第二章+氣體吸收（章節(jié)課程）

1、第二章 氣體吸收1/105凌云書屋第二章 氣體吸收2.1 概述2.2 氣體吸收的平衡關(guān)系2.3 氣體吸收速率方程式2.4 低組成氣體吸收的計(jì)算2.5 吸收系數(shù)2.6 其它吸收與解吸本章總結(jié)聯(lián)系圖2/105凌云書屋2.1 概述2.1.1 氣體吸收過程吸收：利用混和氣體中各組分溶解度（或化學(xué)反應(yīng)活性）的差異而將其進(jìn)行分離的單元操作。（依據(jù)、目的、方法） 分離的依據(jù)：各組分溶解度的差異。 在吸收操作中，通常將混合氣體中能夠溶解于溶劑中的組分稱為溶質(zhì)，以A表示，而不溶或微溶的組分稱為載體或惰性組分，以B表示；吸收所用的溶劑稱為吸收劑，以S表示；經(jīng)吸收后得到的溶液稱為吸收液（富液）；被吸收后排出吸收塔的

2、氣體稱為吸收尾氣（貧氣）。吸收的逆操作稱為解吸，解吸后的液體成為貧液，氣體稱為再生氣。吸收塔吸收液A+少量S混和氣體A+B吸收劑S吸收尾氣B+少量A3/105凌云書屋2.1.2 氣體吸收的分類按溶質(zhì)與溶劑間是否發(fā)生顯著化學(xué)反應(yīng)分：物理吸收：如水吸收二氧化碳化學(xué)吸收：如硫酸吸收氨按被吸收組分?jǐn)?shù)目分：?jiǎn)谓M分吸收：如水吸收氯化氫氣體多組分吸收：如洗油處理焦?fàn)t氣，苯、甲苯、二甲苯等組分均溶解按吸收前后溫度是否發(fā)生變化分：等溫吸收：非等溫吸收按溶質(zhì)在氣液兩相中組成大小分：低組成吸收：摩爾分?jǐn)?shù)0.1高組成吸收：摩爾分?jǐn)?shù)0.1本章重點(diǎn)討論單組分低組成的等溫物理吸收4/105凌云書屋2.1.3 氣體吸收的工業(yè)

3、應(yīng)用凈化氣體或精制氣體。如用水脫除合成氨原料氣中的CO2，用丙酮脫除石油裂解氣中的乙炔等以除去氣體中的有害成分，便于下一步的反應(yīng)順利進(jìn)行。制備液體產(chǎn)品。如用水吸收HCl氣體制備鹽酸，用水吸收NO2氣體制硝酸，用水吸收NH3氣制氨水，用稀硫酸吸收SO3制濃硫酸等均屬于吸收操作?；厥沼杏梦镔|(zhì)。如用洗油從焦?fàn)t氣中回收粗苯(苯、甲苯、二甲苯)等。環(huán)境保護(hù)的需要。如用堿液吸收工業(yè)過程排放的廢氣中含有的一些有害物質(zhì)如SO2、H2S、NO、HF等。 5/105凌云書屋2.1.4 吸收劑的選擇完成一個(gè)吸收過程需選擇合適的溶劑，對(duì)吸收劑的要求是：溶解度大?？商岣呶账俾什p少吸收劑的耗用量。選擇性好。對(duì)溶質(zhì)有良

4、好的溶解能力，而對(duì)其它組分不溶或微溶，且便于再生，否則不能實(shí)現(xiàn)分離的目的。揮發(fā)度小，即在操作溫度下蒸汽壓小，基本不汽化。離開吸收設(shè)備的氣體被吸收劑所飽和，吸收劑揮發(fā)度愈大，損失量便愈大。粘度低?？筛纳莆赵O(shè)備內(nèi)的流動(dòng)狀況，從而提高傳質(zhì)速率和傳熱速率，有助于降低泵的功率，減小傳質(zhì)、傳熱阻力。其它。來源充分，價(jià)格低廉，無毒，無腐蝕性不易燃，不發(fā)泡，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等。2.1.5 吸收流程（略） 6/105凌云書屋2.2 氣體吸收的相平衡關(guān)系2.2.1 氣體在液體中的溶解度 在一定溫度和壓強(qiáng)下，當(dāng)氣體混合物與一定量的液體吸收劑接觸時(shí)，溶質(zhì)組分便不斷進(jìn)入液相中，這一過程稱為溶解即吸收。而同時(shí)已被溶解的溶質(zhì)

5、也將不斷擺脫液相的束縛重新回到氣相，該過程稱為解吸。這兩個(gè)過程互為逆過程并具有各自的速率，當(dāng)氣液兩相經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的接觸后，溶質(zhì)的溶解速率與解吸速率達(dá)到相等時(shí)，氣液兩相中溶質(zhì)的濃度就不再因兩相間的接觸而變化，這種狀態(tài)稱為相際動(dòng)平衡，簡(jiǎn)稱相平衡或平衡。 平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質(zhì)組成稱為平衡組成或飽和組成。 氣體在液體中的溶解度，是指氣體在液體中的飽和組成，常以單位質(zhì)量或體積的液體所含溶質(zhì)的質(zhì)量來表示。 氣體的溶解度標(biāo)明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度。7/105凌云書屋1.相律F=C-P+n獨(dú)立組分?jǐn)?shù)：C=3 (A、B、S)相數(shù)： P=2（氣、液相）影響因素

6、： n=2（溫度、壓強(qiáng)） 故：自由度F=3-2+2=3，即氣相組成、液相組成、溫度、壓力4個(gè)變量中，已知3個(gè)量，便可確定余下的1個(gè)量。溫度、壓力一定：溶解度（液相組成）=f(氣相組成)總壓5105Pa時(shí)：溶解度=f(氣相組成，溫度）8/105凌云書屋2.溶解度曲線橫標(biāo)：氣相分壓；縱標(biāo)：溶解度；參數(shù)：溫度（總壓不太高時(shí)）。同種溶質(zhì)：溫度一定：氣相分壓愈大，溶解度愈大氣相分壓一定：溫度愈低，溶解度愈大不同溶質(zhì)：溶解度一定時(shí)，易溶氣體溶液上方分壓小，難溶氣體上方分壓大說明加壓、降溫有利于吸收操作的進(jìn)行易溶氣體僅需較小的分壓就能達(dá)到一定溶解度 9/105凌云書屋2.2.2 亨利定律 隨著對(duì)相平衡關(guān)系的

7、研究，發(fā)現(xiàn)很多氣體在濃度較小時(shí)其溶解度曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，這一規(guī)律用亨利(Henry)定律進(jìn)行描述。 1. pe=Ex稱為吸收過程的相平衡方程 亨利定律。式中： pe 溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓，kPa；x 溶質(zhì)A在液相中的摩爾分率；E 亨利系數(shù)，kPa。 表明：當(dāng)總壓不高(0.5MPa)時(shí)，在一定溫度下氣液兩相達(dá)到平衡時(shí)，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與液相中溶質(zhì)的摩爾分率成正比。 10/105凌云書屋說明理想溶液：拉烏爾定律：非理想溶液：低濃度氣體吸收：E=常量難溶物系：E常量，但當(dāng)P0.1MPa時(shí)，E可視為常量P0.1MPa時(shí)，E=f(P,t)E由實(shí)驗(yàn)測(cè)定確定：以pe/x對(duì)x作圖，當(dāng)

