1、第七章n吸n收与n蒸n馏n组分由高浓度区传向低浓度区组分由高浓度区传向低浓度区,自一相传自一相传入另一相中，这种现象称为入另一相中，这种现象称为质量传递质量传递，简称简称传质传质。n传质过程：传质过程：物质由一处向另一处转移的物质由一处向另一处转移的过程。过程。7-1 传质学基础传质过程的分类传质过程的分类（1）按相接触情况不同分）按相接触情况不同分:（2）按操作方式不同分）按操作方式不同分:（3）按实现反复相接触方式分：）按实现反复相接触方式分：(4)按两相流动方向的不同分：按两相流动方向的不同分：对流扩散（对流扩散（convection diffusion）膜过程膜过程非稳态操作非稳态操作
2、连续接触操作连续接触操作逆流操作逆流操作 质量传递的方式分为：质量传递的方式分为：分子扩散（分子扩散（molecular diffusion）两相直接接触两相直接接触稳态操作稳态操作级式操作级式操作并流操作并流操作7.1.1扩散现象与分子扩散速率n分子扩散：分子扩散：由浓度（或温度）不均引起，依靠微观分由浓度（或温度）不均引起，依靠微观分子运动产生传质的现象。子运动产生传质的现象。n湍流扩散（涡流扩散）：湍流扩散（涡流扩散）：发生在湍流体中依靠质点宏发生在湍流体中依靠质点宏观不规则运动的碰撞混合，而进行传质的现象。观不规则运动的碰撞混合，而进行传质的现象。界面界面气相气相主体主体组分组分组分组
3、分液相液相主体主体1 扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；扩散物质从一相的主体扩散到两相界面（单相中的扩散）；2 在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；在界面上的扩散物质从一相进入另一相（相际间传质）；3 进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；进入另一相的扩散物质从界面向该相的主体扩散（单相中的扩散）；物质传递的三个步骤：物质传递的三个步骤：n混合物组成的表示方法名称符号定义单位质量浓度AmA/Vkg/m3物质的量浓度cAnA/Vkmol/m3质量分率aAmA/(mA+mB)无因次摩尔分率 气yA、液xAnA/(nA+nB)无因次摩尔比 气YA
4、、液XAnA/nB无因次A分子扩散分子扩散nFick 定律dzdcDJAABA式中JAA组分在z方向上的扩散通量kmol/m2s;cA-A组分的摩尔浓度kmol/m3；DABA组分在A、B的混合物中扩散时的扩散系数m2/s“”表示散沿着浓度降低方向进行。扩散通量扩散通量：单位时间内单位面积上扩散传递的物质的量，：单位时间内单位面积上扩散传递的物质的量，其单位为其单位为mol/(m2s)。均相二元物系，由均相二元物系，由A，B两组分组成，在恒定的温度和压力下，均相混两组分组成，在恒定的温度和压力下，均相混合物中，分子扩散服从费克定律，对于合物中，分子扩散服从费克定律，对于A组分来说组分来说对于对
5、于B B组分组分dzdcDJBBAB当扩散为气相或是两组分性质相似的液相时当扩散为气相或是两组分性质相似的液相时，用，用D D来表示双组分物系的扩散系数。来表示双组分物系的扩散系数。对于气体，对于气体，Z Z方向上等温扩散时：方向上等温扩散时：BAABDDdzdPRTDJRTPVnCAAAAAPAA组分分压组分分压，kpaR8.314 kJ/(kmolk)扩散现象与分子扩散速率dzdcDJAEA涡流扩散通量涡流扩散通量De涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s（不是物性常数，由流体（不是物性常数，由流体的动力状况决定）的动力状况决定）假定：假定：pA1 pA2 pB111，漂流因子的，漂流因子的
6、大小直接反映了总体流动在传质中所占分量的大小，即漂大小直接反映了总体流动在传质中所占分量的大小，即漂流因子体现了总体流动对传质速率的影响。流因子体现了总体流动对传质速率的影响。单向扩散 单方向扩散的传质速率单方向扩散的传质速率N NA A比等摩尔逆向扩散比等摩尔逆向扩散时的传质速率时的传质速率J JA A大。这是因为在单方向扩散时大。这是因为在单方向扩散时除了有分子扩散，还有混合物的整体移动所致。除了有分子扩散，还有混合物的整体移动所致。p/pp/pBmBm值越大，表明整体移动在传质中所占分值越大，表明整体移动在传质中所占分量就越大。当气相中组分量就越大。当气相中组分A A的浓度很小时，各的浓
