化工原理-PPT-氣體吸收ppt課件

1、第五章 氣體吸收Gas Absorption,化工生產(chǎn)中所處理的原料、中間產(chǎn)品、粗產(chǎn)品等幾乎都是混合物，而大部分是均勻物系。 為進(jìn)一步加工和使用，常需要將這些混合物分離為純凈或幾乎純態(tài)的物質(zhì)。 對(duì)于均相物系必須要造成一個(gè)兩相物系，利用原物系中各組分間某種物性的差異，而使其中某個(gè)組分（或某些組分）從一相轉(zhuǎn)移到另一相，以達(dá)到分離的目的。 物質(zhì)在相間轉(zhuǎn)移的過程稱為物質(zhì)傳遞過程（簡(jiǎn)稱為傳質(zhì)過程）。 化學(xué)工業(yè)中常見的傳質(zhì)過程有蒸餾、吸收、干燥、萃取和吸附等單元操作,5.1 概述（Introduction,利用混合氣體中各組分(component)在某液體溶劑中的溶解度(solubility)的差異而分離

2、氣體混合物的單元操作稱為吸收。吸收操作時(shí)某些易溶組分進(jìn)入液相形成溶液(solution)，不溶或難溶組分仍留在氣相(gas phase)，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離,氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內(nèi)由濃度差推動(dòng)的傳質(zhì)過程,吸收劑,氣體,y,x,界面,氣相主體,液相主體,相界面,氣相擴(kuò)散,液相擴(kuò)散,yi,xi,概述（Introduction,吸收質(zhì)或溶質(zhì)(solute)：混合氣體中的溶解組分，以A表示。 惰性氣體(inert gas)或載體：不溶或難溶組分，以B表示。 吸收劑(absorbent)：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。 吸收液(strong liquor)：

3、吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質(zhì)A。 吸收尾氣(dilute gas)：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質(zhì)A。 吸收過程在吸收塔中進(jìn)行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示,一、吸收操作的用途： (1) 制取產(chǎn)品 用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林溶液，用水吸收氯化氫制鹽酸等 。 (2) 分離混合氣體 吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達(dá)到分離目的。例如石油餾分裂解生產(chǎn)出來的乙烯、丙烯還與氫、甲烷等混在一起，可用分子量較大的液態(tài)烴把乙烯、丙烯吸收，使與甲烷、氫分離開來 。 (3) 氣體凈化 一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體

4、中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護(hù)環(huán)境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2，硝酸尾氣脫除NO2等,1. 根據(jù)溶質(zhì)與溶劑是否反應(yīng)：物理吸收和化學(xué)吸收 2. 根據(jù)熱效應(yīng)：非等溫吸收和等溫吸收 3. 根據(jù)被吸收溶質(zhì)的數(shù)目：?jiǎn)谓M分吸收和多組分吸收 4. 根據(jù)操作壓力：常壓吸收和加壓吸收 5. 根據(jù)溶質(zhì)的濃度不同：低濃度吸收和高濃度吸收,二、吸收操作分類,物理吸收(physical absorption)：吸收過程溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可視為單純的氣體溶解于液相的過程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等。 化學(xué)吸收(che

5、mical absorption)：溶質(zhì)與溶劑有顯著的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等過程?；瘜W(xué)反應(yīng)能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但溶液解吸再生較難。 單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計(jì)。 多組分吸收：有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分被吸收。 非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過程。 等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過程。 低濃度吸收：溶質(zhì)在氣液兩相中的摩爾分?jǐn)?shù)不超過0.1,本章主要研究：常壓、等溫、單組分、低濃度物理吸收,三、吸收的流程,從合成氨原料氣中回收CO2的流程,必須解決問題： 1

6、、選擇合適的吸收劑（溶劑）； 2、提供合適的氣液傳質(zhì)設(shè)備； 3、吸收劑的再生循環(huán)使用,工業(yè)吸收過程,吸收劑應(yīng)具有的特點(diǎn)： 溶解度：大 敏感性：好 選擇性：高 蒸汽壓：低（不易揮發(fā)，減少溶劑損失，避免在氣體中引入新的雜質(zhì)） 粘 度：低（利于傳質(zhì)及輸送） 比 熱：小（再生時(shí)耗熱量?。?發(fā)泡性：低（以免過分限制氣速而增大塔的體積） 腐蝕性：低（減少設(shè)備費(fèi)和維修費(fèi)） 安全性：好（避免易燃易爆） 經(jīng)濟(jì)性：易得到、易再生,T 、p， 有利于吸收； T 、 p ，有利于解吸,四、溶劑選擇,5.2 吸收過程的相平衡關(guān)系,氣體吸收是一種典型的相際間的傳質(zhì)過程，氣液相平衡關(guān)系是研究氣體吸收過程的基礎(chǔ)，該關(guān)系通常用

