1、第第8章章 气体吸收气体吸收GAS ABSORPTION2022-12-162 利用混合气体中各组分在液体中利用混合气体中各组分在液体中溶解度的差溶解度的差异异而分离气体混合物的单元操作称为而分离气体混合物的单元操作称为吸收吸收。吸收。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或操作时某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。8.1.1 吸收的原理吸收的原理8.1 概概 述述2022-12-163吸收质或溶质（吸收质或溶质（absorbate)：混合气体中的溶解组分，：混合气体中的溶解组分，以以A表示。表示。惰
2、性气体或载体（惰性气体或载体（inert gases）：）：不溶或难溶组分，以不溶或难溶组分，以B表示。表示。吸收剂（吸收剂（absorbent）：）：吸收操作中所用的溶剂，以吸收操作中所用的溶剂，以S表示。表示。吸收液（吸收液（absorption solution）：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和和 溶质溶质A。吸收尾气（吸收尾气（absorption tail gas）：）：吸收后排出的气体，吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体主要成分为惰性气体B和少量的溶质和少量的溶质A。吸收塔混合气体混合气体(A+B)吸收液吸收液(A+S)吸收剂吸收剂(
3、S)吸收尾气吸收尾气(A+B)2022-12-1648.1.2 吸收的目的吸收的目的1制取产品制取产品 例如，用例如，用98%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3气体制取发烟硫酸，用水吸收气体制取发烟硫酸，用水吸收氯化氢制取氯化氢制取31%的工业盐酸，的工业盐酸，用氨水吸收用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。生产碳酸氢铵等。2从气体中回收有用的组分从气体中回收有用的组分 例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。收粗苯等。3除去有害组分以净化气体除去有害组分以净化气体 主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如主要包括原料气净
4、化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱炼废气等脱SO2等。等。2022-12-165 物理吸收物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可 视为单纯的气体溶解于液相的过程。视为单纯的气体溶解于液相的过程。化学吸收化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。单组分吸收单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余 组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。组分
5、因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。有两个或两个以上组分被吸收。等温吸收等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。体系温度变化不显著的吸收过程。非等温吸收：非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。体系温度发生明显变化的吸收过程。8.1.3 吸收分类吸收分类2022-12-1661吸吸收收设设备备-塔塔设设备备板式塔（级式接触）填料塔（微分接触）气体气体 溶剂溶剂 1 n 混合气体混合气体 板式塔板式塔 气体气体 溶剂溶剂 填料填料 混合气体混合气体 填料塔填料塔 8.1.4 吸收设备和流程吸收设备和流程2022-12-1672吸收流程吸收流程吸
6、收与解吸流程吸收与解吸流程含苯煤气含苯煤气脱苯煤气脱苯煤气洗油洗油苯苯水水过热蒸汽过热蒸汽加热器加热器冷却器冷却器2022-12-1688.1.5 吸收剂的选择吸收剂的选择1溶解度溶解度 对溶质组分有较大的溶解度对溶质组分有较大的溶解度；2选择性选择性对溶质组分有良好的选择性，即对其它组对溶质组分有良好的选择性，即对其它组 分基本不吸收或吸收甚微；分基本不吸收或吸收甚微；3挥发性挥发性 应不易挥发；应不易挥发；4粘性粘性 粘度要低；粘度要低；5其它其它 无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。价廉易得，并具有化学稳定性等要求。202
7、2-12-169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相在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度关系曲线。中的浓度关系曲线。120溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC8.2.1 平衡溶解度平衡溶解度8.2 气液相平衡气液相平衡2022-12-16101.00.90.