7、度很小时，各处处p pB B都接近于都接近于p p即即p/pp/pBmBm接近于接近于1 1，此时整体移动，此时整体移动便可忽略不计，可看作等摩尔逆向扩散。便可忽略不计，可看作等摩尔逆向扩散。分子扩散系数是物质的特征系数之一，表示物质在介质分子扩散系数是物质的特征系数之一，表示物质在介质中的扩散能力；中的扩散能力；扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因数。扩散系数取决于扩散质和介质的种类及温度等因数。对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于气体中的扩散，浓度的影响可以忽略；对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的对于液体中的扩散，浓度的影响不可以忽略，而压强的影响不显著。影响不显
8、著。物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借物质的扩散系数可由实验测得，或查有关资料，或借助于经验或半经验公式进行计算。助于经验或半经验公式进行计算。扩散系数扩散系数D扩散系数一些组分在水中的扩散系数值（一些组分在水中的扩散系数值（20）物质Dm2s-1物质Dm2s-l 物质Dm2s-1乳糖麦芽糖葡萄糖棉子糖蔗糖4.310-104.310-106.010-103.710-104.510-10甘露醇甘油氨基甲酸酯醋酸氯化钠5.810-107.210-109.210-101.9210-91.3510-9 二氧化碳 氯 氧 氨 氮1.7710-91.22U-91.8010-91.7610-91
9、.6410-9对流传质对流传质是指发生在运动着的流体与相截面之间是指发生在运动着的流体与相截面之间的传质过程。的传质过程。在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情在实际生产中，传质操作多发生在流体湍流的情况下，此时的况下，此时的对流传质对流传质是湍流主体与相界面之间是湍流主体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和。7.1.2 对流传质与相间传质对流传质与相间传质 在湍流流体中同时存在涡流扩散在湍流流体中同时存在涡流扩散 和分子扩散（涡流扩散和分子扩散（涡流扩散占主导地位占主导地位 ），其总扩散通量为），其总扩散通量为dZdCDDJAEA)(
10、式中式中 D分子扩散系数，分子扩散系数，m2/s；DE涡流扩散系数，涡流扩散系数，m2/s；dCA/dZ沿沿z方向的浓度梯度，方向的浓度梯度，kmol/m4；J总扩散通量总扩散通量kmol/(m2s)A A 对流传质对流传质注：注：D D分子扩散系数温度、压力不变时为常数。分子扩散系数温度、压力不变时为常数。涡流扩散系数涡流扩散系数D DE E不是物性常数，它与湍动有关，且随位不是物性常数，它与湍动有关，且随位置而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散置而不同。由于其难以测定，常将分子扩散和涡流扩散结合在一起考虑。结合在一起考虑。以吸收为例：吸收剂沿壁面自上而下流动，混合气体以吸收为例：
11、吸收剂沿壁面自上而下流动，混合气体自下而上流过液体表面。考察稳定操作状况下吸收塔设备自下而上流过液体表面。考察稳定操作状况下吸收塔设备任一截面处相界面的气相一侧溶质任一截面处相界面的气相一侧溶质A A浓度分布情况。浓度分布情况。气液界面 层流层 缓冲层 湍流主体气体液体传质方向 流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即湍流主湍流主体体、过渡层过渡层和和滞流层滞流层。过渡层过渡层 同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲线逐渐平缓。渐变小，曲线逐渐平缓。滞流层滞流层 溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于溶质的传
12、递主要依靠分子扩散作用，由于D D值值较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。湍流主体湍流主体 主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。线。气液界面 层流层 缓冲层 湍流主体传质方向 延长滞流内层的分压线和气相主体的分压线交于延长滞流内层的分压线和气相主体的分压线交于H H点，点，此点与相界面的距离为此点与相界面的距离为G G，在在G以内的流动为滞流，以内的流动为滞流，其物质传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为其物质传递纯属分
