1、化工原理principles of chemical engineering第五章第五章 气体吸收气体吸收延安大学化学与化工学院延安大学化学与化工学院第五章第五章 气体吸收气体吸收第一节第一节 概述概述第二节第二节 气液相平衡气液相平衡第三节第三节 传质机理与吸收过程的速率传质机理与吸收过程的速率 第四节第四节 填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算 第五节第五节 填料塔的结构及特性填料塔的结构及特性 第六节第六节 解吸操作解吸操作 吸收分离操作：吸收分离操作：利用混合气体中各组分在液体中溶解度差利用混合气体中各组分在液体中溶解度差异，使某些易溶组分进入液相形成溶液，不溶或难溶组分异，使某些易溶组分
2、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。仍留在气相，从而实现混合气体的分离。吸收剂吸收剂气体气体yx界面界面气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面气相扩散气相扩散 液相扩散液相扩散 yi xi 气体吸收是混气体吸收是混合气体中某些合气体中某些组分在气液相组分在气液相界面上溶解、界面上溶解、在气相和液相在气相和液相内由浓度差推内由浓度差推动的传质过程。动的传质过程。第一节第一节 概述概述吸收实质：吸收实质：吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法，是传吸收操作是分离气体混合物的一种重要方法，是传质过程中的一种形式，在化工生产中有广泛的应用。质过程中的一种形式，
3、在化工生产中有广泛的应用。吸收的应用包括吸收的应用包括：1.原料气净化原料气净化;2.回收混合气体中的有用组分。回收混合气体中的有用组分。3.制备气体的溶液作为产品制备气体的溶液作为产品;4.环境保护，综合利用环境保护，综合利用;5.1.1 吸收操作在化工生产中的应用吸收操作在化工生产中的应用 氨合成原料气中的氨合成原料气中的CO2用用乙醇胺水溶液吸收，以防止氨合乙醇胺水溶液吸收，以防止氨合成催化剂中毒成催化剂中毒.1.原料气净化原料气净化H2(CO2)低温甲醇洗工艺是德国低温甲醇洗工艺是德国Linde公司和公司和Lurgi公司共同开发的一种酸性气公司共同开发的一种酸性气体净化工艺。该工艺采用
4、物理吸收法，以甲醇作为酸性气体吸收液，体净化工艺。该工艺采用物理吸收法，以甲醇作为酸性气体吸收液，利用其在利用其在-60左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，选择左右的低温下对酸性气体溶解度极大的物理特性，选择性地吸收原料气中的性地吸收原料气中的H2S,CO2及各种有机硫等杂质。及各种有机硫等杂质。低温甲醇洗装置低温甲醇洗装置煤制甲醇的生产工艺煤制甲醇的生产工艺空分空分水煤浆水煤浆气化气化低温低温 甲甲醇洗醇洗甲醇甲醇醋酸醋酸醋酐醋酐CO分离分离硫回收硫回收来自煤项目的甲醇洗来自煤项目的甲醇洗装置情况：基本情况装置情况：基本情况工艺流程图工艺流程图原料气原料气/合成合成气体热交换气体热交
5、换器器I新鲜甲新鲜甲醇储槽醇储槽锅炉给水锅炉给水冷却器冷却器原料气原料气冷却器冷却器补充泵补充泵 洗氨器洗氨器原料气原料气/合成气合成气体热交换器体热交换器II原料气原料气/废气热废气热交换器交换器地下地下废液罐废液罐地下地下废液泵废液泵吸收器吸收器C02 甲醇级甲醇级间冷却器间冷却器H2S-吸收器吸收器进料冷却器进料冷却器图例图例气体气体水水/蒸汽蒸汽液体液体热功率热功率流号流号备注备注合成气合成气原料气原料气原料气冷原料气冷凝物凝物补充甲醇补充甲醇废甲醇废甲醇2.回收混合气体中的有用组分回收混合气体中的有用组分洗油处理焦炉气以回收煤气中的苯。洗油处理焦炉气以回收煤气中的苯。吸收与解吸流程吸
6、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3.制备气体的溶液作为产品制备气体的溶液作为产品将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或将气体中需要的成份以指定的溶剂吸收出来，成为液态的产品或半成品，如：从含半成品，如：从含HCl气体中盐酸气体中盐酸，硫酸吸收，硫酸吸收SO3制浓硫酸，水制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液。吸收甲醛制福尔马林液。4.环境保护，综合利用环境保护，综合利用如含如含SO2，NO，NO2等废气中，要除去这些有害成份。等废气中，要除去这些有害成份。吸收质或溶质吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组
