化工原理 A開題報(bào)告課件

化工原理APrinciplesofChemicalEngineeringA(2)第2章

吸收

通過本章學(xué)習(xí)，掌握氣體吸收的基本概念和氣體吸收過程的基本計(jì)算方法。重點(diǎn)是低濃度氣體吸收過程的計(jì)算。

2.1

吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系2.2

傳質(zhì)機(jī)理2.3

吸收速率

2.4

低濃度氣體吸收的計(jì)算

2.5

吸收系數(shù)

吸收知識點(diǎn)提要2.1.1吸收過程概述

(1).氣體吸收的原理與流程

(2).氣體吸收的工業(yè)應(yīng)用

(3).氣體吸收的分類

(4).吸收劑的選擇

2.1.2吸收過程的氣液平衡關(guān)系*

(1).氣體在液體中的溶解度

(2).亨利定律2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系(1).氣體吸收的原理與流程2.1.1吸收過程概述原理：根據(jù)混合氣體中各組分在溶劑中溶解度差異而將其分離。②吸收劑(S)：四股物流：混合氣體中，能夠顯著溶解于吸收劑的組分稱為溶質(zhì)或吸收物質(zhì)，用A表示。①混合氣體(A+B)：混合氣體中幾乎不被溶解的組分統(tǒng)稱為惰性組分或載體，用B表示。③吸收液(A+S)：吸收操作所得到的溶液。吸收A的溶劑，用S表示。④吸收尾氣(B+微量A)：被吸收后排出的氣體。

●

四股物流在吸收塔中逆流操作，單向傳質(zhì)。●

吸收液為混合物，通常還需進(jìn)一步分離(解吸)得到高純度的A。2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系吸收塔操作示意圖解吸(脫吸)：使溶質(zhì)從吸收液中釋放出來的過程。(吸收的逆過程)2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系洗油脫除煤氣中粗苯流程簡圖從合成氨原料氣中有機(jī)胺回收CO2的流程須解決的問題：1、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。(2).氣體吸收的工業(yè)應(yīng)用①凈化或精制氣體。(精制B)合成氨工藝中，采用碳酸丙烯酯(或碳酸鉀水溶液)脫除合成氣中的二氧化碳。②制取某種氣體的液態(tài)產(chǎn)品。(利用A)水吸收氯化氫氣體制取鹽酸。③回收混合氣體中所需的組分。(回收A)如上述流程用洗油回收煤氣中的苯。④工業(yè)廢氣的治理。(除去A)工業(yè)廢氣中含有SO2、H2S、HF等有害氣體，選用堿性吸收劑除去這些有害的酸性氣體。2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系(3).氣體吸收的分類①

單組分吸收與多組分吸收單組分吸收：混合氣體中只有一個組分進(jìn)入液相，其余組分不溶(或微溶)于吸收劑。②物理吸收與化學(xué)吸收③低濃度吸收與高濃度吸收(低濃度吸收時(shí)塔中的氣、液相流率均可視為常數(shù)。)④

等溫吸收與非等溫吸收本章討論單組分低濃度的等溫物理吸收過程。物理吸收：在吸收過程中，溶質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。低濃度吸收：在吸收過程中，溶質(zhì)在氣液兩相中的摩爾分率均較低(通常不超過0.1。)非等溫吸收：吸收過程中由于溶解熱或化學(xué)反應(yīng)熱使液相的溫度顯著升高的吸收操作。2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系(4).吸收劑的選擇①溶解度

吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度越大，則傳質(zhì)推動力越大，吸收速率越快，且吸收劑的耗用量越少。②選擇性

吸收劑應(yīng)對混合氣體中的溶質(zhì)組分有較大的溶解度，而對其它組分溶解度甚微，否則不能實(shí)現(xiàn)有效的分離。在吸收過程中，吸收尾氣往往為吸收劑蒸汽所飽和。故在操作溫度下，吸收劑的蒸汽壓要低，即揮發(fā)度要小，以減少吸收劑的損失量。③揮發(fā)度吸收劑在操作溫度下的粘度越低，其在塔內(nèi)的流動阻力越小，擴(kuò)散系數(shù)越大，這有助于提高傳質(zhì)速率。④粘度吸收劑應(yīng)盡可能無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。⑤其它2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系2.1.2吸收過程的氣液平衡關(guān)系溶解度(圖)與亨利定律(式)(1).氣體在液體中的溶解度

溶解度：在一定溫度和壓力下，氣液相平衡(即飽和)時(shí)，氣體在液體中的組成。●

溶解度習(xí)慣上以單位重量(或體積)的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量表示?！?/p>

氣體在液體中的溶解度通過實(shí)驗(yàn)測定。兩種表示方法：2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系氨在水中的溶解度曲線

當(dāng)從A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)稱為相際動平衡，簡稱相平衡或平衡。平衡分壓p(kPa)·在同一溶劑(水)中，相同的溫度和溶質(zhì)分壓下，不同氣體的溶解度差別很大。(A的性質(zhì))·對同一溶質(zhì)，在相同的氣相分壓下，溶解度隨溫度的升高而減小。·對同一溶質(zhì)，在相同的溫度下，溶解度隨氣相分壓的升高而增大。加壓和降溫有利于吸收操作；反之，減壓和升溫則有利于解吸操作。2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系二氧化硫在水中的溶解度曲線氧在水中的溶解度曲線對于理想溶液，在壓力不高和溫度恒定條件下，關(guān)系在整個組成范圍內(nèi)都符合亨利定律，此時(shí)亨利定律與拉烏爾定律一致，亨利系數(shù)即為該溫度下溶質(zhì)的飽和蒸汽壓。(2).亨利定律對于稀溶液或難溶氣體，平衡的氣液兩相組成間的關(guān)系用亨利(Henry)定律來描述。亨利定律有4種表達(dá)形式：①

關(guān)系

——溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa；

——溶質(zhì)在液相中的摩爾分率；

——亨利系數(shù)，kPa。實(shí)際的吸收操作所涉及的多為非理想溶液，此時(shí)亨利系數(shù)不等于純?nèi)苜|(zhì)的飽和蒸汽壓，且只在液相溶質(zhì)組成很低時(shí)才是常數(shù)。亨利系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測定，亦可從有關(guān)手冊中查得。2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系氣體種類溫度/(℃)0510152025303540455060708090100(E×10—6)/(kPa)H25.876.166.446.706.927.167.397.527.617.707.757.757.717.657.617.55N25.356.056.777.488.158.769.369.9810.511.011.412.212.712.812.812.8空氣4.384.945.566.156.737.307.818.348.829.239.5910.210.610.810.910.8CO3.574.014.484.955.435.886.286.687.057.397.718.328.578.578.578.57O22.582.953.313.694.064.444.815.145.425.705.966.376.726.967.087.10CH42.272.623.013.413.814.184.554.925.275.585.856.346.756.917.017.10NO1.711.962.212.452.672.913.143.353.573.773.954.244.444.454.584.60C2H61.281.571.922.902.663.063.473.884.294.695.075.726.316.706.967.01(E×10-5)/(kPa)C2H45.596.627.789.0710.311.612.9------------------N2O--1.191.431.682.012.282.623.06-----------------CO20.3780.81.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46--------C2H20.730.850.971.091.231.351.48------------------Cl20.2720.3340.3990.4610.5370.6040.6690.740.800.860.900.970.990.970.96--H2S0.2720.3190.3720.4180.4890.5520.6170.6860.7550.8250.6891.041.211.371.461.50(E×10-4)/(kPa)SO20.1670.2030.2450.2940.3550.4130.4850.5670.6610.7630.8711.111.391.702.01--表2-1某些氣體水溶液的亨利系數(shù)E(1)

