1、化 工 原 理第五章 气体吸收 主讲人：曹华2022年6月10日星期五Process System Principle2 教学内容相际传质理论相际传质理论气液相平衡理论气液相平衡理论吸收过程概述吸收过程概述吸收过程计算吸收过程计算2022年6月10日星期五Process System Principle3 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 传质过程：传质过程： 将均相物系混合物分离为较净或几乎纯态的物质时，利用原物系中将均相物系混合物分离为较净或几乎纯态的物质时，利用原物系中各组分间某种物性的差异，从而将均相物系形成一个两相物质，达到分各组分间某种物性的差异，从而将均相物系形成一个两相物质，达
2、到分离的目的。离的目的。 过程工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单过程工业中常见的传质过程有蒸馏、吸收、干燥、萃取和吸附等单元操作。元操作。 物质在相间的转移过程称为物质传递过程（简称传质过程）。物质在相间的转移过程称为物质传递过程（简称传质过程）。 吸收：吸收： 利用混合气体中各组分在液相吸收剂中溶解度的差异而实现气体混利用混合气体中各组分在液相吸收剂中溶解度的差异而实现气体混合分离的操作称为吸收。合分离的操作称为吸收。2022年6月10日星期五Process System Principle4 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 所用液体称为吸收剂（或溶剂）。所用液体称为吸
3、收剂（或溶剂）。 气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。气体中被溶解的组分称为吸收质或溶质。 不被溶解的组分称为惰性气体或载体。不被溶解的组分称为惰性气体或载体。 吸收操作的目的：吸收操作的目的： （1 1）分离和净化原料气分离和净化原料气： 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。如从原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从合成氨所用的原料气中分离出合成氨所用的原料气中分离出COCO2 2、COCO、H H2 2S S等杂质。等杂质。 （2 2）分离和吸收气体中的有用组分：分离和吸收气体中的有用组分： 如从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗如
4、从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗苯（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。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。 2022年6月10日星期五Process System Principle5 吸收过程概述吸收的概念吸收的概念 （3 3）某些产品的制取：某些产品的制取： 选择适当的工艺和溶剂进行选择适当的工艺和溶剂进行SOSO2 2、H H2 2S S吸收是废气治理中应用较广的吸收是废气治理中应用较广的方法。方法。 如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的如制酸工业中用水分别吸收混合气体中的HClHCl、SOSO3 3和和NON
5、O2 2制取盐酸、制取盐酸、硫酸和硝酸。硫酸和硝酸。 （4 4）废气的治理废气的治理：2022年6月10日星期五Process System Principle6 吸收过程概述工业吸收过程工业吸收过程图图5-1 5-1 吸收与解吸流程吸收与解吸流程 2022年6月10日星期五Process System Principle7 吸收过程概述吸收操作需要解决的问题吸收操作需要解决的问题 选择合适的溶剂，选择性溶解被分离的组分：选择合适的溶剂，选择性溶解被分离的组分： 吸收剂的选择时要从以下几方面来考虑：吸收剂的选择时要从以下几方面来考虑： 对被吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。即对对被
6、吸收的组分要有较大的溶解度，且有较好的选择性。即对溶质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。溶质的溶解度要大，而对惰性气体几乎不溶解。 要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。要有较低的蒸气压，以减少吸收过程中溶剂的挥发损失。 要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。 腐蚀性要小腐蚀性要小, ,以减小设备费用和维修费。以减小设备费用和维修费。 粘度要低，以利于传质及输送；比热要小，使再生时的耗热量粘度要低，以利于传质及输送；比热要小，使再生时的耗热量较小；不易燃烧，以利于安全生产。较小；不易燃烧，以利于安全生产。 吸收后的溶剂应易于再生。吸