13、子扩散，此虚拟的膜层称为有效滞流有效滞流膜。膜。整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界面整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界面处的分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流膜层内。处的分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流膜层内。气液界面 层流层 缓冲层 湍流主体传质方向GPAiPA)(AiABMGGAppppRTDN)()(AAiLAAiAGAcckNPPkN按分子扩散速率方程来描述对流扩散速率按分子扩散速率方程来描述对流扩散速率BMGGGppRTDk令令气相气相液相液相kG气相对流传质分系数气相对流传质分系数，kmol/m2skPakL液相对流传质分系数液相对流传质分系数，m/s
14、传质系数对流传质对流给热Sherwood数 Reynold数 Schmidt数 待求函数为Sh=f(Re,Sc)DdkSh dNu udReudReDScPCPrB B 相间传质的双膜理论相间传质的双膜理论 n相间传质是物质由一相转移到另一相的相间传质是物质由一相转移到另一相的传质过程。相间传质需要解决的问题有：传质过程。相间传质需要解决的问题有：传质的方向、推动力，传质限度，相际传质的方向、推动力，传质限度，相际传质速率，因传质过程涉及到两相，上传质速率，因传质过程涉及到两相，上述问题都与相平衡有关，故具体介绍将述问题都与相平衡有关，故具体介绍将在后面相关章节介绍。在后面相关章节介绍。双膜模
15、型的理论要点双膜模型的理论要点 n气、液两相在相界面上呈平衡状态，即相界面上不存气、液两相在相界面上呈平衡状态，即相界面上不存在传质阻力。如以低浓度气体溶解为例，平衡关系服在传质阻力。如以低浓度气体溶解为例，平衡关系服从从HenryHenry定律，定律，n膜层以外的气液相主体，由于流体的充分湍动，分压膜层以外的气液相主体，由于流体的充分湍动，分压或浓度均匀化，无分压或浓度梯度。或浓度均匀化，无分压或浓度梯度。气膜边界液膜边界 气液相界面气相主体液相主体传质方向n在气、液两相接触面附近，分别存在着呈滞流流动在气、液两相接触面附近，分别存在着呈滞流流动的稳态气膜与液膜。在此滞膜层内传质严格按分子的
16、稳态气膜与液膜。在此滞膜层内传质严格按分子扩散方式进行，膜的厚度随流体流动状态而变化；扩散方式进行，膜的厚度随流体流动状态而变化；气膜边界液膜边界 气液相界面气相主体液相主体传质方向溶质溶质(气相主体气相主体)气膜边界气膜边界 气膜气膜相界面相界面(P(Pi i,C,Ci i)液膜液膜 液膜边界液膜边界 液相主体液相主体湍流扩散湍流扩散分子扩散分子扩散不受任何阻力不受任何阻力分子扩散分子扩散湍流扩散湍流扩散传质设备简介传质设备简介 n填料塔n板式塔降液管 降液管 降液管填料层气体液体气体液体塔板气体液体气体液体7-2 吸收与解吸吸收与解吸n吸收吸收(absorption)(absorption
17、)是依据不同组分在溶剂中溶是依据不同组分在溶剂中溶解度不同，让混合气体与适当的液体溶剂相接解度不同，让混合气体与适当的液体溶剂相接触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中触，使气体中的一个或几个组分溶解于溶剂中形成溶液，难以溶解的组分保留在气相中形成溶液，难以溶解的组分保留在气相中,从从而达到混合气体初步分离的操作。而达到混合气体初步分离的操作。n所用液体称为所用液体称为吸收剂吸收剂(或溶剂或溶剂)。气体中能被溶。气体中能被溶解的组分称为解的组分称为溶质或吸收质溶质或吸收质。不被溶解的组分。不被溶解的组分称为称为惰性气体或载体惰性气体或载体。n在食品工业生产中，有时需要将吸收得到的在食品工业生
18、产中，有时需要将吸收得到的溶质气体从液体中取出来，如天然油类的脱溶质气体从液体中取出来，如天然油类的脱臭，液体食品的脱气等，这种使溶质从溶液臭，液体食品的脱气等，这种使溶质从溶液里脱除的过程称为里脱除的过程称为解吸或脱吸解吸或脱吸。n它是吸收操作的逆过程，常常是一个工业吸它是吸收操作的逆过程，常常是一个工业吸收操作不可分割的步骤。收操作不可分割的步骤。化学吸收，化学吸收，物理吸收物理吸收等温吸收等温吸收，非等温吸收，非等温吸收低浓度吸收低浓度吸收，高浓度吸收，高浓度吸收单组分吸收单组分吸收，多组分吸收，多组分吸收烟道气二氧化碳的气体烟道气二氧化碳的气体 吸收工艺流程示意图吸收工艺流程示意图 解