t↑，亨利系數(shù)E↑，溶解度↓；(2)同一溶劑中，難溶氣體E大，而易溶氣體E小。②

關(guān)系——?dú)庀嘀腥苜|(zhì)的平衡分壓，kPa；——溶液中溶質(zhì)的摩爾濃度，kmol/m3；——溶解度系數(shù)，kmol/(m3·kPa)。溶解度系數(shù)H也是溫度的函數(shù)。對于一定的溶質(zhì)和溶劑，H值隨溫度升高而減小。易溶氣體的H值很大，而難溶氣體的H值則很小。溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系(課后自行推導(dǎo)):③

關(guān)系—-—液相中溶質(zhì)的摩爾分率；——與液相成平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分率；——相平衡常數(shù)(即精餾中的K)。相平衡常數(shù)m是溫度和壓力的函數(shù)，其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測得。

m值越大，表明該氣體的溶解度越??；反之，則溶解度越大?？赏频肏～m的關(guān)系為：2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系④

關(guān)系吸收中，常以惰性組分為基準(zhǔn)的摩爾比來表示氣、液相的組成。Xi

＝(液相中溶質(zhì)的摩爾數(shù))/(液相中溶劑的摩爾數(shù))＝Y(jié)i

＝(氣相中溶質(zhì)的摩爾數(shù))/(氣相中惰性組分的摩爾數(shù))＝上述二式也可變換為:和將上述兩式代入可得當(dāng)溶液組成很低，及Xi很小時(shí)，該式表明液相中溶質(zhì)組成足夠低時(shí)，平衡關(guān)系在圖中為過原點(diǎn)的直線，其斜率為m。亨利定律也可用來由氣相組成計(jì)算與之平衡的液相組成：2.1吸收過程概述與氣液平衡關(guān)系(3)氣液平衡關(guān)系的應(yīng)用相對于氣相濃度y而言，液相濃度欠飽和(x<x*)，故液相有吸收溶質(zhì)A的能力。相對于液相濃度x而言，氣相濃度為過飽和(y>y*)，溶質(zhì)A待不住，

由氣相向液相轉(zhuǎn)移。①判斷傳質(zhì)過程的方向

氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方(P點(diǎn))：yxoy*=f(x)Pyxy*x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)以x,y表示組成為例

y*=mx

x*=y/m

若y>y*，吸收過程若x>x*，解吸過程

y=y*，平衡過程x=x*，平衡過程

y<y*，解吸過程x<x*，吸收過程結(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；反之，(y,x)在平衡線下方，則發(fā)生解吸。恰好在平衡線上則達(dá)平衡。②確定傳質(zhì)推動力

比傳熱推動力T-t復(fù)雜，單位相同吸收：

y-y*>0[y–x不是推動力，因?yàn)椴煌?，不同單位？]用偏離平衡的程度表征推動力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)到平衡y*yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）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：會發(fā)生吸收還是脫吸？解：從氣相分析

y*=46.5x=46.5×0.002=0.093<y=0.105故SO2必由氣相傳遞到液相，進(jìn)行吸收。從液相分析x*=y/46.5=0.105/46.5=0.0023>x=0.002結(jié)論同上。自學(xué)【例2-1】和【例2-2】習(xí)題第1～3題前面討論的平衡關(guān)系只能回答混合氣體中溶質(zhì)氣體能否進(jìn)入液相的問題。至于如何進(jìn)入液相、速率大小，卻無法解決。它屬于傳質(zhì)機(jī)理的問題。接下來，我們將結(jié)合吸收操作來說明傳質(zhì)機(jī)理，導(dǎo)出傳質(zhì)速率方程，作為分析吸收操作與計(jì)算吸收設(shè)備的依據(jù)。氣體吸收操作是溶質(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。因此研究傳質(zhì)機(jī)理，先要搞清楚單一相（氣相或液相）的傳遞規(guī)律。

2.2.1分子擴(kuò)散現(xiàn)象與費(fèi)克(Fick)定律

(1)氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散

(2).液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散

(3).擴(kuò)散系數(shù)

2.2.2對流傳質(zhì)

(1).渦流擴(kuò)散

(2).對流傳質(zhì)

2.2傳質(zhì)機(jī)理2.2.1分子擴(kuò)散與費(fèi)克(Fick)定律分子擴(kuò)散現(xiàn)象與規(guī)律分子傳質(zhì)(分子擴(kuò)散)，簡稱為擴(kuò)散，是由于分子的無規(guī)則熱運(yùn)動而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。費(fèi)克定律：描述分子擴(kuò)散通量或速率的基本定律。

——組分A、B的擴(kuò)散通量，kmol/(m2·s)；——組分A、B在擴(kuò)散方向的濃度梯度，(kmol/m3)/m；——組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；——組分B在組分A中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。2.2傳質(zhì)機(jī)理分子擴(kuò)散現(xiàn)象對于兩組分?jǐn)U散系統(tǒng)：

=常數(shù)兩組分?jǐn)U散時(shí)，有即●費(fèi)克定律只適用于因分子無規(guī)則熱運(yùn)動而引起的擴(kuò)散過程。恒溫下，總摩爾濃度c為常數(shù)，即即在兩組分?jǐn)U散系統(tǒng)中，組分A與組分B的相互擴(kuò)散系數(shù)相等。●

只有存在濃度梯度時(shí)才會發(fā)生分子擴(kuò)散。2.2傳質(zhì)機(jī)理液體吸收氣體混合物中溶質(zhì)組分的過程：由A、B組成的氣體混合物，A可溶解于液體中，而B不能。組分A通過氣液相界面進(jìn)入液相，而組分B不能進(jìn)入液相。由于A分子不斷進(jìn)入液相，在相界面的氣相一側(cè)會留下“空穴”，根據(jù)流體連續(xù)性原則，混合氣體便會自動地向界面遞補(bǔ)，這樣就發(fā)生了A、B兩種分子并行向相界面遞補(bǔ)的運(yùn)動(混合物的總體流動)?？梢姡阂后w吸收氣體混合物中溶質(zhì)組分的過程中，在分子擴(kuò)散的同時(shí)還有流體的總體流動。2.2傳質(zhì)機(jī)理顯然：通過氣液相界面組分A的傳質(zhì)通量＝分子擴(kuò)散所形成的擴(kuò)散通量＋總體流動所形成的總體流動通量注意：——組分A的傳質(zhì)通量，kmol/(m2·s)；——混合物的總傳質(zhì)通量，kmol/(m2·s)；——組分A的摩爾分率。(費(fèi)克定律的普遍表達(dá)式)由于組分B不能通過相界面，當(dāng)組分B隨總體流動運(yùn)動到相界面后，又以分子擴(kuò)散形式返回氣相主體中，故組分B的傳質(zhì)通量為零。2.2傳質(zhì)機(jī)理(1).氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散①