7、氣體在液體中的溶解度及亨利定律表示,5.2.1 氣體在液體中的溶解度,氣體溶解示意圖,如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓力和溫度維持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越兩相界面進(jìn)入水中，但進(jìn)到水中的氨分子也會(huì)有一部分返回氣相，只不過剛開始的時(shí)候進(jìn)多出少。水中溶解的氨量越多，濃度越大，氨分子從溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子從氣相進(jìn)入液相的速率便等于它從液相返回氣相的速率，氨實(shí)際上便不再溶解進(jìn)水里，溶液的濃度也就不再變化，這種狀態(tài)稱為相際動(dòng)平衡，簡(jiǎn)稱相平衡或平衡,氣體的溶解度,在溫度和壓力一定的條件下，平衡時(shí)的氣、液相組成具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。 平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡分壓

8、或飽和分壓，與之對(duì)應(yīng)的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解度。這時(shí)溶液已經(jīng)飽和，即達(dá)到了它在一定條件下的溶解度，也就是指氣體在液相中的飽和濃度，習(xí)慣上以單位質(zhì)量（或體積）的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量來表示，也表明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度。 在一定溫度下達(dá)到平衡時(shí)，溶液的濃度隨氣體壓力的增加而增加。如果要使一種氣體在溶液中里達(dá)到某一特定的濃度，必須在溶液上方維持較高的平衡壓力。 氣體的溶解度與溫度有關(guān)，一般來說，溫度下降則氣體的溶解度增高,氣體的溶解度,1. 對(duì)同一溶質(zhì)，在相同的氣相分壓下，溶解度隨溫度升高而減小； 2.對(duì)同一溶質(zhì)，在相同的溫度下，溶解度隨氣相分壓的升高而增大。 加壓和

9、降溫有利于吸收操作，反之，減壓和升溫有利于解吸操作,溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相和液相中的濃度的關(guān)系曲線,溶解度/g(NH3)/1000g(H2O,1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,在相同條件下，NH3 在水中的溶解度較 SO2 大得多。 用水作吸收劑時(shí)，稱 NH3 為易溶氣體，SO2為中等溶解氣體，溶解度更小的氣體則為難溶氣體(如O2 在 30 和溶質(zhì)的分壓為 40kPa 的條件下，1kg

10、 水中溶解的質(zhì)量僅為 0.014g,5.2.2 亨利定律（Henrys law,當(dāng)總壓不太高時(shí)，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即溶質(zhì)在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比,式中： p* 溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa； x 溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)； E 亨利系數(shù)，kPa,亨利定律,亨利系數(shù)的值隨物系的特性及溫度而異； 物系一定，E 值一般隨溫度的上升而增大； E 值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度； 在同一溶劑中，難溶氣體 E 值很大，易溶氣體 E 值很??； E 的單位與氣相分壓的壓強(qiáng)單位一致,亨利定律其它表示方法,當(dāng)氣、液相溶質(zhì)濃度用其它組成表示法表示時(shí)，通過濃度換算可

11、得其它形式的亨利定律。常用的形式有,cA 溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，kmol/m3； H 溶解度系數(shù)；kmol/(m3kPa)，隨溫度升高而減小，易溶氣體的H 值很大，而難溶氣體的H值很小,1）氣相組成用溶質(zhì)A的分壓PA*,液相組成用物質(zhì)的濃度cA表示,溶解度系數(shù)可視為在一定溫度下溶質(zhì)氣體分壓為1kPa的平衡濃度,y* 與組成為 x 的液相呈平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)； m 相平衡常數(shù)，m值越大，表明該氣體的溶解度越小,2）氣、液相組成分別用溶質(zhì)A的摩爾分?jǐn)?shù)y、x表示,三個(gè)比例系數(shù)之間的關(guān)系,1）H與E的關(guān)系,溶液的總濃度 cm,kmol（溶質(zhì)）+kmol（溶劑,m3,溶質(zhì)的濃度 cA = cm

12、 x,溶液密度，kg/m3,溶液的平均分子量，kg/kmol,由于溶液很稀，即溶質(zhì)很少，故溶液的密度可近似用溶劑的密度代替，即,溶液的平均摩爾質(zhì)量可用溶劑的摩爾質(zhì)量代替，即,3）E與m的關(guān)系,由理想氣體的分壓定律,亨利定律,在低濃度氣體吸收計(jì)算中，通常采用基準(zhǔn)不變的摩爾比 Y（ 或 X ）表示組成,以摩爾比表示組成的相平衡關(guān)系,X 溶質(zhì)在液相中的摩爾比濃度； Y* 與X 呈平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾比濃度。 當(dāng)溶液的濃度很低時(shí)， m 趨近 1 或當(dāng) X 很小時(shí),5.2.3 吸收過程相平衡關(guān)系應(yīng)用 （1）判斷傳質(zhì)方向: y*=mx x*= y/m 若 y y*，吸收過程 若 x x*，解吸過程 y