7、分，以混合气体中的溶解组分，以A表示。表示。惰性气体惰性气体(inert gas)或载体：或载体：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(strong liquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂为溶剂S和溶质和溶质A。吸收尾气吸收尾气(dilute gas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体气体B和少量的溶质和少量的溶质A。解吸或脱吸解吸或脱吸(desorption)：与吸收相反的过程，即溶质从液与
8、吸收相反的过程，即溶质从液相中分离而转移到气相的过程。相中分离而转移到气相的过程。目的：循环使用吸收剂或回收溶质。目的：循环使用吸收剂或回收溶质。物理吸收物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发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生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。用洗油吸收芳烃等。5.1.2 吸收操作必须解决的问题吸收操作必须解决的问题 化学吸收化学吸收(chemical absorption)(ch
9、emical absorption)：溶质与溶剂有显著的化溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。生较难。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
10、分被吸收。有两个或两个以上组分被吸收。溶解热：溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热。还会有反应热。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。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。气液两相的接触方式气液两相的接触方式连续接触连续接触(也称微分接触也称微分接触)：气、气、液两相的浓度呈连续变化。如填液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。料塔。溶剂b 级式接触a a 微分接触图9-2 填料塔和板式塔气体溶剂气体级式接触：级式接触：气、液两相逐级接气、
11、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变触传质，两相的组成呈阶跃变化。化。如板式塔。如板式塔。散装填料散装填料塑料鲍尔环填料塑料鲍尔环填料规整填料规整填料 塑料丝网波纹填料塑料丝网波纹填料 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。如用水吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收：化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用NaOH或或Na2CO3溶液吸收溶液吸收CO2、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大、用稀硫酸吸
12、收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。吸再生较难。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，其余组分因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。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。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。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。本章主要讨论单组分
13、、等温的物理吸收过程。本章主要讨论单组分、等温的物理吸收过程。5.1.3 吸收操作的分类吸收操作的分类 在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变，但惰性气体和在吸收操作中气体的总量和液体的总量都随操作的进行而改变，但惰性气体和吸收剂的量始终保持不变。因此，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩吸收剂的量始终保持不变。因此，在吸收计算中，相组成以比质量分数或比摩尔分数表示较为方便。尔分数表示较为方便。1 1比质量分数与比摩尔分数比质量分数与比摩尔分数AABABAAwwwwmmW1AABABAAxxxxnnX1KgBKgA/KmolBKmolA/如果混合物是双组分气体混合物时如果混合