等分子反方向擴(kuò)散兩容器內(nèi)：·pA1>pA2，pB2>pB1

對于等分子反方向擴(kuò)散過程，有代入式，可得：·溫度及總壓相同此式為等分子反方向穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的傳質(zhì)通量微分表達(dá)式。為了方便的計(jì)算組分A的傳質(zhì)通量，需根據(jù)邊界條件進(jìn)行積分。2.2傳質(zhì)機(jī)理等分子反方向擴(kuò)散示意圖積分上式的邊界條件：(2)時(shí)，

時(shí)，積分得式中該式中的摩爾濃度若用分壓表示有時(shí)會更方便：氣相按理想氣體混合物處理，有：上兩式為等分子反方向穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的傳質(zhì)通量表達(dá)式，用以計(jì)算組分A的傳質(zhì)通量。2.2傳質(zhì)機(jī)理②

一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散(有主體流動)例如用水吸收空氣中氨的過程，氣相中氨(組分A)通過不擴(kuò)散的空氣(組分B)擴(kuò)散至氣液相界面，然后溶于水中，而空氣在水中可認(rèn)為是不溶解的，故它并不能通過氣液相界面，而是“停滯”不動的。對于A組分通過另一停滯組分B的擴(kuò)散：此即實(shí)際的氣體吸收過程。此式為A組分通過停滯組分B穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的傳質(zhì)通量微分表達(dá)式。同樣，為了方便的計(jì)算組分A的傳質(zhì)通量，需根據(jù)邊界條件進(jìn)行積分。2.2傳質(zhì)機(jī)理

為了與等分子反方向擴(kuò)散式進(jìn)行比較，上式作如下處理：

時(shí)，當(dāng)

時(shí)，式積分的邊界條件：積分得或此兩式為組分A通過停滯組分B的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散傳質(zhì)通量表達(dá)式，依此可計(jì)算組分A的傳質(zhì)通量。因?yàn)閿U(kuò)散過程中總壓p不變，故有及其中稱為組分B的對數(shù)平均分壓。代入上式得：2.2傳質(zhì)機(jī)理一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散示意圖，這表明由于有主體流動而使物質(zhì)A的傳遞速率較之單純的分子擴(kuò)散要大一些。因?yàn)橹黧w流動對傳質(zhì)速率的影響可以忽略。討論:A、B組分等分子反方向擴(kuò)散(僅分子擴(kuò)散)，其通量A組分通過停滯組分B的擴(kuò)散(分子擴(kuò)散和主體流動)，其通量反映了主體流動對傳質(zhì)速率的影響，稱為“漂流因數(shù)”。，所以漂流因數(shù)1)2)3)4)當(dāng)混合氣體中組分A的濃度很低時(shí)，，因而，2.2傳質(zhì)機(jī)理(3).液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散液體中的擴(kuò)散機(jī)理較為復(fù)雜，對其擴(kuò)散規(guī)律遠(yuǎn)不及氣體研究的充分，因此只能仿效氣體中的速率關(guān)系式寫出液體中的相應(yīng)關(guān)系式。①

等分子反方向擴(kuò)散②

一組分通過另一停滯組分的擴(kuò)散——組分A在溶劑B中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s——溶液的總濃度，，kmol/m3

——停滯組分B的對數(shù)平均摩爾濃度，kmol/m32.2傳質(zhì)機(jī)理(4).擴(kuò)散系數(shù)D

擴(kuò)散系數(shù)是物質(zhì)的特性常數(shù)之一。同一物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)隨介質(zhì)的種類、溫度、壓力及濃度的不同而變化。物質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測得，或從有關(guān)的資料中查得，有時(shí)也可由公式計(jì)算，詳細(xì)內(nèi)容參考有關(guān)書籍。一些物質(zhì)在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)(0℃，101.3kPa)擴(kuò)散物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)/(cm2/s)擴(kuò)散物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)/cm2/s)H2N2O2CO2HClSO2SO3NH30.6110.1320.1780.1380.1300.1030.0950.170H2OC6H6C7H8CH3OHC2H5OHCS2C2H5OC2H50.2200.0770.0760.1320.1020.0890.0782.2傳質(zhì)機(jī)理擴(kuò)散系數(shù)/(m2/s)擴(kuò)散系數(shù)/(m2/s)一些物質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù)(20℃，稀溶液)2.601.351.511.560.881.281.000.870.770.840.45HNO3NaClNaOHC2H2CH3COOHCH3OHC2H5OHC3H7OHC4H9OHC6H5OHC12H22O11(蔗糖)1.801.501.511.761.221.205.131.642.641.411.73O2CO2N2ONH3Cl2Br2H2N2HClH2SH2SO4擴(kuò)散物質(zhì)擴(kuò)散物質(zhì)2.2傳質(zhì)機(jī)理2.2.2對流傳質(zhì)(1).渦流擴(kuò)散分子擴(kuò)散只有在固體、靜止或?qū)恿髁鲃拥牧黧w內(nèi)才會單獨(dú)發(fā)生。在湍流流體中，由于存在旋渦運(yùn)動，引起各部位流體間的劇烈混合，在有濃度差存在的條件下，物質(zhì)便朝著濃度降低的方向進(jìn)行傳遞。這種憑籍流體質(zhì)點(diǎn)的湍動和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象，稱為渦流擴(kuò)散。渦流擴(kuò)散通量表達(dá)式為—渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s注：分子擴(kuò)散系數(shù)DAB是物質(zhì)的物理性質(zhì)，它僅與溫度、壓力及組成等因素有關(guān)；而渦流擴(kuò)散系數(shù)DE與流體的性質(zhì)無關(guān)，它與湍動的強(qiáng)度、流道中的位置、壁面粗糙度等因素有關(guān)。

2.2傳質(zhì)機(jī)理(2).對流傳質(zhì)前面討論的分子擴(kuò)散是由于濃度梯度所引起的質(zhì)量傳遞。

對流傳質(zhì)是指運(yùn)動著的流體與壁面發(fā)生的質(zhì)量傳遞或兩個有限互溶的運(yùn)動流體之間發(fā)生的質(zhì)量傳遞。

顯然：對流傳質(zhì)過程中，一方面由于有濃度梯度，物質(zhì)以分子擴(kuò)散方式傳遞；另一方面，流體在運(yùn)動過程中，也必然將物質(zhì)從一處向另一處傳遞。因此，對流傳質(zhì)的速率不僅與質(zhì)量傳遞的特性因素(如擴(kuò)散系數(shù))有關(guān)，而且與動量傳遞的動力學(xué)因素(如流速)等密切相關(guān)。2.2傳質(zhì)機(jī)理——組分A在界面處的濃度與流體主體濃度之差，kmol/m3