13、= y*，平衡過程 x = x*，平衡過程 y y*，解吸過程 x x*，吸收過程,2）傳質(zhì)推動(dòng)力 吸收： y - y* 0 y x（不是傳質(zhì)推動(dòng)力，因?yàn)椴煌? x* - x 0 , pA- pA* 0， cA* - cA 0 解吸： y* - y 0 ， x - x* 0 ， pA* - pA 0， cA - cA* 0,3）確定傳質(zhì)過程極限 y - y* 0為吸收過程， x ，當(dāng)x x* 時(shí)，達(dá)到最大,例：在總壓101.3kPa、溫度303K下，含SO2為0.105（摩爾分?jǐn)?shù)）的氣體與含SO2為0.002的水溶液相遇，已知平衡關(guān)系為y*=46.5x。問：會(huì)發(fā)生吸收還是脫吸,解：從氣相分析

14、 y*=46.5x=46.50.002=0.093x=0.002 結(jié)論同上,5.3 吸收傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率,平衡關(guān)系只能回答混合氣體中溶質(zhì)氣體能否進(jìn)入液相這個(gè)問題，至于進(jìn)入液相速率大小，卻無法解決，后者屬于傳質(zhì)的機(jī)理問題。本節(jié)的內(nèi)容是結(jié)合吸收操作來說明傳質(zhì)的基本原理，并導(dǎo)出傳質(zhì)的速率關(guān)系，作為分析吸收操作與計(jì)算吸收設(shè)備的依據(jù)。 氣體吸收是溶質(zhì)先從氣相主體擴(kuò)散到氣液界面，再從氣液界面擴(kuò)散到液相主體的傳質(zhì)過程,5.3.1 氣液相際傳質(zhì)理論,相對(duì)于氣相濃度 y 而言，液相濃度欠飽和(xx*)，故液相有吸收溶質(zhì) A 的能力,相對(duì)于液相濃度 x 而言，氣相濃度為過飽和(yy*)，溶質(zhì) A 由氣相向液相轉(zhuǎn)

15、移,一、傳質(zhì)過程的方向,氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方(P點(diǎn),y,x,o,y*=f(x,P,y,x,y,結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將發(fā)生從氣相到液相的傳質(zhì)，即吸收過程,x,釋放溶質(zhì),吸收溶質(zhì),相對(duì)于氣相濃度而言實(shí)際液相濃度過飽和(xx*)，故液相有釋放溶質(zhì) A 的能力,相對(duì)于液相濃度 x 而言氣相濃度為欠飽和(yy*)，溶質(zhì) A 由液相向氣相轉(zhuǎn)移,傳質(zhì)過程的方向,氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方(Q點(diǎn),y,x,o,y*=f(x,Q,y,x,y,結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方，則體系將發(fā)生從液相到氣相的傳質(zhì)，即解吸過程,x,釋放溶質(zhì),吸收溶質(zhì),相

16、對(duì)于氣相濃度而言液相濃度為平衡濃度(x=x*)，故液相不釋放或吸收溶質(zhì) A,相對(duì)于液相濃度 x 而言氣相濃度為平衡濃度(y=y*)，溶質(zhì) A 不發(fā)生轉(zhuǎn)移,傳質(zhì)過程的方向,氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上(R點(diǎn),y,x,o,y*=f(x,R,y,x,y,結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上，則體系從宏觀上講將不會(huì)發(fā)生相際間的傳質(zhì)，即系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),x,二、傳質(zhì)過程的限度,對(duì)吸收而言： 若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度 y 最低只能降到與之相平衡的濃度 y*，即 ymin=y*； 若保持氣相濃度 y 不變，則液相濃度 x 最高也只能升高到與氣相濃度 y 相平衡的濃度 x*，即 xm

17、ax=x,傳質(zhì)過程的限度,對(duì)解吸而言： 若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度 y 最高只能升到與之相平衡的濃度 y*，即 ymax=y*； 若保持氣相濃度 y 不變，則液相濃度 x 最低也只能降到與氣相濃度 y 相平衡的濃度 x*，即 xmin=x,傳質(zhì)推動(dòng)力的表示方法可以不同，但效果一樣,x*-x)：以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力,對(duì)吸收過程： (y-y*)：以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力,三、傳質(zhì)過程的推動(dòng)力,未達(dá)平衡的兩相接觸會(huì)發(fā)生相際間傳質(zhì)(吸收或解吸)，離平衡濃度越遠(yuǎn)，過程傳質(zhì)推動(dòng)力越大，傳質(zhì)過程進(jìn)行越快。 方法：用氣相或液相濃度遠(yuǎn)離平衡的程度來表征氣液相際傳質(zhì)過程的推動(dòng)力,y-y

18、*,x*-x,四、吸收傳質(zhì)理論,吸收過程是溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移的相際傳質(zhì)過程，可分為三個(gè)步驟,氣相主體,液相主體,相界面,溶解,氣相擴(kuò)散,液相擴(kuò)散,1) 溶質(zhì)由氣相主體擴(kuò)散至兩相界面氣相側(cè)(氣相內(nèi)傳質(zhì))； (2) 溶質(zhì)在界面上溶解(通過界面的傳質(zhì))； (3) 溶質(zhì)由相界面液相側(cè)擴(kuò)散至液相主體(液相內(nèi)傳質(zhì),雙膜理論,由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世紀(jì)二十年代提出，是最早出現(xiàn)的傳質(zhì)理論。雙膜理論的基本論點(diǎn)是,1) 相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各存在著一個(gè)很?。ǖ刃Ш穸确謩e為 1 和 2 ）的流體膜層。溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過此兩膜層,2) 相界面沒有傳質(zhì)阻力

