1、吸收吸收全册配套完整全册配套完整教学课件教学课件Chapter 2 Gas Absorption 吸收过程概述与气液平衡关系吸收过程概述与气液平衡关系吸收过程的传质机理吸收过程的传质机理吸收过程中速率的确定吸收过程中速率的确定低浓度气体吸收的计算低浓度气体吸收的计算吸收系数吸收系数本章重点内容本章重点内容吸收过程概述一、气体吸收的基本原理与流程一、气体吸收的基本原理与流程吸收吸收 根据气体中各组分在某液体溶剂中根据气体中各组分在某液体溶剂中的的溶解度不同溶解度不同而将气体混合物进行分离的单元而将气体混合物进行分离的单元操作。操作。 分离物系：分离物系：气体混合物气体混合物形成两相体系的方法：形
2、成两相体系的方法：引入一液相（吸收剂）引入一液相（吸收剂）原理：原理：混合气中各组分在溶剂中的溶解度的差异混合气中各组分在溶剂中的溶解度的差异尾气：尾气：B(含微量含微量A)吸收剂：吸收剂：S原料气：原料气：A+B吸收液：吸收液：S+A吸吸收收塔塔吸收塔逆流操作示意图吸收塔逆流操作示意图S：吸收剂：吸收剂A：溶质：溶质B：惰性组分：惰性组分吸收剂气体yx界面气相主体 液相主体 相界面气相扩散 液相扩散 yi xi 吸收过程：吸收过程：（1）溶质从气相主体传递到相界面；溶质从气相主体传递到相界面；（2）在相界面上溶质溶解到液相表面；）在相界面上溶质溶解到液相表面；（3）溶质从相界面传递到液相主体
3、。）溶质从相界面传递到液相主体。吸收过程吸收过程解吸过程解吸过程气相主体液相主体 吸收及解析传质方向 吸收过程吸收过程 溶质由气相到液相的质量传递过程； 解吸过程解吸过程 溶质由液相到气相的质量传递过程。吸收过程的基本流程吸收过程的基本流程（1）一步吸收流程和两步吸收流程）一步吸收流程和两步吸收流程 (选用吸收剂的数目) 一步吸收流程：仅用一种吸收剂 两步吸收流程：使用两种吸收剂贫液富液混合气体净化气一步吸收流程两步吸收流程吸收剂1吸收剂2混合气去解吸塔去解吸塔净化气吸收塔1吸收塔2（2）单塔流程和多塔流程）单塔流程和多塔流程 (所用的塔设备数)（3）逆流吸收流程和并流吸收流程）逆流吸收流程和
4、并流吸收流程 (塔内气液流向)逆流逆流贫液贫液富液富液混合混合气体气体净化气净化气并流并流贫液贫液富液富液混合混合气体气体净化气净化气（4）部分溶剂循环流程）部分溶剂循环流程贫液贫液富液富液混合气体混合气体净化气净化气 部分溶剂循环流程部分溶剂循环流程去解吸去解吸两段吸收两段解吸流程:从合成氨原料气中回收从合成氨原料气中回收CO2的流程的流程吸收工艺过程吸收工艺过程吸收过程吸收过程 苯吸收塔苯吸收塔解吸过程解吸过程 苯解吸塔苯解吸塔贫油吸收塔含苯煤气解吸塔过热蒸汽冷凝器粗苯水冷却器换热器补充新鲜洗油富油脱苯煤气采用吸收剂再生的连续吸收流程吸收操作必须解决问题吸收操作必须解决问题:选择选择合适的
5、溶剂合适的溶剂提供提供适当的传质设备适当的传质设备吸收吸收操作条件操作条件的确定的确定 吸收剂用量；吸收剂用量； 操作温度；操作温度； 操作压力。操作压力。二、吸收剂选择原则二、吸收剂选择原则. .对被吸收的组分要有较大的对被吸收的组分要有较大的溶解度溶解度，且有较好的，且有较好的选择性选择性。. .要有较低的要有较低的蒸气压蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。发损失。 . .要有较好的要有较好的化学稳定性化学稳定性，以免使用过程中变质。，以免使用过程中变质。 . .腐蚀性腐蚀性要小要小, ,以减小设备费用和维修费。以减小设备费用和维修费。 . .粘度粘度要低，以
6、利于传质及输送；要低，以利于传质及输送；比热比热要小，使再要小，使再生时的耗热量较小；生时的耗热量较小；不易燃不易燃，以利于安全生产。，以利于安全生产。 . .吸收后的溶剂应易于吸收后的溶剂应易于再生再生。三三. . 吸收过程的分类吸收过程的分类按被吸收组分数目按被吸收组分数目单组分吸收单组分吸收按吸收有无化学反应按吸收有无化学反应按溶质浓度的高低按溶质浓度的高低按吸收的温度变化按吸收的温度变化多组分吸收多组分吸收 物理吸收物理吸收 化学吸收化学吸收低浓度吸收低浓度吸收高浓度吸收高浓度吸收 等温吸收等温吸收非等温吸收非等温吸收四四. . 吸收在生产中的应用吸收在生产中的应用分离和净化原料气。分