14、物是双组分气体混合物时AABAAyyyyY1KmolBKmolA/比质量分数与比摩尔分数的换算关系比质量分数与比摩尔分数的换算关系BAABBAABAAMMXMnMnmmW在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，在计算比质量分数或比摩尔分数的数值时，通常以在操作中不转移到另一相的组分作为通常以在操作中不转移到另一相的组分作为B B组分。在吸收中，组分。在吸收中，B B组分是指吸收剂或惰性组分是指吸收剂或惰性气，气，A A组分是指吸收质组分是指吸收质.M组分的千摩尔质量，组分的千摩尔质量，kg/kmol AAAXXx1AAAYY1y2 2质量浓度与物质的量浓度质量浓度与物质的量浓度 VmAA对于气体
15、混合物，在压强不太高、温度不太低的情况下，可视为对于气体混合物，在压强不太高、温度不太低的情况下，可视为理想气体，则理想气体，则A组分，有组分，有RTPVncAAA3/mkg质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于质量浓度是指单位体积混合物内所含物质的质量。对于A A组分组分,有有课本例题课本例题例题例题 在一常压、在一常压、298K的吸收塔内，用水吸收混合气中的的吸收塔内，用水吸收混合气中的SO2，已知，已知混合气体中含混合气体中含SO2的体积分数为的体积分数为20%，其余组成可看作惰性气体，出，其余组成可看作惰性气体，出塔气体中含塔气体中含SO2体积分数为体积分数为2%，试分别用摩
16、尔分数、摩尔比和摩尔，试分别用摩尔分数、摩尔比和摩尔浓度表示出塔气体中浓度表示出塔气体中SO2的组成。的组成。解：解：y2=0.02-yyY1RTpVncAAAAApyp 吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分（吸收吸收的相平衡关系，是指气液两相达到平衡时，被吸收的组分（吸收质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。质）在两相中的浓度关系，即吸收质在吸收剂中的平衡溶解度。5.2.1 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 气体溶解度曲线气体溶解度曲线平衡状态：平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相收剂与混合气体
17、充分接触，气相 中的溶质中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。相达到平衡。饱和浓度：饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压：平衡分压：平衡时气相中溶质的分压，用平衡时气相中溶质的分压，用 表示表示 吸收速率吸收速率=解吸速率解吸速率Ap讨论：讨论：（2）温度）温度一一定，定，分压增加分压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度，在同一溶剂中，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）分压）分压一一定，定，温度下降温度下降，在同
18、一溶剂中，溶质的溶解度，在同一溶剂中，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。（3）相同的总压及摩尔分率，）相同的总压及摩尔分率，cO2 cCO2 cSO2 cNH3 氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体加压和降温对吸收操作有利；加压和降温对吸收操作有利；升温和减压则有利于解吸。升温和减压则有利于解吸。工业操作：工业操作：工业吸收过程工业吸收过程吸收塔含苯煤气(35g/m3)脱苯煤气(2g/m3)富油贮液槽解吸塔过热蒸汽贮液槽洗油（常温）（170）水苯加热器冷却器冷凝器吸收塔含苯煤气(35g/m3)脱苯煤气(YA*，。若出现。若出现YAYA*，为
19、吸收过程；为吸收过程；A点在平衡线上，点在平衡线上，YA=YA*，体系达平衡，吸收过程停止；当体系达平衡，吸收过程停止；当 A点位于平衡线的下方时，则点位于平衡线的下方时，则YAYA*，是吸收进行的必要条件，而差值是吸收进行的必要条件，而差值 YA=YA-YA*，则是吸收则是吸收过程的推动力，差值越大，吸收速率越大。过程的推动力，差值越大，吸收速率越大。例例：在常压及在常压及20下，测得氨在水中的平衡数据为：下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3/100gH2O浓度为的稀氨水上方的平衡分压为浓度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在该浓度范围下相平衡关系可用亨利