19、，即溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài),3) 在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動(dòng)劇烈，傳質(zhì)速率高，傳質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個(gè)膜層內(nèi),氣相主體,液相主體,相界面,pi = ci / H,p,1,2,pi,ci,c,氣 膜,液 膜,無論是氣相還是液相，物質(zhì)傳遞的機(jī)理包括以下兩種 分子擴(kuò)散。類似于傳熱中的熱傳導(dǎo)，是分子微觀運(yùn)動(dòng)的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果?；旌衔镏写嬖跍囟忍荻?、壓強(qiáng)梯度及濃度梯度都會(huì)產(chǎn)生分子擴(kuò)散，本章僅討論因濃度梯度而造成的分子擴(kuò)散速率。發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w里的擴(kuò)散就是分子擴(kuò)散。 對(duì)流傳質(zhì)。是憑藉流體質(zhì)點(diǎn)的湍流和漩渦而引起的擴(kuò)散稱為對(duì)流傳質(zhì)。發(fā)生在湍流流體里的傳質(zhì)除分子擴(kuò)散外更

20、主要的是對(duì)流傳質(zhì)。 將一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都會(huì)變甜，這就是分子擴(kuò)散的結(jié)果。若用勺攪動(dòng)杯中水，則將甜得更快更均勻，那便是對(duì)流傳質(zhì)的結(jié)果。 以下僅討論定態(tài)條件下雙組分物系的分子擴(kuò)散和對(duì)流傳質(zhì),費(fèi)克定律 只要流體內(nèi)部有濃度梯度，就會(huì)產(chǎn)生分子擴(kuò)散。在恒溫恒壓下，一維分子擴(kuò)散速率可用費(fèi)克定律表達(dá)如下 ： 濃度梯度 指向濃度增加的方向，而擴(kuò)散向濃度 降低的方向進(jìn)行，故式中加負(fù)號(hào)。DAB為組分A在雙組分混合物A、B中的擴(kuò)散系數(shù),對(duì)雙組分混合物，在總濃度（對(duì)氣相也可說總壓）各處相等及 常數(shù)的前提下，也有,前提為CM常數(shù)，對(duì)氣壓為總壓P 不變,上式表明： A、B兩組分的分子擴(kuò)散速率大小相等，方向相

21、反，否則就不能保證總濃度CM（或總壓P ）不變,兩相相內(nèi)傳質(zhì)速率可用下面的形式表達(dá)為,DG、DL 溶質(zhì)組分在氣膜與液膜中的分子擴(kuò)散系數(shù)； P/pBm 氣相擴(kuò)散漂流因子； cm/cBm 液相擴(kuò)散漂流因子； 1、2 界面兩側(cè)氣液相等效膜層厚度，待定參數(shù),雙膜理論將兩流體相際傳質(zhì)過程簡(jiǎn)化為經(jīng)兩膜層的穩(wěn)定分子擴(kuò)散的串聯(lián)過程。對(duì)吸收過程則為溶質(zhì)通過氣膜和液膜的分子擴(kuò)散過程,氣膜傳質(zhì)系數(shù),氣膜傳質(zhì)系數(shù),液膜傳質(zhì)系數(shù),溶質(zhì)滲透理論,研究者：Higbie 液體在向下流動(dòng)過程中每隔一定時(shí)間發(fā)生一次混合，使液體的濃度均勻化。 主要貢獻(xiàn)：放棄了定態(tài)擴(kuò)散的觀點(diǎn)，采用非定態(tài)的解析方法，并指出流體定期混合對(duì)傳質(zhì)的作用,表

22、面更新理論,研究者：Danckwerts 流體在流動(dòng)過程中表面不斷更新，即不斷地有流體從主體轉(zhuǎn)為界面而暴露于氣相中，這種界面的不斷更新使傳質(zhì)過程大大強(qiáng)化,二者區(qū)別：前者假定表面更新是每隔一定時(shí)間周期性發(fā)生一次，而后者認(rèn)為更新是隨機(jī)進(jìn)行的過程,穩(wěn)態(tài)下,5.3.2 氣體吸收傳質(zhì)速率方程,5.3.2 氣體吸收傳質(zhì)速率方程,1、以pG- pL* 為推動(dòng)力表示的總傳質(zhì)速率方程,2、以cG* - cL 為推動(dòng)力表示的總傳質(zhì)速率方程,掌握：上式適用條件（稀溶液、雙膜理論的3個(gè)要點(diǎn),3、以摩爾分率表示氣、液組成的傳質(zhì)速率方程,y、yi 氣相主體中及相界面上的溶質(zhì)摩爾分率； ky 以摩爾分率差為推動(dòng)力的氣相分傳