8、80.70.60.50.40.30.20.1pA，atm O 2 C O2 pA=723CA pA=25.5CA SO2 N H3 pA=0.36CA pA=0.0136CA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10nCA，km ol/m3 O2 n=3，C O2 n=2，SO2 n=1，N H3 n=0 几几 种种 气气 体体 在在 20 水水 中中 的的 溶溶 解解 度度 曲曲 线线 在相同条件下，在相同条件下，NHNH3 3 在水中的溶解度较在水中的溶解度较 SOSO2 2 大得多。用水作吸收剂大得多。用水作吸收剂时，称时，称 NHNH3 3 为易溶气体，为易溶气体，SO
9、SO2 2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体难溶气体(如如O O2 2 在在 3030和溶质的分压为和溶质的分压为40kPa 40kPa 的条件下，的条件下，1kg 1kg 水中溶水中溶解的质量仅为解的质量仅为 0.014g)0.014g)。2022-12-1611吸收剂、温度吸收剂、温度T、P 一定时，一定时，不同物质的溶解度不同不同物质的溶解度不同。温度、溶液的浓度一定时，温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越大的物质越难溶溶液上方分压越大的物质越难溶。对于同一种气体，分压一定时，对于同一种气体，分压一定时，温度温度T越高，溶解度越小越高，溶解
10、度越小。对于同一种气体，温度对于同一种气体，温度T一定时，一定时，分压分压P越大，溶解度越大越大，溶解度越大。加压和降温对吸收操作有利。加压和降温对吸收操作有利。2022-12-16128.2.2 亨利定律亨利定律epEx 当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。1 用吸收质在溶液中的摩尔分数用吸收质在溶液中的摩尔分数x表示表示 p pe e 溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，kPakPa；x x 溶质在液相中
11、的摩尔分数；溶质在液相中的摩尔分数；E E 亨利系数，单位亨利系数，单位:Pa:Pa。亨利系数的值随物系的特性及温度而异；亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，物系一定，E E值一般随值一般随温度的上升而增大；在温度的上升而增大；在同一溶剂中，难溶气同一溶剂中，难溶气体体E E值值很大，易溶气很大，易溶气体体E E值值很小。很小。2022-12-16132 用溶液中吸收质的物质的量浓度用溶液中吸收质的物质的量浓度c表示表示epHcc c 溶质在液相中的摩尔浓度，溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/mkmol/m3 3；H H 溶解度系数溶解度系数 ，单位：单位：(Pam(Pam3 3)/
12、kmol)/kmol。H H是温度的函数，是温度的函数，H H值随温度升高而增大值随温度升高而增大。易溶气体易溶气体H H值小，难溶气值小，难溶气体体H H值大值大。H H与与E E的关系的关系设溶液的密度为设溶液的密度为，浓度为浓度为c，溶质和溶剂的摩尔质量分别为，溶质和溶剂的摩尔质量分别为M和和Ms(1)SxxcxVmMxMx(1)SEHMxMx注意：有些教材上用注意：有些教材上用ecpH2022-12-1614ssHEM3 用用气液相中溶质的摩尔分数表示气液相中溶质的摩尔分数表示eymxm相平衡常数相平衡常数，是温度和压强的函数。是温度和压强的函数。温度升高、总压下降温度升高、总压下降则
13、则m值变大值变大；m值越大，表明气体的溶解度越小。值越大，表明气体的溶解度越小。若总压为若总压为P，m和和E之间的关系为之间的关系为m=E/P。若为稀溶液，则有：若为稀溶液，则有：eepyP2022-12-1615例例8-1：在常压及在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：浓下，测得氨在水中的平衡数据为：浓度为度为0.5gNH3/100gH2O的稀氨水上方的平衡分压为的稀氨水上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数数E，溶解度系数，溶解度系数H，及相平衡常数，及相平衡常数m。（氨水密度可取为。（氨水
14、密度可取为1000kg/m3）解：解：由亨利定律表达式知：epEx18/10017/5.017/5.0 x00527.02022-12-1616亨利系数为亨利系数为 epEx00527.0400Pa41059.7又 eymx，而 eepyP51001.14000.00395相平衡常数相平衡常数 0.003950.750.00527m epHc10001005.017/5.0c3/293.0mkmol溶解度系数为：溶解度系数为：34001365.2/0.293HPa mkmol2022-12-1617或由各系数间的关系求出其它系数或由各系数间的关系求出其它系数 ssEMH47.59 101810