8、x0， pe/x的值即為E。常見物系的E可查有關(guān)手冊(cè)。對(duì)于一定的氣體和一定的溶劑，E值隨溫度變化：t，E，x，體現(xiàn)氣體溶解度隨溫度升高而減小的變化趨勢(shì)。同一溶劑中：易溶氣體的E值很小難溶氣體的E值相對(duì)較大。11/105凌云書屋2. pe=c/H 表明：當(dāng)氣液兩相達(dá)到平衡時(shí)，稀溶液上方氣相中溶質(zhì)的平衡分壓與液相中溶質(zhì)的體積摩爾濃度成正比。 設(shè)溶液組成為ckmol(A)/m3，密度為kg/m3；溶質(zhì)和溶劑的分子量分別為MA kg/kmol 、MS kg/kmol ，則：12/105凌云書屋P對(duì)H影響小， H大，溶解度大，易溶氣體對(duì)于稀溶液，c值很小，c(MS-MA)說明13/105凌云書屋說明 溫

9、度、總壓的影響：m大，溶解度小，難溶氣體 3. ye=mxm與E的關(guān)系 ： m相平衡常數(shù)，無因次。14/105凌云書屋4. Ye=mX 以上亨利定律的各種表達(dá)式描述的都是互成平衡的氣液兩相組成間的關(guān)系，它們都是根據(jù)液相組成來計(jì)算與之平衡的氣相組成。同樣，也可根據(jù)氣相組成計(jì)算平衡的液相組成，此時(shí)，亨利定律可寫成：15/105凌云書屋【例】某系統(tǒng)溫度為10，總壓101.3kPa，試求此條件下在與空氣充分接觸后的水中，每立方米水溶解了多少克氧氣？=101.30.21=21.27kPa 【解】查得10時(shí)，氧氣在水中的亨利系數(shù)E為3.31106kPa。 W=3.5710-4321000=11.42g/m

10、316/105凌云書屋2.2.3. 相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用1判斷過程進(jìn)行的方向吸收平衡解吸氣相ppep=pepyey=yeyYeY=YeYYe液相ccexxeXXemyxABCyxyexey/yexe/xyxxeye結(jié)論組成點(diǎn)在平衡線上方，為吸收過程組成點(diǎn)在平衡線上，為平衡過程組成點(diǎn)在平衡線下方，為解吸過程17/105凌云書屋2.確定傳質(zhì)的推動(dòng)力 當(dāng)傳質(zhì)進(jìn)行時(shí)，其速率與傳質(zhì)的推動(dòng)力大小有關(guān)，傳質(zhì)過程是否容易進(jìn)行取決于實(shí)際組成偏離平衡組成的程度，因而推動(dòng)力可用一相的實(shí)際組成與其對(duì)應(yīng)的平衡組成之差來表示 。myxACyxyexeyxxeye吸收平衡解吸氣相p-pe0pe-py-ye0ye-y

11、Y-Ye0Ye-Y液相ce-c0c-cexe-x0 x-xeXe-X0X-Xe說明 實(shí)際組成偏離平衡組成的程度愈大，過程的推動(dòng)力愈大，其傳質(zhì)速率愈大，吸收/解吸過程愈容易進(jìn)行。18/105凌云書屋y2y1x2x13.指明傳質(zhì)過程進(jìn)行的極限因?yàn)槠胶馐沁^程進(jìn)行的極限，所以當(dāng)兩相進(jìn)行接觸，達(dá)到平衡時(shí)過程也就終止，即：y=ye或者x=xe時(shí)，吸收或者解吸過程將停止，不會(huì)無限進(jìn)行下去。若要使過程進(jìn)行，必須改變條件，使原來的平衡打破，在新的條件下重新建立平衡。對(duì)吸收而言，無論氣液相流量、塔高、塔徑如何，出塔尾氣的組成不會(huì)低于與該位置液相組成相平衡的氣相組成。如逆流：y2ye2=mx2 ；并流： y1ye1

12、=mx1 ；對(duì)吸收而言，無論氣液相流量、塔高、塔徑如何，吸收液的組成不會(huì)高于與該位置氣相組成相平衡的液相組成。如逆流&并流：x1xe1=y1/m。y2y1x2x1逆流并流19/105凌云書屋【例】在總壓101.3kPa，溫度30的條件下, SO2摩爾分率為0.3的混合氣體與SO2摩爾分率為0.01的水溶液相接觸，試問：(1)SO2的傳質(zhì)方向；(2)其它條件不變，溫度降到0時(shí)SO2的傳質(zhì)方向；(3)其它條件不變，總壓提高到202.6kPa時(shí)SO2的傳質(zhì)方向，并計(jì)算以液相摩爾分率差及氣相摩爾分率差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力?！窘狻?.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、30時(shí)亨利系數(shù)E=0.48

13、5104kPa，則：20/105凌云書屋2.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、0時(shí)亨利系數(shù)E=0.167104kPa，則：3.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、30時(shí)亨利系數(shù)E=0.485104kPa，則：第一次課21/105凌云書屋2.3.1傳質(zhì)的速度與通量 （不講)!1.傳質(zhì)的速度 多組分的傳質(zhì)過程中，各組分均以不同的速度運(yùn)動(dòng)。設(shè)系統(tǒng)由A、B兩組分組成，組分A、B通過系統(tǒng)內(nèi)任一靜止平面的速度為uA、uB，該二元混合物通過此平面的速度為u，它們之間的差值為uA-u、uB-u。 在上述的各速度中，uA、uB代表組分A、B的實(shí)際移動(dòng)速度，稱為絕對(duì)速度。u代表混合物的移

14、動(dòng)速度，稱為主體流動(dòng)速度或平均速度；uA-u及uB-u代表相對(duì)于主體流動(dòng)速度的移動(dòng)速度，稱為擴(kuò)散速度。 因 uA=u+(uA-u) uB=u+(uB-u) 故： 絕對(duì)速度主體流動(dòng)速度擴(kuò)散速度2.3 傳質(zhì)機(jī)理與氣體吸收速率方程式22/27凌云書屋2.傳質(zhì)的通量 傳質(zhì)通量：?jiǎn)挝粫r(shí)間通過垂直于傳質(zhì)方向上單位面積的物質(zhì)量。 傳質(zhì)通量等于傳質(zhì)速度與濃度的乘積。傳質(zhì)通量常用質(zhì)量通量、摩爾通量表示。(1)以絕對(duì)速度表示的傳質(zhì)通量。質(zhì)量通量：jA=AuA jB=BuB混合物的總質(zhì)量通量： j=jA+jB =AuA +BuB =u 質(zhì)量平均速度的定義式 摩爾通量：NA=cAuA NB=cBuB混合物的總摩爾通量

15、：N=NA+NB=cAuA +cBuB =cu 摩爾平均速度的定義式23/27凌云書屋(2)以擴(kuò)散速度表示的傳質(zhì)通量。質(zhì)量通量：jA=A(uA-u) jB=B(uB-u)摩爾通量：JA=cA(uA-um) JB=cB(uB-um)混合物：j=jA+jB J=JA+JB(3)以主體流動(dòng)速度表示的傳質(zhì)通量。24/27凌云書屋2.3.2 質(zhì)量傳遞的基本方式 分為分子傳質(zhì)和對(duì)流傳質(zhì)1.分子擴(kuò)散（傳質(zhì)）(1)分子擴(kuò)散現(xiàn)象 左室A分子向右運(yùn)動(dòng)，右室B分子向左運(yùn)動(dòng)。左右兩室交換的分子數(shù)雖相等，但因左室A濃度高，故在同一時(shí)間內(nèi)A分子進(jìn)入右室較多而返回左室較少，其凈結(jié)果是物質(zhì)A自左向右傳遞。同理，物質(zhì)B自右向左

