1、學習情境六、吸收學習情境六、吸收6.1 概述概述6.2 氣液相平衡氣液相平衡6.1 概述概述一、一、 吸收的定義與工業背景吸收的定義與工業背景 在合成氨工廠，合成氨的原料氣中含有在合成氨工廠，合成氨的原料氣中含有30%的的CO2，如何將，如何將CO2從原料氣中分離？從原料氣中分離？ 在焦化廠，焦爐氣中含有多種氣體。如：在焦化廠，焦爐氣中含有多種氣體。如：CO、H2、NH3、苯類等，如何將氨從焦爐氣中分離？、苯類等，如何將氨從焦爐氣中分離？ 在硫酸廠，硫鐵礦經焙燒氧化得到在硫酸廠，硫鐵礦經焙燒氧化得到SO3，如何由，如何由SO3制造硫酸？制造硫酸？ 吸收吸收: 利用氣體混合物中各組分在某種液體中

2、利用氣體混合物中各組分在某種液體中溶解度溶解度的差異的差異來分離氣體混合物的操作。來分離氣體混合物的操作。幾個概念：幾個概念：吸收劑吸收劑溶劑溶劑吸收質吸收質氣體中能被溶解的組分氣體中能被溶解的組分惰性氣體惰性氣體氣體中不被溶解的組分氣體中不被溶解的組分各種氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度各種氣體在碳酸丙烯酯中的溶解度Nm3氣體氣體/m3溶劑（溶劑（P=1atm,t=25oC)氣體氣體COCO2 2H H2 2COCOCHCH4 4溶解度溶解度3.473.470.030.030.50.50.30.3二、工業吸收流程二、工業吸收流程三、三、 吸收的應用吸收的應用v 制備某種氣體的制備某種氣體的液體產品

3、液體產品如用如用H2SO4吸收吸收SO3制取發煙制取發煙H2SO4，用水吸收，用水吸收NO2以制造硝酸。以制造硝酸。v 回收混合氣體中的有用物質回收混合氣體中的有用物質如用硫酸處理焦爐氣以回收其中的氨。如用硫酸處理焦爐氣以回收其中的氨。v 氣體凈化氣體凈化 原料氣的凈化原料氣的凈化 尾氣、廢氣的凈化以保護環境尾氣、廢氣的凈化以保護環境 氣體吸收是控制工業廢氣污染的主要方法氣體吸收是控制工業廢氣污染的主要方法 v生化工程生化工程 在廢氣處理中采用曝氣法以及污泥氧化法等，在廢氣處理中采用曝氣法以及污泥氧化法等，均要應用空氣中的氧在水中溶解均要應用空氣中的氧在水中溶解(吸收吸收)這一過程這一過程.四

4、、吸收劑的選擇四、吸收劑的選擇v成本：成本：吸收的成本通常呈指數上升吸收的成本通常呈指數上升 成本成本(99%)=2成本成本(90%) 成本成本(99.9%)= 2 成本成本(99%)依據：依據：H2S濃度濃度溶劑溶劑備注備注很高很高乙二醇或碳乙二醇或碳丙丙物理溶劑物理溶劑較低較低乙醇胺乙醇胺化學溶劑化學溶劑微量微量氫氧化鈉氫氧化鈉NaOH+H2S=NaHS+H2O 取決于原料氣中溶質的濃度以及所要求的脫除率取決于原料氣中溶質的濃度以及所要求的脫除率 例：例：H2S的脫除的脫除選擇要求選擇要求v溶解度大溶解度大提高吸收速率，減少吸收劑用量提高吸收速率，減少吸收劑用量v選擇性好選擇性好以實現直接

5、有效的分離以實現直接有效的分離v揮發度低揮發度低降低吸收劑的損失量降低吸收劑的損失量v粘度低粘度低 提高流動性提高流動性v安全性好安全性好v選擇原則：經濟、合理選擇原則：經濟、合理 v說明說明 氣體吸收過程產生了含有高濃度溶質的液體。氣體吸收過程產生了含有高濃度溶質的液體。其中溶質可以通過加熱變成氣泡而脫除。我們常其中溶質可以通過加熱變成氣泡而脫除。我們常常在熱的液體中通入惰性氣體，作為吹掃蒸氣，常在熱的液體中通入惰性氣體，作為吹掃蒸氣，以加速脫除過程。近來化工廠由于大量吸收液的以加速脫除過程。近來化工廠由于大量吸收液的加熱成本高，不得不開始加熱成本高，不得不開始改用對壓力敏感的吸收改用對壓力

6、敏感的吸收劑劑。因為壓力的改變比溫度的改變要便宜，因此。因為壓力的改變比溫度的改變要便宜，因此改用壓力敏感的吸收劑還會繼續發展。改用壓力敏感的吸收劑還會繼續發展。五、五、 氣液兩相間的接觸方式氣液兩相間的接觸方式v微分接觸：微分接觸：填料塔填料塔級式接觸設備：級式接觸設備：板式塔板式塔六、操作方式六、操作方式v定態連續操作定態連續操作 設備內的過程參數不隨時間變化設備內的過程參數不隨時間變化v非定態操作非定態操作 間歇操作或脈沖式的操作間歇操作或脈沖式的操作七、本章所作假設七、本章所作假設v氣體混合物中只有一個組分溶于吸收劑氣體混合物中只有一個組分溶于吸收劑v溶劑的蒸氣壓很低，其揮發損失可忽略