15、0031366.2/Pa mkmolPEm 341033.1011059.7749.02022-12-16188.3 扩散和单相传质扩散和单相传质2022-12-1619吸收过程吸收过程 气相主体 液相主体 相界面p z1z2pi ci c 气膜液膜(1)(1)溶质从气相主体转移到相界溶质从气相主体转移到相界面。即气相内的物质传递面。即气相内的物质传递(2)(2)溶质在相界面处的溶解，由溶质在相界面处的溶解，由气相进入液相。气相进入液相。(3)(3)溶质由相界转移到液相主体。溶质由相界转移到液相主体。即液相内的物质传递。即液相内的物质传递。2022-12-1620分子扩散：分子扩散：一相内部存
16、在浓度差异时，一相内部存在浓度差异时，由于分子的无规则运动而引由于分子的无规则运动而引起的物质传递。起的物质传递。1菲克定律菲克定律 扩散速率扩散速率：单位时间内通过单位面积传递的物质的量单位时间内通过单位面积传递的物质的量，单位，单位：mol/(m2s)。8.3.1分子扩散分子扩散菲克定律菲克定律 ABABAB2022-12-1621dndcJDAddz J-传质速率，单位为传质速率，单位为mol/(m2s)D-扩散系数，单位为扩散系数，单位为m2/sc-吸收质的浓度，单位为吸收质的浓度，单位为mol/m3z-扩散距离，单位为扩散距离，单位为mA-相间传质接触面积，单位为相间传质接触面积，单
17、位为m22022-12-1622AAABdcJDdz MABcccABJJ 2.等分子反向扩散等分子反向扩散BBBAdcJDdz ABBADDD定态条件下，对定态条件下，对积分，得：积分，得：因因c=n/V，且且pV=nRT，故故c=p/RT，12()AAAAcDJDccz AAdcJDdz 121()AAAApDJDppRTzRT JAJBT PpA2pB2T PpA1pB1122022-12-1623（1）主体流动：因溶质扩散到界面后溶解于溶剂中，造 成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。（2）主体流动的特点：1）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在主体流动中方向相同，流
18、动速度正比于摩尔分率。3 单向扩散单向扩散,cpNNNpAAb AbbMc,cpNNNcpBBb Bbb12JAJBNb,ANb,B总体流动NbNA2022-12-1624（3）单向扩散传质速率方程AAA,Ab AbpNJNJNpBBb,BBBbpNJNJNpBBb0pJNpBBbpJNp 12JAJBNb,ANb,B总体流动NbNA2022-12-1625BAbBpJJNp ABAABAAbbbbbpppppNJNNNNNppppAAAAddMccNDNzc AAAddMMDccNccz 微分式AAAbpNJNp2022-12-1626气相扩散 RTpcAAMpcRTzpppRTDpNdd)
19、(AAAA2AA1lnppDpNRTppB2AB1lnpDpNRTp积分式21AA0Add(-)AApppDpNzRT p p2022-12-1627B2A2B1A1pppppB1B2B1B2BmlnpppppB2B2B1B1B2B1A1A2B2B1B2B1lnln()ApppDpNRTpppppDpppRTppB2AB1lnpDpNRTp2022-12-1628B2B1BmB2B1lncccccAA1A2Bm()MDcNccc积分式AA1A2Bm()DpNppRTp积分式液相：BmppBmMcc、漂流因数，无因次 2022-12-1629漂流因数意义：其大小反映主体流动对传质速率的影 响程度
20、，其值为主体流动使传质速率较单纯分子扩 散增大的倍数。1BmppBm1cc漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，主体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，主体流动的影响小。12()AAADJppRTAA1A2Bm()DpNppRTp2022-12-16308.3.2 扩散系数扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映 某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常 数之一；单位：m2/s。D的影响因素：A、B、T、P、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定2022-12-1631（1）气相中的D范围：10-510-4m2/s 经验公式1.81000()()()pTDf TpDTD pD
21、Tp，（2）液相中的D范围：10-1010-9m2/s D DTTDTfD )(，2022-12-1632例8-2：有一直立的玻璃管，底端封死，内充丙酮，液面距上端管口11mm，上端有一股空气通过，5小时后，管内液面降到距管口20.5mm，管内液体温度保持293K，大气压为100kPa，此条件下，丙酮的饱和蒸气压为24kPa。求丙酮在空气中的扩散系数。空气丙酮2022-12-1633ddddddddddAAAAAAAAAAzMzAMAVAMAMmAn单位面积液面汽化的速率用液面高度变化的速率：ddAAzMB2B1lnpDpRTp=0AB20AB1lnddM Dppz zRTp解B2AB1lnp