7、收后的溶剂应易于再生。 2022年6月10日星期五Process System Principle8图图5-2 5-2 两类吸收设备两类吸收设备 吸收过程概述吸收操作需要解决的问题吸收操作需要解决的问题 提供适当的传质设备，实现气液两相的接触：提供适当的传质设备，实现气液两相的接触：2022年6月10日星期五Process System Principle9 吸收过程概述吸收类型吸收类型 （1 1）物理吸收：气体各组分因在溶剂中溶解度的不同而被分离的）物理吸收：气体各组分因在溶剂中溶解度的不同而被分离的吸收操作，称。吸收操作，称。 1 1、物理吸收和化学吸收：、物理吸收和化学吸收： 例：例：3
8、 32 22 23 32 22KHCO2KHCOO OH HCOCOCOCOK K （2 2）化学吸收：利用化学反应进行的吸收操作，）化学吸收：利用化学反应进行的吸收操作，称称 。 2 2、单组分吸收与多组分吸收、单组分吸收与多组分吸收 （1 1）单组分吸收：在吸收过程中，若混合气体中只有一个组分）单组分吸收：在吸收过程中，若混合气体中只有一个组分被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂，则称之为单组分吸收；被吸收，其余组分可认为不溶于吸收剂，则称之为单组分吸收； （2 2）多组分吸收：如果混合气体中有两个或多个组分进入液相，）多组分吸收：如果混合气体中有两个或多个组分进入液相，则称为多组分吸收。则
9、称为多组分吸收。2022年6月10日星期五Process System Principle10 吸收过程概述吸收类型吸收类型 （1 1）等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，）等温吸收：气体溶于液体中时常伴随热效应，若热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度或被吸收的组分在气相中的浓度很低，而吸收剂用量很大，液相的温度变化不显著，则可认为是等温吸收；变化不显著，则可认为是等温吸收； 3 3、等温吸收与非等温吸收、等温吸收与非等温吸收 （2 2）非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热很大，液）非等温吸收：若吸收过程中发生化学反应，其反应热
10、很大，液相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收过程。相的温度明显变化，则该吸收过程为非等温吸收过程。 4 4、低浓度吸收与高浓度吸收、低浓度吸收与高浓度吸收 （1 1）高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分）高浓度吸收：通常根据生产经验，规定当混合气中溶质组分A A的的摩尔分数大于摩尔分数大于0.10.1，且被吸收的数量多时，称为高浓度吸收；，且被吸收的数量多时，称为高浓度吸收； （2 2）低浓度吸收：如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于）低浓度吸收：如果溶质在气液两相中摩尔分数均小于0.10.1时，吸时，吸收称为低浓度吸收。收称为低浓度吸收。低浓度吸收的特点：气液两相流经吸收
11、塔的流率为常数；低浓度吸收的特点：气液两相流经吸收塔的流率为常数； 低浓度的吸收可视为等温吸收。低浓度的吸收可视为等温吸收。2022年6月10日星期五Process System Principle11 吸收过程概述相组成的表示方法相组成的表示方法 对于均相混合物，每一种物质称为该混合物的一个组分，该组分在对于均相混合物，每一种物质称为该混合物的一个组分，该组分在混合物中的相对数量关系称为该组分的组成。混合物中的相对数量关系称为该组分的组成。 在传质过程中，气液两相的组成是不断变化的。在传质过程中，气液两相的组成是不断变化的。 1 1、质量分数、质量分数 w wi i 混合物中某组分的质量与混