20、定律表示，试求亨利系数可用亨利定律表示，试求亨利系数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密度可取为1000kg/m3）由亨利定律表达式知：由亨利定律表达式知：xpE*18/10017/5.017/5.0 x00527.0 解：解：亨利系数为亨利系数为 xpE 00527.0400 Pa41059.7 又又 mxy *PpyNH3*51001.1400 00395.0 相平衡常数相平衡常数 00527.000395.0 m75.0 Hcp *10001005.017/5.0 c3/293.0mkmol 溶解度系数为：溶解度系数为：400293.0 HPam
21、kmol 34/1033.7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 ssEMH 181059.710004 Pamkmol 34/1032.7PEm 341033.1011059.7 749.0 5.3 传质机理与吸收过程的速率传质机理与吸收过程的速率（！需补充）（！需补充）1.1.传质的基本方式传质的基本方式吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到吸收过程是溶质从气相转移到液相的质量传递过程。由于溶质从气相转移到液相是通过扩散进行的，因此传质过程也称为扩散过程。液相是通过扩散进行的，因此传质过程也称为扩散过程。吸收过程涉及两相间的物质传递，包括
22、三个步骤：吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：1.溶质由气相主体传递到两相界面，即溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递气相内的物质传递；2.溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；界面上发生的溶解过程；3.溶质自界面被传递至液相主体，即溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递液相内的物质传递。（1 1）分子扩散）分子扩散 物质以分子运动的方式通过静止流体的转移，或物质物质以分子运动的方式通过静止流体的转移，或物质通过层流流体，且传质方向与流体的流动方向相垂直的转移，导致物质通过层流流体，且传质方向与流体的流
23、动方向相垂直的转移，导致物质从高浓度处向低浓度处传递，这种传质方式称为分子扩散。分子扩散只从高浓度处向低浓度处传递，这种传质方式称为分子扩散。分子扩散只是由于分子热运动的结果，扩散的推动力是浓度差，扩散速率主要决定是由于分子热运动的结果，扩散的推动力是浓度差，扩散速率主要决定于扩散物质和静止流体的温度及某些物理性质。于扩散物质和静止流体的温度及某些物理性质。传质的基本方式传质的基本方式分子扩散分子扩散 对流扩散对流扩散 涡流扩散涡流扩散 （2 2）涡流扩散）涡流扩散 在湍流主体中在湍流主体中,凭借流体质点的湍动和漩涡进行物质传递凭借流体质点的湍动和漩涡进行物质传递的现象，称为涡流扩散。若将一勺
24、砂糖放入杯水之中，用勺搅动，则将甜的现象，称为涡流扩散。若将一勺砂糖放入杯水之中，用勺搅动，则将甜的更快更均，那便是涡流扩散的效果了。涡流扩散速率比分子扩散速率大的更快更均，那便是涡流扩散的效果了。涡流扩散速率比分子扩散速率大得多，涡流扩散速率主要决定于流体的流动形态。得多，涡流扩散速率主要决定于流体的流动形态。（3 3）对流扩散）对流扩散对流扩散为湍流气体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散这两种对流扩散为湍流气体与相界面之间的涡流扩散与分子扩散这两种传质作用的总称。传质作用的总称。对流扩散亦称对流传质，对流传质包括湍流主体的涡流扩散和层对流扩散亦称对流传质，对流传质包括湍流主体的涡流扩散和层流
25、内层的分子扩散。流内层的分子扩散。2 2双膜理论双膜理论 由于吸收过程是物质在两相之间的由于吸收过程是物质在两相之间的传递，其过程极为复杂。为了从理论上传递，其过程极为复杂。为了从理论上说明这个机理，曾提过多种不同的理论，说明这个机理，曾提过多种不同的理论，其中应用最广泛的是其中应用最广泛的是19261926年由刘易斯和年由刘易斯和惠特曼提出的惠特曼提出的“双膜理论双膜理论”。（1 1）相互接触的气、液两流体间存在着稳定的）相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层流膜层。相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层流膜层。吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。吸收质以分子扩