16、傳遞。兩種物質(zhì)各自沿其濃度降低的方向傳遞。 上述擴(kuò)散過程將一直進(jìn)行到整個(gè)容器中A、B兩種物質(zhì)的濃度完全均勻?yàn)橹梗藭r(shí)，通過任一截面物質(zhì)A、B的凈的擴(kuò)散通量為零，但擴(kuò)散仍在進(jìn)行，只是左、右兩方向物質(zhì)的擴(kuò)散通量相等，系統(tǒng)處于擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡中。 當(dāng)流體內(nèi)部存在某一組分的濃度(或分壓)差時(shí)，憑借分子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)使該組分由高濃處向低濃處遷移的過程，稱為分子擴(kuò)散或分子傳質(zhì)，簡(jiǎn)稱擴(kuò)散。 分子擴(kuò)散發(fā)生在固體、靜止或?qū)恿髁鲃?dòng)的流體中。25/27凌云書屋(2)費(fèi)克（Fick）第一定律描述分子擴(kuò)散的通量或速率的方程。式中：jA組分A的質(zhì)量通量，kg/(m2.s) dA/dz組分在傳質(zhì)方向上的質(zhì)量濃度梯度，(kg/

17、m3)/m DAB組分A在B中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s JA組分A的摩爾通量，kmol/(m2.s) dcA/dz組分在傳質(zhì)方向上的摩爾濃度梯度，(kmol/m3)/m 26/27凌云書屋(3)等分子反向擴(kuò)散 因兩容器中氣體總壓相同，所以A、B兩組分相互擴(kuò)散的量nA和nB必然相等，故稱為等摩爾反方向擴(kuò)散。即：JA=-JB 在擴(kuò)散過程，雖然A、B兩組分發(fā)生變化，但混合氣體總壓不變，即c=cA+cB=常數(shù)，因而dcA/dz=-dcB/dz，根據(jù)菲克定律：故：DAB=DBA 該關(guān)系說明：對(duì)雙組分混合氣體，在進(jìn)行等摩爾反方向分子擴(kuò)散時(shí)，A在B中和B在A中的分子擴(kuò)散系數(shù)相等，以后以D表示。 27/27凌云書

18、屋(4)一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散 當(dāng)截面上有一層只允許A組分通過但不允許B組分通過的膜時(shí)。由于在氣相主體與液面處存在A組分的分壓差，所以組分A將不斷向右進(jìn)行分子擴(kuò)散，并進(jìn)入液相中去，而液相中無任何組分進(jìn)入氣相，使得液面處總壓低于氣相主體，在此壓差的作用下，混合氣體(A+B)便會(huì)自動(dòng)向截面處發(fā)生宏觀運(yùn)動(dòng)，稱為總體流動(dòng)。 總體流動(dòng)的結(jié)果又使得液面附近B組分的分壓大于氣相主體中B的分壓，因而組分B又將以分子擴(kuò)散的方式向氣相主體移動(dòng)。這樣實(shí)際的凈結(jié)果是A組分不斷向液面移動(dòng)，對(duì)于B組分來講，隨總體流動(dòng)向液面運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又以相反方向進(jìn)行分子擴(kuò)散到氣相主體，實(shí)際上等于沒有運(yùn)動(dòng)，故稱為A組分通過停滯組分B的

19、擴(kuò)散。 28/27凌云書屋A的實(shí)際傳質(zhì)通量A的分子擴(kuò)散通量A的主體流動(dòng)通量據(jù)以上形式，得結(jié)論：組分的實(shí)際通量分子擴(kuò)散通量主體流動(dòng)通量這是費(fèi)克第一定律的一般表達(dá)式。29/27凌云書屋2.對(duì)流傳質(zhì)(1)渦流擴(kuò)散 湍流時(shí)流體除了沿流動(dòng)方向整體向前運(yùn)動(dòng)外，在其它方向上還存在著流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)和旋渦運(yùn)動(dòng)，碰撞和混合程度比較劇烈。在湍流主體中，借流體質(zhì)點(diǎn)的脈動(dòng)和旋渦混合作用，使物質(zhì)由高濃度向低濃度處進(jìn)行的物質(zhì)擴(kuò)散，稱為渦流擴(kuò)散。(實(shí)際上，湍流中也存在著一定的分子擴(kuò)散，只是渦流擴(kuò)散起主要作用 )。由于渦流擴(kuò)散的復(fù)雜性，渦流擴(kuò)散通量常借助費(fèi)克第一定律的形式表示，即： 注意分子擴(kuò)散系數(shù)D是物質(zhì)的物性常數(shù)，它僅與溫

20、度、壓力、組成等因素有關(guān)；渦流擴(kuò)散系數(shù)M不是物性常數(shù)，它與流體的湍動(dòng)程度有關(guān)、所處位置、壁面粗糙度等因素有關(guān)。 30/27凌云書屋(2)對(duì)流傳質(zhì) 流動(dòng)流體與相界面一側(cè)進(jìn)行的物質(zhì)傳遞，稱為對(duì)流擴(kuò)散。它包括流體主體中的渦流擴(kuò)散和層流層中的分子擴(kuò)散，為物質(zhì)在單一相內(nèi)進(jìn)行遷移的總稱。 對(duì)流傳質(zhì)的基本方程，采用下式表示： NA=kccA 式中：NA對(duì)流傳質(zhì)的摩爾通量，kmol/(m2.s) kc對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)，m/s； cA 組分A界面濃度與主體濃度差，kmol/m3。上式稱對(duì)流傳質(zhì)速率方程注意因組成有不同的表示法，故對(duì)流傳質(zhì)速率方程有不同的表達(dá)形式。31/27凌云書屋2.3.3 分子傳質(zhì)（擴(kuò)散）2.3.

21、3.1氣體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散（1） 等分子反向擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)等分子反向擴(kuò)散時(shí)擴(kuò)散通量計(jì)算式32/27凌云書屋（2） 組分A通過停滯組分B的擴(kuò)散33/27凌云書屋2.3.3.2 液體中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散 在液相中進(jìn)行擴(kuò)散時(shí)，物質(zhì)的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣相中的，但液體密度大，濃度梯度大，因而擴(kuò)散通量與氣相中的大致相同。（1） 液體中的擴(kuò)散通量方程 仍可用費(fèi)克第一定律描述液體中的擴(kuò)散通量方程。但與穩(wěn)態(tài)氣體擴(kuò)散不同的是，液體的擴(kuò)散系數(shù)隨濃度而變化，且總濃度隨位置變化，因此在應(yīng)用費(fèi)克第一定律時(shí)，用平均擴(kuò)散系數(shù)、平均總濃度代替原式中的擴(kuò)散系數(shù)、總濃度，即：34/27凌云書屋(2) 等分子反向擴(kuò)散 發(fā)生在摩爾潛熱相等的二元化合物蒸

22、餾中。求解過程與氣相中的相同。1.2.2.3 組分A通過停滯組分B的擴(kuò)散 發(fā)生在吸收、萃取等單元操作中。求解過程與氣相中的相同。35/27凌云書屋2.3. 4 擴(kuò)散系數(shù) (分子)擴(kuò)散系數(shù)D為物質(zhì)的物性常數(shù)之一，其物理意義表示單位濃度梯度下物質(zhì)的擴(kuò)散通量，因而表明一種物質(zhì)在另外一種物質(zhì)中的擴(kuò)散能力。其值由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，數(shù)值大小與溫度、壓強(qiáng)及濃度有關(guān)，常用物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)見本書附錄一。 當(dāng)無數(shù)據(jù)可查時(shí)，可采用一些理論公式進(jìn)行計(jì)算或用經(jīng)驗(yàn)公式估算。 理論公式： 36/27凌云書屋經(jīng)驗(yàn)公式：上述各式中的符號(hào)的含義參見教材P34-P41。作業(yè)：1、3、5題37/27凌云書屋2.3.5 對(duì)流傳質(zhì) 流體與固體壁面