——對流傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s·△c)(對流傳質(zhì)速率方程)與界面的幾何形狀、流體的物性、流型以及濃度差等因素有關(guān)，其中流型的影響最為顯著。習(xí)題第4～5題自學(xué)【例2-3】和【例2-4】與描述對流傳熱的基本方程，即牛頓冷卻定律相對應(yīng)，描述對流傳質(zhì)的基本方程為：將一勺砂糖投于杯水中，片刻后整杯的水都會變甜，這就是分子擴(kuò)散；若用勺攪動杯中水，則將甜得更快更均勻，那便是對流傳質(zhì)。2.3.1吸收過程的機(jī)理

(1).雙膜模型*

(2).溶質(zhì)滲透模型

(3.)表面更新模型2.3.2吸收速率方程式

(1).膜吸收速率方程式

(2).總吸收速率方程式*

(3).吸收速率方程式小結(jié)2.3吸收速率2.3.1吸收過程的機(jī)理吸收是氣液兩相間的對流傳質(zhì)。求解對流傳質(zhì)模型，即可得出對流傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算式。對流傳質(zhì)的關(guān)鍵是確定對流傳質(zhì)系數(shù)。

對流傳質(zhì)系數(shù)的確定往往非常復(fù)雜。為使問題簡化，可對對流傳質(zhì)過程作一定假定，建立描述對流傳質(zhì)的模型，即對流傳質(zhì)模型或吸收機(jī)理。溶質(zhì)滲透模型(Higbie)表面更新模型(Danckwerts)雙膜模型(Whiteman)*2.3吸收速率(1).雙膜模型(Whiteman，1923年)*雙膜理論三要點(diǎn)①當(dāng)氣液兩相相互接觸時(shí)，在氣液兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面的兩側(cè)各有一個很薄的停滯膜，氣相一側(cè)的稱為“氣膜”，液相一側(cè)的稱為“液膜”，溶質(zhì)A經(jīng)過兩膜層的傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散。②在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態(tài)。③在氣膜、液膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體的強(qiáng)烈湍動，各處濃度均勻一致。整個相際傳質(zhì)過程的阻力全部集中在兩個停滯膜層內(nèi)。因此，雙膜模型又稱為雙阻力模型。2.3吸收速率雙膜模型示意圖雙膜模型的求解在停滯膜層內(nèi)進(jìn)行分子傳質(zhì)，對于組分A：

對流傳質(zhì)速率方程又可表示為：比較得：表示氣膜內(nèi)的對流傳質(zhì)系數(shù)表示液膜內(nèi)的對流傳質(zhì)系數(shù)通過氣膜的擴(kuò)散通量為：通過液膜的擴(kuò)散通量為：通過氣膜的傳質(zhì)通量為：通過液膜的傳質(zhì)通量為：2.3吸收速率雙膜模型示意圖(2).溶質(zhì)滲透模型(Higbie，1935年)(3).表面更新模型(Danckwerts

，1951年)2.3吸收速率液體在向下流動過程中每隔一定時(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傳質(zhì)的作用。流體在流動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)為表面更新是隨機(jī)進(jìn)行的過程。溶質(zhì)滲透時(shí)間更新頻率，單位時(shí)間內(nèi)表面被更新的百分率式中氣膜吸收系數(shù)的倒數(shù)表示吸收質(zhì)通過氣膜的傳質(zhì)阻力。2.3.2吸收速率方程式速率方程通式：過程速率＝過程推動力/過程阻力推動力為濃度差，阻力的倒數(shù)為吸收系數(shù)。吸收速率＝吸收系數(shù)×濃度差(1).膜吸收速率方程式

1)氣膜吸收速率方程式——?dú)饽の障禂?shù)，kmol/(m2·s·kPa)——A在氣相主體中的分壓與相界面處的分壓差，kPa

注意：吸收過程：2.3吸收速率氣相組成以摩爾分率表示時(shí)：對于理想氣體，有和相應(yīng)的氣膜吸收速率方程式為2.3吸收速率2)液膜吸收速率方程式——液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2·s·kmol/m3)或m/s

——溶質(zhì)A在相界面處的摩爾濃度與液相主體中的摩爾濃度差，kmol/m3

當(dāng)液相組成以摩爾分率表示時(shí)2.3吸收速率3)界面濃度在穩(wěn)態(tài)下，氣、液兩膜中的傳質(zhì)速率相等，由此可得：可見在直角坐標(biāo)系中，界面濃度pAi~cAi

間的關(guān)系是一條通過定點(diǎn)A(cA，pA)，斜率為-kL/kG的直線。

所以，該直線與平衡線OE交點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)便分別是界面上的液相摩爾濃度圖中OE為氣液平衡線。相界面上的氣相濃度pAi與液相濃度cAi為平衡關(guān)系，低濃度下滿足亨利定律pAi=cAi/H。由于界面濃度難以測定，為此將之與主體濃度關(guān)聯(lián)，界面濃度pAi、cAi與主體濃度pA、cA有怎樣的關(guān)系呢？2.3吸收速率界面濃度的確定(2).總吸收速率方程式與間壁傳熱中壁面溫度難以測定一樣，界面濃度通常也是難以測定的。對于吸收過程，同樣可以采用兩相主體組成的某種差值來表示總推動力，從而寫出相應(yīng)的總吸收速率方程式。在研究間壁傳熱速率時(shí)，為了避開難以測定的壁面溫度，引入了總傳熱速率、總傳熱系數(shù)、總傳熱推動力等概念。總推動力可以用氣相分壓差或濃度差表示，如總推動力也可以用液相濃度差表示，如2.3吸收速率—與液相主體濃度成平衡的氣相分壓,kPa

1)以()表總推動力的吸收速率方程式由亨利定律(表示氣液平衡關(guān)系)由雙膜模型，相界面上達(dá)平衡，則找的表達(dá)式：令(氣相總吸收速率方程式)—?dú)庀嗫偽障禂?shù)，kmol/(m2·s·kPa)2.3吸收速率界面濃度的確定以濃度差表示的氣液兩相總推動力③.對于易溶氣體，H值很大，若kL

與kG

數(shù)量級相同或接近，則

，總阻力，即，此時(shí)傳質(zhì)總阻力主要存在于氣膜中，液膜阻力可忽略。②.因?yàn)?，故總阻?/p>

由氣膜阻力和液膜阻力組成。①.總吸收速率方程中，總吸收系數(shù)的倒數(shù)為兩膜總阻力。

討論:④.易溶氣體吸收的總推動力主要用來克服氣膜阻力，這種情況稱為“氣膜控制”。如用水吸收氨、氯化氫等過程?？杉哟髿饽ね膭映潭纫蕴岣呖倐髻|(zhì)系數(shù)。

