）代表塔内任一截面上的气液相组成，由于是）代表塔内任一截面上的气液相组成，由于是填料塔是连续接触式，即说明在填料塔是连续接触式，即说明在A、B间有无数个点。间有无数个点。（3）操作线上的任一点）操作线上的任一点P代表塔内某一截面上相代表塔内某一截面上相遇接触的液、气两相组成，遇接触的液、气两相组成，该点到平衡线的垂直距离该点到平衡线的垂直距离 是以是以气相组气相组成表示的总推动力，成表示

42、的总推动力，该点到平衡线的水平距离该点到平衡线的水平距离 是以是以液相组液相组成表示的总推动力。成表示的总推动力。吸收过程吸收过程 操作线位于平衡线上方操作线位于平衡线上方 脱吸过程脱吸过程 操作线位于平衡线下方操作线位于平衡线下方 3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算59 3.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定v在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收在吸收塔的计算中，通常气体处理量是已知的，而吸收剂的用量需要通过工艺计算来确定。剂的用量需要通过工艺计算来确定。v在气量在气量V一定的情况下一定的情况下，确定吸收剂的用量确定吸收剂的用量L也即确定液也即确

43、定液气比气比L/V。仿照精馏中适宜（操作）回流比的确定方法，仿照精馏中适宜（操作）回流比的确定方法，可先求出吸收过程的可先求出吸收过程的最小液气比最小液气比，然后再根据工程经验，然后再根据工程经验，确确定适宜（操作）液气比。定适宜（操作）液气比。1.最小液气比的确定最小液气比的确定3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算60 3.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定方法：方法：先找出完成分离要求的先找出完成分离要求的最小吸收剂用量最小吸收剂用量L或最小液气比或最小液气比实际操作液气比实际操作液气比L/V塔顶塔顶T操作点不动，也是固定值，当操作点不动，也是固定值，当L减

44、小时，塔底操作点向平衡线水平移减小时，塔底操作点向平衡线水平移动，当其落在平衡线上时，动，当其落在平衡线上时，该点处操作该点处操作线与平衡线相交，传质推动力为线与平衡线相交，传质推动力为0，则，则所需的传质面积达到无穷大，塔底气液所需的传质面积达到无穷大，塔底气液两相处于平衡状态。两相处于平衡状态。此时，此时，达到分离要求的最小液气比，达到分离要求的最小液气比，所以这是理论上液气比的下限。所以这是理论上液气比的下限。当当 一定的条件下一定的条件下:3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算61 3.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定其中，其中，为相平衡关系。为相平衡关

45、系。*若若 时时表示纯溶剂吸收表示纯溶剂吸收且且 时（即相平衡关时（即相平衡关系符合亨利定律）系符合亨利定律）此式只适合于该特定情况此式只适合于该特定情况演示演示由图可知，最小液气比为：由图可知，最小液气比为：62说明说明：(1)当当X1=X1*时，时，即流入塔底的吸收剂浓度已达到饱和，传即流入塔底的吸收剂浓度已达到饱和，传质推动力为质推动力为0，为完成吸收任务，则必须有足够的接触时间和无限大的接触面为完成吸收任务，则必须有足够的接触时间和无限大的接触面积，这在实际生产中是不可能实现的。但在实际操作时可取积，这在实际生产中是不可能实现的。但在实际操作时可取下进行，但是无论如何操作。也达不到指定

46、的分离要求，这是技术上的问题。下进行，但是无论如何操作。也达不到指定的分离要求，这是技术上的问题。(2)大小并非总是由塔底相平衡决定大小并非总是由塔底相平衡决定 如果平衡曲线呈现如图所示的形状，则应过如果平衡曲线呈现如图所示的形状，则应过点点T作平衡曲线的切线，找到水平线作平衡曲线的切线，找到水平线YY1与此与此切线的交点切线的交点B，从而读出点，从而读出点B的横坐标的横坐标X1 的数值，然后按下式计算最小液气比，即的数值，然后按下式计算最小液气比，即3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算63(3）若）若，即平衡线为直线关系，即肯定可找到，即平衡线为直线关系，即肯定可找

47、到B*点，点，2.适宜的液气比适宜的液气比 在吸收任务一定的情况下，吸收剂用量越小，溶剂的消耗、在吸收任务一定的情况下，吸收剂用量越小，溶剂的消耗、输送及回收等操作费用减少，但吸收过程的推动力减小，所输送及回收等操作费用减少，但吸收过程的推动力减小，所需的填料层高度及塔高增大，设备费用增加。反之亦然。需的填料层高度及塔高增大，设备费用增加。反之亦然。即吸收剂用量的大小，应从设备费用与操作费用两方面综即吸收剂用量的大小，应从设备费用与操作费用两方面综合考虑合考虑，选择适宜的液气比，使两种费用之和最小。选择适宜的液气比，使两种费用之和最小。根据生根据生产实践经验，一般情况下取吸收剂用量为最小用量的

48、产实践经验，一般情况下取吸收剂用量为最小用量的1.12.0倍是比较适宜的，即倍是比较适宜的，即 3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算64吸收剂用量改变对吸收过程的影响吸收剂用量改变对吸收过程的影响：3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算65 3.4.3 塔径的计算塔径的计算u空塔气速，空塔气速，m/s，Vs为混合气体的体积流量为混合气体的体积流量，m3/s。3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算663.4.4 低浓气体吸收时填料层高度计算低浓气体吸收时填料层高度计算 计算项目主要有：计算项目主要有：计算项目主要有：计算项

49、目主要有：（1 1）吸收剂用量）吸收剂用量）吸收剂用量）吸收剂用量（2 2）塔的主要工艺尺寸：包括）塔的主要工艺尺寸：包括）塔的主要工艺尺寸：包括）塔的主要工艺尺寸：包括塔径、填料层高度塔径、填料层高度塔径、填料层高度塔径、填料层高度或塔板数或塔板数或塔板数或塔板数吸收塔的有效高度是指塔内进行气液传质吸收塔的有效高度是指塔内进行气液传质部分的高度，也即填料层的高度。填料层高度的部分的高度，也即填料层的高度。填料层高度的计算可分为计算可分为传质单元数法传质单元数法传质单元数法传质单元数法和和等板高度法等板高度法等板高度法等板高度法.3.4填料塔中二元低浓气体吸收计算填料塔中二元低浓气体吸收计算6

50、73.4.4 低浓气体吸收时填料层高度计算低浓气体吸收时填料层高度计算（一）传质单元数法（一）传质单元数法传质单元数法是依据传质速率方程来计算填料层高度，故传质单元数法是依据传质速率方程来计算填料层高度，故又称为传质速率模型法。又称为传质速率模型法。1.基本计算式基本计算式采用传质单元数法计算填料层高度，将涉及到物料衡算、采用传质单元数法计算填料层高度，将涉及到物料衡算、传质速率与相平衡这三种关系式的应用。现以连续逆流操作的传质速率与相平衡这三种关系式的应用。现以连续逆流操作的填料吸收塔为例，推导填料层高度的基本计算公式。填料吸收塔为例，推导填料层高度的基本计算公式。3.4填料塔中二元低浓气体