23、間對(duì)流傳質(zhì)中，一方面由于濃度梯度的存在，物質(zhì)以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行傳遞，另一方面，流體在運(yùn)動(dòng)過程中，也必然將物質(zhì)從一處向另一處傳遞。所以，對(duì)流傳質(zhì)的速率除了分子傳遞的影響外，還受到流體流動(dòng)的影響。 本節(jié)討論對(duì)流傳質(zhì)的基本規(guī)律，重點(diǎn)討論對(duì)流傳質(zhì)速率的計(jì)算問題。2.3.5.1 對(duì)流傳質(zhì)的類型與機(jī)理(1) 對(duì)流傳質(zhì)的類型按流體的流動(dòng)發(fā)生原因不同，分：自然對(duì)流傳質(zhì) 強(qiáng)制對(duì)流傳質(zhì)強(qiáng)制層流傳質(zhì)強(qiáng)制湍流傳質(zhì)按流體的作用方式，分：流體作用于固體壁面，即流體與固體壁面的傳質(zhì)，如水流過可溶性固體壁面。一種流體作用于另一種流體，兩流體通過相界面進(jìn)行傳質(zhì)，即相際傳質(zhì)，如用水吸收混于空氣的氨。38/27凌云書屋(2) 對(duì)

24、流傳質(zhì)的機(jī)理 以流體與固體壁面的對(duì)流傳質(zhì)為例討論，對(duì)有固定相 界面的相際傳質(zhì)，其機(jī)理類似。 層流區(qū)：質(zhì)量傳遞僅以分子擴(kuò)散方式進(jìn)行，據(jù)費(fèi)克第一定律知，其濃度梯度很大，濃度分布曲線很陡，為一直線。zcA層流區(qū)緩沖區(qū)湍流主體區(qū) 緩沖區(qū)：質(zhì)量傳遞以分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散方式進(jìn)行，濃度梯度較層流區(qū)的小，且非常量，濃度分布曲線為一曲線。 湍流主體區(qū)：質(zhì)量傳遞以分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散方式進(jìn)行，但分子擴(kuò)散占比重很小，忽略不計(jì)。濃度梯度非常小，近似為零，濃度分布曲線為一水平線。39/27凌云書屋 將層流區(qū)、湍流主體區(qū)的直線延長(zhǎng)，其交點(diǎn)與壁面間形成的膜層稱為停滯膜層。zcA層流區(qū)緩沖區(qū)湍流主體區(qū)停滯膜層 停滯膜層內(nèi)濃度分

25、布曲線為直線，說明在停滯膜層內(nèi)物質(zhì)傳質(zhì)是以分子擴(kuò)散的方式進(jìn)行的。停滯膜層以外的濃度分布曲線為水平線，說明此區(qū)域內(nèi)無傳質(zhì)阻力，全部傳質(zhì)阻力集中在停滯膜內(nèi)。40/27凌云書屋2.3.5.2 濃度邊界層與對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)1.3.2.1 濃度邊界層 當(dāng)流體流過固體壁面時(shí)，若流體與固體壁面間存在濃度差，受壁面濃度的影響，在與壁面垂直方向上的流體內(nèi)部將建立起濃度梯度，該濃度梯度自壁面向流體主體逐漸減小。通常將壁面附近具有較大濃度梯度的區(qū)域稱為濃度邊界層或傳質(zhì)邊界層。 如圖示，流體最初以均勻速度u0和均勻濃度cA0進(jìn)入圓管內(nèi)，因流體受壁面濃度的影響，濃度邊界層厚度由進(jìn)口的零值逐漸增加，經(jīng)過一段距離Le后，在管中

26、心匯合，匯合后濃度邊界層厚度等于圓管的半徑。超過匯合點(diǎn)后，濃度分布將逐漸趨于平坦，若管子的長(zhǎng)度足夠，則截面上的濃度最后變?yōu)榫鶆蛞恢虏⒌扔诒诿娴臐舛萩As。此段距離Le稱為傳質(zhì)進(jìn)口段長(zhǎng)度，處于進(jìn)口段內(nèi)的傳質(zhì)稱為進(jìn)口段傳質(zhì)，處于進(jìn)口段后的傳質(zhì)稱為充分發(fā)展的傳質(zhì)。u0cA0LeDcAs41/27凌云書屋對(duì)流傳質(zhì)系數(shù) 據(jù)對(duì)流傳質(zhì)速率方程，固體壁面與流體間的對(duì)流傳質(zhì)速率為： GA=NAS=kcS(cAs-cAb)式中：GA對(duì)流傳質(zhì)速率，kmol/s； CAS壁面濃度， CAb流體的主體濃度或平均濃度，kmol/m3。 從上式可以看出，要計(jì)算對(duì)流傳質(zhì)速率GA，關(guān)鍵在于對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)kc的確定。但kc的確定是

27、一項(xiàng)復(fù)雜的問題，它與流體的性質(zhì)、壁面的幾何形狀和粗糙度、流體的速度等因素有關(guān)，一般通過實(shí)驗(yàn)確定經(jīng)驗(yàn)公式，使用時(shí)通過選取適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)公式加以計(jì)算確定。42/27凌云書屋2.3.6 相際間的對(duì)流傳質(zhì)模型 先對(duì)對(duì)流傳質(zhì)過程作一定的假定，然后，根據(jù)假定建立描述對(duì)流傳質(zhì)過程的數(shù)學(xué)模型，最后求解對(duì)流傳質(zhì)模型，即可得出對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算式。2.3.6.1 雙膜模型 1923年惠特曼(Whiteman)提出最早的傳質(zhì)模型。要點(diǎn)： 氣液兩相接觸時(shí)，兩相間存在穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一個(gè)很薄的停滯膜，溶質(zhì)A以分子擴(kuò)散的方式通過此膜層。 在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。 在兩個(gè)停滯膜以外的氣液兩相主體中，由于

28、流體的強(qiáng)烈湍動(dòng)，各處濃度均勻一致。 雙膜理論將復(fù)雜的相際傳質(zhì)過程歸結(jié)為兩種流體停滯膜層的分子擴(kuò)散過程，依此模型，在相界面處及兩相主體中均無傳質(zhì)阻力存在。故，整個(gè)相際傳質(zhì)過程的阻力便全部集中在兩個(gè)停滯膜層內(nèi)。因此，雙膜模型又稱雙阻力模型。43/27凌云書屋2.3.6.2 溶質(zhì)滲透模型 1935年希格比(Higbie)提出。 其要點(diǎn)為：溶質(zhì)開始從界面進(jìn)入液膜直到建立穩(wěn)定的濃度梯度需要一段過渡時(shí)間，在此期間，溶質(zhì)從相界面向液膜深度方向逐步滲透，其滲透過程為一段不穩(wěn)定的傳質(zhì)過程，常采用不穩(wěn)定傳質(zhì)方程來描述。2.3.6.3 表面更新理論 1951年丹克沃茨(Danckwerts)提出. 其要點(diǎn)為：在氣液