⑤.對于氣膜控制過程，有。2.3吸收速率0EPI（a)氣膜控制

2)以()表示總推動力的吸收速率方程式同理，可導(dǎo)出以為總推動力的吸收速率方程式：

其中—液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2·s·kmol/m3)或m/s

—與氣相分壓成平衡的液相摩爾濃度,kmol/m3

2.3吸收速率對于中等溶解度的氣體吸收，氣膜、液膜阻力均不可忽略，為雙膜控制，如水吸收二氧化硫。必須同時(shí)增大氣液兩相湍流程度，才能提高總傳質(zhì)系數(shù)。②

總阻力

由氣膜阻力和液膜阻力兩部分組成，即。①

總吸收速率方程中，總吸收系數(shù)的倒數(shù)為兩膜總阻力。

③

對于難溶氣體，H值很小，若kL

與kG

數(shù)量級相同或接近，則有

，此時(shí)總阻力，即，傳質(zhì)總阻力主要在于液膜中，氣膜阻力可忽略。④

此時(shí)吸收的總推動力主要用來克服液膜阻力，這種情況稱為“液膜控制”。如用水吸收氧、二氧化碳等過程。可加大液膜湍動程度以提高總傳質(zhì)系數(shù)。討論:⑤對于液膜控制過程，有。2.3吸收速率3)以()表示總推動力的吸收速率方程式

由亨利定律，有由雙膜理論，有該式與式相加得：令——?dú)庀嗫偽障禂?shù)，kmol/(m2·s)——與液相主體摩爾分率成平衡的氣相摩爾分率式中總吸收系數(shù)的倒數(shù)為吸收總阻力，等于兩膜阻力之和。4)以()表示總推動力的吸收速率方程式同理，可導(dǎo)出式中——液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2·s)——與氣相主體摩爾分率成平衡的液相摩爾分率比較式2.3吸收速率——?dú)庀嗫偽障禂?shù)，kmol/(m2·s)當(dāng)吸收質(zhì)在氣相中的組成很低時(shí)，和都很小，式右端的分母接近于1，于是：——與液相組成成平衡的氣相組成5)以()、()表示總推動力的吸收速率方程式

由道爾頓分壓定律：同理令將兩式代入式中總吸收系數(shù)的倒數(shù)為兩膜總阻力。采用類似的方法可導(dǎo)出式中——液相總吸收系數(shù)，kmol/(m2·s)——與氣相組成成平衡的液相組成式中總吸收系數(shù)的倒數(shù)為兩膜總阻力。同樣，當(dāng)溶質(zhì)在液相中的組成很低時(shí)，有2.3吸收速率(3).吸收速率方程式小結(jié)

基于不同形式的推動力，具有相對應(yīng)的吸收速率方程式：使用總吸收速率方程式應(yīng)注意：

④吸收速率方程式，都是以氣液組成保持不變?yōu)榍疤幔虼酥贿m合于描述穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔內(nèi)任一橫截面上的速率關(guān)系，而不能直接用來描述全塔的吸收速率。在塔內(nèi)不同橫截面上的氣液組成各不相同，其吸收速率也不相同。①上述各總吸收速率方程式等效，均可計(jì)算吸收過程的速率。②任何吸收系數(shù)的單位都是kmol/(m2·s·單位推動力)，吸收系數(shù)與吸收推動力對應(yīng)正確搭配。③吸收系數(shù)的倒數(shù)為吸收過程的阻力，須與推動力的表達(dá)形式對應(yīng)。⑤在使用與總吸收系數(shù)相對應(yīng)的吸收速率方程式時(shí)，在整個過程所涉及的組成范圍內(nèi)，平衡關(guān)系須為直線。氣液膜：總傳質(zhì)：習(xí)題

第7題2.3吸收速率傳質(zhì)速率與對應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)單位一覽表氣膜傳質(zhì)系數(shù)kGkmol/(m2﹒s﹒kPa)

kykmol/(m2﹒s)

kYkmol/(m2﹒s)液膜傳質(zhì)系數(shù)kLkmol/(m2﹒s﹒kmol/m3)

kykmol/(m2﹒s)

kYkmol/(m2﹒s)氣相傳質(zhì)系數(shù)KLkmol/(m2﹒s﹒kPa)

Kykmol/(m2﹒s)KYkmol/(m2﹒s)液相傳質(zhì)系數(shù)kLkmol/(m2﹒s﹒kmol/m3)

kykmol/(m2﹒s)

kYkmol/(m2﹒s)溶解度系數(shù)Hkmol/(m3﹒kPa)氣相平衡常數(shù)m1氣相總壓力pkPa液相總濃度ckmol（溶質(zhì)+溶劑）/m3項(xiàng)目符號單位傳質(zhì)速率方程及其傳質(zhì)系數(shù)相互關(guān)系傳質(zhì)速率方程氣膜液膜總總傳質(zhì)系數(shù)特殊情況易溶氣體難溶氣體氣膜控制液膜控制分壓、摩爾濃度形式摩爾分率形式摩爾比形式傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系低濃度時(shí)2.4.1物料衡算與操作線方程*

(1).物料衡算

(2).吸收塔的操作線方程2.4.2吸收劑用量的確定*

(1).最小液氣比

(2).適宜的液氣比2.4.3塔徑的計(jì)算

2.4.4吸收塔有效高度的計(jì)算

（一）傳質(zhì)單元數(shù)法*

(1).基本計(jì)算式

(2).傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)

(3).傳質(zhì)單元數(shù)的求法（二）等板高度法

(1).基本計(jì)算式

(2).理論級數(shù)的確定2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算2.4.1物料衡算與操作線方程(1).物料衡算在吸收塔的兩端面間，對溶質(zhì)A作物料衡算，可得V——單位時(shí)間通過吸收塔的惰性氣體量，kmol(B)/s；L——單位時(shí)間通過吸收塔的溶劑量，kmol(S)/s；Y1、Y2——進(jìn)塔、出塔氣體中溶質(zhì)組分的摩爾比，kmol(A)/kmol(B)；X1、X2——出塔、進(jìn)塔液體中溶質(zhì)組分的摩爾比，kmol(A)/kmol(S)。圖所示為一個處于穩(wěn)態(tài)操作下的逆流接觸吸收塔。下標(biāo)“1”表示塔底截面，下標(biāo)“2”表示塔頂截面，m-n為塔內(nèi)的任一截面。但通常已知溶質(zhì)A的回收率φA

，其定義為。由上述二式可求得塔底排出吸收液的組成X1

。式中X1

通常為所求，通常V，Y1，L，X2

為已知，而Y2未知。全塔物料衡算求端值X1：2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算(2).吸收塔的操作線方程

吸收塔內(nèi)任一橫截面上，氣相組成Y與液相組成X之間的關(guān)系稱為操作關(guān)系，描述該關(guān)系的方程即為操作線方程。在m-n截面與塔底端面之間對組分A進(jìn)行衡算，可得同理，在m-n截面與塔頂端面之間作組分A的衡算，得上述二式是等效的，皆稱為逆流吸收塔的操作線方程。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算逆流吸收塔物料衡算示意圖圖中的曲線OE為相平衡曲線。由操作線方程或可知：塔內(nèi)任一橫截面上的氣相組成Y