12、合物的质量之比。混合物中某组分的质量与混合物的质量之比。 2 2、摩尔分数、摩尔分数 x xi i 混合物中某组分的物质的量与混合物的物质的量之比。混合物中某组分的物质的量与混合物的物质的量之比。 对于只有两组分的混合物：对于只有两组分的混合物：BABBAAmmmmmwmmw,BABBAAnnnnnxnnx,2022年6月10日星期五Process System Principle12 吸收过程概述BBAAAAAMxMxMxw相组成的表示方法相组成的表示方法 3 3、摩尔比、摩尔比 X XA A 对于由组分对于由组分A A和组分和组分B B组成的双组分物系，以组分组成的双组分物系，以组分B B
13、为基准，两组分为基准，两组分的物质的量的比值称为摩尔比，用的物质的量的比值称为摩尔比，用X XA A表示。表示。BAAnnX 它与摩尔分数的关系为：它与摩尔分数的关系为：AAAAAAXXxxxX11或2022年6月10日星期五Process System Principle13 吸收过程概述吸收操作假设吸收操作假设 吸收操作假设：吸收操作假设： （1 1）气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的）气体混合物中只有一个组分溶于溶剂，其余组分在溶剂中的溶解度极低而可忽略不计，视为惰性气体。溶解度极低而可忽略不计，视为惰性气体。 （2 2）溶剂溶剂的蒸汽压很低，其挥发损失可以忽略的蒸汽压
14、很低，其挥发损失可以忽略 。 即：气相中仅包含一个即：气相中仅包含一个惰性组分和一个可溶解组分；液相中则包含惰性组分和一个可溶解组分；液相中则包含着可溶解组分（溶质）和溶剂。着可溶解组分（溶质）和溶剂。2022年6月10日星期五Process System Principle14 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 平衡溶解度的概念：平衡溶解度的概念： 平衡分压平衡分压 ： 溶质与溶剂接触，在进行溶解的过程中，随着溶质在溶液中浓度溶质与溶剂接触，在进行溶解的过程中，随着溶质在溶液中浓度C C1 1的逐渐提高，传质速率将逐渐减慢，最后降到零，的逐渐提高，传质速率将逐渐减慢，最后降到零，C C1
15、1达到一最大限度达到一最大限度。这时称气液达到了平衡，称为平衡溶解度。简称为溶解度。这时称气液达到了平衡，称为平衡溶解度。简称为溶解度。 气液平衡时，气相中溶质的分压为平衡分压。气液平衡时，气相中溶质的分压为平衡分压。 相平衡关系：相平衡关系： 平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。平衡时溶质组分在气液两相中的浓度关系为相平衡关系。 2022年6月10日星期五Process System Principle15 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 平衡溶解度曲线：平衡溶解度曲线： 气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度曲线。气液相平衡关系用二维坐标绘成的关系曲线称为溶解度
16、曲线。 图5-2 氨在水中的溶解度图5-4 20下SO2在水中的溶解度2022年6月10日星期五Process System Principle16 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 从图中可以看到：从图中可以看到：u 在相同的温度和分压条件下，不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度在相同的温度和分压条件下，不同的溶质在同一个溶剂中的溶解度不同；不同；u 同一个物系，在相同温度下，分压越高，则溶解度越大；同一个物系，在相同温度下，分压越高，则溶解度越大；u 分压一定，温度越低，则溶解度越大。分压一定，温度越低，则溶解度越大。 这说明在较高分压和较低温度下有利于吸收操作，而减压和升温则这说明在较高分
17、压和较低温度下有利于吸收操作，而减压和升温则有利于解吸操作过程。有利于解吸操作过程。 2022年6月10日星期五Process System Principle17 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 亨利定律：亨利定律： 当总压不高（一般小于当总压不高（一般小于10105 5 N NCmCm-2-2) )时，在一定温度下，稀溶液时，在一定温度下，稀溶液上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：上方溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系： P PA A* *=E=Ex xA A 式中：式中： P PA A* *- - 溶质在气相中的平衡分压溶质在气相中的平衡分压,
