1、1本章重点本章重点 1、亨利定律及各种表达式和相互间的关系；、亨利定律及各种表达式和相互间的关系；2、菲克定律及其应用；、菲克定律及其应用；3、双膜理论及总吸收速率方程；、双膜理论及总吸收速率方程；4、吸收过程的物料衡算及操作线方程；、吸收过程的物料衡算及操作线方程；5、最小液气比概念及吸收剂用量的计算；、最小液气比概念及吸收剂用量的计算；6、填料层高度及其传质单元数的计算；、填料层高度及其传质单元数的计算；7、吸收塔的设计计算、吸收塔的设计计算。2第一节第一节 概述概述一、什么是吸收一、什么是吸收二吸收目的二吸收目的三吸收分类三吸收分类四吸收设备、流程四吸收设备、流程五吸收剂的选择五吸收剂的
2、选择3第一节第一节 概述概述 一、什么是吸收？一、什么是吸收？利用利用气体混合物气体混合物中各组分在液体溶剂中中各组分在液体溶剂中溶解度的差异溶解度的差异来分离气体混合物的来分离气体混合物的操作操作称称为吸收为吸收。溶溶质质 A惰惰性性组组分分 B吸吸收收剂剂 S A A+B S （气体）（气体）（液体）（液体）4二吸收目的二吸收目的1制取产品制取产品例如，用 98%的硫酸吸收 SO3气体制取 98%硫酸，用水吸收氯化氢制取 31%的工业盐酸，用氨水吸收 CO2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；用洗油从煤气中回收粗苯等。3除去有害
3、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 SO2等。第一节第一节 概述概述5第一节第一节 概述概述三吸收分类三吸收分类 多组分吸收多组分吸收单组分吸收单组分吸收非等温吸收非等温吸收等温吸收等温吸收化学吸收化学吸收物理吸收物理吸收6第一节第一节 概述概述 填料塔填料塔板式塔板式塔1 1、吸收设备、吸收设备-塔设备塔设备 吸收剂吸收剂 吸收尾气吸收尾气 吸吸 收收 塔塔 混合气混合气 吸收液吸收液 逆流吸收操作示意图逆流吸收操作示意图 气体气体溶剂溶剂 1 n 被吸收气体被吸收气体 板
4、式塔板式塔 气体气体溶剂溶剂 填料填料 被吸收气体被吸收气体 填料塔填料塔四吸收设备、流程四吸收设备、流程72吸收流程吸收流程（1）单单一一吸吸收收塔塔流流程程（2）多多塔塔吸吸收收流流程程 （a）气、液串联（逆流）（b）气体串联、液体并联（逆流）多塔吸收流程多塔吸收流程第一节第一节 概述概述8第一节第一节 概述概述（3）吸收剂在吸收塔内再循环流程）吸收剂在吸收塔内再循环流程（4）吸收）吸收-解吸流程解吸流程 吸收剂再循环流程吸收剂再循环流程 吸吸 解解 收收 吸吸 塔塔 塔塔 吸收吸收-解吸流程解吸流程9五吸收剂的选择五吸收剂的选择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
5、度2选择性选择性对溶质组分有良好的选择性，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，即对其它组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。A A+B S （气体）（气体）（液体）（液体）10第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液平衡液平衡一、气体的溶解度一、气体的溶解度二、吸收极限二、吸收极限相平衡相平衡三、亨利定律三、亨利定律四、气液两相传质的方向四、气液两相传质的方向 11 一溶解度
6、一溶解度气气液液达达到到相相平平衡衡时时，液液相相中中的的溶溶质质浓浓度度称称为为溶溶解解度度。在几个大气压以内、温度一定条件下，在几个大气压以内、温度一定条件下，A A+B S （气体）（气体）（液体）（液体）AApfC 或或 AACgp 第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡121.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 pA，atm O 2 CO2 pA=723CA pA=25.5CA SO2 NH3 pA=0.36CA pA=0.0136CA 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10nCA，kmol/m3 O2n=3，C