29、兩相接觸過程中，不斷有液體單元從主體到達(dá)界面，置換原來界面上的液體，停留一段時(shí)間后又為新的液體單元所置換，如此不斷地進(jìn)行，其接觸表面也在不斷更新，因此傳質(zhì)過程為不穩(wěn)定狀態(tài)，其速率與置換的頻率有關(guān)。 后兩種理論雖然用于具體過程的計(jì)算還有一定距離，但它有助于更深刻地揭示過程進(jìn)行的物理本質(zhì) 不穩(wěn)定擴(kuò)散和表面更新，對(duì)尋求強(qiáng)化過程途徑有一定指導(dǎo)意義。第二次課44/27凌云書屋2.3 .7 氣體吸收速率方程式 反映吸收過程進(jìn)行快慢程度以吸收速率來表示，它是指單位時(shí)間內(nèi)，通過單位傳質(zhì)面積吸收的溶質(zhì)的量。通過吸收速率可確定完成指定的吸收任務(wù)所需設(shè)備的尺寸及混和氣體通過指定設(shè)備所能達(dá)到的吸收程度。 描述吸收速率

30、與吸收推動(dòng)力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式即為吸收速率方程式。由于推動(dòng)力的形式不同，可寫出不同的吸收速率方程式。 45/105凌云書屋2.3.7.1 膜吸收速率方程式 在穩(wěn)定操作的吸收設(shè)備內(nèi)任一部位上，相界面兩側(cè)的氣、液相膜層中的傳質(zhì)速率應(yīng)是相同的，否則會(huì)在相界面處有溶質(zhì)積累。因此，其中任一側(cè)停滯膜中的傳質(zhì)速率都能代表該部位上的吸收速率。單獨(dú)根據(jù)氣膜或液膜的推動(dòng)力及阻力寫出的速率關(guān)系式稱為氣膜或液膜吸收速率方程式，相應(yīng)的吸收系數(shù)稱為膜系數(shù)或分系數(shù)，用k表示。pGpicicL氣相液相zGzL46/105凌云書屋2.3.7.1.1 氣膜吸收速率方程式1.用(pG-pi)表示氣膜推動(dòng)力的膜吸收速率方程式 據(jù)雙

31、膜模型，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過氣相一側(cè)停滯膜時(shí)的傳質(zhì)速率為：pGpicicL氣相液相zGzL 上式中，停滯膜厚度zG難以確定，但一定的物系及一定的操作條件規(guī)定了T、P、D，一定的流動(dòng)狀況及傳質(zhì)條件規(guī)定了zG的值，故：kG氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.kPa)；1/ kG氣膜阻力， (m2.s.kPa)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與氣膜推動(dòng)力（pG-pi）相對(duì)應(yīng)的。47/105凌云書屋各氣相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系： 帶入式與比較2.以（y-yi）為氣膜推動(dòng)力的膜吸收速率方程式 當(dāng)氣相的組成以摩爾分率表示時(shí)，相應(yīng)的氣膜吸收速率方程式為：ky氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)；1/ ky氣膜

32、阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與氣膜推動(dòng)力（y-yi）相對(duì)應(yīng)的。48/105凌云書屋2.3.7.1.2 液膜吸收速率方程式1.用(ci-cL)表示液膜推動(dòng)力的膜吸收速率方程式 據(jù)雙膜模型，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過液相一側(cè)停滯膜時(shí)的傳質(zhì)速率為： pGpicicL氣相液相zGzLkL液膜吸收系數(shù)，m/s；1/ kL液膜阻力， s/m，此阻力的表達(dá)形式是與液膜推動(dòng)力（ci-cL）相對(duì)應(yīng)的。49/105凌云書屋各液相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系： 帶入式與比較2.以（xi-x）為液膜推動(dòng)力的膜吸收速率方程式 當(dāng)液相的組成以摩爾分率表示時(shí)，相應(yīng)的液膜吸收速率方程式為：kx液膜吸收系數(shù)，kmol

33、/(m2.s)；1/ kx氣膜阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與液膜推動(dòng)力（xi-x）相對(duì)應(yīng)的。50/105凌云書屋2.3.7.1.3界面組成的確定根據(jù)(1)一般情況定態(tài)傳質(zhì)pi、ci 而 (2)平衡關(guān)系滿足亨利定律 pi、ci 51/105凌云書屋I（pi，ci） 氣膜阻力液膜阻力操作點(diǎn)OI（界面）cA/kmol/m3cApA/kPa0 采用圖解的方法由操作點(diǎn)作斜率為kL/kG 的直線與平衡線的交點(diǎn)確定界面組成 52/105凌云書屋2.3.8 總吸收速率方程式 為了避開難以測(cè)定的界面組成，可采用兩相主體組成的某種差值來表示總推動(dòng)力而寫出吸收速率方程式，稱為總吸收速率方程式。

34、這種吸收速率方程式中的吸收系數(shù)，稱為總吸收系數(shù)，用K表示。 總吸收系數(shù)的倒數(shù)即為總阻力，總阻力應(yīng)當(dāng)是兩膜阻力的代數(shù)和?？偼苿?dòng)力是兩相主體組成的某種差值，因氣、液相組成表示法不同，二者不能直接相減，即使表示法相同，差值也不能代表過程的總推動(dòng)力。 吸收過程能自動(dòng)進(jìn)行，是由于兩相主體組成未達(dá)到平衡。一旦任何一相主體組成與另一相主體組成達(dá)到平衡，推動(dòng)力便為0。因此，吸收過程的總推動(dòng)力采用任何一相的主體組成與其平衡組成的差值表示。53/105凌云書屋1.以（pG-pe）表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式54/105凌云書屋說明KG總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.kPa)；1/ KG總阻力， (m2.s.k

35、Pa)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與總推動(dòng)力（pG-pe）相對(duì)應(yīng)的，且由氣膜阻力1/kG與液膜阻力1/(HkL)組成。氣膜控制： 表明易溶氣體吸收時(shí)，傳質(zhì)總阻力的絕大部分集中氣膜中，氣膜阻力控制著整個(gè)吸收過程的速率；傳質(zhì)總推動(dòng)力的絕大部分集中在氣膜中；吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服氣膜阻力，這種情況稱為氣膜控制。 對(duì)于氣膜控制的吸收過程，要提高吸收速率，在選擇設(shè)備型式及確定操作條件時(shí)應(yīng)注意主要減小氣膜阻力。55/105凌云書屋2.以（ce-cL）表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式56/105凌云書屋說明KL總吸收系數(shù)，m/s；1/ KL總阻力， s/m，此阻力的表達(dá)形式是與總推動(dòng)力（ce-cL）

36、相對(duì)應(yīng)的，且由氣膜阻力H/kG與液膜阻力1/kL組成。液膜控制： 表明難溶氣體吸收時(shí)，傳質(zhì)總阻力的絕大部分集中液膜中，液膜阻力控制著整個(gè)吸收過程的速率；傳質(zhì)總推動(dòng)力的絕大部分集中在液膜中；吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服液膜阻力，這種情況稱為液膜控制。對(duì)于液膜控制的吸收過程，要提高吸收速率，在選擇設(shè)備型式及確定操作條件時(shí)應(yīng)注意主要減小液膜阻力。57/105凌云書屋【例】110kPa下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨0.03摩爾分率的氣體與氨濃度為1kmol/m3的氨水接觸，已知?dú)饽髻|(zhì)系數(shù)kG=510-6kmol/(m2skPa)，液膜傳質(zhì)系數(shù)kL=1.510-4m/s，氨水的平衡關(guān)系可用亨利定律

37、表示，H=0.73kmol/(m3kPa)，試計(jì)算：1.氣液相界面上的兩相組成；2.以分壓差和體積摩爾濃度差表示的總推動(dòng)力、總傳質(zhì)系數(shù)、傳質(zhì)速率；3.該吸收過程的控制因素；4. 氣、液膜系數(shù)分別增加10時(shí)，總阻力的變化情況。58/105凌云書屋【解】59/105凌云書屋60/105凌云書屋3.以（y-ye）表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式Ky總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)；1/ Ky總阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與總推動(dòng)力（y-ye）相對(duì)應(yīng)的。61/105凌云書屋4.以（xe-x）表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式Kx總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)；1/ Kx總阻力，