7、溶劑的蒸氣壓很低，其揮發損失可忽略v氣相：溶質氣相：溶質+惰性組分惰性組分v液相：溶質液相：溶質+吸收劑吸收劑6.2 6.2 氣液相平衡氣液相平衡v討論討論 (1) 在在T、p、y、x中僅有中僅有3個獨立變量個獨立變量 (2) 溫度一定時，溫度一定時，pe(=py)與與x一一對應一一對應 (3) T、p一定時，一定時，y與與x一一對應一一對應v氣液相平衡體系的自由度氣液相平衡體系的自由度吉布斯相律吉布斯相律 F=C-P+2 F自由度自由度; C組分數；組分數；P相數相數F=3-2+2=3v氣液相平衡的表示方法氣液相平衡的表示方法v相圖相圖vT恒定時的恒定時的pex相圖相圖vT恒定時一系列恒定時

8、一系列y-x相圖相圖vp恒定時一系列恒定時一系列y-x相圖相圖v方程方程vpe=f(x) T恒定恒定vy=f(x) T、p恒定恒定l在在T、p、y、x中僅有中僅有3個獨立變量個獨立變量l溫度一定時，溫度一定時，pe(=py)與與x一一對應一一對應lT、p一定時，一定時，y與與x一一對應一一對應NH3水水一、溶解度一、溶解度 在在一定溫度、壓力一定溫度、壓力下，氣液兩相長期充分接觸至液相中溶下，氣液兩相長期充分接觸至液相中溶質濃度不再增加，這時兩相達到相平衡。此時溶質在液相中的質濃度不再增加，這時兩相達到相平衡。此時溶質在液相中的濃度稱為濃度稱為平衡溶解度平衡溶解度，簡稱，簡稱溶解度溶解度，其單

9、位為，其單位為g溶質溶質/100g溶劑。溶劑。 例：例：NH3溶于水的溶于水的速率等于速率等于NH3逸出水的逸出水的速率，這時氨達到動態速率，這時氨達到動態平衡。此時水中溶解的平衡。此時水中溶解的氨量，稱為該溫度、壓氨量，稱為該溫度、壓力下氨在水中的溶解度。力下氨在水中的溶解度。 6.2.1 氣體的溶解度曲線氣體的溶解度曲線6.2 氣液相平衡氣液相平衡二、溶解度曲線二、溶解度曲線氨在水中的溶解度1atm下SO2在水中的溶解度式中：式中：E 亨利系數，亨利系數，kPa; P* 溶質溶質A在氣相中的平衡分壓，在氣相中的平衡分壓，kPa; x 液相中溶質的摩爾分數液相中溶質的摩爾分數二、亨利定律二、

10、亨利定律p* =E x亨利定律亨利定律x較小較小 p* x 適用條件：適用條件：低分壓，稀溶液。低分壓，稀溶液。1803年英國英國Willam Henry（一）亨利定律的其他表達形式（一）亨利定律的其他表達形式氣 相組成液 相組 成亨 利 定 律各系數間的換算關系1234xX*cpH*1(1)m XYmX*ym x*pE xSSEMHPEm xp*p*cy*Y*1(1)m XYmX(氣液相平衡方程）氣液相平衡方程）當溶解度很低的時候當溶解度很低的時候*Ym X平衡線近似為過零點的直線。平衡線近似為過零點的直線。（二）對亨利系數的討論（二）對亨利系數的討論壓力的影響壓力的影響 溫度的影響溫度的影

11、響p p，m m,溶解度溶解度tt，EE，HH，mm，溶解度，溶解度p5atm,H、E與壓力無關。與壓力無關。溫度對溫度對E E，H H，m m，都有影響都有影響判別準則判別準則吸收：吸收： xy*)解吸：解吸： xx* (或或yy*) （三）相平衡的應用（三）相平衡的應用一、一、 判斷傳質方向判斷傳質方向例2.101.325 kPa, 20 下稀氨水的相平衡方程為下稀氨水的相平衡方程為ye=0.94x, 試判斷試判斷 以以 下下2種情況的傳質方向。種情況的傳質方向。解解(1)y*=0.94 0.05=0.047 y*此過程為此過程為吸收吸收過程過程(2) y*=0.94 0.1=0.0940

12、.05 即即yy*此過程為此過程為解吸解吸過程過程 說明說明: 一切偏離平衡的氣液系統都不穩定，一切偏離平衡的氣液系統都不穩定，溶液由一相傳遞到另一相，其結果是使氣液兩溶液由一相傳遞到另一相，其結果是使氣液兩相逐漸趨于平衡，相逐漸趨于平衡，溶質的傳遞方向就是使系統溶質的傳遞方向就是使系統趨于平衡的方向趨于平衡的方向.問：對以制取液相產品為目問：對以制取液相產品為目的的逆流吸收過程的的逆流吸收過程x1,max=?答：答：x1,max=x1*問：問： （對以凈化氣體為目的吸（對以凈化氣體為目的吸收過程）收過程）y2,min=?答：答：y2,min=y2 *二、二、 指明傳質過程的極限指明傳質過程的

13、極限 說明說明:一切平衡狀態都是有條件的，通過一切平衡狀態都是有條件的，通過改變平衡條件可以得到有利于傳質過程所需改變平衡條件可以得到有利于傳質過程所需要的相平衡關系。要的相平衡關系。三、三、 計算傳質過程的推動力計算傳質過程的推動力推動力：實際含量與平衡含量的偏離程度推動力：實際含量與平衡含量的偏離程度 說明說明: 實際組成偏離平衡組成的程度越大，實際組成偏離平衡組成的程度越大，過程的推動力就越大，其傳質速率也將越大。過程的推動力就越大，其傳質速率也將越大。吸收過程推動力吸收過程推動力氣相：氣相：pA-pA* y-y * Y-Y *液相：液相：cA * -cAx * -x X * -X解吸過