23、質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s,x、xi液相主體及相界面上的溶質(zhì)摩爾分率； kx 以摩爾分率差為推動(dòng)力的液相分傳質(zhì)系數(shù)，kmol /(m2.s,y* 與液相組成x呈平衡的氣相組成，摩爾分率； x* 與氣相組成y呈平衡的液相組成，摩爾分率； Ky、Kx以氣相、液相摩爾分率差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)， kmol/(m2.s,總傳質(zhì)阻力為氣膜傳質(zhì)阻力與液膜傳質(zhì)阻力之和,4、以摩爾比表示氣、液組成的傳質(zhì)速率方程,在吸收計(jì)算中，當(dāng)溶質(zhì)含量較低時(shí)，通常采用摩爾比表示組成較為方便,5、總傳質(zhì)速率方程的分析,掌握：1.線段PL、PG意義 2. P、P點(diǎn)位置意義,吸收,解吸,1）易溶氣體（氣膜控制,H ，1/（ H

24、kL）， 1/kG 1/（ H kL）， KGkG,溶解度H很大，m很小,1/kym/kx,舉例：氯化氫溶于水或稀鹽酸中；氨溶解于水或稀氨水中；濃硫酸吸收水蒸汽,傳質(zhì)阻力集中于氣膜中，稱為氣膜阻力控制或氣膜控制,傳質(zhì)速率方程,三點(diǎn)說明： 氣膜控制時(shí)，液相界面濃度cicAL（液相主體溶質(zhì)A的濃度），氣膜推動(dòng)力（PAG-Pi）（PAG-P*）(氣相總推動(dòng)力)； 溶解度系數(shù)H很大時(shí)，平衡線斜率很小。此時(shí)，較小的氣相分壓（或濃度）能與較大的液相濃度cA*相平衡； 氣膜控制時(shí)，要提高總傳質(zhì)系數(shù)，應(yīng)加大氣相湍流程度,2）難溶氣體（液膜控制,H ， H /kG ， H /kG 1/kL， KLkL,溶解度H

25、很小，m很大,舉例：水吸收CO2，O2，H2，Cl2,傳質(zhì)阻力集中于液膜中，稱為液膜阻力控制或液膜控制,三點(diǎn)說明： 液膜控制時(shí)，氣相界面分壓PiPAG（氣相主體溶質(zhì)A的分壓），液膜推動(dòng)力（ci-cAL）（c*-cAL）(液相總推動(dòng)力)； 溶解度系數(shù)H很小時(shí)，平衡線斜率很大。此時(shí)，較小的液相濃度能與較大的氣相分壓（或濃度） PAG*相平衡； 液膜控制時(shí)，如果要提高總傳質(zhì)系數(shù)，應(yīng)加大液相湍流程度,3）中等溶解度氣體（雙膜控制,4）解吸的傳質(zhì)速率方程,舉例：SO2吸收丙酮蒸汽,傳質(zhì)總阻力中氣膜阻力與液膜阻力均不可忽視，要提高總傳質(zhì)系數(shù)，必須同時(shí)增大氣相與液相的湍流程度,傳質(zhì)速率方程的表達(dá)形式很多，要

26、注意傳質(zhì)阻力與傳質(zhì)推動(dòng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系： （1）傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)推動(dòng)力表示方式之間必須對(duì)應(yīng)； （2）各傳質(zhì)系數(shù)的單位和對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)； （3）傳質(zhì)阻力的表達(dá)形式必須與傳質(zhì)推動(dòng)力的對(duì)應(yīng),6 傳質(zhì)速率方程小結(jié),傳質(zhì)速率方程及其相互關(guān)系,傳質(zhì)速率方程,氣膜,液膜,總,總傳質(zhì)系數(shù),特殊情況,對(duì)易溶氣體,對(duì)難溶氣體,氣膜控制,液膜控制,分壓形式,摩爾分?jǐn)?shù)形式,摩爾比形式,傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系,低濃度時(shí),傳質(zhì)速率與傳質(zhì)系數(shù)單位一覽表,氣膜傳質(zhì)系數(shù) kG kmol/(m2skPa) ky kmol/(m2s) kY kmol/(m2s,液膜傳質(zhì)系數(shù) kL kmol/(m2skmol/m3) ky kmol/(m2s) kY

27、kmol/(m2s,氣相傳質(zhì)系數(shù) KL kmol/(m2skPa) Ky kmol/(m2s) KY kmol/(m2s,液相傳質(zhì)系數(shù) kL kmol/(m2skmol/m3) ky kmol/(m2s) kY kmol/(m2s,溶解度系數(shù) H kmol/(m3kPa) 氣相平衡常數(shù) m 1 氣相總壓力 p kPa 液相總濃度 c kmol（溶質(zhì)+溶劑）/m3,項(xiàng)目 符號(hào) 單位,1 在傳質(zhì)理論中有代表性的三個(gè)模型分別為 雙膜理論 、 溶質(zhì)滲透理論 、表面更新理論。 2在吸收塔某處，氣相主體濃度y=0.025，液相主體濃度x=0.01，氣相傳質(zhì)分系數(shù)ky=2kmol/m2h，氣相傳質(zhì)總Ky=1