7、离和净化原料气。原料气在加工以前，其原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去。如合成中无用的或有害的成分都要预先除去。如合成氨所用的原料气中分离出氨所用的原料气中分离出CO2、CO等杂质。等杂质。 分离和回收气体中的有用组分分离和回收气体中的有用组分。从焦炉煤气从焦炉煤气中中以洗油回收粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气以洗油回收粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。 某些产品的制取。某些产品的制取。如制酸工如制酸工业中用水分别吸收混合气体中业中用水分别吸收混合气体中的的HCl、SO3和和NO2制取盐酸、制取盐酸、硫酸和硝酸。
8、硫酸和硝酸。 废气的治理废气的治理。排放的废气含排放的废气含有对人体和环境有害的物质，有对人体和环境有害的物质，如如SO2、H2S等。选择适当的工等。选择适当的工艺和溶剂进行吸收是废气治理艺和溶剂进行吸收是废气治理中应用较广的方法。中应用较广的方法。Gas Liquid Equilibrium第一节第一节 Gas Liquid Equilibrium饱和浓度饱和浓度：平衡时溶平衡时溶质在液相中的浓度。质在液相中的浓度。平衡分压：平衡分压：平衡时平衡时气相中溶质的分压气相中溶质的分压当压力不太高、温度一定时当压力不太高、温度一定时 p*A =f1（ x ） y*=f2（x） p*A =f3（ c
9、A ）氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度液相中氨的摩尔数液相中氨的摩尔数气相中氨的分压气相中氨的分压60504030溶解度溶解度在一定温度与压力下，溶质气体最大限度在一定温度与压力下，溶质气体最大限度 溶解于溶剂中的量溶解于溶剂中的量2020下下SOSO2 2在水中的溶解度在水中的溶解度101.3kPa202.6kPaxyt=293KCO2NH310ncA, kmol/m3pA, kPa几种气体在水中的溶解度曲线几种气体在水中的溶解度曲线气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 吸收吸收解吸解吸减压减压 升温升温加压加压 降温降温溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)100050002040
10、6080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC溶解度曲线：溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。相中的浓度的关系曲线。（2）温度和）温度和y一一定，定，总压增加总压增加，在同一溶剂中，在同一溶剂中，溶质的溶解度溶质的溶解度x随之增加，随之增加，有利于吸收有利于吸收 。（1）p、y一一定，定，温度
11、下降温度下降，在同一溶剂中，溶，在同一溶剂中，溶质的溶解度质的溶解度x随之增加，随之增加，有利于吸收有利于吸收 。（3）相同的总压及摩尔分数，）相同的总压及摩尔分数， cO2 cCO2 cSO2 cNH3 氧气为难溶气体，氨气为易溶气体氧气为难溶气体，氨气为易溶气体Equilibrium plot for SO2water system at 293 K (20C)气液相平衡关系亨利定律气液相平衡关系亨利定律（1）p x 关系关系易溶气体易溶气体E 难溶气体难溶气体H溶解度溶解度温度温度溶解度系数溶解度系数Hp*= c/H（3）y x 关系关系y*= mxy* 平衡时气相中溶质的摩尔分数平衡时
12、气相中溶质的摩尔分数m 相平衡常数或分配系数，相平衡常数或分配系数，是温度和压强的函是温度和压强的函数数x 溶质在液相中的摩尔分数溶质在液相中的摩尔分数易溶气体易溶气体m Y*，溶质由气相向液相转移。溶质由气相向液相转移。 (XX*)，液相有吸收溶质的能力。液相有吸收溶质的能力。若系统气、液相浓度若系统气、液相浓度(Y,X)(Y,X)在平衡线上方，则体系将在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即发生从气相到液相的传质，即吸收过程吸收过程。1.判断过程进行方向判断过程进行方向YXoY*=mXQYXY*X*吸收溶质释放溶质 (X* Y)，溶质由，溶质由液相向气相转移。液相向气相转移。(Y,