14、程推動力解吸過程推動力氣相：氣相： pA * -pA y * - y Y * -Y液相：液相： cA-cA * x -x * X-X * 例例 3 : 在 總 壓在 總 壓 1 0 0 0 k P a , 溫 度溫 度 2 5 下 ， 含下 ， 含CO20.06(摩爾分數）的空氣與含摩爾分數）的空氣與含CO2為為0.1g/L的水的水溶液接觸。試問：溶液接觸。試問：(1)將發生吸收還是解吸過程？將發生吸收還是解吸過程？(2)以分壓差表示的推動力為多少？以分壓差表示的推動力為多少？(3)如氣體與水溶液如氣體與水溶液逆流接觸，空氣中逆流接觸，空氣中CO2的含量最低可能降到多少？的含量最低可能降到多少

15、？（25 下下CO2溶解在水中的亨利系數溶解在水中的亨利系數E=1.66 105 kPa） 解：解：(1) 判別過程方向判別過程方向521.66101.66101000EmP平衡濃度平衡濃度 ye =mx=1.66 10-2 4.1 10-5=0.00681cB組分組分B反反向擴散向擴散組分組分A在在界面溶解界面溶解p主體主體p界面界面混合物由氣相主混合物由氣相主體向界面移動體向界面移動主體流動：主體流動：混合物由主體向界面的流動?；旌衔镉芍黧w向界面的流動。 (1) 因分子本身擴散引起的宏觀流動。因分子本身擴散引起的宏觀流動。 (2) A、B在總體流動中方向相同，流動速度正比在總體流動中方向相

16、同，流動速度正比于摩爾分率。于摩爾分率。 主體流動的特點主體流動的特點:三、分子擴散速率方程三、分子擴散速率方程 PQ:與氣液界面平行的靜止平面與氣液界面平行的靜止平面通過平面通過平面PQ的物流的物流:JAJBNM N:通過靜止考通過靜止考察平面察平面PQ的凈物流的凈物流對平面對平面PQ作總物料衡算作總物料衡算 ABMNJJNABMNJJNABJJ MNN對雙組分物系對雙組分物系ABNNNAAAMcNJNc()AAAABMcNJNNc組分組分A的分子的分子擴散速率方程擴散速率方程四、分子擴散速率的積分式四、分子擴散速率的積分式 1. 等分子反向擴散（精餾）等分子反向擴散（精餾） 特點特點: N

17、A=NBJA=JBAAddApDNJRTz 氣相：氣相：()AAAABMcNJNNcAANJAA1A2()DNppRTAA1A2()DNccAAABddAcNJDz 液相：液相：l 討論討論(1)21AAAppN(2) 組分的濃度與擴散距離組分的濃度與擴散距離z成直線關系。成直線關系。 (3) 等分子反方向擴散發生在蒸餾過程中。等分子反方向擴散發生在蒸餾過程中。 2單向擴散單向擴散AMAAANccdzdCDNdzdcDccNAMAA)1 (特點特點: JA=-JB NB=0()AAAABMcNJNNc2211AAzCAAMzCMAdcN dzDccc 1212ln)(AMAMMAccccDcz

18、zN)(ln2112AABMMBBMAccccDCCDcN1212lnBBBBBMccccc 2121ln()BAAABBMpDpDpNppRTpRTp2121lnBBBMBBppppp)(ln2112AABMMBBMAccccDCCDcN1212lnBBBBBMccccc漂流漂流因子因子l 討論討論(1) 組分的濃度與擴散距離組分的濃度與擴散距離z成指數關系。成指數關系。 (2) 漂流因子：漂流因子：其大小反映了總體流動對傳質速率其大小反映了總體流動對傳質速率的影響程度，其值為總體流動使傳質速率較單純分子的影響程度，其值為總體流動使傳質速率較單純分子擴散增大的倍數。擴散增大的倍數。 1Bmp

19、pBm1Mcc(3) 單向擴散體現在吸收過程中。單向擴散體現在吸收過程中。8.3.2 擴散系數擴散系數 一般情況擴散速度擴散速度(cm/min)擴散系數擴散系數(cm2/s)氣體氣體100.1液體液體0.0510-5固體固體10-510-10一、氣體中的擴散系數一、氣體中的擴散系數 1. D的實驗測定的實驗測定 常用的方法有蒸發管法，雙容積法，液滴蒸發法常用的方法有蒸發管法，雙容積法，液滴蒸發法等。我們著重介紹蒸發管法。等。我們著重介紹蒸發管法。 【例例】有一直立的玻璃管，底端封死，內充丙酮，液有一直立的玻璃管，底端封死，內充丙酮，液面距上端管口面距上端管口11mm，上端有一股空氣通過，上端有

20、一股空氣通過，5小時后，小時后，管內液面降到距管口管內液面降到距管口20.5mm，管內液體溫度保持，管內液體溫度保持293K，大氣壓為，大氣壓為100kPa，此條件下，丙酮的飽和蒸，此條件下，丙酮的飽和蒸氣壓為氣壓為24kPa。求丙酮在空氣中的擴散系數。求丙酮在空氣中的擴散系數。z空氣丙酮ddddddddddAAAAAAAAAAzMzAMAVAMAMmAn單位面積液面汽化的速率用液面高度變化的速率：單位面積液面汽化的速率用液面高度變化的速率： ddAAzMB1B2lnppRTzDp=zzzzppRTDpM0ddlnB1B20AA解解:B1B2AlnppRTzDpN2/ )(ln202B1B2A

21、AzzppRTDpM2ln202B1B2AAzzpppRTMD/sm10118002011. 00205. 076100ln100293314. 85879025222. 計算公式計算公式TD pD24 . 04 . 01405. 05 . 081. 1)()()/1/1 (517. 1CBCACBCABAVVTTpMMTDpT81. 1二、組分在液體中的擴散系數二、組分在液體中的擴散系數 1. 實驗值實驗值10-610-5 cm2/s 2. 2. 計算式計算式80508AB1047.A.BVT)(.D稀溶液稀溶液D DTTDTfD )( ，8.3.3 對流傳質對流傳質 一、對流對傳質的貢獻一