18、 KN/m, KN/m2 2 x xA A - - 溶质在液相中的摩尔分率溶质在液相中的摩尔分率 E - E - 享利系数，享利系数，kN/mkN/m2 2 亨利定律的其它表示方法：亨利定律的其它表示方法：2022年6月10日星期五Process System Principle18 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 y yA A* *=m=mx xA A 设：设：P - P - 总压总压 所以享利系数所以享利系数E E、m m之间的关系为：之间的关系为： p pE Emm 式中：式中： y yA A* *- - 溶质在气相的摩尔分率；溶质在气相的摩尔分率； m - m - 相平衡常数，无因
19、次。相平衡常数，无因次。p pp py y* * *A A 则：则： 如果气液两相的组成均以摩尔比表示时如果气液两相的组成均以摩尔比表示时, ,则上式可写成：则上式可写成：AAXXm1* *A A* *A AY Y1 1Y Y2022年6月10日星期五Process System Principle19 气液相平衡理论平衡溶解度平衡溶解度 整理后得到：整理后得到：AAAXmmXY)1 (1* 当溶液很稀时，当溶液很稀时，X XA A很小，上式可简化得到：很小，上式可简化得到：AAmXY *2022年6月10日星期五Process System Principle20 气液相平衡理论相平衡关系的
20、应用相平衡关系的应用 判断传质过程进行的方向：判断传质过程进行的方向： 设设101.3kpa101.3kpa、20 20 下，稀氨在水中的相平衡方程：下，稀氨在水中的相平衡方程： y ye e=0.94x =0.94x 图图5-5 5-5 判断吸收过程的方向判断吸收过程的方向2022年6月10日星期五Process System Principle21 气液相平衡理论相平衡关系的应用相平衡关系的应用 指明过程的极限：指明过程的极限： 图图5-6 5-6 指明吸收过程的极限指明吸收过程的极限2022年6月10日星期五Process System Principle22 气液相平衡理论相平衡关系的
21、应用相平衡关系的应用 计算过程的推动力：计算过程的推动力： 图图5-7 5-7 计算吸收过程的推动力计算吸收过程的推动力yA*xA*2022年6月10日星期五Process System Principle23 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 相际传质过程的步骤：相际传质过程的步骤： 吸收过程涉及两相间的物质传递。吸收过程涉及两相间的物质传递。 传递过程包括三个步骤：传递过程包括三个步骤： 溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递。溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递。 溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面
22、上发生的溶解过程；解过程； 溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。 物质传递机理：物质传递机理： 分子扩散：浓度差。分子扩散：浓度差。 涡流扩散：流体的宏观运动。涡流扩散：流体的宏观运动。2022年6月10日星期五Process System Principle24 相际传质理论分子扩散分子扩散 分子扩散：当流体内部存在着某组分的浓度差时，由于物质分子无分子扩散：当流体内部存在着某组分的浓度差时，由于物质分子无规则的热运动，该组分由浓度较高处转移到浓度较低处，这种传质方式规则的热运动，该组分由浓度较高处转移到浓度较低处，这种传质方式称为
23、分子扩散。称为分子扩散。 涡流扩散：是依靠流体质点的湍流流动和涡流运动将物质由高浓度涡流扩散：是依靠流体质点的湍流流动和涡流运动将物质由高浓度处转移至低浓度处的现象。处转移至低浓度处的现象。 2022年6月10日星期五Process System Principle25 相际传质理论对流扩散对流扩散 对流对传质的贡献：对流对传质的贡献：图图5-12 MN5-12 MN截面上可溶组分的浓度分布截面上可溶组分的浓度分布 1 1静止流体；静止流体；2 2滞流；滞流；3 3湍流湍流 对流传质：流动流体与对流传质：流动流体与相界面之间的物质传递称为相界面之间的物质传递称为对流传质。对流传质。 参见图参见
24、图5-125-12所示。所示。2022年6月10日星期五Process System Principle26 相际传质理论对流扩散对流扩散 对流传质速率：对流传质速率： 对流传质现象复杂，传质速率难以解析求得，必须依靠实验测得。对流传质现象复杂，传质速率难以解析求得，必须依靠实验测得。 气相与界面的传质速率式可写成：气相与界面的传质速率式可写成：i iY YA Ai iG GA AY YY Yk kN Np pp pk kN NA 式中：式中：p p、p pi i-溶质溶质A A在气相主体与界面处的分压，在气相主体与界面处的分压， kPakPa ； Y Y、Y Yi i-溶质溶质A A在气相主