19、吸气 废气 稀溶液 冷却水进 预热后的饱和溶液 净化CO2 烟道气 6 5 3 4 1 2 1-吸收塔 2-泵 3-换热器 4-冷却器 5-解吸塔 6-冷凝器 7.2.27.2.2气液相平衡气液相平衡 n几种几种物质物质在水在水中的中的溶解溶解度度亨利定律亨利定律 n当总压不高当总压不高(一般约小于一般约小于500kPa)500kPa)时，在一定温度下，时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的摩尔分数成正比，摩尔分数成正比，ExpA 溶质溶质A A在气相中的平衡分压在气相中的平衡分压，kPa；x液相中溶质的摩尔分数液相中溶质的摩
20、尔分数；E比例系数，称为亨利系数比例系数，称为亨利系数，kPa。Ap易溶气体的易溶气体的E E值小值小难溶气体的难溶气体的E E值大值大TE亨利定律的三种表达形式亨利定律的三种表达形式1.1.气相组成用溶质气相组成用溶质A A的分压，液相组成用溶质的的分压，液相组成用溶质的浓度浓度c cA A表示时，亨利定律可表示为表示时，亨利定律可表示为 HcpAAcA液相中溶质的浓度液相中溶质的浓度kmolm3；H溶解度系数溶解度系数，kmol(m3kPa)。溶解度系数溶解度系数H H可视为在一定温度下溶质气体分压为可视为在一定温度下溶质气体分压为lkPalkPa的平衡浓度。的平衡浓度。易溶气体的易溶气体
21、的E E值大值大难溶气体的难溶气体的E E值小值小TH2.2.气、液两相组成分别用溶质气、液两相组成分别用溶质A A的摩尔分数的摩尔分数y y与与x x表示，则亨利定律可表示为表示，则亨利定律可表示为 式中 y溶质在气相中的平衡摩尔分率；溶质在气相中的平衡摩尔分率；m相平衡常数。相平衡常数。m m值大，则表示溶解度小。值大，则表示溶解度小。ymx3.3.摩尔比表示气相摩尔比表示气相(Y)和液相和液相(X)的组成的组成 AAAxxX1XA溶液中溶质的摩尔比；溶液中溶质的摩尔比；溶质在气相中的平衡摩尔比溶质在气相中的平衡摩尔比。仅适用于溶液浓度很低的稀溶液仅适用于溶液浓度很低的稀溶液 AYYAmX
22、AAAAyyY1亨利定律各系数之间的关系亨利定律各系数之间的关系 mMMHMHCEmPE 对稀溶液，溶液的浓度接近纯溶济的MsMm，ssHMEPHMmss例题n总压为总压为101.3kPa、温度为、温度为20时，时，l000kg水中溶解水中溶解15kgNH3，此时溶液上方气相，此时溶液上方气相中中NH3的平衡分压为的平衡分压为2.266kPa。试求此时。试求此时之溶解度系数之溶解度系数E、亨利系数、亨利系数H、相平衡常、相平衡常数数m。若总压增倍，维持溶液上方气相。若总压增倍，维持溶液上方气相分率不变，则问此时分率不变，则问此时NH3的溶解度及各的溶解度及各系数的值。系数的值。吸收剂的选择吸收
23、剂的选择 n对需吸收的组分要有较大的溶解度。对需吸收的组分要有较大的溶解度。n对所处理的气体要有较好的选择性。即对溶质对所处理的气体要有较好的选择性。即对溶质的溶解度甚大而对惰性气体几乎不溶解。的溶解度甚大而对惰性气体几乎不溶解。n要有较低的蒸汽压，以减少吸收过程中溶剂的要有较低的蒸汽压，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，以免使用挥发损失。要有较好的化学稳定性，以免使用过程中变质。过程中变质。n吸收后的溶剂应易于再生。吸收后的溶剂应易于再生。n在操作温度下，具有较低的粘度，以利于气、在操作温度下，具有较低的粘度，以利于气、液良好接触及便于输送。液良好接触及便于输送。pAcA
24、 pA,i cA,i气气膜膜液液膜膜相界面相界面气相主体气相主体液相主体液相主体传质方向传质方向图图 双膜理论双膜理论示意图示意图溶溶质质A在在气气相相中中的的分分压压溶溶质质A在在液液相相中中的的摩摩尔尔浓浓度度气膜内传质速率气膜内传质速率服从亨利定律的相界面的平衡关系服从亨利定律的相界面的平衡关系液膜内传质速率液膜内传质速率)(iyAyykNiimxy)(xxkNixAxyiikkxyxy,气相中，液相中溶质的浓度，以摩尔分数表示气相中，液相中溶质的浓度，以摩尔分数表示紧贴界面两侧气，液相的溶质浓度紧贴界面两侧气，液相的溶质浓度以以(y-yi)与与(xi-x)为推动力的气相与液相传质分为推
25、动力的气相与液相传质分 系数系数kmol/(skmol/(sm m2 2)稳定吸收，各步传质速率相等稳定吸收，各步传质速率相等xiyiAkxxkyyN/1/17.2.3 总传质速率方程总传质速率方程 NA=Ky(y-y*)xyykmkK/11)(xxKNxAxyxkmkK/1/11经推导经推导Ky以气相浓度差以气相浓度差(y-y)为推动力的总传质系数为推动力的总传质系数kmol/(sm2)Kx以液相浓度差以液相浓度差(x-x)为推动力的总传质系数为推动力的总传质系数kmol/(sm2)mKy=Kxm m相平衡常数相平衡常数)(PPKNAGA)()(xxKNyyKNxAyALGLGLLGGHKK