22、、對流對傳質的貢獻 對流傳質：對流傳質：流動流體與相界面之間的物質傳遞。流動流體與相界面之間的物質傳遞。 流體的流流體的流動改變了組分動改變了組分的濃度分布的濃度分布,使使界面處濃度梯界面處濃度梯度加大度加大,從而加從而加快了相內的物快了相內的物質傳遞。質傳遞。二、對流傳質速率二、對流傳質速率 【傳質速率式傳質速率式】以組分以組分A由氣相往液相傳遞為例由氣相往液相傳遞為例氣相氣相界面界面NA=kG(pA-pAi) NA=ky(y-yi)ky=pkG界面界面液相液相NA=kL(cAi-cA)NA=kx(xi-x)kx=cMkL傳質速率傳質系數傳質速率傳質系數傳質推動力傳質推動力三、傳質系數的無因

23、次關聯式三、傳質系數的無因次關聯式 )(Re,ScfSh Sherwood準數準數DkdSh duReReynolds準數準數Schmidt準數準數DSc33. 083. 0Re023. 0ScSh (Re2100 Sc=0.63000)67. 0Dk 8.3.4 三傳類比三傳類比(略略) 8.3.5 對流傳質理論對流傳質理論 一、雙膜模型又稱停滯模型一、雙膜模型又稱停滯模型 1923年年 惠特曼惠特曼( Whiteman) 1. 內容內容 當氣液兩相相互接觸時，在氣液兩相間存當氣液兩相相互接觸時，在氣液兩相間存在著穩定的相界面，界面兩側各有一很薄的停滯膜，在著穩定的相界面，界面兩側各有一很薄

24、的停滯膜，全部傳質阻力集中于該兩層靜止膜全部傳質阻力集中于該兩層靜止膜中，溶質中，溶質A經過兩經過兩膜層的傳質方式均為分子擴散膜層的傳質方式均為分子擴散 在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態。在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態。 氣液兩相主體中各處濃度均勻一致。氣液兩相主體中各處濃度均勻一致。 2. 對流傳質系數的確定對流傳質系數的確定 等分子反向擴散等分子反向擴散0GGDkRTLLDk0 單向擴散單向擴散GGBmDpkRTpBmMLLLccDkkD雙膜理論雙膜理論 67. 0Dk 實驗結果實驗結果 二、溶質滲透模型二、溶質滲透模型 Higbie（希格比）（希格比）1935 1. 設想設想

25、液體在下流過程中每隔一定時間液體在下流過程中每隔一定時間0發生一次完發生一次完全的混合。全的混合。 02DkL2. 對流傳質系數對流傳質系數 三、表面更新理論三、表面更新理論（丹克沃茨（丹克沃茨（Danckwerbs）1951） 1. 設想設想 流體在下流過程中表面不斷更新流體在下流過程中表面不斷更新 。2. 對流傳質系數對流傳質系數 DSkL5 . 0DkL四、對流傳質理論的意義四、對流傳質理論的意義 對流傳質模型的建立，不僅使對流傳質系數的確定對流傳質模型的建立，不僅使對流傳質系數的確定得以簡化，還可以據此對傳質過程及設備進行分析，確得以簡化，還可以據此對傳質過程及設備進行分析，確定適宜的

26、操作條件，并對設備的強化，新型高效設備的定適宜的操作條件，并對設備的強化，新型高效設備的開發做出指導。開發做出指導。 8.4 相際傳質相際傳質 8.4.1 相際傳質速率相際傳質速率 8.4.2 傳質阻力的控制步驟與界面含量傳質阻力的控制步驟與界面含量 8.4.1 相際傳質速率相際傳質速率 吸收速率：吸收速率：單位相際傳質面積上在單位時間所吸單位相際傳質面積上在單位時間所吸收溶質的量。收溶質的量。 吸收速率方程式：吸收速率方程式：描述吸收速率與吸收推動力之間描述吸收速率與吸收推動力之間關系的數學表達式。關系的數學表達式。 一、相際傳質速率方程一、相際傳質速率方程 1. 以以(y-ye)為總推動力

27、的吸收速率方程式為總推動力的吸收速率方程式 前提：前提： bmxyebmxyii )(iyAyykNAiyNyyk1)(xxkNixAAixNxxk1AixNxxmkm)()ixAm xxmkN()ieiyym xxiexAyymkNAiyNyyk1AeyxNyykkm111yxymKkk()AyeNKyy總阻力總阻力液膜液膜阻力阻力氣膜氣膜阻力阻力與總推動力與總推動力(y-ye)相對應的相對應的氣相總傳質系數氣相總傳質系數 與液相主體濃度成平衡的氣相濃度與液相主體濃度成平衡的氣相濃度 2. 以以(xe-x)為總推動力的吸收速率方程式為總推動力的吸收速率方程式 ()AxeNKxx()AyeNK

28、yybmxyebmxye)(xxmyyee111xxyKkmk總阻力總阻力液膜液膜阻力阻力氣膜氣膜阻力阻力3. 以以(pA-pe)為總推動力的吸收速率方程式為總推動力的吸收速率方程式 ()AGAAeNKpp11GLGHKkk總阻力總阻力液膜液膜阻力阻力氣膜氣膜阻力阻力前提：前提： AeApHcb4. 以以(cAe-cA)為總推動力的吸收速率方程式為總推動力的吸收速率方程式 111LLGKkHk總阻力總阻力液膜液膜阻力阻力氣膜氣膜阻力阻力前提：前提： AeApHcb)(AeLAccKN二、吸收速率方程小結二、吸收速率方程小結 bmxyebHcpe)(iyAyykN)(xxkNixA)(eyAyy