25、体与界面处的摩尔比；在气相主体与界面处的摩尔比； k kG G-以分压差表示推动力的气相传质系数，以分压差表示推动力的气相传质系数， kmol/(s kmol/(sm m2 2kPa)kPa) k kY Y-以摩尔比差表示推动力的气相传质系数，以摩尔比差表示推动力的气相传质系数，kmol/(skmol/(sm m2 2) ) 2022年6月10日星期五Process System Principle27 相际传质理论对流扩散对流扩散 液相与界面的传质速率式可写成：液相与界面的传质速率式可写成：A Ai iX XA Ai iL LA AX XX Xk kN Nc cc ck kN N 式中：式中
26、：c c、c ci i-溶质溶质A A的主体浓度和界面浓度，的主体浓度和界面浓度，kmol/mkmol/m3 3 ； X X、X Xi i-溶质溶质A A在主体与界面处的摩尔比；在主体与界面处的摩尔比； k kL L-以浓度差表示推动力的液相传质系数，以浓度差表示推动力的液相传质系数，m/sm/s ； k kX X-以摩尔比差表示推动力的液相传质系数，以摩尔比差表示推动力的液相传质系数，kmol/(skmol/(sm m2 2) ) 2022年6月10日星期五Process System Principle28 相际传质理论对流传质理论对流传质理论 有效膜理论：有效膜理论：图图5-13 5-1
27、3 有效膜理论有效膜理论 全部传质阻力集中与该两全部传质阻力集中与该两层静止膜中；层静止膜中； 膜中的传质是定态的分子膜中的传质是定态的分子扩散。扩散。 气液界面两侧各存在一层气液界面两侧各存在一层静止的气膜和液膜，其厚度为静止的气膜和液膜，其厚度为G G和和L L； 简化假设：简化假设：2022年6月10日星期五Process System Principle29 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 吸收过程的相际传质是由气相与界面的对流传质、界面上溶质组吸收过程的相际传质是由气相与界面的对流传质、界面上溶质组分的溶解、液相与界面的对流传质三个过程串联而成。分的溶解、液相与界面的对流传质三
28、个过程串联而成。图图5-15 5-15 相际传质相际传质2022年6月10日星期五Process System Principle30 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 （1 1）相际传质过程的速率方程：）相际传质过程的速率方程： 气相传质过程的速率方程：气相传质过程的速率方程： i iA AY YA AY YY Yk kN NA Ai iX XA AX XX Xk kN N 液相传质过程的速率方程：液相传质过程的速率方程： 界面上气体的溶解没有阻力，则界面上气液两相组成服从相平衡界面上气体的溶解没有阻力，则界面上气液两相组成服从相平衡方程：方程： i ii iX Xf fY Y 对稀溶液
29、，物系服从亨利定律：对稀溶液，物系服从亨利定律：i ii imXmXY Y 或在计算范围内，平衡线可近似作直线处理，即：或在计算范围内，平衡线可近似作直线处理，即：a amXmXY Yi ii i2022年6月10日星期五Process System Principle31 相际传质理论相际传质过程相际传质过程图图5-16 5-16 主体含量与界面含量的图示主体含量与界面含量的图示2022年6月10日星期五Process System Principle32 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 传质速率可写成推动力与阻力之比：传质速率可写成推动力与阻力之比： X XA Ai iY Yi iA
30、 AA Ak k1 1X XX Xk k1 1Y YY YN N 将上式最右端分子、分母均乘以将上式最右端分子、分母均乘以m m，将推动力加和以及阻力加和即，将推动力加和以及阻力加和即得：得：X XA Ai iY Yi iA AA Ak kmmmmX XX Xk k1 1Y YY YN N2022年6月10日星期五Process System Principle33 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 又：又：i i* *A Ai ii ii iX XX XmmY YY Y , , Y YY YX XX Xmm*AA*AAYY YY YK Kk kmmk k1 1Y YN NY YX XY