13、X)在在平衡线下方平衡线下方(P点点)：若系统气、液相浓度若系统气、液相浓度(y,x)(y,x)在平衡线下方，则体系将在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即发生从液相到气相的传质，即解吸过程解吸过程。2 2 确定传质过程的推动力确定传质过程的推动力 表示吸收推动力表示吸收推动力 表示解吸推动力。表示解吸推动力。 xxx*yyy*xxxyyy*pppccc*实际组成平衡组成推动力YXoY*=mXPYXY*X*(YY*)(X*-X)3、指明过程进行的极限、指明过程进行的极限过程极限：相平衡过程极限：相平衡1. 逆流吸收，塔高无限逆流吸收，塔高无限2*2min2,mxyyL 2. 逆流吸收
14、，塔高无限逆流吸收，塔高无限myxL1max, 1 V，y2V，y1L，x2L，x1【例例1】含有含有30（体积）（体积）CO2的某种混合气与水接的某种混合气与水接触，系统温度为触，系统温度为30，总压为，总压为101.33kPa。试求液相。试求液相中中CO2的平衡浓度的平衡浓度ce？已知：已知：P总总101.33kPa，y0.3，查表，查表2-1得得30时时CO2在水中的亨利系数在水中的亨利系数E1.88105kPa解题思路：解题思路：c*=H pp= P总总y（道尔顿分压定律）道尔顿分压定律）EMHs（HE关系关系）解：解：由于总压不高，适用于亨利定律由于总压不高，适用于亨利定律c*=H
15、p 由道尔顿分压定律可知，由道尔顿分压定律可知， CO2在气相中的分压为在气相中的分压为 p = P总总y =101.330.3=30.4kPa 由由HE关系关系 30时时CO2在水中的亨利系数在水中的亨利系数 E =1.88105kPa 因因CO2是难溶于水的气体，因而溶液的浓度很低，是难溶于水的气体，因而溶液的浓度很低， 溶液密度和摩尔质量可按纯水计算，溶液密度和摩尔质量可按纯水计算， 即即=1000kg/m3, Ms=18 代入公式中可得代入公式中可得EMHs335/1098. 84 .301088. 1181000*mkmolpEMcs【例例2】 含溶质含溶质A且摩尔分率为且摩尔分率为
16、x=0.2的溶液与压力为的溶液与压力为 2atm， y=0.15的气体等温接触，平衡关系为：的气体等温接触，平衡关系为：p*=1.2x， 则此时将发生则此时将发生 过程。过程。 用气相组成和液相组成表示的总传质推动力分别为用气相组成和液相组成表示的总传质推动力分别为 y= ，x= （摩尔分率）。（摩尔分率）。 如系统温度略有增高，则如系统温度略有增高，则y将将 。 如系统总压略有增大，则如系统总压略有增大，则x将将 。 解题思路：解题思路：（1）若）若 y y* xCA2、 CB2CB1dzdcDJNAABAA传质速率）（积分得：21BBBABcczDN对于气相： RTPCAARTPCBBcz
17、z1z2JAJBOc0cA1cB2cA2cB1 等分子反向扩散dzdcDJNBBABB同理：）（积分得：21AAABAcczDN21AAABAppzRTDN21BBBABppzRTDN对于该系统：0BANNNBABAJJNN常数又：BAccdzdcdzdcBA故有：DDDBAAB 所以： 对双组分混合物，稳定扩散条件下，双组分混合物中，对双组分混合物，稳定扩散条件下，双组分混合物中，组分组分A在在B中的扩散系数等于组分中的扩散系数等于组分B在在A中的扩散系数。中的扩散系数。 双组分物系中当各处的浓度相等时，有双组分物系中当各处的浓度相等时，有A的扩散，必然的扩散，必然伴有伴有B的分子扩散，二者
18、扩散速率相等方向相反的分子扩散，二者扩散速率相等方向相反扩散方向上没有流体的宏观运动，通过任一截面的扩散方向上没有流体的宏观运动，通过任一截面的净物净物质量为零质量为零前提：前提：界面能等速率地向气相提供组分界面能等速率地向气相提供组分B体现在体现在精馏精馏过程中：过程中： 1mol A 液液 气气 1mol B 气气 液液 传质速率的大小主要是传质速率的大小主要是分子扩散分子扩散贡献。贡献。对于稳态扩散则有：对于稳态扩散则有：对于气相：对于气相：21AAAAACCZDdZdCDJNRTPC 21AAAppRTZDNAAJN BBJN （3）单向扩散与总体流动）单向扩散与总体流动v在截面在截面
19、2上贴一层只允许上贴一层只允许A通通过，不允许过，不允许B通过的膜。通过的膜。 vA、B分子在分子在1，2截面间分压截面间分压差的作用下，进行着等分子差的作用下，进行着等分子反方向扩散，在联通管的任反方向扩散，在联通管的任意截面处都有：意截面处都有：JA = -JBvA分子扩散到膜位置时顺利通分子扩散到膜位置时顺利通过，无滞留。过，无滞留。B分子最初能以分子最初能以“与与A相同的扩散通量相同的扩散通量”向左向左扩散，但由于膜的存在，膜扩散，但由于膜的存在，膜右侧的右侧的B无法穿过膜弥补膜左无法穿过膜弥补膜左侧出现的空缺侧出现的空缺ABv在在P的作用下的作用下 , A+B一起一起向右移动向右移动