26、kkHKHkkK11111同理同理)(CCKNLA以气相分压为推动力以气相分压为推动力以液相体积浓度为推动力以液相体积浓度为推动力其中其中解吸时解吸时H H溶解度系数溶解度系数 、为推动为推动力力 、为推动力为推动力 、为推动力为推动力 气气 膜膜 NA=KG(p-pi)NA=kY(Y-Yi)kY=PkG/(1+Y)(1+Yi)NA=ky(y-yi)ky=PkG液液 膜膜 NA=kL(Ci-C)NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)NA=kX(xi-X)kX=CkL气气 相相 NA=KG(P-Pe)KG=1/(1/kG+1/HkL)气膜控制气膜控制 KG=kG NA=KY(
27、Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)气膜控制时气膜控制时KY=kY NA=Ky(y-ye)Ky=PKG Ky=1/(1/ky+m/kX)气膜控制时气膜控制时Ky=ky 液相液相 NA=KL(Ce-C)KL=1/(H/kG+1/kG)液膜控制时液膜控制时KL=kL NA=KX(Xe-X)KX=KL./(1+Xe)(1+X)KX=1/(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时KX=kX NA=Kx(xe-x)Kx=CKL Kx=1/(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时Kx=kx 传质速率方程式的各种形式传质速率方程式的各种形式 B B 传质阻力传
28、质阻力总阻力总推动力yyAKyyyyKN/1)(xyyxyykmkKkmkK11/11当当 时时xykmk1yykK 传质阻力集中于气相，称为传质阻力集中于气相，称为气相阻力控制气相阻力控制（易溶气体）（易溶气体）当当 时时xykmk11xxkK 传质阻力集中于液相，称为传质阻力集中于液相，称为液相阻力控制液相阻力控制（难溶气体）（难溶气体）吸收塔的计算吸收塔的计算 以连续接触的填料塔为例以连续接触的填料塔为例n设计计算任务：设计计算任务：n确定合适的吸收剂确定合适的吸收剂用量；用量；n或者液气比；或者液气比；n计算塔径；计算塔径；n计算塔高。计算塔高。V，Y1L，X1VY LXV，Y2L，X
29、2mn 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算7.3.1物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 对全塔来说，气体混合物经过吸收塔后，吸收质的减对全塔来说，气体混合物经过吸收塔后，吸收质的减少量等于液相中吸收质的增加量，即：少量等于液相中吸收质的增加量，即：LX+VY1=LX1+VYV(Y1-Y)=L(X1-X)式中：式中：V V惰性气体的摩尔流量惰性气体的摩尔流量,Kmol/S,Kmol/S L L吸收剂摩尔流量吸收剂摩尔流量,Kmol/S,Kmol/S Y Y1 1、Y Y2 2 分别为分别为m-nm-n截面和塔底的气相中的溶质摩尔比；截面和塔底的气相中的溶质摩尔比；X X1 1、X X
30、2 2 分别为分别为m-nm-n截面和塔顶的液相中溶质摩尔比；截面和塔顶的液相中溶质摩尔比；)(1122XVLYXVLY对于全塔：对于全塔：若所处理的气体组成较低，所形成的溶液组成也较低若所处理的气体组成较低，所形成的溶液组成也较低)(xVLyxVLy)(11XVLYXVLY操作线方程操作线方程塔的任意截面上气液两相浓度之间的关系塔的任意截面上气液两相浓度之间的关系0 X2 X X1Y1YY2ABYe=f（X）在任一截面上的气相浓度在任一截面上的气相浓度Y Y与液相浓度与液相浓度X X之间成直线关之间成直线关系，直线的斜率为系，直线的斜率为L/VL/V，过点，过点B B（X X1 1，Y Y1
31、 1）和）和A A（X X2 2，Y Y2 2）两点。端点两点。端点B B代表塔底端面，称为代表塔底端面，称为“浓端浓端”，端点，端点A A代表代表塔顶端面，称为塔顶端面，称为“稀端稀端”)(1122XVLYXVLY 说明：说明：(1)(1)在进行实际吸收操作时，在塔内任一截面上，溶质在进行实际吸收操作时，在塔内任一截面上，溶质在气相中的实际分压总高于与其接触的液相平衡分压，在气相中的实际分压总高于与其接触的液相平衡分压，故吸收操作线总位于平衡线上方；若在下方，则为脱吸。故吸收操作线总位于平衡线上方；若在下方，则为脱吸。(2)(2)吸收操作线方程是从溶质的物料平衡关系出发而吸收操作线方程是从溶