38、(m2.s)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與總推動(dòng)力（xe-x）相對(duì)應(yīng)的。62/105凌云書屋5.以（Y-Ye）表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式KY總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)；1/ KY總阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與總推動(dòng)力（Y-Ye）相對(duì)應(yīng)的。63/105凌云書屋6.以（Xe-X）表示總推動(dòng)力的總吸收速率方程式KX總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)；1/ KX總阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達(dá)形式是與總推動(dòng)力（Xe-X）相對(duì)應(yīng)的。64/105凌云書屋2.3.9 吸收速率方程及吸收系數(shù)小結(jié)1.推動(dòng)力涉及范圍及組成表示方法不同，吸收速率方程有多種形式(1

39、0)，歸納為兩類：與膜系數(shù)相對(duì)應(yīng)的速率式，采用一相主體組成與界面處組成之差表示推動(dòng)力；與總系數(shù)相對(duì)應(yīng)的速率式，采用任一相主體組成與其相平衡濃度之差表示推動(dòng)力。2.吸收系數(shù)應(yīng)與推動(dòng)力表示方法及其單位相一致。如吸收速率方程推動(dòng)力吸收系數(shù)NA=kG(pG-pi)(pG-pi)kG，kmol/(m2.s.kPa)NA=kL(ci-cL)(ci-cL)kL, m/sNA=KL(ce-cL)(ce-cL)KL, m/sNA=KG(pG-pe)(pG-pe)KG，kmol/(m2.s.kPa)65/105凌云書屋3.因?yàn)樗?nèi)不同橫截面上氣液相組成各不相同，因此吸收速率也不同，故吸收速率方程適用于塔內(nèi)某一截面

40、上穩(wěn)態(tài)吸收的過程，不能直接用來描述全塔的吸收速率。4.總吸收速率方程適用于全部組成范圍內(nèi)平衡關(guān)系符合亨利定律的溶液。5.兩種特殊情況：易溶氣體吸收，氣膜控制；難溶氣體吸收，液膜控制。6.總吸收系數(shù)通過膜系數(shù)計(jì)算；各膜系數(shù)可相互換算；各總系數(shù)可相互換算。第三次課作業(yè)：、題66/105凌云書屋2.4 低組成氣體吸收的計(jì)算吸收塔的計(jì)算內(nèi)容：設(shè)計(jì)型：流向、流程、吸收劑用量、吸收劑組成、溶質(zhì)回收量或回收率、塔高、塔徑操作型：核算；操作條件與吸收結(jié)果的關(guān)系。計(jì)算依據(jù)：物料恒算 相平衡 吸收速率方程67/105凌云書屋 工業(yè)吸收過程既可采用板式塔又可采用填料塔，本章主要討論填料塔。 填料塔是在塔的筒體內(nèi)填充

41、某種特定形狀的固體物即填料，構(gòu)成填料層。填料的作用：增大兩相間的接觸面積和接觸時(shí)間，增加湍動(dòng)程度。 氣液兩相的流動(dòng)方式：逆流、并流。 通常液體在塔內(nèi)作為分散相，依靠重力自上而下流動(dòng)，而氣體則在壓差的作用下，以連續(xù)相的方式流過全塔。逆流特點(diǎn)：平均推動(dòng)力比并流的大，能有效地提高吸收速率；可提高出塔吸收液的組成；使出塔氣體組成降至最低。湍動(dòng)程度高接觸時(shí)間長(zhǎng)68/105凌云書屋2.4.1 物料衡算與操作線方程2.4.1.1 物料衡算1.逆流 對(duì)圖中穩(wěn)定操作狀態(tài)的逆流吸收塔進(jìn)行溶質(zhì)A的物料衡算 ：VY1+LX2=VY2+LX1 說明一般已知V、Y1，Y2由生產(chǎn)工藝要求確定，X2在選定吸收劑后為定值。未知

42、量L、X1。溶質(zhì)回收量GA=V(Y1-Y2)=L(X1-X2) 溶質(zhì)回收(吸收)率：（確定Y2）吸收塔V,Y2V,Y1L,X2L,X169/105凌云書屋混和氣體：Vh m3/s，y1純?nèi)軇篨2=02.并流對(duì)圖中穩(wěn)定操作狀態(tài)的并流吸收塔進(jìn)行溶質(zhì)A的物料衡算 ：VY1+LX1=VY2+LX2G= V(Y2-Y1)=L(X1-X2) 吸收塔V,Y2V,Y1L,X2L,X170/105凌云書屋2.4.1.2 吸收塔的操作線方程與操作線1.逆流 塔內(nèi)任一截面m-n至塔底處溶質(zhì)A的物料衡算，如藍(lán)框 ：V,Y2V,Y1L,X2L,X1YXmn 塔內(nèi)任一截面m-n至塔頂處溶質(zhì)A的物料衡算，如紅框 ：71/

43、105凌云書屋說明操作線方程反映在塔的任一截面上，上升氣相組成與下降液相組成之間的關(guān)系。XY1Y2X1X2TBYAB點(diǎn)代表塔底組成，T點(diǎn)代表塔頂組成，A點(diǎn)代表塔內(nèi)任一截面的氣、液組成。從A點(diǎn)引一垂線，與平衡線交與一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間垂直距離代表以氣相表示的推動(dòng)力(Y-Ye)；從A點(diǎn)引一水平線，與平衡線交與一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間水平距離代表以液相表示的推動(dòng)力(Xe-X)；吸收過程的操作線位于平衡線上方，若位于下方，則為解吸過程。操作線離平衡線愈遠(yuǎn)吸收的推動(dòng)力愈大；72/105凌云書屋2.4.1.2 吸收塔的操作線方程與操作線（續(xù)）2.并流 塔內(nèi)任一截面m-n至塔底處溶質(zhì)A的物料衡算，如藍(lán)框 ：V,Y2V,Y1

44、L,X2L,X1YXmn 塔內(nèi)任一截面m-n至塔頂處溶質(zhì)A的物料衡算，如紅框 ：73/105凌云書屋說明操作線方程反映在塔的任一截面上，下降氣相組成與下降液相組成之間的關(guān)系。XY2Y1X1X2TBYA從A點(diǎn)引一垂線，與平衡線交與一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間垂直距離代表以氣相表示的推動(dòng)力(Y-Ye)；從A點(diǎn)引一水平線，與平衡線交與一點(diǎn)，兩點(diǎn)之間水平距離代表以液相表示的推動(dòng)力(Xe-X)；B點(diǎn)代表塔底組成，T點(diǎn)代表塔頂組成，A點(diǎn)代表塔內(nèi)任一截面的氣、液組成。吸收過程的操作線位于平衡線上方，若位于下方，則為解吸過程。 無論并流、逆流，操作線方程與操作線均由物料衡算得到，與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、操作條件及設(shè)備結(jié)構(gòu)型式?jīng)]有

45、關(guān)系。74/105凌云書屋abY2a X2aX2bY2b Y1bX1bY1aX1aY2bY1b=Y1aY2aX2bX1b=X2aX1aCDAB并流、逆流操作線練習(xí)（多塔聯(lián)合操作）75/105凌云書屋2.4.2 吸收劑用量的確定以逆流為例。 在V、Y1、Y2、X2已知的情況下，吸收塔的操作線的一個(gè)端點(diǎn)T已確定，另一個(gè)端點(diǎn)B則可在Y=Y1的水平線上移動(dòng)，點(diǎn)B的橫標(biāo)取決于操作線的斜率L/V。2.4.2.1 最小液氣比(L/V)min L/V：液氣比，是吸收劑與惰性氣體摩爾流量的比值，反映單位氣體處理量時(shí)的吸收劑耗用量的大小。 V確定，L，L/V，B點(diǎn)右移，X1。 當(dāng)L減小至使B點(diǎn)右移至Be點(diǎn)時(shí)，X1