20、“总体流动总体流动,总体总体“传递通量传递通量”Nv在总体流动的作用下，在总体流动的作用下，P1上升。随总体流动而来的上升。随总体流动而来的A穿过膜穿过膜,B继续被膜拦截下来继续被膜拦截下来，使，使pB2上升。上升。v当扩散稳定时，即存在等当扩散稳定时，即存在等分子反方向扩散，又存在总分子反方向扩散，又存在总体流动体流动。v PB的作用下的作用下B 继续向继续向左扩散，这样更加加剧膜左扩散，这样更加加剧膜左侧左侧“附近附近”总压总压P1的降的降低低, 导致产生导致产生 P=P2-P1P1P2单向扩散单向扩散 A可溶于液相可溶于液相 B完全不溶于液相完全不溶于液相 液相不挥发液相不挥发AJBJ0
21、AccN0BccN AN气相主体液相主体相界面N 单向扩散示意图v absorption，不能向界面提供组分，不能向界面提供组分B。（不再。（不再是等分子反向扩散），组分是等分子反向扩散），组分A的单向扩散的单向扩散v单向扩散单向扩散 ：一组分通过另一个静止组分的扩：一组分通过另一个静止组分的扩散散 v总体流动使总体流动使A、B组分向截面扩散通量提高，分别是组分向截面扩散通量提高，分别是NmA、NmB,即：即：Nm=NmA+NmBvNm为总体流对传质速率总的贡献为总体流对传质速率总的贡献v当有总体流动存在时传质速率由两部分组成，当有总体流动存在时传质速率由两部分组成，CoCNyNNCoCNyN
22、NBmBmmBAmAmmA0oBmBmBBBoAmAmAAACCNJNJNCCNJNJN移动平面移动平面静止平面静止平面NiN(ci/c0)Ji v以液相及气相为推动力的传质速率方程。以液相及气相为推动力的传质速率方程。v 、 称为漂流因子，其值大于称为漂流因子，其值大于1。 有总体流动存在的传质速率大于单纯的分子扩散有总体流动存在的传质速率大于单纯的分子扩散v反映总体流动对传质速率的贡献反映总体流动对传质速率的贡献, ,有总体流动有总体流动N NA A。v 其值愈大其值愈大 ，总体流动作用越强。，总体流动作用越强。v描述率吸收过程的传质：气相中的描述率吸收过程的传质：气相中的A不断溶解，不断
23、溶解，B不能进入液相。不能进入液相。 2121AABmAAABmoApppPRTZDNcccCZDN 气气相相：液液相相：BmppBmoccBABBAAJJJNJN0u已知分子扩散时，通过某一考察面已知分子扩散时，通过某一考察面PQ 有三股物流：有三股物流：NA ，JA ，N。等分子相互扩散时：等分子相互扩散时： JA （ ）NA （ ）N （ ）0A组分单向扩散时：组分单向扩散时： N （ ）NA （ ）JA （ ）0 （，（，），）等分子相互扩散时：等分子相互扩散时： JA （ = ）NA （ ）N （ = ）0A组分单向扩散时：组分单向扩散时： N （ ）JA （ ）0 u气体吸收时，若
24、可溶气体的浓度较高，则总体流动对传气体吸收时，若可溶气体的浓度较高，则总体流动对传质的影响（质的影响（ ）。）。扩散系数扩散系数DiffusivityDiffusivityv分子扩散系数是物性常数之一：分子扩散系数是物性常数之一： D=f(物质种类，物质种类，T， P，浓度，粘度），浓度，粘度）获取途径：获取途径：查手册、资料等。查手册、资料等。实测实测 用用“经验或半经验公式经验或半经验公式”估算估算Lennard-Jones equationWike-Chang equation vDiffusion in gases 0.11.0cm2/s Df(种类，种类，T，P) ；浓度对其影响小；
25、浓度对其影响小 T ，D ； P ， DvDiffusion in liquids 1055105cm2/s Df(种类，种类，T，浓度，浓度, 粘度粘度) ；P对其影响小对其影响小 ，D ；C ，D ； M ，D and convection mass transfer ：湍流流体中出现质点脉动和大量旋湍流流体中出现质点脉动和大量旋涡，造成组分扩散，涡，造成组分扩散，涡流扩散的强度涡流扩散的强度分子扩散分子扩散 。因其复杂性，仿照菲。因其复杂性，仿照菲克定律表述：克定律表述：De为涡流扩散系数，为涡流扩散系数， 不仅和物性有关，而且与流动状况有关不仅和物性有关，而且与流动状况有关 conve