32、质的物料平衡关系出发而推得的关系式，它取决于气液两相和流量、，以吸推得的关系式，它取决于气液两相和流量、，以吸收塔内某截面上的气液浓度有关，而与相平衡关系、塔收塔内某截面上的气液浓度有关，而与相平衡关系、塔的类型、相际接触情况及操作条件无关。此式应用的唯的类型、相际接触情况及操作条件无关。此式应用的唯一必要条件是一必要条件是稳定状态下连续逆流操作稳定状态下连续逆流操作。7.3.2 吸收剂的用量与最小液气比吸收剂的用量与最小液气比12121YY1YYY进塔气体的溶质量被吸收的溶质量除去气体中的有害物质，规定气体中残余有害溶质的组成除去气体中的有害物质，规定气体中残余有害溶质的组成Y Y2 2回收
33、有用物质：回收率（吸收率）回收有用物质：回收率（吸收率）L/V吸收剂的单位耗用量或液气比吸收剂的单位耗用量或液气比)(1122XVLYXVLY0 X2 X1Y1Y2ABYe=f（X）B吸收剂的用量吸收剂的用量LL，L/VL/V，操作线向远离平衡线方向偏，操作线向远离平衡线方向偏移。（移。（Y YY Y）吸收过程推动力加大，达到一定限度后，）吸收过程推动力加大，达到一定限度后，效果变得不明显，而溶剂的消耗、输送及回收等项操作效果变得不明显，而溶剂的消耗、输送及回收等项操作费用急剧增加。费用急剧增加。吸收剂的用量吸收剂的用量L L，L/VL/V，操作线向平衡线靠近。推动力，操作线向平衡线靠近。推动
34、力（Y YY Y）减少，吸收费用增加。）减少，吸收费用增加。)(1122XVLYXVLYB 当塔底流出的吸收液与刚进塔的混合气体呈平衡状态当塔底流出的吸收液与刚进塔的混合气体呈平衡状态时，吸收的推动力为零。时，吸收的推动力为零。L L减小到操作线与平衡线相交（相切），此种状况下，减小到操作线与平衡线相交（相切），此种状况下，吸收操作线的斜率称为吸收操作线的斜率称为最小液气比最小液气比，以，以(L/V)(L/V)minmin。相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量，用相应的吸收剂用量为最小吸收剂用量，用L Lminmin表示。表示。0 X2 X1Y1Y2ABYe=f（X）B2121min)(XXYYV
35、L2121minXXYYVL(1)平衡线为凹形平衡线为凹形0 X2 X1Y1Y2TBYe=f（X）B(2)平衡线为凸形平衡线为凸形2121min)(XXYYVL2121minXXYYVL0 X2 X1 Y1Y2TBYe=f（X）BX1 若气液浓度都很低，平衡关系符合亨利定律，即若气液浓度都很低，平衡关系符合亨利定律，即2121min)(XmYYYVL2121minXmYYYVL通常先求出最小液气比，然后乘以一倍数，作为适宜的液气通常先求出最小液气比，然后乘以一倍数，作为适宜的液气比。比。L/V=(1.12)(L/V)min 或或 L=(1.12)Lmin在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气
36、体中的在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的SOSO2 2。气体处理量。气体处理量为为1.20m1.20m3 3（标准）（标准）s s-1-1，进塔气体中含，进塔气体中含SOSO2 2 8%8%（体积百分数），要求（体积百分数），要求SOSO2 2的吸收率为的吸收率为85%85%，在该吸收操作条件下的相平衡关系，在该吸收操作条件下的相平衡关系Ye=26.7XYe=26.7X，用水量，用水量为最小用量的为最小用量的1.51.5倍。试求：倍。试求：（1 1）用水量为多少？）用水量为多少？（2 2）若吸收率提高至）若吸收率提高至90%90%，用水量又为多少？，用水量又为多少？11331329
37、.49)08.01()(104.22)(20.1smolmolmsmV087.008.0108.01111yyY解解：惰性气体量为：惰性气体量为（1 1）当吸收率为）当吸收率为85%85%时时68.22010258.30131.0087.0)(32121minXXYYVL实际液气比实际液气比 最小液气比最小液气比Y2=Y1（1-A）=0.087(1-0.85)=0.0131X1=Y1/26.7=0.087/26.7=3.258 10-3X2=0（清水清水）L=34.02V=34.02 49.29=1677mols-1=0.03m3 s-1L/V=1.5(L/V)min=1.5 22.68=34