26、散方式通过此二膜层。（3 3）在膜层以外的气、液两相中心区，由于流体充分湍动，）在膜层以外的气、液两相中心区，由于流体充分湍动，吸收质的浓度是均匀的，即两相中心区内浓度梯度为零，全吸收质的浓度是均匀的，即两相中心区内浓度梯度为零，全部浓度变化集中在两个有效膜层内。部浓度变化集中在两个有效膜层内。（2 2）在相界面处，气、液两相达于平衡。）在相界面处，气、液两相达于平衡。双膜理论把复杂的相际传质过程大为简化。对于具有固定相界面的系统双膜理论把复杂的相际传质过程大为简化。对于具有固定相界面的系统及速度不高的两流体间的传质，双膜理论与实际情况是相当符合的。根及速度不高的两流体间的传质，双膜理论与实际
27、情况是相当符合的。根据这一理论的基本概念所确定的相际传质速率关系，至今仍是传质设备据这一理论的基本概念所确定的相际传质速率关系，至今仍是传质设备设计的主要依据，这一理论对于生产实际具有重要的指导意义。设计的主要依据，这一理论对于生产实际具有重要的指导意义。双膜理论的假想模型示意图双膜理论的假想模型示意图 3、吸收速率方程、吸收速率方程概念：吸收速率即指单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量。概念：吸收速率即指单位传质面积上单位时间内吸收的溶质量。物理意义：表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式即为吸收速物理意义：表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式即为吸收速率方程式。率方程式。表示：吸收速
28、率表示：吸收速率NA，单位，单位kmol/(m2s)。按照双膜理论，吸收过程无论是物质传递的过程，还是传递方向上的浓度按照双膜理论，吸收过程无论是物质传递的过程，还是传递方向上的浓度分布情况，都类似于间壁式换热器中冷热流体之间的传热步骤和温度分布分布情况，都类似于间壁式换热器中冷热流体之间的传热步骤和温度分布情况。所以可用类似于传热速率方程的形式来表达吸收速率方程。情况。所以可用类似于传热速率方程的形式来表达吸收速率方程。由于吸收的推动力可以用各种不同形式的浓度差来表示，由于吸收的推动力可以用各种不同形式的浓度差来表示，所以，吸收速率方程也有多种形式。所以，吸收速率方程也有多种形式。吸收速率吸
29、收速率=过程推动力过程推动力/过程阻力过程阻力=吸收系数吸收系数过程推动力过程推动力（1）气膜吸收速率方程式气膜吸收速率方程式)(iAAYYkN气气kYYNiAA1YA、Yi 气相主体和相界面处吸收质的比摩尔分数；气相主体和相界面处吸收质的比摩尔分数；K气气气膜吸收系数，气膜吸收系数，kmol/(m2s)。（2）液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式)(AiAXXkN液液kXXNAiA1 XA、Xi液相主体和相界面处液相中吸收质的液相主体和相界面处液相中吸收质的 比摩尔分数；比摩尔分数；K液液液膜吸收系数，液膜吸收系数，kmol/(m2s)。（3）吸收总系数及其相应的吸收速率方程式吸收总系数及其
30、相应的吸收速率方程式吸收速率吸收速率=总推动力总推动力/总阻力总阻力=两相主体浓度差两相主体浓度差/两膜阻力之和两膜阻力之和吸收过程的总推动力应该用任何一相主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。吸收过程的总推动力应该用任何一相主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。以以 表示总推动力的吸收速率方程式表示总推动力的吸收速率方程式*AAYY)AAAYYKN（气气KYYNAAA1*K气气气相吸收总系数，气相吸收总系数，kmol/(m2s)。此时总阻力由气膜阻力此时总阻力由气膜阻力 与液膜阻力与液膜阻力 组成组成气k1液km液气气kmkK11对溶解度大的易溶气体，相平衡常数对溶解度大的易溶气体，相平衡常数m m
31、很小很小液气kmk1气气kK11 此时表明易溶气体的液膜阻力很小，吸收的总阻力集中在气膜内。此时表明易溶气体的液膜阻力很小，吸收的总阻力集中在气膜内。这种情况下气膜阻力控制着整个吸收过程速率，故称为这种情况下气膜阻力控制着整个吸收过程速率，故称为“气膜控制气膜控制”。气气kK第八章第八章 吸收吸收 以以 表示总推动力的吸收速率方程式表示总推动力的吸收速率方程式AAXX*)AAAXXKN（液液KXXNAAA1*K液液液相吸收总系数，液相吸收总系数，kmol/(m2s)。此时总阻力由气膜阻力此时总阻力由气膜阻力 与液膜阻力与液膜阻力 组成组成气mk1液k1液气液kmkK111对溶解度小的难溶气体，
