1、第二章 氣體吸收1/105凌云書屋第二章 氣體吸收2.1 概述2.2 氣體吸收的平衡關系2.3 氣體吸收速率方程式2.4 低組成氣體吸收的計算2.5 吸收系數2.6 其它吸收與解吸本章總結聯系圖2/105凌云書屋2.1 概述2.1.1 氣體吸收過程吸收：利用混和氣體中各組分溶解度（或化學反應活性）的差異而將其進行分離的單元操作。（依據、目的、方法） 分離的依據：各組分溶解度的差異。 在吸收操作中，通常將混合氣體中能夠溶解于溶劑中的組分稱為溶質，以A表示，而不溶或微溶的組分稱為載體或惰性組分，以B表示；吸收所用的溶劑稱為吸收劑，以S表示；經吸收后得到的溶液稱為吸收液（富液）；被吸收后排出吸收塔的

2、氣體稱為吸收尾氣（貧氣）。吸收的逆操作稱為解吸，解吸后的液體成為貧液，氣體稱為再生氣。吸收塔吸收液A+少量S混和氣體A+B吸收劑S吸收尾氣B+少量A3/105凌云書屋2.1.2 氣體吸收的分類按溶質與溶劑間是否發生顯著化學反應分：物理吸收：如水吸收二氧化碳化學吸收：如硫酸吸收氨按被吸收組分數目分：單組分吸收：如水吸收氯化氫氣體多組分吸收：如洗油處理焦爐氣，苯、甲苯、二甲苯等組分均溶解按吸收前后溫度是否發生變化分：等溫吸收：非等溫吸收按溶質在氣液兩相中組成大小分：低組成吸收：摩爾分數0.1高組成吸收：摩爾分數0.1本章重點討論單組分低組成的等溫物理吸收4/105凌云書屋2.1.3 氣體吸收的工業

3、應用凈化氣體或精制氣體。如用水脫除合成氨原料氣中的CO2，用丙酮脫除石油裂解氣中的乙炔等以除去氣體中的有害成分，便于下一步的反應順利進行。制備液體產品。如用水吸收HCl氣體制備鹽酸，用水吸收NO2氣體制硝酸，用水吸收NH3氣制氨水，用稀硫酸吸收SO3制濃硫酸等均屬于吸收操作。回收有用物質。如用洗油從焦爐氣中回收粗苯(苯、甲苯、二甲苯)等。環境保護的需要。如用堿液吸收工業過程排放的廢氣中含有的一些有害物質如SO2、H2S、NO、HF等。 5/105凌云書屋2.1.4 吸收劑的選擇完成一個吸收過程需選擇合適的溶劑，對吸收劑的要求是：溶解度大。可提高吸收速率并減少吸收劑的耗用量。選擇性好。對溶質有良

4、好的溶解能力，而對其它組分不溶或微溶，且便于再生，否則不能實現分離的目的。揮發度小，即在操作溫度下蒸汽壓小，基本不汽化。離開吸收設備的氣體被吸收劑所飽和，吸收劑揮發度愈大，損失量便愈大。粘度低。可改善吸收設備內的流動狀況，從而提高傳質速率和傳熱速率，有助于降低泵的功率，減小傳質、傳熱阻力。其它。來源充分，價格低廉，無毒，無腐蝕性不易燃，不發泡，化學性質穩定等。2.1.5 吸收流程（略） 6/105凌云書屋2.2 氣體吸收的相平衡關系2.2.1 氣體在液體中的溶解度 在一定溫度和壓強下，當氣體混合物與一定量的液體吸收劑接觸時，溶質組分便不斷進入液相中，這一過程稱為溶解即吸收。而同時已被溶解的溶質