28、.5kmol/m2h，則該處氣液界面上氣相濃度yi應(yīng)為0.01。平衡關(guān)系y=0.5x 3單向擴(kuò)散中飄流因子 A1 。漂流因數(shù)可表示為,P/PBm ，它反映 由于總體流動(dòng)使傳質(zhì)速率比單純分子擴(kuò)散增加的比率。 4一般來說，兩組份的等分子反相擴(kuò)散體現(xiàn)在 精流 單元操作中，而A組份通過B組份的單相擴(kuò)散體現(xiàn)在 吸收 操作中。 10分子擴(kuò)散中菲克定律的表達(dá)式為,氣相中的分子擴(kuò)散系數(shù)D隨溫度升高而增大（增大、減小），隨壓力增加而減小（增大、減小,5.易溶氣體溶液上方的分壓 小 ，難溶氣體溶液上方的分壓 大 ，只要組份在氣相中的分壓 大于 液相中該組分的平衡分壓，吸收就會(huì)繼續(xù)進(jìn)行。 6.某低濃度氣體吸收過程，

29、 已知相平衡常數(shù)m=1 ，氣膜和液膜體積吸收系數(shù)分別為kya=210-4kmol/m3.s, kxa =0.4 kmol/m3.s, 則該吸收過程及氣膜阻力占總阻力的百分?jǐn)?shù)分別為 氣膜控制，約100% ；該氣體為 易 溶氣體。 二、選擇 1 根據(jù)雙膜理論，當(dāng)被吸收組分在液相中溶解度很小時(shí)，以液相濃度表示的總傳質(zhì)系數(shù) B 。 A大于液相傳質(zhì)分系數(shù) B 近似等于液相傳質(zhì)分系數(shù) C小于氣相傳質(zhì)分系數(shù) D 近似等于氣相傳質(zhì)分系數(shù) 2 單向擴(kuò)散中飄流因子 A 。 A 1 B t2 C t1t2 D t3t1 A 增大 B 減小 C 不變 D 不能判斷,計(jì)算題：含氨極少的空氣于101.33kPa，20被水

30、吸收。 已知：氣膜傳質(zhì)系數(shù) kG=3.1510-6kmol（m2skPa）； 液膜傳質(zhì)系數(shù) kL=1.8110-4 kmol（m2skmol/m3）； 溶解度系數(shù) H=1.5kmol（m3kPa）。 氣液平衡關(guān)系服從亨利定律。 求：氣液相總傳質(zhì)系數(shù)KG、KY；液相總傳質(zhì)系數(shù)KL、KX,解：物系的氣液相平衡關(guān)系服從亨利定律,此物系中氨極易溶于水，溶解度非常大，屬氣膜控制,此系統(tǒng)屬低濃度氣體吸收,5.4 低濃度氣體吸收塔的計(jì)算,化工單元設(shè)備的計(jì)算，按給定條件、任務(wù)和要求的不同，一般可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型（校核型）計(jì)算兩大類,設(shè)計(jì)型計(jì)算：按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件來設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求的單元設(shè)備。 操

31、作型計(jì)算：根據(jù)已知的設(shè)備參數(shù)和工藝條件來求算所能完成的任務(wù),兩種計(jì)算所遵循的基本原理及所用關(guān)系式都相同，只是具體的計(jì)算方法和步驟有些不同而已。本章著重討論吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算，而操作型計(jì)算則通過習(xí)題加以訓(xùn)練。 吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算是按給定的生產(chǎn)任務(wù)及條件（已知待分離氣體的處理量與組成，以及要達(dá)到的分離要求），設(shè)計(jì)出能完成此分離任務(wù)所需的吸收塔,已知：處理氣量及初、終濃度、相平衡 關(guān)系 求：（1）溶劑的用量及吸收液濃度 （2）填料塔的填料層高度 （3）吸收塔塔徑,吸收（或解吸）塔的計(jì)算,吸收過程既可采用板式塔又可采用填料塔。本章重點(diǎn)討論連續(xù)接觸的填料吸收塔。 填料塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)：逆流和并流。 逆流

32、的優(yōu)點(diǎn)： （1）在兩相進(jìn)出口濃度相同的條件下，逆流的平均推動(dòng)力大于并流。 （2）逆流時(shí)，下降至塔底的液體剛好與進(jìn)入塔內(nèi)的混合氣接觸，有利于提高液體濃度，可減少吸收劑用量。 （3）上升至塔頂?shù)臍怏w與剛剛進(jìn)塔的新鮮吸收劑接觸，有利于降低出塔氣體的濃度，可提高溶質(zhì)的吸收率。 逆流的缺點(diǎn)： 向下流的液體受到上升氣體的作用力（曳力），會(huì)阻礙液體下流，因而限制了允許的液體和氣體的流量。 設(shè)計(jì)恰當(dāng)，可以克服這一缺陷，一般吸收操作多采用逆流,在許多工業(yè)生產(chǎn)過程中，當(dāng)進(jìn)塔的混合氣體中的溶質(zhì)濃度不高（510%），通常稱為低濃度氣體吸收。 低濃度氣體吸收的特點(diǎn)： （1）G、L可視為常量； （2）吸收過程是在等溫下進(jìn)