32、相平衡常数对溶解度小的难溶气体，相平衡常数m m很大很大气mkk11液液kK11液液kK此时表明难溶气体的总阻力集中在液膜内，这种情况下液膜阻力控制整个此时表明难溶气体的总阻力集中在液膜内，这种情况下液膜阻力控制整个吸收过程速率，故称为吸收过程速率，故称为“液膜控制液膜控制”。对于溶解度适中的气体吸收过程，气膜阻力与液膜阻力均不可忽略。对于溶解度适中的气体吸收过程，气膜阻力与液膜阻力均不可忽略。要提高过程速率，必须兼顾气、液两膜阻力的降低。要提高过程速率，必须兼顾气、液两膜阻力的降低。正确判别吸收过程属于气膜控制或液膜控制，将给吸收过程的计算正确判别吸收过程属于气膜控制或液膜控制，将给吸收过程
33、的计算和设备的选型带来方便。如气膜控制系统，在操作中增大气速，可减薄和设备的选型带来方便。如气膜控制系统，在操作中增大气速，可减薄气膜厚度，降低气膜阻力，有利于提高吸收速率。气膜厚度，降低气膜阻力，有利于提高吸收速率。传质设备：传质设备：第四节第四节 填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算 操作型：核算；操作型：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吸收塔的计算内容：吸收塔的计算内容：设计型：流向、流程、吸收剂用量、设计型：流向、流程、吸收剂用量、吸收剂浓度、塔高、塔径吸收剂浓度、塔高、塔径定态逆流接触，
34、通过吸收塔的惰性气量定态逆流接触，通过吸收塔的惰性气量和吸收剂量可认为不变。和吸收剂量可认为不变。全塔范围内，对全塔范围内，对A作物料衡算作物料衡算：5.4.1 物料衡算与操作线方程物料衡算与操作线方程 1 1全塔物料衡算全塔物料衡算 V通过吸收塔的惰性气体量，通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s；L通过吸收塔的吸收剂量，通过吸收塔的吸收剂量，kmol/s；Y1 Y2进塔、出塔气体中溶质进塔、出塔气体中溶质A的比摩尔分数的比摩尔分数 X1 X2出塔、进塔溶液中溶质出塔、进塔溶液中溶质A的比摩尔分数的比摩尔分数塔底截面一律以下标塔底截面一律以下标“1”1”代表，塔顶截面代表，塔顶截面 一律以下标
35、一律以下标“2”2”代表代表1221LXVYLXVYGXXLYYV)()(2121G为单位时间内全塔吸收的吸收质的量为单位时间内全塔吸收的吸收质的量 一般情况下，进塔混合气的组成与流量是吸收任务规定了的，如果吸收剂的组一般情况下，进塔混合气的组成与流量是吸收任务规定了的，如果吸收剂的组成与流量已经确定，则成与流量已经确定，则V、Y1、L、X2 及及 皆为已知数。又根据吸收操作的分离指皆为已知数。又根据吸收操作的分离指标吸收率标吸收率 ，可以得知气体出塔时的浓度，可以得知气体出塔时的浓度 Y2：)1(12 YY式中，式中，表示气相中溶质被吸收的百分率，称为吸收率或回收率。表示气相中溶质被吸收的百
36、分率，称为吸收率或回收率。121/YYY 在逆流操作的填料塔内，气体自下而上，其组成由在逆流操作的填料塔内，气体自下而上，其组成由Y1 逐渐变至逐渐变至Y2 ，液体自上而下，其组成由，液体自上而下，其组成由X2逐渐变至逐渐变至X1。那么，填料层中各个截面上的气、液浓度那么，填料层中各个截面上的气、液浓度Y与与X之间的变之间的变化关系，需在填料层中的任一截面与塔的任一端面之间化关系，需在填料层中的任一截面与塔的任一端面之间作物料衡算。作物料衡算。2操作线方程与操作线操作线方程与操作线11LXVYLXVY11XVLYXVLYmnYX在塔内任取在塔内任取m-nm-n截面与塔底作溶质的物料衡算截面与塔
37、底作溶质的物料衡算Ym-n截面上气相中溶质的比摩尔分数；截面上气相中溶质的比摩尔分数；Xm-n截面上液相中溶质的比摩尔分数。截面上液相中溶质的比摩尔分数。11XVLYXVLY称为吸收塔的操作线方程，它表明塔内任一截面上的气相组成称为吸收塔的操作线方程，它表明塔内任一截面上的气相组成Y Y与液相组成与液相组成X X之间成直线关系，直线的斜率为之间成直线关系，直线的斜率为 ，且此直线通过，且此直线通过 及及 两点两点。标绘在图。标绘在图8-58-5中的直线中的直线 ABAB，即为操作线。操作线上任何一点，代表着塔内即为操作线。操作线上任何一点，代表着塔内相应截面上的液、气组成，端点相应截面上的液、