7、O2n=2，SO2n=1，NH3n=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 难溶体系溶解度适中体系易溶体系13二、吸收极限二、吸收极限相平衡相平衡当吸收剂中浓度达饱和时，任何时刻进入液相当吸收剂中浓度达饱和时，任何时刻进入液相中的溶质分子数等于从溶液中送出的到气相中的溶中的溶质分子数等于从溶液中送出的到气相中的溶质分子数，即气相中和液相中溶质分子不再发生变质分子数，即气相中和液相中溶质分子不再发生变化，称两相动态平衡化，称两相动态平衡相平衡相平衡。达到相平衡时，吸收操作已达极限程度，如不改达到相平衡时，吸收操作已达极限程度，如不改变条件，再操作多少时间，溶质不会再被吸收
8、剂吸变条件，再操作多少时间，溶质不会再被吸收剂吸收，吸收操作便可停止。收，吸收操作便可停止。第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡14 第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡 三、亨利定律三、亨利定律对于稀溶液，有对于稀溶液，有AApHC 亨利定律溶解度系数，kmol/(m3Pa)15AApHC 亨利定律的其他形式：亨利定律的其他形式：CCHCpAAAEx E越大，表明溶解度越小；越大，表明溶解度越小；E随温度变化而变化，随温度变化而变化，T，E，亨利系数，PaAAAxPEPpy Amx m越大，表明溶解度越小；越大，表明溶解度越小；m随温度、总压变化而变随温度、总
9、压变化而变化，化，T，m，P，m 相平衡常数，无因次 第二节吸收过程的气第二节吸收过程的气液相平衡液相平衡16四、气液两相传质的方向四、气液两相传质的方向与传质极限与传质极限求下列五种情况下的传质方向 在常压下及25下，气相co2的组成0.05（摩尔分率），现将此混合气体分别与以下几种溶液接触：浓度为10-3kmol/m3的co2水溶液；浓度为1.0910-3kmol/m3的co2水溶液；浓度为310-3kmol/m3的co2水溶液；气相压力还保持常压，co2的组成仍为0.05，而温度降为0，将此种气体与浓度为310-3kmol/m3的co2水溶液相接触；气相压力为5105pa，温度为25，c
10、o2组成仍为0.05，将气相与浓度为310-3kmol/m3的co2水溶液相接触。17解：对于题中规定的气液两相条件，判别过程进行的方 向和极限。首先计算与气相浓度呈平衡是的液相浓度。查常压下25下，co2在水中的亨利系数 E=164mpa，平衡常数 m=E/P=1640，当气相浓度y=0.05时，与其平衡的液相浓度 x*=y/m=310-3而实际的液体浓度 c=10-3kmol/m3水密度为 =1000kg/m3则 x=c/(/ms)=10-3/(1000/18)=1.810-5 18由于液相中co2的浓度下于与气相呈平衡的液相浓度x*，故两相接触时，将有部分co2从气相转入液相，此过程为吸
11、收。同理对、四种情况计算，计算后将5种情况结果列于表中 序号气相浓度y液相浓度x与气相呈平衡的液相浓度x*吸收推动力x*x方向判断10.051.810-5310-50吸收20.05310-5310-5=0平衡30.055.410-5310-50吸收50.055.410-51510-50吸收19小结小结 亦可通过比较气相组成y与液相呈平衡时的气相浓度y*的值的大小来进行判别，y y*，则为吸收过程；y y*，则为解吸过程。1、气液两相传质的方向与极限：若溶质在液相主体中的实际浓度为x，与接触的气相呈平衡的液相浓度为x*，则当x x*，解吸，x=x*，平衡状态，此时传质推动力为0，传质过程停止，即
12、达到极限状态。202、影响吸收过程的因素（1）温度tE，减少了吸收的传质推动力，对吸收 不利。（2）压力，P总510-5pa，对E影响不大。当气相中溶质浓度相同，增加气相中溶质的分压，增大了传质推动力，对吸收有利。21第三节第三节 吸收机理与吸收速率吸收机理与吸收速率 3.1单相中物质传递单相中物质传递 3.2吸收机理吸收机理 3.3吸收速率吸收速率223.1单相中物质传递单相中物质传递 一、分子扩散与菲克定律一、分子扩散与菲克定律 二、气相中的稳定分子扩散二、气相中的稳定分子扩散 三、液相中稳定分子扩散三、液相中稳定分子扩散 四、对流传质四、对流传质 23一、分子扩散与菲克定律分子扩散与菲克