29、KN)(xxKNexA)(iAGAppkN)(AiLAcckN)(eAGAppKN)(AeLAccKN1. 傳質速率方程式的特點傳質速率方程式的特點 通用表達式：吸收速率傳質系數通用表達式：吸收速率傳質系數傳質推動力傳質推動力 單相內傳質速率膜傳質系數單相內傳質速率膜傳質系數主體濃度與界面濃度之差主體濃度與界面濃度之差 相際傳質速率總傳質系數相際傳質速率總傳質系數（一相主體組成（一相主體組成-與另與另一相溶質組成相對應的平衡組成一相溶質組成相對應的平衡組成) 2. 傳質系數的單位：傳質系數的單位：kmol/(m2.s.單位推動力單位推動力) 3. 上述所有傳質速率方程只適用于描述定態操作上述所

30、有傳質速率方程只適用于描述定態操作的的吸收塔內任一截面吸收塔內任一截面的速率關系，不能直接用來描述全的速率關系，不能直接用來描述全塔的吸收速率塔的吸收速率。8.4.2傳質阻力的控制步驟與界面含量傳質阻力的控制步驟與界面含量 一、氣膜控制一、氣膜控制 1.表現表現 xykmk/1yykKGGkKAicc 對氣膜控制，增加氣體流率，可降低氣膜阻力而對氣膜控制，增加氣體流率，可降低氣膜阻力而有效加快吸收過程；增加液相流率，不會對吸收有顯有效加快吸收過程；增加液相流率，不會對吸收有顯著的影響著的影響 2.應用應用3.舉例舉例 易溶氣體的吸收如：用水吸收易溶氣體的吸收如：用水吸收NH3 ，HCl以及用濃

31、以及用濃H2SO4吸收氣相中水蒸氣吸收氣相中水蒸氣 二、液膜控制二、液膜控制 1.表現表現 1/1/()xykmkxxKkLLKkAipp 對液膜控制，增加液體流率，可降低液膜阻力而對液膜控制，增加液體流率，可降低液膜阻力而有效加快吸收過程；增加氣相流率，不會對吸收有顯有效加快吸收過程；增加氣相流率，不會對吸收有顯著的影響著的影響 2.應用應用3.舉例舉例 難溶氣體的吸收如：用水吸收難溶氣體的吸收如：用水吸收O2 ，CO2 三、雙膜控制三、雙膜控制 1.表現表現 同時降低氣膜和液膜阻力才能有效加快吸收過程。同時降低氣膜和液膜阻力才能有效加快吸收過程。2.應用應用3.舉例舉例 中等溶解度氣體的吸

32、收如：用水吸收中等溶解度氣體的吸收如：用水吸收SO2氣相阻力與液相阻力相當氣相阻力與液相阻力相當四、界面含量的求取四、界面含量的求取 ()()AyixiNkyykxx()iiyf xiixy 填料吸收塔某截面上氣液相組成分別為填料吸收塔某截面上氣液相組成分別為y=0.05,x=0.01,氣相和液相分體積傳質系數分別為氣相和液相分體積傳質系數分別為ky=0.03kmol/(m3.s)、 kx=0.03kmol/(m3.s)，相平衡，相平衡關系為關系為ye=4x, kyG0.7 。試確定。試確定: (1)該界面處氣液兩該界面處氣液兩相傳質總推動力、總阻力、傳質速率及各相阻力的分相傳質總推動力、總阻

33、力、傳質速率及各相阻力的分配；若配；若氣體流量增加一倍，總阻力變為多少？氣體流量增加一倍，總阻力變為多少？ （2）降低吸收溫度此時相平衡關系變為降低吸收溫度此時相平衡關系變為ye=0.1x，兩相組，兩相組成和傳質系數都不變，求界面處氣液兩相傳質總推動成和傳質系數都不變，求界面處氣液兩相傳質總推動力、總阻力、傳質速率及各相阻力的分配；若力、總阻力、傳質速率及各相阻力的分配；若氣體流氣體流量增加一倍，總阻力變為多少？量增加一倍，總阻力變為多少？ 8.5 低含量氣體吸收低含量氣體吸收8.5.1 吸收過程的數學描述吸收過程的數學描述8.5.2 傳質單元數的計算方法傳質單元數的計算方法8.5.3 吸收塔

34、的設計型計算吸收塔的設計型計算8.5.4 吸收塔的操作型計算吸收塔的操作型計算8.5.1 吸收過程的數學描述吸收過程的數學描述一、低含量氣體吸收的特點一、低含量氣體吸收的特點 1混合氣流率混合氣流率G、液體流率、液體流率L為常量。為常量。 2. 吸收過程等溫。吸收過程等溫。 3. 傳質系數為常量。傳質系數為常量。 二、物料衡算二、物料衡算 A橫截面積，橫截面積，m2 單位體積內具有的有單位體積內具有的有效吸收面積，效吸收面積，m2/m3 G氣相流率，氣相流率， kmol/(m2 2s)s) L液相流率，液相流率，kmol/(m2 2s)s)衡算范圍：衡算范圍：微元體積微元體積Adh假設：假設：

35、忽略微元段兩端面軸向的分子擴散忽略微元段兩端面軸向的分子擴散 ()AAd GyAGdyN A dh()Ad GyGdyNdh氣相：氣相：液相：液相：()AAd LxALdxN A dh()Ad LxLdxNdh兩相：兩相：LdxGdy 2積分式積分式 LdxGdy 底部至塔內任意截面：底部至塔內任意截面： 11xxyydxLGdy11()()G yyL xx頂部至塔內任意截面：頂部至塔內任意截面： 22yxYxGdyLdx22()()G yyL xx塔底至塔頂：塔底至塔頂： )()(2121xxLyyG 結論：點結論：點(x，y)，(x1，y1)，(x2，y2)共線，直線的共線，直線的斜率為斜