31、YA A 所以：所以： 其中：其中：X XY YY Yk kmmk k1 1K K1 K KY Y - 称以气相摩尔比差（称以气相摩尔比差（Y-YY-YA A* *）为推动力的总传热系数，）为推动力的总传热系数， kmolkmol/ /（s sm m2 2）。）。 同理：同理：X XX XK KN NX XA A*A 其中：其中：X XY YX Xk k1 1mmk k1 11 1K K K KX X - 称以液相摩尔比差（称以液相摩尔比差（X XA A* *-X-X）为推动力的总传热系数，）为推动力的总传热系数， kmolkmol/ /（s sm m2 2）。）。2022年6月10日星期五P
32、rocess System Principle34 相际传质理论相际传质过程相际传质过程其中：其中：Y YX XK KmmK K （2 2）传质速率方程的各种表达形式）传质速率方程的各种表达形式 即：吸收方程为：即：吸收方程为：X XX XK KN NX XA A*A*AY YY YK KN NY YA A* *A AX XA AX XX XK KN NY YY YK KN NY YA A*A 解吸方程为：解吸方程为： 2022年6月10日星期五Process System Principle35 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 （3 3）传质阻力的控制步骤）传质阻力的控制步骤X XY
33、YY Yk kmmk k1 1K K1 1 气相阻力控制过程：气相阻力控制过程：X XY Yk kmmk k1 1Y YY Yk kK K 当当 则则 表明易溶气体的液膜阻力很小，吸收过程的总阻力集中在气膜内，表明易溶气体的液膜阻力很小，吸收过程的总阻力集中在气膜内，这种气膜阻力控制着整个吸收过程的速率的情况，称为气膜控制。这种气膜阻力控制着整个吸收过程的速率的情况，称为气膜控制。2022年6月10日星期五Process System Principle36 相际传质理论相际传质过程相际传质过程X XY YX Xk k1 1mmk k1 1K K1当当 则则 x xy yk k1 1mmk k
34、1 1x xx xk kK K 液相阻力控制过程：液相阻力控制过程： 例题：总压为例题：总压为101.3 kPa101.3 kPa、温度为、温度为303K303K下用水吸收混合气中的氨，下用水吸收混合气中的氨，操作条件下的气液平衡关系为操作条件下的气液平衡关系为y y1.20 x 1.20 x 。已知气相传质系数。已知气相传质系数k kY Y为为5.315.3110104 4 kmoIkmoI(s(sm m2 2) )，液相传质系数，液相传质系数k kX X为为5.335.3310103 3 kmol kmol(s(sm m2 2) )，并在塔的某一截面上测得氨的气相摩尔比并在塔的某一截面上测
35、得氨的气相摩尔比Y Y为为0.050.05，液相摩尔比，液相摩尔比X X为为0.0120.012。试求该截面上的传质速率及气液界面上两相的摩尔分数。试求该截面上的传质速率及气液界面上两相的摩尔分数。当当 则则 X XY Yk k1 1mmk k1 1X XX Xk kK K2022年6月10日星期五Process System Principle37 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 解：总传质系数：解：总传质系数：) )mm k kmmo ol l/ /( (s s1 10 04 4. .7 74 41 10 05 5. .3 33 31 1. .2 20 01 10 05 5. .3
36、31 11 11 1k kmmk k1 11 1K K2 24 43 34 4X XY YY Y 与实际液相组成成平衡的气相组成为：与实际液相组成成平衡的气相组成为：0 0. .0 01 14 44 40 0. .0 01 12 21 1. .2 20 0mmX XY YA A*A 传质速率为：传质速率为：) )mm k kmmo ol l/ /( (s s 1 10 01 1. .6 69 90 0. .0 01 14 44 4) )( (0 0. .0 05 51 10 04 4. .7 74 4) )Y Y- -( (Y YK KN N2 2- -5 5- -4 4* *A AA AY