與液相組成X

成線性關(guān)系，直線的斜率為L/V，該直線通過點(diǎn)B(X1，Y1)及點(diǎn)T(X2，Y2)。圖中的直線BT即為逆流吸收塔的操作線。操作線BT上任一點(diǎn)A的坐標(biāo)(X，Y)代表塔內(nèi)相應(yīng)截面上液、氣組成X、Y；端點(diǎn)B代表填料層底部端面，即塔底的情況，該處具有最大的氣液組成，故稱之為“濃端”；端點(diǎn)T代表填料層頂部端面，即塔頂?shù)那闆r，該處具有最小的氣液組成，故稱之為“稀端”。吸收操作時(shí)，在塔內(nèi)任一截面上，溶質(zhì)在氣相中的實(shí)際組成Y總是高于與其相接觸的液相平衡組成，所以吸收操作線BT總是位于平衡線OE的上方。反之，如果操作線位于相平衡曲線的下方，則應(yīng)進(jìn)行脫吸過程。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算逆流吸收塔操作線2.4.2吸收劑用量的確定在氣量V一定的情況下，確定吸收劑的用量也即確定液氣比

L/V。仿照精餾中的確定方法，先求出吸收過程的最小液氣比，然后再根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，確定適宜(操作)液氣比。(1).最小液氣比

如圖，Y1、Y2及X2已知時(shí)，操作線的端點(diǎn)T固定，隨著X1的變化端點(diǎn)B則可在Y＝Y(jié)1的水平線上移動。操作線斜率L/V稱為液氣比，它反映單位氣體處理量的溶劑消耗量的大小。B點(diǎn)的橫坐標(biāo)取決于操作線斜率L/V，若V值一定，則取決于吸收劑用量L的大小。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算吸收塔最小液氣比上述表示一種極限情況。此種狀況下吸收操作線TB*的斜率稱為最小液氣比，；相應(yīng)的吸收劑用量即為最小吸收劑用量，。點(diǎn)B移至水平線Y＝Y(jié)1與平衡線OE的交點(diǎn)B*時(shí)，X1=X1*，即塔底液組成與剛進(jìn)塔的混合氣組成Y1達(dá)到平衡。這是理論上吸收液所能達(dá)到的最高組成，但此時(shí)吸收過程的推動力已變?yōu)榱悖蚨枰獰o限大的相際接觸面積。

V為定值時(shí)，L減小，斜率L/V變小，點(diǎn)B向右平移，吸收液的組成增大，推動力減小。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算吸收塔最小液氣比若平衡關(guān)系可用表示，則可直接用下式計(jì)算最小液氣比：最小液氣比和最小吸收劑用量可用圖解法求得：由左圖可得2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算吸收塔最小液氣比(2).適宜的液氣比

吸收劑用量越小，溶劑的消耗、輸送及回收等操作費(fèi)用減少，但吸收過程的推動力減小，所需的填料層高度及塔高增大，設(shè)備費(fèi)用增加。反之，增大吸收劑用量，吸收過程的推動力增大，所需的填料層高度及塔高降低，設(shè)備費(fèi)減少，但溶劑的消耗、輸送及回收等操作費(fèi)用增加。選擇適宜的液氣比，應(yīng)使設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)之和最小。

一般情況：

或：在填料吸收塔中，填料表面必須被液體潤濕，才能起到傳質(zhì)作用。為了保證填料表面能被液體充分地潤濕，液體量不得小于某一最低允許值。如果按上式算出的吸收劑用量不能滿足充分潤濕填料的起碼要求，則應(yīng)采用較大的液氣比。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算(3)雙塔吸收操作線畫法2.4.3塔徑的計(jì)算2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算式中Vs——為操作條件下氣體的體積流量，m3/su——適宜的空塔氣速，m/s設(shè)dGA

為單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的溶質(zhì)A的量，[kmol/s]

2.4.4吸收塔有效高度的計(jì)算*吸收塔有效高度指塔內(nèi)進(jìn)行氣液傳質(zhì)部分的高度，即填料層高度。填料層高度的計(jì)算有傳質(zhì)單元數(shù)法和等板高度法。(一)傳質(zhì)單元數(shù)法(1).基本計(jì)算式物料衡算、傳質(zhì)速率與相平衡三種關(guān)系式

計(jì)算依據(jù)：對微元填料層進(jìn)行物料衡算：則有：(從塔底向塔頂dY、dX

均為負(fù)值)

2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算微元填料層在微元填料層內(nèi)，氣、液組成變化很小，吸收速率NA取定值，有：dA

為微元填料層內(nèi)的傳質(zhì)面積，[m2]設(shè)α為填料的有效比表面積(單位體積填料層所提供的有效傳質(zhì)面積)，[m2/m3]

Ω為吸收塔截面積，[m2]

dZ為微元填料層高度，[m]則：2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算將吸收速率方程式

代入式得：和

定態(tài)操作下，對于低濃度吸收過程，L、V、a以及Ω皆不隨時(shí)間而變化，且不隨截面位置而改變，KY

及KX

也可視為常數(shù)。全塔范圍內(nèi)積分上述二式：

微分式2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算

填料層高度的基本計(jì)算公式：1)二式中的有效比表面積α總要小于填料的比表面積σ。

2)α值難測量，常將其與吸收系數(shù)的乘積視為一體，稱為“體積吸收系數(shù)”。(KYa為氣相總體積吸收系數(shù)，KXa為液相總體積吸收系數(shù)，單位均為kmol/(m3·s))

注意3)體積吸收系數(shù)的物理意義：在單位推動力下，單位時(shí)間單位體積填料層內(nèi)所吸收溶質(zhì)的量。積分式2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算填料層總高度的積分式

，即具有高度的單位，定義其為“氣相總傳質(zhì)單元高度”，以HOG表示，即有：

積分項(xiàng)中的分子與分母具有單位相同，故整個積分為無因次的數(shù)值，它代表所需填料層總高度Z

相當(dāng)于氣相總傳質(zhì)單元高度HOG

的倍數(shù)，定義為“氣相總傳質(zhì)單元數(shù)”，以NOG表示，即有：(2).傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)①

傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的定義

項(xiàng)的單位為2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算于是，同理：若總吸收系數(shù)與總推動力分別用膜系數(shù)及其相應(yīng)的推動力代替時(shí)，則可得出：——

分別為氣相傳質(zhì)單元高度和液相傳質(zhì)單元高度，[m]——分別為氣相傳質(zhì)單元數(shù)和液相傳質(zhì)單元數(shù)，[-]由此得填料層高度計(jì)算的通式：

填料層高度＝傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算②

傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的物理意義

假定某吸收過程所需的填料層高度恰等于一個氣相總傳質(zhì)單元高度，即此時(shí)

推動力(Y－Y*)是變化的，但可用一個平均值(Y－Y*)m來代替使積分值保持不變，即

于是2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度

可見，若氣體流經(jīng)一段填料層前后的組成變化恰好等于此段填料層內(nèi)以氣相組成差表示的總推動力的平均值(Y-Y*)m

，則這段填料層高度就是一個氣相總傳質(zhì)單元高度。

即NOG=2時(shí)，即Y1-Y2=2(Y-Y*)m時(shí)的情況，如右圖所示。此時(shí)Z=2HOG。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算