36、率為L/G即液氣比。即液氣比。 三、相際傳質速率方程式三、相際傳質速率方程式 ()AyeNKyy()AxeNKxxadhyyKGdyey)(adhNGdyAadhxxKLdxex)(adhNLdxA 四、傳質速率積分式四、傳質速率積分式 1122GdyH()yyyyyeyeGdyK a yyK ayyadhyyKGdyey)(HOGNOGOGOGHN1122()xxxxxeeLdxLdxHK a xxKxaxxadhxxKLdxex)(HOLNOLOLOLHN12yOGOGyyeGdyHHNK ayy12xOLOLxxeLdxHHNK axxLLxxixNHxxdxakLH12GGyyiyNH

37、yydyakGH12體積體積傳質傳質系數系數單單位位填填料料層層的的有有效效傳傳質質面面積積t填填料料層層的的比比表表面面積積 OGOGHHN OLOLHHN LLHHN GGHHN傳質單傳質單元高度元高度傳質單傳質單元數元數五、傳質單元數與傳質單元高度五、傳質單元數與傳質單元高度 1變量分離法的優點變量分離法的優點 傳質單元數傳質單元數HTU由工藝條件決定，反映分離任由工藝條件決定，反映分離任務的難易務的難易 。 傳質單元高度傳質單元高度HTU反映傳質阻力的大小，由設反映傳質阻力的大小，由設備特性決定。備特性決定。 meyyeOGyyyyyydyN)(2112y1、y2一定一定 （y-ye)

38、m NOG aKGHyOG/阻力阻力1/Ky HOG 設備參數與工藝參數分類后，可對吸收設計作設備參數與工藝參數分類后，可對吸收設計作順序決策，即在選定設備型式（如用何種填料）之前，順序決策，即在選定設備型式（如用何種填料）之前，先按工藝要求算出先按工藝要求算出HTU，然后由，然后由HTU選適當規格的填選適當規格的填料。料。2各種傳質單元高度之間的關系各種傳質單元高度之間的關系 OLOGLHHmGLGOGHLmGHHGLOLHmGLHH8.5.2傳質單元數的計算方法傳質單元數的計算方法 一、推動力的變化規律一、推動力的變化規律 1. 吸收塔內推動力的變化規律由平衡線與操作線吸收塔內推動力的變化

39、規律由平衡線與操作線共同決定共同決定 2. 平衡線在吸收塔的操作范圍內為直線平衡線在吸收塔的操作范圍內為直線 ()eyyyy ()exxxx 12121212()()()eeyyyyyydydyyyyy 12121212()()()eexxxxxxdxdxxxxx 二、吸收塔操作范圍內，平衡線為直線二、吸收塔操作范圍內，平衡線為直線 12yOGyedyNyymxye22yxGLxGLy)( yfy)(yfyye【分析分析】 【思路思路】 1. 對數平均推動力法對數平均推動力法 )(2121ydyyyydy11221212112122lnyyOGyyedyyyd yyyyNyyyyyyyy12O

40、GmyyNy1212lnmyyyyy 1212()yydydyyy 討論：討論： 對數平均推動力法的對數平均推動力法的適用條件適用條件是：是：平衡線與操平衡線與操作線均為直線作線均為直線； 逆流或并流時操作線均為直線，因此該法既逆流或并流時操作線均為直線，因此該法既適適用于逆流也適用于并流用于逆流也適用于并流；12OGmyyNy111eyyy222eyyy112eyyy221eyyy0iy0my 吸收塔兩端逆流與并流時的推動力吸收塔兩端逆流與并流時的推動力2. 吸收因數法吸收因數法(逆流逆流) 12221ln (11OGymxmGmGNmGLymxLL）) 1(LmG 1222111ln (1

41、)11OGymxNA ymxAA公式推導公式推導說明與討論：說明與討論： NOG=f(S,(y1-mx2)/(y2-mx2)1222ymxymx一定一定S 即即A NOG A 一定一定y1 或或y2 NOG 以液相摩爾分數差為推動力的傳質單元數以液相摩爾分數差為推動力的傳質單元數 12111ln (1)1OLymxNAAAymx3. A=1 12yOGyedyNyy作圖分析作圖分析 121212OGyyyyNyye22 y-y()GymxxxymxL2222()m xxymxymx數學分析數學分析 三、平衡線為曲線三、平衡線為曲線 1122()yymyyyeyeGdyGdyHK a yyKyy

42、1圖解積分法圖解積分法 1122( )yyOGyyedyNf y dyyy2數值積分法數值積分法00123421( )(424224)3nynnnyf y dyffffffff 擬在直徑為擬在直徑為1 m1 m的填料塔中用清水逆流吸收空的填料塔中用清水逆流吸收空氣混合物中的可溶組分，混合氣的處理量為氣混合物中的可溶組分，混合氣的處理量為30 30 kmol/hkmol/h，氣液相平衡關系為，氣液相平衡關系為ye=2xye=2x。已知該可溶組。已知該可溶組分的進口濃度為分的進口濃度為8%8%（摩爾分率，下同），現要求其（摩爾分率，下同），現要求其出口濃度不大于出口濃度不大于1%1%，取操作液氣比