5、也將不斷擺脫液相的束縛重新回到氣相，該過程稱為解吸。這兩個過程互為逆過程并具有各自的速率，當氣液兩相經過長時間的接觸后，溶質的溶解速率與解吸速率達到相等時，氣液兩相中溶質的濃度就不再因兩相間的接觸而變化，這種狀態稱為相際動平衡，簡稱相平衡或平衡。 平衡狀態下氣相中的溶質分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質組成稱為平衡組成或飽和組成。 氣體在液體中的溶解度，是指氣體在液體中的飽和組成，常以單位質量或體積的液體所含溶質的質量來表示。 氣體的溶解度標明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。7/105凌云書屋1.相律F=C-P+n獨立組分數：C=3 (A、B、S)相數： P=2（氣、液相）影響因素

6、： n=2（溫度、壓強） 故：自由度F=3-2+2=3，即氣相組成、液相組成、溫度、壓力4個變量中，已知3個量，便可確定余下的1個量。溫度、壓力一定：溶解度（液相組成）=f(氣相組成)總壓5105Pa時：溶解度=f(氣相組成，溫度）8/105凌云書屋2.溶解度曲線橫標：氣相分壓；縱標：溶解度；參數：溫度（總壓不太高時）。同種溶質：溫度一定：氣相分壓愈大，溶解度愈大氣相分壓一定：溫度愈低，溶解度愈大不同溶質：溶解度一定時，易溶氣體溶液上方分壓小，難溶氣體上方分壓大說明加壓、降溫有利于吸收操作的進行易溶氣體僅需較小的分壓就能達到一定溶解度 9/105凌云書屋2.2.2 亨利定律 隨著對相平衡關系的

7、研究，發現很多氣體在濃度較小時其溶解度曲線為通過坐標原點的直線，這一規律用亨利(Henry)定律進行描述。 1. pe=Ex稱為吸收過程的相平衡方程 亨利定律。式中： pe 溶質A在氣相中的平衡分壓，kPa；x 溶質A在液相中的摩爾分率；E 亨利系數，kPa。 表明：當總壓不高(0.5MPa)時，在一定溫度下氣液兩相達到平衡時，稀溶液上方氣相中溶質的平衡分壓與液相中溶質的摩爾分率成正比。 10/105凌云書屋說明理想溶液：拉烏爾定律：非理想溶液：低濃度氣體吸收：E=常量難溶物系：E常量，但當P0.1MPa時，E可視為常量P0.1MPa時，E=f(P,t)E由實驗測定確定：以pe/x對x作圖，當

8、x0， pe/x的值即為E。常見物系的E可查有關手冊。對于一定的氣體和一定的溶劑，E值隨溫度變化：t，E，x，體現氣體溶解度隨溫度升高而減小的變化趨勢。同一溶劑中：易溶氣體的E值很小難溶氣體的E值相對較大。11/105凌云書屋2. pe=c/H 表明：當氣液兩相達到平衡時，稀溶液上方氣相中溶質的平衡分壓與液相中溶質的體積摩爾濃度成正比。 設溶液組成為ckmol(A)/m3，密度為kg/m3；溶質和溶劑的分子量分別為MA kg/kmol 、MS kg/kmol ，則：12/105凌云書屋P對H影響小， H大，溶解度大，易溶氣體對于稀溶液，c值很小，c(MS-MA)說明13/105凌云書屋說明 溫

9、度、總壓的影響：m大，溶解度小，難溶氣體 3. ye=mxm與E的關系 ： m相平衡常數，無因次。14/105凌云書屋4. Ye=mX 以上亨利定律的各種表達式描述的都是互成平衡的氣液兩相組成間的關系，它們都是根據液相組成來計算與之平衡的氣相組成。同樣，也可根據氣相組成計算平衡的液相組成，此時，亨利定律可寫成：15/105凌云書屋【例】某系統溫度為10，總壓101.3kPa，試求此條件下在與空氣充分接觸后的水中，每立方米水溶解了多少克氧氣？=101.30.21=21.27kPa 【解】查得10時，氧氣在水中的亨利系數E為3.31106kPa。 W=3.5710-4321000=11.42g/m