33、行； （3）傳質(zhì)系數(shù)為常數(shù)。 使計(jì)算過程簡(jiǎn)化,G2、G1組分(A+B)出塔、入塔氣體流率， kmol (A+B) /(m2.s,L2 、L1組分(A+S)入塔、出塔液體流率， kmol (A+S) /(m2.s,G、L通過塔任一截面的氣、液流率， kmol/(m2.s,y2、y1出塔、入塔氣體組成的摩爾分率, kmol A/ kmol (A+B),x2、x1入塔、出塔液體組成的摩爾分率, kmol A/ kmol (A+S),x、y通過塔任一截面的氣、液組成,5.4.1 吸收塔的物料衡算與操作線方程,以逆流操作為例,或用字母表示塔頂和塔底：a=2 ; b=1,全塔物料衡算式,一、吸收塔的物料衡

34、算與操作線方程,惰性氣體GB和溶劑LS量不變化,塔頂與任一截面間的物料衡算,塔底與任一截面間的物料衡算,實(shí)際上是等效的，逆流吸收塔操作線只有一條，在圖中為一條直線，如圖中AB線所示,由全塔物料衡算可得,故以上兩式,吸收塔的物料衡算與操作線方程,穩(wěn)定吸收條件下，Ls、GB、X1、Y2均為定值,吸收操作線為一條直線，斜率為LS/GB， 截距為,吸收操作線方程描述了塔任意截面上氣液兩相濃度之間的關(guān)系,操作線通過A（X2，Y2）和點(diǎn)(X1,Y1); 點(diǎn)A代表塔頂?shù)臓顟B(tài)； 點(diǎn)B代表塔底的狀態(tài)； AB為操作線,由于吸收過程氣相中的溶質(zhì)分壓總大于液相溶質(zhì)的平衡分壓,吸收操作線AB總在平衡線的上方,用摩爾比表

35、示的傳質(zhì)速率方程,當(dāng)為低濃度吸收時(shí)，GBG，LSL，Yy，Xx,吸收塔的物料衡算與操作線方程,取決于氣液兩相的流量L、G、吸收塔內(nèi)某截面上的氣、液組成，與相平衡關(guān)系、塔型（板式或填料）、相際接觸情況以及操作條件無關(guān),上式的應(yīng)用的唯一條件：穩(wěn)定連續(xù)逆流操作,溶質(zhì)的物料平衡關(guān)系,注意,回收率（吸收率,吸收塔設(shè)計(jì)計(jì)算中,氣體的處理量 進(jìn)塔氣體的組成Y1 吸收劑的入塔組成X2 分離要求,一定,確定吸收劑用量,分離要求： （1）回收有用物質(zhì)時(shí)，通常規(guī)定回收率（吸收率,2）除去氣體中的有害物質(zhì)，一般直接規(guī)定氣體中殘余有害溶質(zhì)的組成Y1,并流操作的吸收塔,吸收塔的物料衡算與操作線方程,5.4.2 吸收劑用量

36、的確定,由全塔物料衡算式,G=G2=G1=GB L=L2=L1=LS,低濃度氣體吸收,吸收劑用量 Ls 或液氣比 Ls/GB 在吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算和塔的操作調(diào)節(jié)中是一個(gè)很重要的參數(shù)。 吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，氣體處理量G，以及進(jìn)、出塔組成 Y1、Y2 由設(shè)計(jì)任務(wù)給定，吸收劑入塔組成 X2 則是由工藝條件決定或設(shè)計(jì)人員選定,選取的 L/G ，操作線斜率 ，操作線與平衡線的距離 ，塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力 ，完成一定分離任務(wù)所需塔高 ； L/G ，吸收劑用量 ，吸收劑出塔濃度 X1 ，循環(huán)和再生費(fèi)用 ； 若L/G ，吸收劑出塔濃度 X1 ，塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力 ，完成相同任務(wù)所需塔高 ，設(shè)備費(fèi)用,分析,若減少吸收劑用量

37、，操作線斜率減小，向平衡線靠近（AB），溶液變濃，推動(dòng)力減小，吸收困難，氣液接觸面積必須增大，塔高增大。 若吸收劑用量減少到使操作線與平衡線相交（C點(diǎn)），此處氣液相濃度（Y、X*）相平衡。推動(dòng)力為零,所需相際面積為無限大,是一種達(dá)不到的極限,摩爾比坐標(biāo)系中的操作線和平衡線,此時(shí)所需的吸收劑用量稱為最小吸收劑用量，以Lmin表示,最小液氣比（Limiting gas-liquid ratio,摩爾比坐標(biāo)系中的操作線和平衡線,5.4.2 吸收劑用量的確定,塔底流出液組成與進(jìn)塔混合氣組成達(dá)到平衡，這是理論上吸收液所能達(dá)到的最高組成,適宜的液氣比,Y*=f(X,確定合適的吸收劑用量是吸收塔設(shè)計(jì)計(jì)算的首