43、，取操作液氣比L/G=2L/G=2，此時氣，此時氣相總體積傳質系數相總體積傳質系數30.018 6 kmol/(m .s)yK a 試求：試求：所需的填料層高度。所需的填料層高度。 吸收因數法求傳質單元數的公式推導吸收因數法求傳質單元數的公式推導2222()eyyymxyym xxymx22222222 ()(1)(1)()xxmGyymymxyyymxyyL22222 (1)()mGymxmxyymxL222 (1)()()mGmGymxymxLL1212222222(1)()()1ln1(1)()()yOGyemGmGymxymxdyLLNmGmGmGyyymxymxLLL 12221ln

44、 (11OGymxmGmGNmGLymxLL）返回返回8.5.3 吸收過程的設計型計算吸收過程的設計型計算 現擬用吸收塔處理空氣與丙酮的混合氣體現擬用吸收塔處理空氣與丙酮的混合氣體混合氣體處理量：混合氣體處理量：5100 m3/h(0，101.3kPa)混合氣體組成：空氣混合氣體組成：空氣0.96，丙酮，丙酮0.04(均為摩爾分率均為摩爾分率) 要求丙酮回收率：要求丙酮回收率：=0.98混合氣體溫度、壓力：混合氣體溫度、壓力：25，0.11MPa吸收劑：水吸收劑：水 設計任務設計任務：確定吸收劑用量，填料種類與規格，填確定吸收劑用量，填料種類與規格，填料層高度，填料塔塔徑料層高度，填料塔塔徑

45、一、計算命題一、計算命題 設計要求：設計要求：計算達到指定分離要求所需要的塔高。計算達到指定分離要求所需要的塔高。 給定條件：給定條件：進口氣體溶質摩爾分數進口氣體溶質摩爾分數y1，氣體的處理，氣體的處理量即混合氣的進塔流率量即混合氣的進塔流率G、吸收劑與溶質組分的相平衡、吸收劑與溶質組分的相平衡關系及分離要求；關系及分離要求； 分離要求的兩種表達方式：分離要求的兩種表達方式： 直接規定吸收后氣體中有害溶質的殘余摩爾分數直接規定吸收后氣體中有害溶質的殘余摩爾分數y2 . 規定溶質的回收率規定溶質的回收率 112211G yG yG y被吸收的溶質量氣體進塔的溶質量低含量氣體吸收低含量氣體吸收1

46、2G =G =G122111yyyyy21(1)yy二、計算依據二、計算依據 全塔物料衡算式全塔物料衡算式 1212()()G yyL xx相平衡方程式相平衡方程式 ( )eyf x吸收過程基本方程式吸收過程基本方程式12yOGOGyyeGdyHNHK ayy12,( )eG y yyf x已知已知待定待定: Ky,x2，L(或或x1) ,流動方向流動方向設計者尚需選擇：設計者尚需選擇：流向，吸收劑進口濃度，吸收劑用量流向，吸收劑進口濃度，吸收劑用量 三、流向選擇三、流向選擇 1. 從從傳質速率傳質速率看，即從推動力看：看，即從推動力看：比較基準：比較基準：y1、y2、x1、x2相同相同 mm

47、yy 并逆逆流優于并流逆流優于并流2. 從平衡看，即從從平衡看，即從Lmin看：看：比較基準：比較基準：逆流優于并流逆流優于并流G、y1、y2、x2相同相同 11maxmax()()eexx逆并minmin()()LL逆并四、吸收劑進口含量的選擇四、吸收劑進口含量的選擇 1. 經濟分析經濟分析比較基準：比較基準：G、L、y1、y2相同相同 最佳進口濃度最佳進口濃度x2過高過高推動力推動力，填料層高度，填料層高度設備費用設備費用易于再生易于再生再生操作費用再生操作費用2.技術分析技術分析比較基準：比較基準： G、L、y1、y2相同相同 最高最高x2值值222()exxf y五、吸收劑用量的選擇五

48、、吸收劑用量的選擇 1. 經濟分析經濟分析比較基準：比較基準：G、 y1、y2 、 x2相同相同 最佳吸收劑用量最佳吸收劑用量L過高過高x1 推動力推動力 H 設備費用設備費用吸收液用吸收液用量大且濃量大且濃度低度低操作費用操作費用2.技術分析技術分析比較基準：比較基準：G、y1、y2 、x2相同相同 最小最小Lmin值值12min12()eyyLGxx2min2()eeyyLGxx 最小液氣比：最小液氣比：在液氣比下降的過程中，只要塔內在液氣比下降的過程中，只要塔內某某一截面處氣液兩相趨近平衡一截面處氣液兩相趨近平衡，達到規定分離要求所需，達到規定分離要求所需塔高即為無窮大，相應的液氣比即為

49、最小液氣比。塔高即為無窮大，相應的液氣比即為最小液氣比。設計液氣比：設計液氣比： min(1.1 2)()LLGG3. 說明說明 (L/G)min與分離要求和相平衡關系有關與分離要求和相平衡關系有關 (L/G)min僅存在于設計型計算問題中僅存在于設計型計算問題中 六、解吸塔的設計型計算六、解吸塔的設計型計算 1. 解吸方法解吸方法 2. 解吸過程的特點解吸過程的特點 解吸是吸收的逆過程，其推動力與吸收相反解吸是吸收的逆過程，其推動力與吸收相反 由于解吸推動力與吸收相反，故解吸塔操作線由于解吸推動力與吸收相反，故解吸塔操作線位于平衡線下方位于平衡線下方 。 氣提解吸：又稱載氣解吸氣提解吸：又稱

50、載氣解吸 減壓解吸減壓解吸 加熱解吸加熱解吸 加熱加熱減壓解吸減壓解吸 3. 最小氣液比最小氣液比 已知：已知：L、x1、x2 、y2相同相同 12min12()exxGLyy2min2()eexxGLyy解吸率：解吸率： 121xxx20y 1212min121()exxxxGLyymxm純的解吸氣純的解吸氣 實際氣液比實際氣液比 min(1.1 2.0)()GGLL5. 解吸塔填料層高度的計算解吸塔填料層高度的計算 12yOGOGyeGdyHHNKyyy12 xOLOLxeLdxHHNKyxx12221ln (1) (1)1eOLexxNAAAAxx12 (A1)OLmxxNx 12221