26、ction rate:类似流体的类似流体的( u+uE)和传热的和传热的a(含导热及对流传热含导热及对流传热),综合考虑分子扩散和涡流扩综合考虑分子扩散和涡流扩散的作用散的作用 dZdc)DD(JAeAdZdcDJAeA =+ laminar region, 靠近界面靠近界面 molecular diffusion eddy diffusion concentration gradient transition region， D， De 两者均不可忽略两者均不可忽略 concentration gradientturbulent region，气液相，气液相在主体在主体 eddy diffu
27、sion molecular concentration gradient 0TTWtWt热流体热流体冷流体冷流体 T tpApAicAicA气相气相液相液相 G LE有效膜模型有效膜模型单相内对流传质过程单相内对流传质过程单相对流传质的传质单相对流传质的传质阻力阻力全部集中在一层全部集中在一层虚拟的膜虚拟的膜层层内，膜层内的传质形式内，膜层内的传质形式仅为分子扩散仅为分子扩散 。吸收过程吸收过程-相际间传质：气相主体相际间传质：气相主体-相界面相界面-流相主体流相主体 双膜模型双膜模型Two film theory液相主体气相主体pcpicip或c液膜气膜A距离 z 相际传质双膜模型Two-
28、film theory： a.气液相间有稳定的相界面在界面处气液相间有稳定的相界面在界面处气液浓度成平衡气液浓度成平衡 pi=f(ci) b.相界面两侧各有一停滞膜（虚拟膜或者有效膜）相界面两侧各有一停滞膜（虚拟膜或者有效膜） ，膜内传质以膜内传质以分子扩散分子扩散 方式进行方式进行c.传质阻力全部集中在虚拟膜内，传质阻力全部集中在虚拟膜内， 膜外主体高度湍流膜外主体高度湍流 传质阻力为传质阻力为0。吸收时，气侧吸收时，气侧“对流传质对流传质”的传质速率为的传质速率为 液侧：液侧： v传质阻力全部折算到虚拟膜内，则吸收过程的传质传质阻力全部折算到虚拟膜内，则吸收过程的传质速率方程可表示为以分子
29、扩散形式表示的传质速率速率方程可表示为以分子扩散形式表示的传质速率v在稳态的条件下，在稳态的条件下， N气相主体与界面气相主体与界面=N界面界面=N界面至液相气体界面至液相气体forcedrivingntcoefficieresistancercedriving foRate传热推动力温度差传热推动力温度差传质推动力浓度差传质推动力浓度差1.膜内传质速率方程膜内传质速率方程 主主体体浓浓度度界界面面浓浓度度膜膜侧侧传传质质系系数数膜膜侧侧阻阻力力主主体体浓浓度度界界面面浓浓度度速速率率 气液相中膜内传质速率方程气液相中膜内传质速率方程 iBmGApppPRTZDNGBmGkpPRTZD令：Gy
30、Pkk)yy(kppkpipNiyiGk1AG 液相中膜内传质速率方程液相中膜内传质速率方程 c液相主流溶质组分的摩尔浓度；液相主流溶质组分的摩尔浓度； ci界面上溶剂组分摩尔浓度；界面上溶剂组分摩尔浓度； kG,kL 气液相膜传质系数气液相膜传质系数 x,y气相主体溶质组分的摩尔分率；气相主体溶质组分的摩尔分率；xi,yi界面上溶剂组分的摩尔分率界面上溶剂组分的摩尔分率kx,ky以摩尔分率差为推动力时的气膜传质系数，以摩尔分率差为推动力时的气膜传质系数，kmol/m2.s LBmoGkccZD令：LoxkCk )(N1AxxkcckcciixiLkL 相界面浓度的确定相界面浓度的确定GLAi
31、AAiAkkccpp )c(fpii )c(fpii )()(cckppkNiLiGAkL/kGOpip - picicceci -c 界面浓度确定 2.2.总传质速率方程总传质速率方程主主体体浓浓度度平平衡衡浓浓度度总总推推动动力力推推动动力力系系数数总总阻阻力力总总推推动动力力速速率率 NA)*(*N1AxxKccKccxLKL液相：*)(*N1AyyKppKppyGKG气相：KG，Ky，KL,Kx气、液相总传质系数；气、液相总传质系数； p*,c*分别为气液相的分别为气液相的平衡平衡分压及分压及平衡平衡摩尔浓度摩尔浓度。yxiiixiyAkk)xx(yy)xx(kyykNOperatin
32、g lineEquilibrium curvexyxyxykkSlopeiiyxxyxyxyakakSlopeiiyxxyxyxyakakSlopeiiyxxyxyxyakakSlopeiiyxxyxyxyakakSlopeiiyxxyxyxyakakSlopeiiyxxyxyxyakakSlopeiiyxx)(x)y(yx)(x)y(yforce:Drivingii总传质系数与膜传质系数的关系总传质系数与膜传质系数的关系系统服从亨利定律系统服从亨利定律根据双膜理论，界面处根据双膜理论，界面处气液浓度成平衡气液浓度成平衡*Hpc iHpc i)(*iLAppHkN*1ppNHkiALiAG1p