22、DpNRTp2022-12-163422AB20AB1ln()/2M DppRTp220AB2AB12lnRTDpMpp/sm10118002011.00205.076100ln100293314.85879025222022-12-16358.3.3.8.3.3.对流传质对流传质1涡流扩散涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部 存在浓度梯度，流体质点便会靠 质点的无规则运动，相互碰撞和 混合，组分从高浓度向低浓度方 向传递，这种现象称为涡流散。AA,ddEEcJDz 2022-12-1636A,EJ涡流扩散速率，kmol/(m2s)；ED涡流扩散系数，m2/s。注意：涡流扩散系数与分子扩散系
23、数不同，不是物性 常数，其值与流体流动状态及所处的位置有 关。总扩散通量：AA,TddEcJ(DD)z AA,ddEEcJDz 2022-12-16372 2 对流传质模型对流传质模型相际对流传质三大模型：双膜（有效膜）模型*溶质渗透模型 表面更新模型2022-12-1638 由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。双膜理论的基本论点是：(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为 1 和 2）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。
24、(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。气相主体 液相主体 相界面pi=H ci p 12pi ci c 气膜液膜2022-12-1639 按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式地结果相差较大；由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 和 2 以及界面上浓度 pi 和 ci 都难以确定；双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；该理论提出的双阻力概念，
25、即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。2022-12-1640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。赫格比（Higbie）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。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
26、降。界面cAicA0距相界面的距离液相浓度cA 增加 2022-12-1641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 2ABLcDk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。2022-12-1642丹克瓦茨（Danckwerts）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 c 才发生一次。处于表面的流体单元
27、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。引入一个模型参数 S 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）。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 0 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 LABkSD2022-12-1643LABkSD 该理论得出的传质系数正比于扩散系数 DAB 的 0.5 次方；该理论的模型参数是表面更新机率 S，而不是接触时间 c；目前还不能对 c 和 S 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；溶质渗透理论和表面更新理论指出了强化传质的方向，即降低接触时间或增加
28、表面更新机率。2022-12-1644AiGBmGgD pN(pp)RT pAi()GgNkppGBmGGD pkRTp以分压表示推动力的气相对流传质系数，kmol/m2skPa）。GkDG：气相对流传质系数 3单相对流传质速率方程（1）气相对流传质速率方程p picic气相液相GLEAA1A2Bm()DpNppRTpAA,TddEcJ(DD)z 2022-12-1645Agi()GNkppAp()GiNkyyyk以气相摩尔分率表示推动力的气相对流传 质分系数，kmol/（m2s）；gppyiippyyGkpk)(AiyyykN令令2022-12-1646AiLm()LMBD cNcccAi(