51、222lneemeexxxxxxxxx 在填料塔中用清水吸收氨與空氣混合氣中的氨。在填料塔中用清水吸收氨與空氣混合氣中的氨?；旌蠚饬髁繛榛旌蠚饬髁繛? 500 m3.h-1(101.33kPa,0)，氨所占，氨所占體積分率為體積分率為5%，要求氨的回收率達，要求氨的回收率達95%。已知塔。已知塔內徑為內徑為0.8 m，填料單位體積有效傳質面積，填料單位體積有效傳質面積=100 m2/m3,吸收系數吸收系數KG=0.01 kmol/(m2.h.kPa) 。取吸收。取吸收劑用量為最少用量的劑用量為最少用量的1.5倍。該塔在倍。該塔在30和和101.3 kPa壓力下操作，在操作條件下的平衡關系為壓力

52、下操作，在操作條件下的平衡關系為ye=3.17x試求：試求： 出塔溶液濃度出塔溶液濃度 填料層高度填料層高度Z。 七、塔內返混的影響七、塔內返混的影響 1.返混現象：返混現象：吸收塔內少量流體吸收塔內少量流體自下游返回上游自下游返回上游的的現象現象 2.返混對傳質的影響返混對傳質的影響 返混時的操作線與平衡線返混時的操作線與平衡線 傳質設備的傳質設備的任何形式的返混任何形式的返混都將破壞逆流操作條都將破壞逆流操作條件，使傳質推動力下降，件，使傳質推動力下降，對傳質造成不利對傳質造成不利影響。返混的影響。返混的量和范圍與傳質設備的結構有關，所以設計時一般將它量和范圍與傳質設備的結構有關，所以設計

53、時一般將它的影響放在傳質單元高度中加以考慮。的影響放在傳質單元高度中加以考慮。八、吸收劑再循環八、吸收劑再循環(也是一種返混現象也是一種返混現象)1. 吸收劑再循環時的流程、操作線與平衡線吸收劑再循環時的流程、操作線與平衡線 2. 分析分析一般而言，對吸收不利，以下一般而言，對吸收不利，以下3種情況可以考慮：種情況可以考慮： 吸收過程有顯著熱效應。吸收過程有顯著熱效應。 吸收目的在于獲得吸收目的在于獲得x1較高的液相產物。較高的液相產物。 相平衡常數很小或為零的物系。相平衡常數很小或為零的物系。 8.5.4 吸收過程的操作型計算吸收過程的操作型計算 一、計算命題一、計算命題1. 第一類第一類

54、命題內容：命題內容：已知填料層高度已知填料層高度H及其他有關尺寸，及其他有關尺寸，氣液兩相平衡關系及流動方式、兩相總傳質系數氣液兩相平衡關系及流動方式、兩相總傳質系數Ky或或Kx,改變某一操作條件，研究其對吸收效果改變某一操作條件，研究其對吸收效果y2和和x1的影的影響響 12, ,eyG y L xymx K a H12,x y已知：已知：求：求： 計算方法計算方法: 對數平均推動力法對數平均推動力法1212()()G yyL xx112212122()()lnymyymxymxG yyK aH yK aHymxymx1122212ln(1)yK aHymxxxmymxGyy1122ln(1

55、)yK aHymxmGymxGL 12,x y 吸收因子法吸收因子法 122221ln(1)1yOGKymxmGmGNHymGGLymxLL1212()()G yyL xx1x 2. 第二類第二類 命題方式命題方式: 已知填料層高度已知填料層高度H及其它有關尺寸，氣體及其它有關尺寸，氣體的流量的流量G及進出口濃度及進出口濃度y1、y2()，吸收劑的進口組成吸收劑的進口組成x2，氣液相平衡及流動方式，兩相體積總傳質系數氣液相平衡及流動方式，兩相體積總傳質系數Ky或或Kx, ,計算吸收劑用量計算吸收劑用量L和吸收劑的出塔組成和吸收劑的出塔組成x1。簡寫為：簡寫為：122,( ),eyG y yxy

56、f x H K求求L，x1 已知已知計算方法計算方法: 對數平均推動力法對數平均推動力法1211121222ln()()OGyyymxNyym xxymx試差法求試差法求x11212()()G yyL xxL 吸收因子法吸收因子法 1212()()G yyL xx12221ln(1)1OGymxmGmGNmGLymxLL試差法求試差法求Lx13. 第三類第三類 命題方式：其他條件命題方式：其他條件(指指G，y1，L，x2，t，P)不不變，分離要求變，分離要求y2()改變，填料層高度變為多少？或已改變，填料層高度變為多少？或已知填料層高度知填料層高度H的改變值，其他條件不變，求的改變值，其他條件不變，求y2()變變為多少？為多少？ 例例: 用清水吸收焦爐氣中的氨。氨的濃度為用清水吸收焦爐氣中的氨。氨的濃度為10g/Nm3，混合氣體的處理量為，混合氣體的處理量為5000Nm3/h。氨的。氨的回收率為回收率為99%，操作壓強為，操作壓強為101.3kPa，夏天平均，夏天平均溫度為溫度為30，冬季平均溫度，冬季平均溫度10。吸收劑用量為。吸收劑用量為最小用量的最小用量的1.5倍，全塔氣速倍，全塔氣速1.1m/s。已知。已知KG與與氣相流率的氣相流率的0.8次方成正比而受液體流率的影響甚次方成正比而受液體流率的影響甚小。已測得小。已測得K