38、要任務(wù),在氣量G一定的情況下，確定吸收劑用量也就是確定液氣比,具體步驟：（1）確定最小液氣比 （2）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，確定適宜的液氣比,總費(fèi)用=設(shè)備費(fèi)+操作費(fèi),L/ G），操作線斜率，傳質(zhì)推動(dòng)力 ，塔高（填料層高度），操作費(fèi)用，設(shè)備費(fèi)用,L/ G） ，操作線斜率，傳質(zhì)推動(dòng)力 ，塔高（填料層高度） ，操作費(fèi)用 ，設(shè)備費(fèi)用,吸收劑用量的確定,Y*=f(X,討論,1、相平衡關(guān)系符合亨利定律時(shí)，X1*= Y1/m,當(dāng)X2=0時(shí)， （清溶劑,2、若為低濃度氣體吸收（如無特別說明以后均為低濃度氣體吸收,吸收劑用量的確定,用摩爾分?jǐn)?shù)代替摩爾比，公式形式不變,塔徑的計(jì)算,D-吸收塔直徑；m； G-操作條件下混合氣

39、體的體積流量，m 3/s; u-空塔氣速（按空塔界面計(jì)算的混合氣體線速度，m/s,注意： （1）計(jì)算塔徑時(shí)，一般以塔底的氣量為依據(jù)； （2）計(jì)算出塔徑后，需要按塔徑的系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整,工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)塔徑： 400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、1000mm、1200mm、1600mm、2000mm,計(jì)算塔徑的關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速,塔高的計(jì)算,填料吸收塔的有效高度，指填料的高度。 填料高度的計(jì)算通常采用： （1）傳質(zhì)單元數(shù)法 （2）等板高度法,定義： 吸收因子（因數(shù)）：A=L/（mG）或 A=LS/（mGB） 幾何意義：操作線斜率與平衡線斜率之比 解吸因子（因數(shù)）：S=

40、mG / L 或 S= mGB/ LS,1）A1，則L/G m 若要求y2 ，則吸收率 =（y1- y2）/y1 ，在塔底達(dá)到平衡x1*， =max,若x2=0， x1*= y1/m，max=A,5.4.3 填料層無窮高的吸收塔,2）A1，則L/G m y2 ， 。在塔頂達(dá)到平衡x2*，若x2=0 , max =1,3）A=1，則L/G = m 塔高無窮大時(shí)，全塔處處平衡， max =1,填料層無窮高的吸收塔,a 單位體積填料的有效傳質(zhì)面積，m2/m3； h 填料層高度，m； 塔截面積（即填料層截面），m2； D 塔直徑，m,5.4.4 有限高吸收塔填料層高度計(jì)算,氣相總體積傳質(zhì)系數(shù),氣液兩相

41、的接觸面積,A的影響因素： （1）設(shè)備的大小 （2）填料的特性 （3）流體流動(dòng)狀況,微元體積,相界面面積,單位時(shí)間內(nèi)由氣相傳入液相A的物質(zhì)的量為,kmol(A)/s,氣相傳入液相的溶質(zhì)=氣相所失溶質(zhì)=液相所得溶質(zhì),對(duì)單位塔截面,有限高吸收塔填料層高度計(jì)算,H,1,2,填料層高度傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù),3,4,液相分體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m3s,液相分傳質(zhì)單元高度、分傳質(zhì)單元數(shù),3,4,2,1,有限高吸收塔填料層高度計(jì)算,1） 平均推動(dòng)力法,1、平衡線為直線,令 y = y - y,塔底氣相總推動(dòng)力,塔頂氣相總推動(dòng)力,傳質(zhì)單元數(shù)的確定,令,塔頂塔底推動(dòng)力的對(duì)數(shù)平均值,塔底氣相總推動(dòng)力,塔頂氣

42、相總推動(dòng)力,同理,塔底液相總推動(dòng)力,塔頂液相總推動(dòng)力,式中,2）吸收因數(shù)法,平衡線為通過原點(diǎn)的直線 ，服從亨利定律,傳質(zhì)單元數(shù)的確定,同理可得,S1,若平衡線為,討論： 相平衡關(guān)系不符合亨利定律,Ky,相平衡關(guān)系符合y*=mx，且為純?nèi)軇┪誼a=0,S1,又已知,當(dāng)S=1或A=1時(shí)，操作線與相平衡線平行，對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法和吸收因數(shù)法均不成立，此時(shí)NOG、NOL如何求,討論：A、S大小對(duì)吸收影響,3） NOG,的意義：反映了吸收率的高低,S 增大,2、平衡線為曲線 圖解積分法或數(shù)值積分法,1）氣膜控制時(shí)（易溶氣體,2）液膜控制時(shí)（難溶氣體,3）雙膜控制時(shí),4）圖解積分,傳質(zhì)單元數(shù)（NOG、NOL）的大小反映吸收過程進(jìn)行的難易程度，它