29、)LNkccBmLMLLD ckc同理)(AxxkNix（2）液相对流传质速率方程xMLkc kkL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相 对流传质系数，(ms)-1；xk以液相组成摩尔分率表示推动力的液相 对流传质系数，kmol/（m2s）；p picic气相液相GLE2022-12-16474 对流传质系数的求解对流传质系数的求解Sherwood Number kdShDReduScD(Re,)ShfSc0.830.330.023ReShSc0.80.30.40.023RePrNu Reynolds Number Schmidt NumberAi()GgNkppAi()LNkcc2022-12
30、-1648/ecpH根据双膜理论 i/icpHLAi()ekNppHAieLHNppkAi1gGNppkA1geLGHNppkk8.4 8.4 相际传质相际传质8.4.1 8.4.1 相际传质速率相际传质速率Ai()GgNkppAi()GgNkppAi()LNkcc)(AxxkNix)(AiyyykN2022-12-1649GLG11HKkk同理xyykmkK11令：AG()geNKppA()yeNKyyGK 以气相压差表示推动力的气相总传 质系数 yK以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数2022-12-1650用液相组成表示吸收推动力 AL()eNKccA()xeNKxxLK 以液相
31、浓度差表示推动力的液相总传 质系数xK以液相摩尔分率差表示推动力的液相 总传质系数LLG111KkHkyxxmkkK1112022-12-1651总传质系数之间的关系 yKpKGLMxc KKGLHKKxyKmK2022-12-16528.4.2 8.4.2 传质阻力和速率控制传质阻力和速率控制传质阻力GLG11HKkkLLG111KkHk11 yxymKkk111xxyKkmk相间传质总阻力=液相(膜)阻力+气相(膜)阻力2022-12-1653传质速率的控制步骤（1）气膜控制气膜控制：易溶气体易溶气体，传质阻力主要集中在气相，此吸收过程为气相阻力控制（气膜控制）。GGKkH 较小，易溶气体
32、 气膜控制的特点：igegpppp.pIpicce*Acep()AGgeNkpp1GLHkkGLG11HKkk2022-12-1654（2）液膜控制液膜控制：难溶气体，：难溶气体，传质阻力主要集中在液相，此吸收过程为液相阻力控制（液膜控制）液膜控制的特点：H较大，难溶气体 eicccc.pipepcicecAe()LNkcc11LGkHkLLKkLLG111KkHk2022-12-1655 yyKk同理：气膜控制：xxKk液膜控制：eiyyyym小，易溶气体e()AyNkyym大，难溶气体eixxxx()AxeNkxx2022-12-16568.5 低含量气体的吸收低含量气体的吸收G、L通过吸
33、收塔的通过吸收塔的气体和液体的摩尔流率气体和液体的摩尔流率；kmol/(m2s)；y 混合气体中溶质的摩尔分率；混合气体中溶质的摩尔分率；x 溶液中溶质的摩尔分率。溶液中溶质的摩尔分率。下标下标“1”代表填料层代表填料层下底下底截面截面浓端，浓端，下标下标“2”代表填料层代表填料层上顶上顶截面截面稀端。稀端。特点：特点：（1）.G，L为常量为常量（2）.等温吸收等温吸收（3）.传质系数为常数传质系数为常数G,y2G,y1L,x2L,xG,yL,x12022-12-16571221GyLxGyLx1、全塔物料衡算、全塔物料衡算塔底到塔顶对溶质做物料衡算塔底到塔顶对溶质做物料衡算 8.5.1 吸收
34、塔中的物料衡算吸收塔中的物料衡算操作线方程操作线方程 1212yyLGxx液气比液气比 进塔气体量进塔气体量 G和组成和组成 y1 是吸收任务规定的，进是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成塔吸收剂温度和组成 x2 一般由工艺条件所确定，出一般由工艺条件所确定，出塔气体组成塔气体组成y2 则由任务给定的则由任务给定的吸收率吸收率 求出求出 121yyy21(1)yy G,y2 G,y1L,x2L,xG,yL,x12022-12-165822LLyxyxGG2、操作线方程与操作线、操作线方程与操作线上式称为上式称为吸收操作线方程吸收操作线方程，代表逆流操，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相
35、组成作时塔内任一截面上的气、液两相组成 y y和和x x之间的关系。之间的关系。填料层任一截面与塔顶之间对溶质做物料衡算：填料层任一截面与塔顶之间对溶质做物料衡算：22()()G yyL xx G,y2 G,y1L,x2L,xG,yL,x12022-12-1659 当当L/G一定，操作线方程在一定，操作线方程在y-x图图上为直线，称为上为直线，称为吸收操作线。吸收操作线。斜率：斜率：液气比液气比L/G，经过点经过点A(x1，y1)和和B(x2，y2)yxoy=f(x)Ay1x1x2y2ByxxeyeP 线上任一点的坐标线上任一点的坐标P(x，y)代代表了表了塔内该截面上气液两相的组成。塔内该截
36、面上气液两相的组成。操作线上任一点操作线上任一点 P 与平衡线间的垂直距离与平衡线间的垂直距离 y=y-ye 为塔内该截面上为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离 x=xe-x 为该截为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。面上以液相为基准的吸收传质推动力。两线间垂直距离（两线间垂直距离（y-ye）或水平距离（）或水平距离（xe-x）的变化显示了吸收过）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。程推动力沿塔高的变化规律。y-yexe-x2022-12-1660yxoy=f(x)Ay1x1x2y2BL/Gy-yeAx1x1