33、pNk)(iLAcckN*11ppNkHkAGL)(iGAppkN*)(111ppkHkNGLAGLG111kHkK GLL11kHkK LGHKK 用类似的方法得到用类似的方法得到 xyykmkK 11yxxmkkK111 xyKmK (3)(3)总传质系数与膜传质系数的关系总传质系数与膜传质系数的关系)*(*)(NAccKcckppKppkLiLGiG膜膜阻阻力力总总阻阻力力气气膜膜阻阻力力液液LGLLGGkkHKHkkK11111 xyxyykmkKxkmkK11111 溶解度对传质系数的影响溶解度对传质系数的影响a. . ：对于易溶气体，溶解：对于易溶气体，溶解度很大度很大H H很大很
34、大,m,m很小很小xyLGkmkkHk111气膜控制液膜阻力总阻力气膜阻力LGGHkkK111传质阻力主要集中气相侧膜内，故称之为气膜控制。传质阻力主要集中气相侧膜内，故称之为气膜控制。GGkK H2O-NH3，H2O-Cl2浓H2SO4-H2Oyyxyk1K1,kmk1xyyAAAiAiAAixAAiAiAyAiAykmk1K1,mxy,mxy)xx(kyy)yy(kyyK1气膜控制，增加气相流率和气膜控制，增加气相流率和, 提高提高Ky, 加快吸收过程加快吸收过程. 增加增加液相流速，效果不明显。液相流速，效果不明显。*yyxxxxkxxKNyykyyKNkKiiixxAiyyAyy ：v
35、难溶气体，溶解度很小，难溶气体，溶解度很小，H H很小很小,m,m很大，很大，yxGLmkkkHk111LGLkkHK11 总阻力总阻力= =液相阻力传质阻力主要集中液相侧膜内，液相阻力传质阻力主要集中液相侧膜内，液膜控制液膜控制yyxxxxkxxKNyykyyKNiiixxAiyyA*液膜控制，增加液相湍动程度如提高液相流率液膜控制，增加液相湍动程度如提高液相流率, , 提提高高Kx, , 加快吸收过程加快吸收过程. . 增加气相流速，效果不明显增加气相流速，效果不明显。H2O-O2，H2O-H2 和和H2O-CO2。c.c.双膜阻力联合控制，两者均不可忽略双膜阻力联合控制，两者均不可忽略
36、对溶质的溶解度的比较适中的吸收过对溶质的溶解度的比较适中的吸收过程，则界面两侧的传质阻力相当，对过程，则界面两侧的传质阻力相当，对过程传质速率的影响相当，故表现为界面程传质速率的影响相当，故表现为界面两侧的膜对传质速率具有相同控制作用两侧的膜对传质速率具有相同控制作用。吸收速率方程吸收速率方程 与膜系数相对应的吸收速率式与膜系数相对应的吸收速率式与总系数对应的速率式与总系数对应的速率式 用一相主体与界面的用一相主体与界面的浓度差表示推动力浓度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡浓用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力度之差表示推动力吸收过程传质速率方程总结吸收过程传质速率方程总结 v 膜传
37、质速率方程：膜传质速率方程：v 总传质速率方程总传质速率方程 )xx(kcckyykppkNixiLiyiGA LGkCkPkkoxy GPKKxxKccKyyKppKyxLyG*)*(*)(NA推动力范围表示方法推动力范围表示方法 单一相单一相 两相间两相间p kG(p-pi) KG(p-p*)c kL(ci-c) KL(c*-c)y ky(y-yi)x kx(xi-x) Y KY(Y-Y*)X KX(X*-X)NA =膜系数膜系数 浓度差浓度差 =膜系数（主体浓度界面浓度）膜系数（主体浓度界面浓度） =总系数两主体间浓度差总系数两主体间浓度差 总系数（主体浓度平衡浓度）总系数（主体浓度平衡
38、浓度） 膜膜/总吸收系数的单位：总吸收系数的单位：kmol/(m2s单位推动力单位推动力)。阻力形式：阻力形式： 推动力推动力 总阻力总阻力 气膜阻力部分气膜阻力部分 液膜阻力部分液膜阻力部分 (p-p*) 1/KG 1/kG 1/(HkL) E/kx (c*-c) 1/KL H/kG 1/kx 1/kL 1/(EkG) (y-y*) 1/Ky 1/ky m/kx (x*-x) 1/Kx 1/(mky) 1/kx Absorption coefficient 吸收系数吸收系数Comparing the Absorption with heat transferAbsorptionheat tr