38、.02实际用水量实际用水量 （2 2）若吸收率提高至）若吸收率提高至90%90%，出塔气体浓度为，出塔气体浓度为Y Y2 2，则最小液气，则最小液气比比03.247.269.00)1()(1112121minmmYYYXXYYVLAA实际液气比实际液气比L =36.05V=36.05 49.29=1777mols-1=0.032m3 s-1 从计算结果可知，在其他条件相同时，吸收率提高，最从计算结果可知，在其他条件相同时，吸收率提高，最小液气比增大，所需的吸收剂用量也增大。小液气比增大，所需的吸收剂用量也增大。(L/V)=1.5(L/V)min=1.5 24.03=36.05实际用水量实际用水
39、量 NA=Ky(y-y*)xyykmkK/11)(xxKNxAxyxkmkK/1/11经推导经推导Ky以气相浓度差以气相浓度差(y-y)为推动力的总传质系数为推动力的总传质系数kmol/(sm2)Kx以液相浓度差以液相浓度差(x-x)为推动力的总传质系数为推动力的总传质系数kmol/(sm2)mKy=Kxm m相平衡常数相平衡常数B B 传质阻力传质阻力总阻力总推动力yyAKyyyyKN/1)(xyyxyykmkKkmkK11/11当当 时时xykmk1yykK 传质阻力集中于气相，称为传质阻力集中于气相，称为气相阻力控制气相阻力控制（易溶气体）（易溶气体）当当 时时xykmk11xxkK 传
40、质阻力集中于液相，称为传质阻力集中于液相，称为液相阻力控制液相阻力控制（难溶气体）（难溶气体）V，Y1L，X1VY LXV，Y2L，X2mn 逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算12121YY1YYY进塔气体的溶质量被吸收的溶质量)(1122XVLYXVLY2121min)(XXYYVL2121min)(XmYYYVL 若气液浓度都很低，平衡关系符合亨利定律，即若气液浓度都很低，平衡关系符合亨利定律，即7.3.3 塔径的确定塔径的确定DT_板式塔或填料塔的塔径板式塔或填料塔的塔径 mVs 通过塔的实际气体的体积流量通过塔的实际气体的体积流量 m3/sU 空塔气速空塔气速 m/suVDsT4
41、7.3.4 填料层高度的计算填料层高度的计算A 基本计算式基本计算式在填料层各截面上的传质推动力和传质速率也随之变化，在填料层各截面上的传质推动力和传质速率也随之变化，在填料层中任意取一微元高度，通过积分计算所需填料在填料层中任意取一微元高度，通过积分计算所需填料层高度。取任意截面层高度。取任意截面m-n处到一微元高度处到一微元高度dzaadzds塔的横截面积，塔的横截面积，m2单位体积填料层内气液两相有效传质面积单位体积填料层内气液两相有效传质面积气相气相液相液相气相减少的溶质的量气相减少的溶质的量液相所增多的溶质的量液相所增多的溶质的量dzaNdsNAALdXVdY)()(XXKYYKNL
42、dXVdYdzaNXYAA得：得：)()(XXaKLdXYYaKVdYdzXY把把a a与传质系数（与传质系数（k kx x,k,ky y,K,KX X,K,KY Y）乘积视为一体，称为）乘积视为一体，称为体积传质系数体积传质系数（k kx xa,ka,ky ya,Ka,KX Xa,Ka,KX Xa a）kmol/mkmol/m3 3 s s低浓度气体的稳态吸收（从塔顶到塔底积分）低浓度气体的稳态吸收（从塔顶到塔底积分）1212XXXYYYXXdXaKLYYdYaKVz气体稳定态吸收塔计算填料层高度的基本公式气体稳定态吸收塔计算填料层高度的基本公式1212XXXYYYXXdXaKLYYdYaK
43、VzB B 传质单元高度与传质单元数传质单元高度与传质单元数用用H HOGOG和和N NOGOG分别表示分别表示气相传质单元高度气相传质单元高度气相传质单元数气相传质单元数12YYOGYOGYYdYNaKVH填料层高度填料层高度OGOGNHHOLOLNHH当用液相表示时当用液相表示时可将吸收过程分为性质不同的两部分可将吸收过程分为性质不同的两部分NOG（气相传质单元数）（气相传质单元数）所含的变量只与物质的相平衡所含的变量只与物质的相平衡以及进出口的浓度条件有关。由工艺要求及物系性质决以及进出口的浓度条件有关。由工艺要求及物系性质决定，体现了工艺要求特性。定，体现了工艺要求特性。HOG（气相传