37、e(L/G)minC最小液气比最小液气比(L/G)min当当 L/G下降到某一值时，操作线将与平衡线下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切相交或者相切，此时对应，此时对应的液气比称为的液气比称为最小液气比最小液气比，用，用(L/G)min表示，而对应的表示，而对应的 x1 则用则用 x1e 表示表示（最大出塔吸收液浓度）。（最大出塔吸收液浓度）。L/G，斜率，斜率，操作线与平衡线的距离操作线与平衡线的距离 ,推动力推动力 ，塔高，塔高 ,设备费用设备费用;L/G ，吸收剂用量，吸收剂用量 ，吸收剂出塔浓度，吸收剂出塔浓度x1 ,循环和再生费用循环和再生费用 。3、液汽比的选择、液汽比的选
38、择2022-12-1661随随液气比液气比的减小，操作线与平衡线是的减小，操作线与平衡线是相交还是相切相交还是相切取决于平取决于平衡线的形状衡线的形状。yxoy=f(x)y1x2y2Bx1,max=x1e最小液气比Cyxoy=f(x)y1x2y2Bx1e最小液气比Cx1,max两线在两线在 y1 处相交时，处相交时，x1,max=x1e；两线在中间某个浓度处相切时两线在中间某个浓度处相切时，x1,maxx1e 。2022-12-1662min(1.1 2.0)()LLGG12min12eyyLGxx12min12eyyLGxx最小液气比的计算最小液气比的计算液气比的选择液气比的选择平衡线符合亨
39、利定律，可用平衡线符合亨利定律，可用 ymx表示表示 121min2yyLyGxm2022-12-1663ddAN dAGS yLS x 对填料层中高度为对填料层中高度为 dH,传质面积为传质面积为dA的微分段作物料衡算的微分段作物料衡算,可得溶质在单可得溶质在单位时间内由气相转入液相的量。位时间内由气相转入液相的量。填料塔内气、液组成填料塔内气、液组成 y、x和传质推和传质推动力动力 y（或（或 x）均随塔高变化，故塔内）均随塔高变化，故塔内各截面上的吸收速率也不相同。各截面上的吸收速率也不相同。G,y2G,y1L,x1L,x2yxHy+dydHx+dx8.5.2 填料层高度的计算填料层高度
40、的计算 1 填料层高度的基本计算式填料层高度的基本计算式 S:填料塔的截面积填料塔的截面积2022-12-1664若填料塔的填料层高度为若填料塔的填料层高度为H，空塔截面积为，空塔截面积为S，则堆放填料，则堆放填料的体积为的体积为HS，单位体积填料的有效表面积为，单位体积填料的有效表面积为 (m2m-3),则则传质的接触面积为：传质的接触面积为：A=HS，dA=aSdHAxeNKxx12dyyyeGyHKyy12dxxxxeLHKxxAyeNKyyddAN dAGS yLS x2022-12-1665yGK a的单位 2223/kmolm skmolmsmmmOGyGHK a12yOGyedy
41、Nyy气相传质单元数气相传质单元数 OGOGHHN2 传质单元数和传质单元高度传质单元数和传质单元高度OLOLHHN12dyyyeGyHKyy气相传质单元高度气相传质单元高度 OLxLHK a液相传质单元高度液相传质单元高度 12xOLxedxNxx液相传质单元数液相传质单元数 2022-12-1666 传质单元数传质单元数 NOG 或或 NOL 反映吸收过程的难易程度反映吸收过程的难易程度，其大小取决于，其大小取决于分离任务分离任务和整个填料层和整个填料层平均推动力平均推动力大小两个方面。若任务所要求的大小两个方面。若任务所要求的气体浓度变化越大，过程的推动力越小，则吸收越难，所需的传质气体
42、浓度变化越大，过程的推动力越小，则吸收越难，所需的传质单元数越多。单元数越多。NOG 与气相或液相进、出塔的浓度，液气比以及物系的平衡关系与气相或液相进、出塔的浓度，液气比以及物系的平衡关系有关，而与设备形式和设备中气、液两相的流动状况等因素无关。有关，而与设备形式和设备中气、液两相的流动状况等因素无关。设备选型前可先计算出过程所需的设备选型前可先计算出过程所需的 NOG 或或 NOL。其其 值大，分离任值大，分离任务艰巨，为避免塔过高应选用传质性能优良的填料。若务艰巨，为避免塔过高应选用传质性能优良的填料。若 NOG 或或 NOL 值过大，就应重新考虑所选溶剂或液气比是否合理。值过大，就应重
43、新考虑所选溶剂或液气比是否合理。12dyyOGyeNyy12dxxOLxeNxx1）传质单元数）传质单元数2022-12-1667 传质单元高度传质单元高度 HOG 或或 HOL 则表示则表示完成一个传质单元分离任务所需的填料完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度，层高度，代表了代表了吸收塔传质性能的高低吸收塔传质性能的高低，主要与，主要与填料的性能和塔中气、液填料的性能和塔中气、液两相的流动状况有关。两相的流动状况有关。HOG 或或HOL 值小值小，表示设备的，表示设备的性能高性能高，完成相同传质单元数的吸收任务，完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的所需塔的高度小高度小。用传质单元高度用传