即傳質(zhì)單元高度為體積吸收系數(shù)的倒數(shù)。因此吸收過程的傳質(zhì)阻力越大，填料層有效比表面越小，則每個傳質(zhì)單元所相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨染驮酱蟆?/p>

傳質(zhì)追求的目標(biāo)：HOG盡可能小(高效低阻填料)。傳質(zhì)單元高度的影響因素：傳質(zhì)單元高度的值可從有關(guān)資料查得或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算

傳質(zhì)單元數(shù)代表所需填料層總高度Z相當(dāng)于氣相總傳質(zhì)單元高度HOG的倍數(shù)，它反映吸收過程進(jìn)行的難易程度。

生產(chǎn)任務(wù)所要求的氣體組成變化越大，吸收過程的平均推動力越小，則意味著過程的難度越大，此時(shí)所需的傳質(zhì)單元數(shù)也就越大。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算計(jì)算填料層高度的關(guān)鍵：(i)解析法①脫吸因數(shù)法

設(shè)平衡關(guān)系為直線方程：

則由操作線方程：求取傳質(zhì)單元數(shù)的方法：包括脫吸因數(shù)法和對數(shù)平均推動力法代入上式得：求取傳質(zhì)單元數(shù)NOG解析法和梯級圖解法(3).傳質(zhì)單元數(shù)的求法

2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算令則在半對數(shù)坐標(biāo)上以S為參數(shù)，按上式標(biāo)繪出的函數(shù)關(guān)系。

S為平衡線斜率與操作線斜率的比值，稱為脫吸因數(shù)，[-]

2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算

已知V、L、Y1、Y2、X2及平衡線斜率m，便可求出S及，進(jìn)而可從圖中讀出NOG數(shù)值。

適用范圍：關(guān)系圖

討論：橫坐標(biāo)

值的大小，反映了溶質(zhì)吸收率的高低。

在氣液進(jìn)出口濃度一定的情況下，吸收率愈高，Y2愈小，橫坐標(biāo)的數(shù)值愈大，對應(yīng)于同一S值的NOG愈大。S反映吸收推動力的大小

在氣液進(jìn)出口濃度及溶質(zhì)吸收率已知的條件下，若增大S值，也就是減小液氣比L/V，則溶液出口濃度提高X1，塔內(nèi)吸收推動力變小，NOG值增大。

2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算(1)對一固定吸收塔操作進(jìn)行分析，當(dāng)NOG已確定時(shí)，S值越小，愈大，愈能提高吸收的程度。

減小S增大液氣比

吸收劑用量L增大，能耗加大，吸收液濃度X1降低

適宜的S值：S=0.7~0.8

2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算同理，可導(dǎo)出液相總傳質(zhì)單元數(shù)NOL的計(jì)算式如下：式中

，具有同樣的函數(shù)形式?？梢酝茖?dǎo)出NOG與NOL有如下關(guān)系：為脫吸因數(shù)S的倒數(shù)，稱為吸收因數(shù)。注意：

區(qū)別HOG，HOL與理論板、等板高度HETP；區(qū)別NOG，NOL與NT。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算

例1

某生產(chǎn)車間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.5m，進(jìn)料混合氣組成為0.04（組分A的摩爾分率，下同），出塔尾氣組成為0.0053，出塔水溶液濃度為0.0128，操作條件下的平衡關(guān)系為Y*=2.5X（X、Y均為摩爾比），試求：1）L/V為(L/V)min的多少倍？2）所需填料層高度為多少米？3）若氣液流量和初始組成均不變，要求最終的尾氣排放濃度降至0.0033，請分析此時(shí)所需填料層高度如何變化？設(shè)計(jì)型計(jì)算解：1）L/V為(L/V)min的倍數(shù)

X2=0設(shè)計(jì)型計(jì)算2）所需填料層高度

脫吸因數(shù)法

Z=HOGNOG=1.5X5.11=7.67m設(shè)計(jì)型計(jì)算3)尾氣濃度下降后所需的填料層高度尾氣濃度Z=HOGNOG=1.5X7.52=11.28m由計(jì)算可知，Y2降低，吸收難度增大，需要更高的填料層高度。思路：1）已知L/V、m、吸收率脫吸因數(shù)法求NOGV改變HOG變塔高不變求N’OG脫吸因數(shù)法求改變后的吸收率2）V不變脫吸因數(shù)法求改變后的S求LNOG不變Z不變操作型計(jì)算操作型計(jì)算舉例例2某吸收塔在101.3kPa、293K下用清水逆流吸收丙酮

空氣混合氣體（可視為低濃度氣體）中的丙酮。當(dāng)操作液氣比為2.1時(shí)，丙酮回收率?可達(dá)95%。已知物系平衡關(guān)系為y*=1.18x，吸收過程大致為氣膜控制，氣相總傳質(zhì)系數(shù)Kya

V0.8。今氣體流量增加20%，而液量及氣液進(jìn)口濃度不變，試求：

(1)回收率變?yōu)槎嗌伲?/p>

(2)單位時(shí)間內(nèi)被吸收的丙酮量增加多少？y=1.18xKya

V0.8氣體流量增加20%操作型計(jì)算解：(1)回收率變?yōu)槎嗌?？原工況下：新工況下：

y=1.18xKya

V0.8氣體流量增加20%(2)單位時(shí)間內(nèi)被吸收的丙酮量增加多少？測驗(yàn)題1、填料層高度的計(jì)算將要涉及_______、_________與_______這3種關(guān)系式的應(yīng)用。2、傳質(zhì)單元數(shù)反映________。傳質(zhì)單元數(shù)則與設(shè)備的型式、設(shè)備中的操作條件有關(guān)，用______表示，它是吸收設(shè)備性能高低的反映。3、當(dāng)填料層高度等于傳質(zhì)單元高度時(shí)，則該段填料層的傳質(zhì)單元數(shù)=

，進(jìn)出該填料段的氣體摩分?jǐn)?shù)之差等于

。②對數(shù)平均推動力法

在中，m為平衡線的斜率，V/L為操作線斜率的倒數(shù)，即有：和所以YY1Y2XX2X2*X1X1*操作線平衡線Y2*Y1*2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算代入式中稱為對數(shù)平均推動力。

同理，可導(dǎo)出液相總傳質(zhì)單元數(shù)NOL的計(jì)算式：式中2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算③.圖解積分法

當(dāng)平衡線為曲線、不能用較簡單確切的函數(shù)式表達(dá)時(shí)，通常可采用圖解積分法求解傳質(zhì)單元數(shù)。圖解積分法的關(guān)鍵在于找到若干點(diǎn)與積分變量Y相對應(yīng)的被積函數(shù)的值。即:在操作線和平衡線上得若干組與Y相應(yīng)的值1/(Y-Y*)；YXoY*=f(X)BY1X1X2Y2TYXX*Y*OY-Y*X*-XYoY11/(Y-Y*)2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算

④梯級圖解法(Baker法)