44、质单元高度）（气相传质单元高度）表示完成一个传质单元所需表示完成一个传质单元所需的塔高，是吸收设备效能高低的反映。填料层的传质特的塔高，是吸收设备效能高低的反映。填料层的传质特性，反映了设备因素。性，反映了设备因素。12YYOGYOGYYdYNaKVH2121YYYYdYY)d()YYYYY)/(d(dY2121 当气液平衡关系服从亨利定律时，平衡线当气液平衡关系服从亨利定律时，平衡线Y Y*=EX=EX为直线。为直线。推动力推动力 Y Y=Y Y-Y Y*与与Y Y 成直线成直线1212(Y2121YYYYOGYdYYYYYdYN212121lnYYYYYYABY2Y1EY1Y1*Y2Y2*
45、0 X2X1XYYY2Y1Y1Y2C C 传质单元数的计算方法传质单元数的计算方法1 1 平均推动力法平均推动力法)/ln(2121YYYYYmmOGYYYN21Y Ym m气相对数平均推动力气相对数平均推动力2.2.吸收因数法吸收因数法操作线斜率操作线斜率L/VL/V与平衡线斜率之比称为与平衡线斜率之比称为吸收因素吸收因素A A倒数称解吸因数倒数称解吸因数S S)(11ln()/1(112221mXYmXYAAOGNSmVLA1若平衡线为通过原点的直线若平衡线为通过原点的直线3图解积分法图解积分法 当平衡线当平衡线Y*=f(x)为曲线，作为曲线，作 1/（Y-Y*）Y 曲线曲线在在Y2和和Y
46、1间曲线下的面积即为所求的积分间曲线下的面积即为所求的积分NOG的值的值12YY*OGYYdYN例：在直径为例：在直径为0.8m0.8m的填料吸收塔中用清水吸收空气的填料吸收塔中用清水吸收空气与氨的混合气中的氨。已知空气流量为与氨的混合气中的氨。已知空气流量为1390kg/h1390kg/h，混合气中氨的分压为混合气中氨的分压为1.33kPa1.33kPa。操作温度为。操作温度为2020，压，压力为力为101.325kPa101.325kPa，在操作条件下平衡关系为，在操作条件下平衡关系为Y Y*=0.75=0.75X X。若清水流量为若清水流量为52kmol/h52kmol/h，氨吸收率为，
47、氨吸收率为99.5%99.5%。已知氨。已知氨的气相体积总吸收系数的气相体积总吸收系数K KY Ya av v=314kmol/(m=314kmol/(m3 3h)h)。试求所。试求所需填料层高度。需填料层高度。解：解：)/kmol(l(0.0134kmo0.0132-10.01321空气氨1110132.0yyY101.3251.33y1Y2=Y1(1-99.5%)=0.01330.005=6.710-5X2=0)/h47.93kmol(291390空气V)l(0.0123kmo52)106.7(0.013447.93)(5211（水）氨/kmolLYYVX0.00920.01230.750
48、.7511XY00.7522XY0.00420.00920.0134111YYY55222106.70106.7YYY0.000996)106.7ln(0.0042/106.70.0042)/ln(Y552121YYYYm13.40.000996106.70.0134521mOGYYYN0.304m0.80.78531447.932AaKVHYOG3.92m13.40.304OGOGNHzmNHzOGOG07.44.13304.04.132000107.600134.052221mXYmXY6913.05293.4775.01LmVA)(11ln()/1(112221mXYmXYAAOGN2.
49、2.吸收因数法吸收因数法某吸收塔在某吸收塔在101.3kPa101.3kPa，293K293K下用清水逆流吸收有机物下用清水逆流吸收有机物A A空气混合物中的空气混合物中的A A，操作液气比为，操作液气比为2.12.1时，时，A A回收率可达回收率可达9595。已知物系的浓度较低，。已知物系的浓度较低，A A在两相间的平衡关系为在两相间的平衡关系为Y Y1.18X1.18X。吸收过程为气膜控制，总传质系数。吸收过程为气膜控制，总传质系数K KY Ya a与气体流率与气体流率的的0.80.8次方成正比。次方成正比。（1 1）今气体流率增加）今气体流率增加2020，而液体流率及气、液进口组，而液体
50、流率及气、液进口组成不变，试求：成不变，试求：1.A1.A的回收率有何变化？的回收率有何变化？2.2.单位时间内被吸收的单位时间内被吸收的A A量增加多少？量增加多少？（2 2）若气体流率，气、液进口组成，吸收塔的操作温度）若气体流率，气、液进口组成，吸收塔的操作温度和压强皆不变，欲将和压强皆不变，欲将A A回收率由原来的回收率由原来的9595提高至提高至9898，吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？)(11ln()/1(112221mXYmXYAAOGN解：原来解：原来N NOGOG10.5562.020)562.01ln(562.0112095.011110