39、ansferFilm rate equation NA=kG(P-Pi) =kL(C-Ci) q=a1(T- TW)=a2(tw-t) Overall Rate equation NA=KG(P-P*) =KL(C-C*)q=K(T-t)film coefficientkG , kLOverall coefficient KG , KL21注意：注意：吸收系数的单位吸收系数的单位：kmol/(m2.s.单位推动力单位推动力)吸收系数与吸收推动力的正确搭配吸收系数与吸收推动力的正确搭配 阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应吸收速率方程的适用条件吸收速率方程
40、的适用条件 各种吸收系数间的关系各种吸收系数间的关系 气膜控制与液膜控制的条件气膜控制与液膜控制的条件 用水吸收气体组分，平衡关系服从亨利定律，用水吸收气体组分，平衡关系服从亨利定律，操作压力为操作压力为850mmHg，相平衡常数，相平衡常数m=0.5，气膜吸收分系数气膜吸收分系数kp = 1.25kmol/(m2hatm)，液膜吸收分系数液膜吸收分系数kc = 0.85 m/h。计算用气相分。计算用气相分压浓度表示的总传质系数和用液相体积浓度压浓度表示的总传质系数和用液相体积浓度表示的总传质系数值。试分析该气体被水吸收表示的总传质系数值。试分析该气体被水吸收时，是属于气膜控制过程还是液膜控制
41、过程？时，是属于气膜控制过程还是液膜控制过程？解：解：操作压强操作压强P=850/760=1.12atm由平衡常数关系由平衡常数关系PEm 得得E=mP=0.51.12=0.56atm对于稀溶液对于稀溶液2 .991856. 01000sEMH81. 085. 02 .99125. 11111cppHkkK用气相分压浓度表示的总传质系数用气相分压浓度表示的总传质系数Kp=1.23用液相体积浓度表示的总传质系数用液相体积浓度表示的总传质系数54.8025. 12 .9985. 0111pcckHkK因此因此Kc=0.0124由于由于ppkK 因此是气膜控制过程因此是气膜控制过程【例】【例】110
42、kPa下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨0.03摩尔分数的气体与氨浓度为摩尔分数的气体与氨浓度为1kmol/m3的氨水接触，的氨水接触，已知气相传质系数已知气相传质系数kG=510-9kmol/(m2sPa)，液相传，液相传质系数质系数kL=1.510-4m/s，氨水的平衡关系可用亨利定，氨水的平衡关系可用亨利定律表示，律表示，H=7.310-4kmol/(m3Pa)，试计算：，试计算：（1）气液界面上的两相组成；）气液界面上的两相组成；（2）以分压差和摩尔浓度差表示的总推动力、总传质）以分压差和摩尔浓度差表示的总推动力、总传质系数、传质速率；系数、传质速率；（3
43、）以摩尔分数差表示总推动力的气相总传质系数；）以摩尔分数差表示总推动力的气相总传质系数；（4）气膜与液膜阻力的相对大小。）气膜与液膜阻力的相对大小。工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体总是不断地与主流混工业设备中进行的气液传质过程，相界面上的流体总是不断地与主流混合而暴露出新的接触表面。合而暴露出新的接触表面。赫格比（赫格比（HigbieHigbie）认为流体在相界面上暴露的时间很短，溶质不可能在认为流体在相界面上暴露的时间很短，溶质不可能在膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的浓度分布。膜内建立起如双膜理论假设的那种稳定的浓度分布。溶质通过分子扩散由表面不断地向主体渗透，每一瞬时均有不
44、同的瞬时浓度分布和与之对应的界面瞬时扩散速率（与界面上的浓度梯度成正比）。流体表面暴露的时间越长，膜内浓度分布曲线就越平缓，界面上溶质扩散速率随之下降。界面cAicA0距相界面的距离液相浓度cA 增加 直到时间为c 时，膜内流体与主流发生一次完全混合而使浓度重新均匀后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。c 称为汽、液接触时间或溶质渗透时间，是溶质渗透理论的模型参数，气、液界面上的传质速率应是该时段内的平均值。由该理论解析求得液相传质系数 cABcDk2该理论指出传质系数与扩散系数 DAB 的 0.5 次方成正比，比双膜理论更加接近于实验值，表明其对传质机理分析更加接近实际。 l丹克瓦茨（丹克瓦茨（