46、=Xe1，即吸收液與進(jìn)塔混和氣相平衡，為理論上吸收液能達(dá)到的最高組成。此時(shí)操作線BeT的斜率稱為最小液氣比，用(L/V)min表示，相應(yīng)的吸收劑用量稱為最小吸收劑用量，用Lmin表示。XY1Y2X1X2TBYABeXe176/105凌云書屋最小液氣比的計(jì)算1.平衡發(fā)生在塔底 最小液氣比定義：針對(duì)一定的分離任務(wù)，操作條件和吸收物系一定，塔內(nèi)某截面吸收推動(dòng)力為零，達(dá)到分離程度所需塔高無窮大時(shí)的液氣比。XY1Y2X1X2TBYABeXe1平衡關(guān)系符合亨利定律時(shí)： 77/105凌云書屋2.平衡發(fā)生在塔內(nèi)過T作平衡線的切線，交Y=Y1水平線于B點(diǎn)。78/105凌云書屋3.操作液氣比79/105凌云書屋【

47、例】在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦?fàn)t氣中的芳烴。吸收塔壓強(qiáng)為105kPa ，溫度為300K ，焦?fàn)t氣流量為1000m3/h ，其中所含芳烴組成為0.02（摩爾分率,下同），吸收率為95%，進(jìn)塔洗油中所含芳烴組成為0.005。若取吸收劑用量為最小用量的1.5倍，試求進(jìn)入塔頂?shù)南从湍柫髁考俺鏊找航M成。（操作條件下氣液平衡關(guān)系為Y*=0.125X ）進(jìn)入吸收塔的惰性氣體摩爾流量為：進(jìn)塔氣組成：出塔氣組成：80/105凌云書屋吸收劑組成： 由于入塔洗油中含有少量芳烴，則入塔的洗油量為：L=L(1+X2)=7.59(1+0.0053)=7.63kmol/h81/105凌云書屋2.4.3 塔徑的計(jì)算根

48、據(jù)圓形管路流量公式計(jì)算。 式中：VS操作條件下混和氣體的流量，m3/s。以入塔氣流量計(jì)（逆流：塔底，并流：塔頂）。 利用上式關(guān)鍵在于空塔氣速u的確定，u的確定取決于塔的類型、操作條件、物系等因素，將在第4章介紹。82/105凌云書屋2.4.4 填料層高度的計(jì)算有傳質(zhì)單元數(shù)法和等板高度法。2.4.4.1 傳質(zhì)單元數(shù)法1.基本計(jì)算式 所以填料層高度計(jì)算涉及物料衡算、傳質(zhì)速率和相平衡關(guān)系。我們前面介紹的所有傳質(zhì)速率方程都適用于穩(wěn)定操作的吸收塔中的“某一橫截面”,而不能用于全塔。對(duì)于整個(gè)吸收塔，氣、液的濃度分布都沿塔高變化，吸收速率也在變化。所以要在全塔范圍應(yīng)用吸收速率關(guān)系式，就要采用微分方法，然后積

49、分得到填料層的總高度。 83/105凌云書屋單位時(shí)間，dZ內(nèi)吸收A的量：X+dX微元填料層內(nèi)，因氣液組成變化極小，可認(rèn)為吸收速率NA為定值。微元填料層內(nèi)，吸收速率方程式：84/105凌云書屋積分上兩式 有效傳質(zhì)面積 a m，即：在S1時(shí)才有可能。希望得到高組成的吸收液：力圖使X1Xe1 方法是減小液體量，改變操作線方程，從而使L/V1時(shí)才有可能。 一般S=0.7-0.8時(shí)，可兼顧上述兩種情況。93/105凌云書屋同理：此式常用于解吸操作的計(jì)算94/105凌云書屋對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法適用情況：平衡關(guān)系符合線性關(guān)系。YY1Y2X1X2TBYXY1Y2Y1Y2YY95/105凌云書屋同理：96/105凌

50、云書屋說明對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法適用于平衡線為直線，逆流、并流吸收皆可。平衡線與操作線平行 時(shí)，當(dāng)97/105凌云書屋梯級(jí)圖解法適用情況：平衡關(guān)系為直線或彎曲率不大的曲線。圖解步驟：在Y-X圖上繪出TB線及OE線；TBYXFFOE在TB及OE線之間畫出若干(Y-Ye)的中點(diǎn)聯(lián)成的曲線MN；從塔頂T出發(fā)，作水平線交MN于F，延長(zhǎng)TF至F，使TF=FF，從F出發(fā)，重復(fù)繪制梯級(jí)過程，直至達(dá)到或超過塔底B點(diǎn)為止；NOG梯級(jí)數(shù) (非整數(shù))MN98/105凌云書屋 適用情況：平衡關(guān)系符合曲線且無具體函數(shù)關(guān)系步驟：根據(jù)已知條件在Y-X圖上作出平衡線和操作線。在Y1與Y2之間任選若干個(gè)Y值，從圖中讀出相應(yīng)的Ye值，

51、并計(jì)算 值。在直角坐標(biāo)系中以 作圖得曲線。 曲線與Y=Y1、Y=Y2及橫軸所包圍的面積即為NOG。 圖解積分法OEBTY1Y299/105凌云書屋數(shù)值積分法 適用情況：平衡關(guān)系符合曲線且已知函數(shù)關(guān)系 圖解積分法雖為一種理論上嚴(yán)格的方法，但計(jì)算起來特別繁瑣?？刹捎脭?shù)值積分法進(jìn)行計(jì)算，例如采用辛普森(Simpson)數(shù)值積分法。其方法是： 在Y1和Y2之間作偶數(shù)等分，對(duì)每一個(gè)Yi值計(jì)算出對(duì)應(yīng)的f(Yi) ，并令Y0=Y2(塔頂氣相組成)，Yn=Y1(塔底氣相組成)，然后按下式進(jìn)行求解：此外可采用龍貝格方法、高斯積分法等。 100/105凌云書屋2.4.4.2 等板高度法 設(shè)填料層由N級(jí)組成，吸收劑

52、從塔頂進(jìn)入第I級(jí)，逐級(jí)向下流動(dòng)，最后從塔底第N級(jí)流出；原料氣從塔底進(jìn)入第N級(jí)，逐級(jí)向上流動(dòng)，最后從塔頂?shù)?級(jí)排出。在每一級(jí)上，氣液兩相的組成達(dá)到平衡，溶質(zhì)組成由氣相向液相轉(zhuǎn)移。若離開某一級(jí)時(shí)，氣液兩相的組成達(dá)到平衡，則稱該級(jí)為一個(gè)理論級(jí)，或稱為一層理論板，NT。 等板高度：分離效果達(dá)到一個(gè)理論級(jí)所需的填料層高度。Z=HETPNTNT完成分離任務(wù)，所需的理論級(jí)數(shù)；HETP等板高度，由實(shí)驗(yàn)測(cè)定或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。Y2=YIX2=X0YIYiXIIii+1NXiYi+1Xi+1YNXNY1=YN+1X1=XN101/105凌云書屋Y1X0X1Y2X2Y3X3Y4T BoE1. 圖解法求NT步驟：畫平衡線