44、质单元高度HOG、HOL 或传质系数或传质系数 Kya、Kxa 表征设备的传质性能其表征设备的传质性能其实质是相同的。但随气、液流率改变实质是相同的。但随气、液流率改变 Kya 或或 Kxa 的值变化较大，一般流率的值变化较大，一般流率增加，增加，Kya（或（或Kxa）增大。）增大。HOG 或或HOL 因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度就较小。因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度就较小。一般吸收设备的传质单元高度在一般吸收设备的传质单元高度在 0.151.5m 范围内。范围内。OGyGHK aOLxLHK a2）传质单元高度）传质单元高度2022-12-16688.5.3 传质单元数的计算方
45、法传质单元数的计算方法 平衡线为直线时平衡线为直线时 对数平均推动力法对数平均推动力法吸收因数法吸收因数法平衡线为曲线时平衡线为曲线时 图解积分法图解积分法近似梯级法近似梯级法12dyyOGyeNyy2022-12-16691 对数平均推动力法 吸收的操作线为直线，当平衡线也为直线时 eyyy()f y线性函数 1212()yydydyyy1212()yydydyyy111222,eeyyyyyy12dyyOGyeNyy2022-12-167012yOGyedyNyy121212()yyyyyydyy121212yyyyd yyyy121122lnyyyyyy121212lnOGyyNyyyy
46、12myyy1212lnmyyyyy11221122()()lneeeeyyyyyyyy对数平均推动力对数平均推动力2022-12-167112OLmxxNx112212111222()()lnlneemeexxxxxxxxxxxxx同理：同理：12dxxOLxeNxx2022-12-16722 吸收因数法 平衡关系用直线 eymx表示时，12yOGyedyNyy12yydyymx22()GxxyyL将代入1222()yOGydyNGym xyyL2022-12-16731222(1)()yydymGmGyymxLL令 1mGLA122211(1)()yOGyedyNyyyAA12222211
47、(1)()1ln1111(1)()eeyyyAAyyyAAA2022-12-167412222221111(1)1ln11eeeeyyyyyAAAAyyA122222111(1)(1)()1ln11eeeyyyyAAAyyA1222111ln(1)11OGymxNA ymxAA1mGAL脱吸因数。脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次。LAmG吸收因数吸收因数 2022-12-167512211ln(1)1OLymxNAAAymx1222111ln(1)11OGymxNA ymxAA2022-12-1676当平衡线为曲线不能用较简单确切的函数式表达时，通常当平衡线为曲线不能用较简单确切的
48、函数式表达时，通常可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数。可采用图解积分法或数值积分法求解传质单元数。图解积分法的步骤为图解积分法的步骤为(1)以以y-x作出平衡线作出平衡线；(2)以以y-x作出操作线作出操作线(3)在在y2-y1范围内设不同的范围内设不同的y值，求出（值，求出（yye）值及）值及1/(yye)。3 图解积分法图解积分法 yyoxy*=f(x)Ax1x2BxxePy-yexe-x y2 y1 y y1e2022-12-1677(4)在在 y2到到 y1 的范围内作的范围内作 y1/(yye)曲线曲线；yoy1y21/(y-ye)12dyOGyeyNyy(5)计算曲线下阴影
49、面积，此面积的值即为传质单元数计算曲线下阴影面积，此面积的值即为传质单元数NOG。2022-12-16788.5.4 吸收塔的计算类型吸收塔的计算类型2、操作型（校核型）计算、操作型（校核型）计算1、设计型计算、设计型计算给定生产任务给定生产任务给定工艺条件给定工艺条件设计设计满足任务要求满足任务要求单元设备单元设备给定设备参数给定设备参数给定工艺条件给定工艺条件求算求算能否满足任务要求能否满足任务要求单元设备单元设备2022-12-1679例例8-3 8-3 在一塔径为在一塔径为0.8m的填料塔内，用的填料塔内，用清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收清水逆流吸收空气中的氨，要求氨的吸收率为率
50、为99.5%。已知空气和氨的混合气体质。已知空气和氨的混合气体质量流量为量流量为1400kg/h，气体总压为，气体总压为101.3kPa，其中氨的分压为其中氨的分压为1.333 kPa。若液气比为。若液气比为最小液气比的最小液气比的1.4倍，操作温度（倍，操作温度（293K）下的气液相平衡关系为下的气液相平衡关系为y=0.75x，气相总，气相总体积吸收系数体积吸收系数Ky为为0.088kmol/m3s，试，试求求（1 1）每小时用水量；）每小时用水量；（2 2）用平均推动力法求出所需填料层高）用平均推动力法求出所需填料层高度。度。y2 x2 填填料料 y1 x1 填填料料塔塔 2022-12-