38、气组成，端点A A代表塔顶稀端，端点代表塔顶稀端，端点B B代表塔底浓端。代表塔底浓端。,(1X)1Y,(2X)2YVL逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程 在进行吸收操作时，塔内在进行吸收操作时，塔内任一截面上溶质在气相中的实任一截面上溶质在气相中的实际组成总是高于其平衡组成，际组成总是高于其平衡组成，所以操作线总是位于平衡线的所以操作线总是位于平衡线的上方。反之，如果操作线位于上方。反之，如果操作线位于平衡线的下方，则应进行解吸平衡线的下方，则应进行解吸过程。过程。吸收平衡线吸收平衡线回忆回忆AAAXmmXY)1(1AAmXY相平衡在吸收过程中的应用相平衡在吸收过程中的应用判断吸收能否
39、进行。判断吸收能否进行。确定吸收推动力。确定吸收推动力。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，包括三个步骤：包括三个步骤：传质的基本方式传质的基本方式分子扩散分子扩散 对流扩散对流扩散 涡流扩散涡流扩散 双膜理论双膜理论（1 1）相互接触的气、液两流体间存在着稳定的）相互接触的气、液两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层流膜层。相界面，界面两侧各有一个很薄的有效层流膜层。吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。吸收质以分子扩散方式通过此二膜层。（3 3）在膜层以外的气、液两相中心区，由于流体充分湍动，）在膜层以外的气、液两相中心区，由于流体充分湍动，吸收质的浓
40、度是均匀的，即两相中心区内浓度梯度为零，全吸收质的浓度是均匀的，即两相中心区内浓度梯度为零，全部浓度变化集中在两个有效膜层内。部浓度变化集中在两个有效膜层内。（2 2）在相界面处，气、液两相达于平衡。）在相界面处，气、液两相达于平衡。吸收速率方程吸收速率方程 1.1.气膜吸收速率方程式气膜吸收速率方程式)(iAAYYkN气 2.2.液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式)(AiAXXkN液吸收总系数及其相应的吸收速率方程式吸收总系数及其相应的吸收速率方程式（1 1）以）以 表示总推动力的吸收速率方程式表示总推动力的吸收速率方程式*AAYY)AAAYYKN（气（1 1）以）以 表示总推动力的吸收速
41、率方程式表示总推动力的吸收速率方程式AAXX*)AAAXXKN（液液膜控制液膜控制气膜控制气膜控制吸收塔的物料衡算和操作线方程吸收塔的物料衡算和操作线方程全塔物料衡算全塔物料衡算1221LXVYLXVY121/YYY 11XVLYXVLY逆流吸收塔操作线方程逆流吸收塔操作线方程逆流吸收操作线具有如下特点：逆流吸收操作线具有如下特点：3）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系）操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系 统的平衡关系、塔型及操作条件统的平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。无关。2）操作线通过塔顶（稀端）操作线通过塔顶（稀端）A(X2,Y2）及及塔底塔底 （浓端）（浓端）B（X
42、1,Y1）;1）定态，）定态，L、V、Y1、X2恒定，操作线在恒定，操作线在XY 坐标上为一直线，斜率为坐标上为一直线，斜率为L/V。L/V为吸收为吸收 操作的操作的液气比液气比；5）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线）平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线 离平衡线愈远吸收的推动力愈大；离平衡线愈远吸收的推动力愈大；4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平 衡线下方。衡线下方。5.4.2 吸收剂用量与最小液气比吸收剂用量与最小液气比 1 1吸收剂的单位耗用量吸收剂的单位耗用量 由逆流吸收塔的物料衡算可知由逆流吸收塔的物料衡算可知2121X
43、XYYVL吸收塔的最小液气比吸收塔的最小液气比如如V、Y1、Y2、X2 已知已知则则A A（X2、Y2）固定固定点点B B（X1、Y1）的横坐标取决于操作线的斜率的横坐标取决于操作线的斜率11XVLYXVLY操作线的斜率操作线的斜率L/V称为液气比，是吸收剂与惰性气体摩尔流量的比，称为液气比，是吸收剂与惰性气体摩尔流量的比，物理意义：处理含单位千摩尔惰性气的原料气所用的纯吸收剂耗用量大小。物理意义：处理含单位千摩尔惰性气的原料气所用的纯吸收剂耗用量大小。液气比对吸收设备尺寸和操作费用有直接的影响。液气比对吸收设备尺寸和操作费用有直接的影响。1221LXVYLXVY 当吸收剂用量增大，即操作线的