53、OE，操作線TB；從T點(diǎn)出發(fā)畫梯級(jí)，直到越過B點(diǎn)。梯級(jí)數(shù)為理論板數(shù)NT。102/105凌云書屋解析法逆流。平衡線：Yi=mXi+b操作線：Y2=YIX2=X0YIYiXIIii+1NXiYi+1Xi+1YNXNY1=YN+1X1=XN103/105凌云書屋當(dāng) A=1時(shí) NT=NOG A1時(shí) NTNOG ANOG104/105凌云書屋2.4.5 吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算 逆流：氣液流向相反； 并流：氣液流向相同。逆流與并流的比較： 逆流操作與并流的氣液兩相進(jìn)、出口組成相等的條件下逆流操作的優(yōu)點(diǎn)：逆流操作可獲得較大的吸收推動(dòng)力，從而提高吸收過程的傳質(zhì)速率；可得到濃度較高的吸收液；可使出塔氣體中溶質(zhì)的含量

54、降低，提高溶質(zhì)的吸收率。 所以工業(yè)上多采用逆流吸收操作。 注意：在逆流操作過程中，液體在向下流動(dòng)時(shí)受到上升氣體的曳力，這種曳力過大會(huì)妨礙液體順利流下，因而限制了吸收塔的液體流量和氣體流量。1流向的選擇105/105凌云書屋2吸收劑進(jìn)口組成的選擇及其最高允許組成 吸收劑進(jìn)口組成過高，吸收過程的推動(dòng)力減小，則吸收塔的塔高將增加，使設(shè)備投資增加；若吸收劑進(jìn)口組成太低，吸收劑再生費(fèi)用增加。 吸收塔的操作型計(jì)算是指吸收塔塔高一定時(shí)，吸收操作條件與吸收效果間的分析和計(jì)算。例如已知塔高Z，氣、液流量，混合氣體中溶質(zhì)進(jìn)口組成、吸收劑進(jìn)口組成、體積吸收系數(shù)KYa時(shí)，核算指定設(shè)備能否完成分離任務(wù)。又如某一操作條件

55、（L、V、T、p、Y1、X2）之一變化時(shí)，計(jì)算吸收效果如何變化。1、定性分析 定性分析步驟：（1）常根據(jù)條件確定HOG、S，然后用Z=HOGNOG確定NOG的變化；（2）用脫吸因數(shù)法圖 (P118)確定Y2的變化趨勢(shì)；（3）用全塔物料衡算分析X1的變化。2.4.6 吸收塔的操作型計(jì)算106/105凌云書屋【例】在一填料塔中用清水吸收氨空氣中的低濃氨氣，若清水量適量加大，其余操作條件不變，則Y2、X1如何變化？（已知體積傳質(zhì)系數(shù)隨氣量變化關(guān)系為kYaV0.8）【解】用水吸收混合氣中的氨為氣膜控制過程，故KYakYaV0.8 因氣體流量V不變，所以KYa近似不變，所以HOG不變。因塔高不變，故根據(jù)

56、Z= HOGNOG可知NOG不變。當(dāng)清水量加大時(shí)，因S=mV/L，故S降低，由圖2-18可以看出(Y1-Ye2)/(Y2-Ye2)會(huì)增大，故Y2將減小。根據(jù)物料衡算L(X1-X2)=V(Y1-Y2)VY1可近似推出X1將下降。107/105凌云書屋2、定量計(jì)算 在定量計(jì)算時(shí)，由于傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算式的非線性，因此，計(jì)算需采用試差法及對(duì)比法求解。 【例】某填料吸收塔在101.3 kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空氣混合氣中的丙酮，操作液氣比為2.0，丙酮的回收率為95%。已知該吸收為低濃度吸收，操作條件下氣液平衡常數(shù)為1.18，吸收過程為氣膜控制，氣相總體積吸收系數(shù)與氣體流率的0.8次方成正比。

57、（塔截面積為1m2）（1）若氣體流量增加15%，而液體流量及氣、液進(jìn)口組成不變，試求丙酮的回收率有何變化？（2）若丙酮回收率由95%提高到98%，而氣體流量，氣、液進(jìn)口組成，吸收塔的操作溫度和壓力皆不變，試求吸收劑用量提高到原來的多少倍。108/105凌云書屋【解】（1） 設(shè)操作條件變化前為原工況，氣量增加15%時(shí)為新工況。109/105凌云書屋110/105凌云書屋 111/105凌云書屋(2) 當(dāng)氣體流量不變時(shí)，對(duì)于氣膜控制的吸收過程，HOG不變，故吸收塔塔高不變時(shí)，NOG也不變化，即將丙酮回收率由95%提高到98%，提高吸收劑用量時(shí)，新工況下 ， 112/105凌云書屋2.4.7 強(qiáng)化吸

58、收過程的措施 強(qiáng)化吸收過程即提高吸收速率。吸收速率為吸收推動(dòng)力與吸收阻力之比，故強(qiáng)化吸收過程從以下兩個(gè)方面考慮：提高吸收過程的推動(dòng)力；）降低吸收過程的阻力。1提高吸收過程的推動(dòng)力（1）逆流操作 （2）提高吸收劑的流量 通常混合氣體入口條件由前一工序決定，即氣體流量V、氣體入塔組成一定，如果吸收操作采用的吸收劑流量L提高，即L/V提高，則吸收的操作線上揚(yáng)，氣體出口濃度下降，吸收程度加大，吸收推動(dòng)力提高，因而提高了吸收速率。113/105凌云書屋（3）降低吸收劑入口溫度 當(dāng)吸收過程其它條件不變，吸收劑溫度降低時(shí)，相平衡常數(shù)將增加，吸收的操作線遠(yuǎn)離平衡線，吸收推動(dòng)力增加，從而導(dǎo)致吸收速率加快。（4）

59、降低吸收劑入口溶質(zhì)的濃度 當(dāng)吸收劑入口濃度降低時(shí)，液相入口處吸收的推動(dòng)力增加，從而使全塔的吸收推動(dòng)力增加。 2降低吸收過程的傳質(zhì)阻力（1）提高流體流動(dòng)的湍動(dòng)程度吸收的總阻力包括：氣相與界面的對(duì)流傳質(zhì)阻力；溶質(zhì)組分在界面處的溶解阻力；液相與界面的對(duì)流傳質(zhì)阻力。114/105凌云書屋 通常界面處溶解阻力很小，故總吸收阻力由兩相傳質(zhì)阻力的大小決定。若一相阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一相阻力，則阻力大的一相傳質(zhì)過程為整個(gè)吸收過程的控制步驟，只有降低控制步驟的傳質(zhì)阻力，才能有效地降低總阻力。 降低吸收過程傳質(zhì)阻力的具體有效措施： 1）若氣相傳質(zhì)阻力大，提高氣相的湍動(dòng)程度，如加大氣體的流速，可有效地降低吸收阻力； 2）

60、若液相傳質(zhì)阻力大，提高液相的湍動(dòng)程度，如加大液體的流速，可有效地降低吸收阻力。（2）改善填料的性能 因吸收總傳質(zhì)阻力可用 表示，所以通過采用新型填料，改善填料性能，提高填料的相際傳質(zhì)面積a，也可降低吸收的總阻力。 115/105凌云書屋2.5 吸收系數(shù) 吸收系數(shù)是反映吸收過程物系及設(shè)備傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)特性的參數(shù)，是設(shè)計(jì)計(jì)算的基本數(shù)據(jù)，其大小主要受物系的性質(zhì)、操作條件及設(shè)備結(jié)構(gòu)等三方面的影響。由于影響因素十分復(fù)雜，目前還無通用的計(jì)算方法和計(jì)算公式。一般是針對(duì)具體的物系，在一定的操作條件和設(shè)備條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理成相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式或準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式，供計(jì)算時(shí)使用。2.5.1 吸收系數(shù)的測(cè)定 吸收系數(shù)的