37、YA A 联立求解以下两式：联立求解以下两式：i ii ii iY Yi iY YmmX XY YX X) )( (X Xk k) )Y Y( (Y Yk k2022年6月10日星期五Process System Principle38 相际传质理论相际传质过程相际传质过程 求出界面上两项含量为：求出界面上两项含量为：0.01820.01821.201.2010105.315.3110105.335.331 10.0120.01210105.315.3110105.335.330.050.05mmk kk k1 1X Xk kk kY YY Y4 4- -3 3- -4 4- -3-3Y YX
38、 XY YX Xi i 气相传质阻力占总阻力的比例为：气相传质阻力占总阻力的比例为：0.01520.01520 00.0182/1.20.0182/1.2mmY YX Xi ii i89.3%89.3%10104.744.741 110105.315.311 1K K1 1k k1 14 4- -4 4- -Y YY Y2022年6月10日星期五Process System Principle39 吸收过程计算全塔物料衡算全塔物料衡算图图5-17 5-17 吸收塔内两项含量的变化吸收塔内两项含量的变化 图图5-175-17为定态操作的填料吸收塔。为定态操作的填料吸收塔。其横截面面积为其横截面面
39、积为A A，单位体积内具有的，单位体积内具有的有效表面（吸收）为有效表面（吸收）为（m m2 2/m/m3 3）。混合）。混合气体自下而上流动，流率气体自下而上流动，流率V VB B（kmol/skmol/s）；）；吸 收 剂 自 上 而 下 流 动 ， 流 率吸 收 剂 自 上 而 下 流 动 ， 流 率 L Ls s（kmol/skmol/s）。）。 溶质气相含量小于溶质气相含量小于5 51010； V VB B、L Ls s为常量；为常量； 吸收过程是等温的；吸收过程是等温的； （1 1）低含量气体吸收的特点：）低含量气体吸收的特点：VB,Y1Y xVB,Y2Ls,x2Ls,x12022
40、年6月10日星期五Process System Principle40 吸收过程计算全塔物料衡算全塔物料衡算2 21 1s s2 21 1X XX XL LY YY YV VB （3 3）全塔物料衡算：）全塔物料衡算： 单位时间内吸收剂吸收的溶质的量为：单位时间内吸收剂吸收的溶质的量为：2 21 1s s2 21 1A AX XX XL LY YY YV VG GB 定义吸收过程的吸收率为单位时间内在塔内被吸收的溶质的量定义吸收过程的吸收率为单位时间内在塔内被吸收的溶质的量G GA A与气相带入塔内的溶质的量与气相带入塔内的溶质的量V VB BY Y1 1的比值即：的比值即：1211211)(
41、YYYYVYYVYVGBBBA2022年6月10日星期五Process System Principle41 用上式可以计算塔底溶液的浓度，也或计算出塔气体的浓度，判断用上式可以计算塔底溶液的浓度，也或计算出塔气体的浓度，判断分离是否达到要求。分离是否达到要求。 （4 4）吸收过程操作线方程）吸收过程操作线方程 从塔的任意截面到塔底做物料衡算得：从塔的任意截面到塔底做物料衡算得： 吸收过程计算逆流操作线方程逆流操作线方程X XX XL LY YY YV V1 1s s1 1B 将上式整理后得到：将上式整理后得到：)(11XVLYXVLYBsBS 上式表示了在逆流操作的吸收塔内任一截面上气液两相
42、内溶质组上式表示了在逆流操作的吸收塔内任一截面上气液两相内溶质组成的关系，称为吸收逆流操作线方程。成的关系，称为吸收逆流操作线方程。2022年6月10日星期五Process System Principle42 吸收过程计算逆流操作线方程逆流操作线方程 在稳定操作中，该操作线方在稳定操作中，该操作线方程在程在YXYX坐标系中是一条直线。坐标系中是一条直线。它的斜率是它的斜率是L Ls s/V/VB B，在，在Y Y轴上的截轴上的截距是距是YY1 1- -（L LS S/V/VB B) ) X1。对于吸对于吸收过程而言，它总是位于平衡线收过程而言，它总是位于平衡线的上方。的上方。 该直线的斜率该
43、直线的斜率L Ls s/V/VB B称为吸收称为吸收操作的液气比。操作的液气比。图图5-18 5-18 逆流吸收的操作线逆流吸收的操作线2022年6月10日星期五Process System Principle43 吸收过程计算吸收推动力吸收推动力 从右侧图中可以看到，吸收塔中从右侧图中可以看到，吸收塔中 每一个截面上的传质推动力是不同的，每一个截面上的传质推动力是不同的，因此在进行全塔传质推动力计算时，因此在进行全塔传质推动力计算时，不能用某一个截面上的推动力代替全不能用某一个截面上的推动力代替全塔的吸收推动力。若吸收平衡线是一塔的吸收推动力。若吸收平衡线是一条直线，则可以用进出口处的对数平