13、定律扩散通量：单位面积、单位时间内扩散通量：单位面积、单位时间内扩散传递的物质量，扩散传递的物质量，单位为单位为kmol/m2s，用，用J表示表示。dzdCDJAABzA ,表示扩散方向与浓度梯度方向相反表示扩散方向与浓度梯度方向相反扩扩散散通通量量，kmol/m2 sA 在在 B 中中的的扩扩散散系系数数 m2/s相界面相界面pGpici传质方向传质方向24费克定律的其它表达形式：费克定律的其它表达形式：dzdpRTDdzRTpdDdzdxCDJAABAABAABzA ,说明：说明：（1）JA,z是相对扩散通量是相对扩散通量（绝对扩散通量用（绝对扩散通量用NA,z表示）表示）（2）DA,B是
14、物性之一是物性之一),(,xTPfDBA DA,B（气）（气）10-5m2/sDA,B（液）（液）10-9m2/s DA,B（固）（固）平衡线斜率，即 1VLmS 要求得到浓的吸收液，力求使出塔液体与进塔气体达平衡，则要减少液体量，则操作线斜率 VL，85使操作线斜率1。一般吸收操作都是要求获得高的吸收率，即力求使气体中溶质被充分吸收，所以一般S1。经验选取 S=0.70.8（2）对数平均推动力法）对数平均推动力法（推导过程从略。（推导过程从略。）其中：mOGYYYN212121lnYYYYYm*111YYY*222YYY86同理：用液相总传质单元数NOL，其相应解析式为：mOLXXXN21其
15、中：2121lnXXXXXm1*11XXX2*22XXX如当 2121YY2或 21 21XX2时对数平均值使用算术平均值计算)(2121YYYm)(2121XXXm873、梯级法（Baker法）（适用于平衡线为直线或弯曲程度不大时）步骤：如图 88作平衡线OE 操作线BT 作中点连线MN 过塔顶T点作水平线，交MN于点F 延长TF至F使FF=TF 过点F作垂直线 再从A作水平线交MN于点S，延长AS至S使AS=SS再过S作垂直线交BT于点D，再从D点出发直到达到或超过操作线上代表塔底的端点B为止。所画的梯级数即为气相总传质系数。89第五章 填料塔的流体力学性能 一、气体通过填料层内的压强降
16、二、液泛 90在逆流操作的填料塔内，流体自上而下喷淋在填料表面作膜状流动。液膜的厚度直接影响到：气体通过填料层时的压强降；液泛速度；塔内持液量。这三项就是填料塔的流体力学性能。液膜厚度由液体和气体流动状况所决定。所以填料塔内的流体力学性能与塔内液体气体的流动有密切的关系。首先介绍流体力学之一：91一、气体通过填料层内的压强降 气体通过填料层时与填料表面上液膜间产生摩擦以及在填料间隙中流动时与填料间摩擦造成了气体通过填料层时产生能量损失，即压降P。压强的大小直接决定了塔的动力消耗，所以压降是一个很重要的流体力学性能。因为P与气体流量有关。测出不同液体喷淋量L下的单位填料层高度的压强 与空塔气速u
17、的关系，如图：ZP92从图中可看出：（1）L=0时，即无液体喷淋时，气体通过干填料时所产生的压降与气速的关系为一直线。（2）当L0时，u关系为一折线。并存在两个转折点：ZP93下转折点：“载点”。上转折点：“泛点”。这两个转折点又将 u分为三个区域：三个区段：恒持液量区（载点以下）载液区（两点之间）液泛区（泛点以上）持液量单位体积填料层内所持有的液体的体积。a、恒持液量区：当气速u比较低时，液体从填料层内向下流动时几乎不受气速的影响。在喷淋量L一定时（对应一根折线），填料表面上所覆盖的液体膜层厚度ZP94不变，所以填料的持液量不变，称为恒持液量区。在这个区域：因为填料空隙被一定量的液体所占据，
18、所以气体通过填料层时的真实速度 比它通过干填料层时真实速度为高，所以压降也较大。b、载液区：增大气速，此时下降的液体受上升的气流影响，使液体不能顺利地下流，此时填料层内持液量增多，并随气速u增大而增多，这种现象称为拦液现象，当气速增大到开始出现拦液现象时的空塔气速称为“载点气速”。c、继续增大u，液体受到上升的气流的影响更大，使液湿u95二、液泛 体在填料层内越积越多，以致几乎充满了填料层中的空隙，此时压强降急剧增加，u线的斜率增大（10以上），u曲线几乎接近垂直线上，其折点即为“泛点”，达泛点时的气速称为“泛点气速”。ZPZP在泛点气速下，填料持液量增多，此时液体并非以膜状形式分布于填料表面与气相接触，液体以一股流体形式（即呈连续相）向下流动，而气体与液体接触由填料层表96面转移到填料的空隙中，气体在液体中通过鼓泡形式传质，此时气流出现脉动，液体被高速的气体大量带出塔顶，塔的操作很不稳定，甚至被完全破坏，这种情况称为填料塔的“液泛现象”。“泛点气速”是开始出现液泛时的空塔气速。由实验表明：空塔气速在“载点”和“泛点”之间时，气体和液体的湍动加剧，气液接触良好，传质效果提高。“泛点气速”是填料塔操作时的最大极限气速。而填料塔的适宜操作气速通常依“泛点气速”来决定的。所以“泛点气速”是填料塔设计和操作十分重要的一个97参数，通过实验测定。适宜的空塔气速一般取泛点气速的5085%。