45、DanckwertsDanckwerts）认为气液接触表面是在连续不断认为气液接触表面是在连续不断地更新，而不是每隔一定的周期地更新，而不是每隔一定的周期 c c 才发生一次。才发生一次。l处于表面的流体单元随时都有可能被更新，无论其在表面处于表面的流体单元随时都有可能被更新，无论其在表面停留时间（龄期）的长短，被更新的机率相等。停留时间（龄期）的长短，被更新的机率相等。l引入一个模型参数引入一个模型参数 S S 来表达任何龄期的流体表面单元在来表达任何龄期的流体表面单元在单位时间内被更新的机率（更新频率）。单位时间内被更新的机率（更新频率）。l由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，
46、将由于不同龄期的流体单元其表面瞬时传质速率不一样，将龄期为龄期为 0 0 的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，的全部单元的瞬时传质速率进行加权平均，解析求得传质系数为解析求得传质系数为 ABcSDk ABcSDk 该理论得出的传质系数正比于扩散系数该理论得出的传质系数正比于扩散系数 D DAB AB 的的 0.5 0.5 次方；次方； 该理论的模型参数是该理论的模型参数是表面更新机率表面更新机率 S S，而不是接触时间而不是接触时间 c c 目前还不能对目前还不能对 c c 和和 S S 进行理论预测，因此用上述两个理进行理论预测，因此用上述两个理论来预测传质系数还有困难；论来预测传质系数还
47、有困难； 溶质渗透理论和表面更新理论指出了溶质渗透理论和表面更新理论指出了强化传质强化传质的方向，即的方向，即降低接触时间或增加表面更新机率降低接触时间或增加表面更新机率。Structured packing (规整填料规整填料)FG型蜂窝栅格规整填料 MellapakFP型翅片波纹填料 random packing(a) Raschig ring; (b) Berl saddle; (c) Pall ring; (d) Intalox metal, IMTP; (e) Jaeger Metal Tri-Pack双鞍环双鞍环RICRICTMTM填料填料 共轭环共轭环SCUT 发明人：华南理工大
48、学发明人：华南理工大学 陈焕钦等陈焕钦等泡沫陶瓷环形填料Foam Ceramics Ring Packing Fig.1 Structural sketch map of foam ceramic（a）Cylinder packing (b) DX-1 rings PackingFig.2 Foam ceramic packingu ZL200510032704.8专利权人：华南理工大学，专利权人：华南理工大学，杨东杰等杨东杰等 操作型操作型：核算；核算； 操作条件与吸收结果的关系。操作条件与吸收结果的关系。计算依据：物料衡算；计算依据：物料衡算； 相平衡；相平衡； 吸收速率方程。吸收速率方程
49、。吸收塔的计算内容：吸收塔的计算内容：设计型设计型：流向、流程、吸收剂用量、流向、流程、吸收剂用量、 吸收剂浓度、吸收剂浓度、塔高、塔径。塔高、塔径。工业吸收过程的特点工业吸收过程的特点: :混合气体中溶质浓度不高，混合气体中溶质浓度不高，510，低浓度气体，低浓度气体的吸收，流经全塔的混合气体量、液体量变化不大。的吸收，流经全塔的混合气体量、液体量变化不大。kL,kG=constant溶质的溶解热引起的温度变化很小等温吸收溶质的溶解热引起的温度变化很小等温吸收3.1 3.1 吸收塔的物料衡算及操作线方程吸收塔的物料衡算及操作线方程1 1、物料衡算、物料衡算 逆流式逆流式v溶剂、惰性气体的流量
50、溶剂、惰性气体的流量L,VL,V为常数为常数v气液浓度使用摩尔比气液浓度使用摩尔比 V,Y1 L, X1V,Y2 L, X21221LXVYLXVYV-惰性气体通量，惰性气体通量，kmol/h;L-溶剂用量，溶剂用量，kmol/h;%100121YYY回收率：)1 (12YY（2）溶质回收量）溶质回收量=V(Y1-Y2)=L(X1-X2) （3）混和气体：）混和气体：Vh m3/s，y110014 .22yTPPTVVh（4）纯溶剂：）纯溶剂：X2=0（1）说明：说明：2222XVLYXVLYLXVYLXVY2 2、逆流吸收塔的操作线方程、逆流吸收塔的操作线方程V-惰性气体通量，惰性气体通量，