44、条直线，则可以用进出口处的对数平均推动力来表示全塔吸收推动力。均推动力来表示全塔吸收推动力。图图5-18 5-18 逆流吸收的操作线逆流吸收的操作线2022年6月10日星期五Process System Principle44 吸收过程计算传质单元数计算方法传质单元数计算方法 Y Y1 1塔底气相推动力，塔底气相推动力， Y Y1 1=Y=Y1 1-Y-Y1 1* * Y Y2 2塔顶气相推动力，塔顶气相推动力， Y Y2 2=Y=Y2 2-Y-Y2 2* * ln21YYYm2 21 1 Y Y Y Y 或或 ln21XXXm2 21 1 X X X X X X1 1塔底液相推动力，塔底液相
45、推动力， X X1 1=X=X1 1-X-X1 1* * X X2 2塔顶液相推动力，塔顶液相推动力， X X2 2=X=X2 2-X-X2 2* *2022年6月10日星期五Process System Principle45 吸收过程计算最小液气比最小液气比 吸收剂用量的选择和最小液气比：吸收剂用量的选择和最小液气比：图图5-22 5-22 最小液气比最小液气比2022年6月10日星期五Process System Principle46 吸收过程计算最小液气比最小液气比2 2* *1 12 21 1minminB Bs sx xx xY YY YV VL L一般而言，一般而言，minmi
46、nB Bs sB BV VL LV VLsLs21 . 1 最小液气比：当进口气体的组成一定，吸收剂的初始浓度一定时，最小液气比：当进口气体的组成一定，吸收剂的初始浓度一定时，出口气体中溶质的浓度取决于吸收剂的用量。用量越大，出口气体中溶出口气体中溶质的浓度取决于吸收剂的用量。用量越大，出口气体中溶质的浓度越小，反之，质的浓度越小，反之， 则越大。当吸收剂用量小到一定数量时，出口则越大。当吸收剂用量小到一定数量时，出口处吸收剂的浓度与气相中溶质的浓度成平衡，这是理论上吸收液能达到处吸收剂的浓度与气相中溶质的浓度成平衡，这是理论上吸收液能达到的最大浓度，在实际生产中是无法达到的。只能作为吸收操作
47、的一种极的最大浓度，在实际生产中是无法达到的。只能作为吸收操作的一种极限情况，此时限情况，此时 吸收剂用量为最小用量，相应的液气比称为最小液气比。吸收剂用量为最小用量，相应的液气比称为最小液气比。2022年6月10日星期五Process System Principle47 吸收过程计算填料层高度的计算填料层高度的计算 为了达到指定的分离要求，吸收塔必须提供足够的气液两相接触面为了达到指定的分离要求，吸收塔必须提供足够的气液两相接触面积。填料层高度决定着气液两相的接触面积，因此填料层高度直接影响积。填料层高度决定着气液两相的接触面积，因此填料层高度直接影响着吸收的结果。着吸收的结果。 吸收速率
48、为：吸收速率为：N NA A=K=KY YY Ym m 又又FGAAN N G GA A单位时间内全塔吸收的吸收质的量单位时间内全塔吸收的吸收质的量 F F传质面积传质面积2022年6月10日星期五Process System Principle48 吸收过程计算传质单元数计算方法传质单元数计算方法 设单位体积填料提供的传质面积为设单位体积填料提供的传质面积为a at t，塔内直径为，塔内直径为D D，则填料层高，则填料层高度为度为Z Z的填料所提供的传质面积的填料所提供的传质面积F F为：为：tZaDF24 于是填料塔内填料层高度为：于是填料塔内填料层高度为：mtYAYDaKGZ24 由于由
49、于a at t难于测定，故将其与难于测定，故将其与K KY Y组合，称为气相体积吸收系数，单位组合，称为气相体积吸收系数，单位为为kmol/(mkmol/(m3 3h)，由实验测定，上式成为由实验测定，上式成为：mYAYaDKGZ242022年6月10日星期五Process System Principle49 吸收过程计算吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算 吸收剂进口含量选择及其最高允许含量：吸收剂进口含量选择及其最高允许含量：图图5-21 5-21 吸收剂进口含量的上限吸收剂进口含量的上限 吸收剂进口含量过高，吸吸收剂进口含量过高，吸收过程的推动力减小，所需的收过程的推动力减小，所需的吸
50、收塔高度增加；吸收塔高度增加； 吸收剂进口含量过底，吸吸收剂进口含量过底，吸收剂再生过程要求过高，再生收剂再生过程要求过高，再生设备和费用加大；设备和费用加大； 技术上：技术上： x x2 2 x x2e2e ； x x2max 2max = x= x2e2e2022年6月10日星期五Process System Principle50 吸收过程计算吸收塔的操作调节吸收塔的操作调节吸收塔的操作和调节：吸收塔的操作和调节： 吸收塔在操作时的调节手段只能是改变吸收剂的入口条件。吸收剂吸收塔在操作时的调节手段只能是改变吸收剂的入口条件。吸收剂的入口条件包括流率的入口条件包括流率L L、温度、温度t