OE為平衡線，BT為操作線，二線段間的豎直線段BB*、AA*、TT*等表示各相應(yīng)橫截面上的氣相總推動力(Y-Y*)，各豎直線段中點(diǎn)的連線為曲線MN。

從塔頂T出發(fā)，作水平線交MN于點(diǎn)F，延長TF至F'，使FF'＝TF，過點(diǎn)F'作豎直線交BT于點(diǎn)A。再從點(diǎn)A出發(fā)作水平線交MN于點(diǎn)S，延長AS至點(diǎn)S'，使SS'＝AS，過點(diǎn)S'作豎直線交BT于點(diǎn)D。再從點(diǎn)D出發(fā)……。直至達(dá)到或超過操作上代表塔底B為止，所畫梯級數(shù)即為NOG。

2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算梯級圖解法求NOG

測驗(yàn)題1、對于低濃度氣體吸收操作，在求傳質(zhì)單元數(shù)時(shí)，解析法的適用條件是

。對數(shù)平均推動力法的適用條件是

，梯級圖解法的適用條件是________

__

。圖解積分法的適用條件是

。(二)等板高度法

依據(jù)理論級的概念來計(jì)算填料層高度。

(1).基本計(jì)算式

吸收塔的理論級數(shù)設(shè)填料層由N級組成，吸收劑從塔頂進(jìn)入第1級，逐級向下流動，最后從塔底第N級流出。若離開某一級時(shí)，氣液兩相的組成達(dá)到平衡，則稱該級為一個理論級。

原料氣則從塔底進(jìn)入第N級，逐級向上流動，最后從塔頂?shù)?級排出。在每一級上，氣液兩相密切接觸，溶質(zhì)組分由氣相向液相轉(zhuǎn)移。2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算

設(shè)完成指定的分離任務(wù)所需的理論級為NT，則所需的填料層高度可按下式計(jì)算，即式中HETP——等板高度，m等板高度由實(shí)驗(yàn)測定或由經(jīng)驗(yàn)公式估算。

(2).理論級數(shù)的確定

等板高度法的關(guān)鍵：

首先在直角坐標(biāo)系中標(biāo)繪出操作線及平衡關(guān)系曲線，如圖所示，圖中BT為操作線，OE為平衡線。

然后，在操作線與平衡線之間，從塔頂(或塔底)開始逐次畫階梯直至與塔底(或塔頂)的組成相等或超過此組成為止。

如此所畫出的階梯數(shù)，就是吸收塔所需的理論級數(shù)。

①梯級圖解法

②解析法自學(xué)(將在分離工程課程中學(xué)習(xí))教材例【2-9】和【2-10】習(xí)題第10、11、14題梯級圖解法求理論級數(shù)確定完成指定分離任務(wù)所需的理論級數(shù)2.4低濃度氣體吸收的計(jì)算2.5.1吸收系數(shù)的測定2.5.2吸收系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式

(1).用水吸收氨

(2).常壓下用水吸收二氧化碳

(3).用水吸收二氧化硫2.5.3吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式

(1).計(jì)算氣膜吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式

(2).計(jì)算液膜吸收系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式2.5吸收系數(shù)*物系的性質(zhì)填料的結(jié)構(gòu)設(shè)備結(jié)構(gòu)操作條件塔內(nèi)流體的流動狀況吸收系數(shù)的來源：實(shí)驗(yàn)測定經(jīng)驗(yàn)公式準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式吸收系數(shù)的影響因素：2.5吸收系數(shù)*2.5.1吸收系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測定(1).總系數(shù)

由填料層高度計(jì)算式：

注意：實(shí)驗(yàn)測定的吸收系數(shù)用于吸收或解吸塔設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)體系的物性、操作條件及設(shè)備性能應(yīng)與實(shí)驗(yàn)測定時(shí)的情況相同或相近?！盍蠈芋w積，m3——塔的吸收負(fù)荷，kmol/s(2).膜系數(shù)*第一步：*第二步：*第三步：由同溶劑中難溶氣體的吸收系數(shù)推算：(液膜控制)推算公式：*第四步：(1).用水吸收氨

2.5.2傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式適用條件：直徑為12.5mm陶瓷環(huán)填料塔。kGa——?dú)饽んw積吸收系數(shù)，kmol/(m3.h.kPa)；G——?dú)庀嗫账|(zhì)量流速，kg/(m2.h)；W——液相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2.h)；

(2).常壓下用水吸收二氧化碳U—液相噴淋密度，單位時(shí)間噴淋在單位塔截面上的液相體積，m3/(m2

h)。適用條件：(1)直徑為10-32mm陶瓷環(huán)填料塔；(2)噴淋密度U為3-20m3/(m2

h)；(3)氣體的空塔質(zhì)量速度G為130-580kg/(m2

h)；(4)操作溫度為21-27℃。2.5.2傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式適用條件：(1)氣體的空塔質(zhì)量流速G為320-4150kg/(m2

h)(2)液體W為4400-58500kg/(m2

h)；(3)直徑為25mm的環(huán)形填料。

(3).用水吸收二氧化硫α—與溫度有關(guān)的常數(shù)，見P134表2-42.5.2傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式2.5.3傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式(1).計(jì)算氣相傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式氣相施伍德準(zhǔn)數(shù)Sherwood：

氣體雷諾數(shù)：氣相施密特準(zhǔn)數(shù)Schmidt：

應(yīng)用場合

濕壁塔0.0230.830.44填料塔0.0660.80.33模型參數(shù):濕壁塔或拉西環(huán)填料塔ReG=2×103~3.5×104ScG=0.6~2.5P=10.1~303kPa(絕壓)2.5.3傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式(2).計(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式液相施伍德準(zhǔn)數(shù)：液體雷諾數(shù)：液相施密特準(zhǔn)數(shù)：液相的伽利略準(zhǔn)數(shù)：2.5.3傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式(3).氣相及液相傳質(zhì)單元高度的計(jì)算式溶質(zhì)組成較低時(shí)，可見，在填料類型及尺寸和氣液質(zhì)量相同的情況下，兩種不同溶質(zhì)A和A'吸收過程，HL與SCL0.5成正比。α、β、γ

取決于填料類型尺寸的常數(shù)，見P137表2-5，表2-6。(1).高濃度氣體吸收的定義混合氣體中待吸收組分A(溶質(zhì))的摩爾分率(或體積百分率)>10%

的氣體吸收，通常視為高濃度氣體吸收。2.6.1高濃度吸收2.6其他吸收與解吸(2).高濃度氣體吸收的特點(diǎn)

傳質(zhì)系數(shù)不是常數(shù)非等溫吸收D等物性參數(shù)非常數(shù)V、L變化溶質(zhì)濃度變化顯著2.6.1高濃度吸收2.6.2化學(xué)吸收與物理吸收比較

相同之處：（1）總的吸收過程相同：A由氣相→液相；（2）A由氣相主體→界面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)理相同；不同之處：A由相界面→液相傳質(zhì)機(jī)理不同，即A與S或其他組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)A的溶解度↑（吸收容量↑）部分A被消耗△↑