44、斜率当吸收剂用量增大，即操作线的斜率L/V增大，则操作线向远离平衡线方向偏移，增大，则操作线向远离平衡线方向偏移，如图如图8-6中中AC线所示，此时操作线与平衡线间的距离增大，即各截面上吸收推线所示，此时操作线与平衡线间的距离增大，即各截面上吸收推动力（动力（）增大。若在单位时间内吸收同样数量的溶质时，设备尺寸可以减小，）增大。若在单位时间内吸收同样数量的溶质时，设备尺寸可以减小，设备费用降低；但是，吸收剂消耗量增加，出塔液体中溶质含量降低，吸收剂设备费用降低；但是，吸收剂消耗量增加，出塔液体中溶质含量降低，吸收剂再生所需的设备费和操作费均增大。再生所需的设备费和操作费均增大。YY工业吸收过程
45、工业吸收过程吸收塔含苯煤气(35g/m3)脱苯煤气(2g/m3)富油贮液槽解吸塔过热蒸汽贮液槽洗油（常温）（170）水苯加热器冷却器冷凝器吸收塔含苯煤气(35g/m3)脱苯煤气(2g/m3)富油贮液槽解吸塔过热蒸汽贮液槽洗油（常温）（170）水苯加热器冷却器冷凝器吸收和解吸吸收和解吸 若减少吸收剂用量，若减少吸收剂用量，L/VL/V减小，操作线向平衡线靠近，传质推动力减小，操作线向平衡线靠近，传质推动力必然减小，所需吸收设备尺寸增大，设备费用增大。当吸收剂用量减小到必然减小，所需吸收设备尺寸增大，设备费用增大。当吸收剂用量减小到使操作线的一个端点与平衡线相交，此时传质过程的推动力为零，因使操作
46、线的一个端点与平衡线相交，此时传质过程的推动力为零，因而达到此平衡所需的传质面积为无限大（塔为无限高）。显然，对于而达到此平衡所需的传质面积为无限大（塔为无限高）。显然，对于一定的吸收任务，吸收剂的用量存在着一个最低极限，若实际液气比一定的吸收任务，吸收剂的用量存在着一个最低极限，若实际液气比YY思考：思考：若减少吸收剂用量，其物理量的变化？若减少吸收剂用量，其物理量的变化？小于最小液气比时，便不能达到设计规定的分离要求。小于最小液气比时，便不能达到设计规定的分离要求。图图8-6 8-6 吸收塔的最小液气比吸收塔的最小液气比这种极限情况下的吸收剂用量称为最小吸收剂用量，用这种极限情况下的吸收剂
47、用量称为最小吸收剂用量，用 表示，相表示，相应的液气比称为最小液气比，用应的液气比称为最小液气比，用 表示。显然，对于一定的吸收表示。显然，对于一定的吸收任务，吸收剂的用量存在着一个最低极限，若实际液气比小于最小液任务，吸收剂的用量存在着一个最低极限，若实际液气比小于最小液气比时，便不能达到设计规定的分离要求。气比时，便不能达到设计规定的分离要求。minLmin)(VL设备费与操作费两方面影响到生产过程的经济效益设备费与操作费两方面影响到生产过程的经济效益min)0.21.1(VLVL适宜液气比适宜液气比 2 2最小液气比的求法最小液气比的求法 （1 1）图解法）图解法2121minXXYYV
48、L（2 2）计算法）计算法2121minXmYYYVL课本例题课本例题吸收塔的塔径可根据圆形管道直径计算公式确定，即吸收塔的塔径可根据圆形管道直径计算公式确定，即 1 1、填料塔直径的计算、填料塔直径的计算uqDV4吸收塔的内径，吸收塔的内径，m；操作条件下混合气体的体积流量，操作条件下混合气体的体积流量，m3/s；空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气速度，空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气速度，m/s。其值约其值约为到为到0.2-0.3 m/s不等，适宜的数值由实验或经验式求得。不等，适宜的数值由实验或经验式求得。在吸收过程中，由于吸收质不断进入液相，故混合气量由塔底至塔顶在吸收过程中，由
49、于吸收质不断进入液相，故混合气量由塔底至塔顶逐渐减小。在计算塔径时，一般应以入塔时气量为依据。逐渐减小。在计算塔径时，一般应以入塔时气量为依据。DVqu5.4.3填料塔直径和填料层高度的计算填料塔直径和填料层高度的计算 填料塔提供接触面积的元件为填料，因此，塔填料塔提供接触面积的元件为填料，因此，塔内的填料装填量或一定直径的塔内填料层高度内的填料装填量或一定直径的塔内填料层高度将直接影响吸收结果。将直接影响吸收结果。2 2、填料层高度的计算、填料层高度的计算填料层高度填料层高度Z Z等于所需的填料层体积等于所需的填料层体积V V除以塔截面积除以塔截面积S S。塔截面积已由塔径确定，填料层体积塔
50、截面积已由塔径确定，填料层体积V V则取决于完成则取决于完成规定任务所需的总传质面积规定任务所需的总传质面积A A和每和每m m3 3填料层所能提供填料层所能提供的气液有效接触面积的气液有效接触面积a a 。即：。即：aAV aSASVZ上式总传质面积应等于塔的吸收负荷上式总传质面积应等于塔的吸收负荷 （单位时间（单位时间内的传质量）与塔内传质速率内的传质量）与塔内传质速率 （单位时间内单位（单位时间内单位气液接触面积上的传质量）的比值。气液接触面积上的传质量）的比值。AANGA计算塔的吸收负荷要依据物料衡算关系，计算传质速率要依据计算塔的吸收负荷要依据物料衡算关系，计算传质速率要依据吸收速率