10、316/105凌云書屋2.2.3. 相平衡關系在吸收過程中的應用1判斷過程進行的方向吸收平衡解吸氣相ppep=pepyey=yeyYeY=YeYYe液相ccexxeXXemyxABCyxyexey/yexe/xyxxeye結論組成點在平衡線上方，為吸收過程組成點在平衡線上，為平衡過程組成點在平衡線下方，為解吸過程17/105凌云書屋2.確定傳質的推動力 當傳質進行時，其速率與傳質的推動力大小有關，傳質過程是否容易進行取決于實際組成偏離平衡組成的程度，因而推動力可用一相的實際組成與其對應的平衡組成之差來表示 。myxACyxyexeyxxeye吸收平衡解吸氣相p-pe0pe-py-ye0ye-y

11、Y-Ye0Ye-Y液相ce-c0c-cexe-x0 x-xeXe-X0X-Xe說明 實際組成偏離平衡組成的程度愈大，過程的推動力愈大，其傳質速率愈大，吸收/解吸過程愈容易進行。18/105凌云書屋y2y1x2x13.指明傳質過程進行的極限因為平衡是過程進行的極限，所以當兩相進行接觸，達到平衡時過程也就終止，即：y=ye或者x=xe時，吸收或者解吸過程將停止，不會無限進行下去。若要使過程進行，必須改變條件，使原來的平衡打破，在新的條件下重新建立平衡。對吸收而言，無論氣液相流量、塔高、塔徑如何，出塔尾氣的組成不會低于與該位置液相組成相平衡的氣相組成。如逆流：y2ye2=mx2 ；并流： y1ye1

12、=mx1 ；對吸收而言，無論氣液相流量、塔高、塔徑如何，吸收液的組成不會高于與該位置氣相組成相平衡的液相組成。如逆流&并流：x1xe1=y1/m。y2y1x2x1逆流并流19/105凌云書屋【例】在總壓101.3kPa，溫度30的條件下, SO2摩爾分率為0.3的混合氣體與SO2摩爾分率為0.01的水溶液相接觸，試問：(1)SO2的傳質方向；(2)其它條件不變，溫度降到0時SO2的傳質方向；(3)其它條件不變，總壓提高到202.6kPa時SO2的傳質方向，并計算以液相摩爾分率差及氣相摩爾分率差表示的傳質推動力。【解】1.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、30時亨利系數E=0.48

13、5104kPa，則：20/105凌云書屋2.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、0時亨利系數E=0.167104kPa，則：3.查P18表2-1，得SO2在101.33kPa、30時亨利系數E=0.485104kPa，則：第一次課21/105凌云書屋2.3.1傳質的速度與通量 （不講)!1.傳質的速度 多組分的傳質過程中，各組分均以不同的速度運動。設系統由A、B兩組分組成，組分A、B通過系統內任一靜止平面的速度為uA、uB，該二元混合物通過此平面的速度為u，它們之間的差值為uA-u、uB-u。 在上述的各速度中，uA、uB代表組分A、B的實際移動速度，稱為絕對速度。u代表混合物的移

14、動速度，稱為主體流動速度或平均速度；uA-u及uB-u代表相對于主體流動速度的移動速度，稱為擴散速度。 因 uA=u+(uA-u) uB=u+(uB-u) 故： 絕對速度主體流動速度擴散速度2.3 傳質機理與氣體吸收速率方程式22/27凌云書屋2.傳質的通量 傳質通量：單位時間通過垂直于傳質方向上單位面積的物質量。 傳質通量等于傳質速度與濃度的乘積。傳質通量常用質量通量、摩爾通量表示。(1)以絕對速度表示的傳質通量。質量通量：jA=AuA jB=BuB混合物的總質量通量： j=jA+jB =AuA +BuB =u 質量平均速度的定義式 摩爾通量：NA=cAuA NB=cBuB混合物的總摩爾通量

15、：N=NA+NB=cAuA +cBuB =cu 摩爾平均速度的定義式23/27凌云書屋(2)以擴散速度表示的傳質通量。質量通量：jA=A(uA-u) jB=B(uB-u)摩爾通量：JA=cA(uA-um) JB=cB(uB-um)混合物：j=jA+jB J=JA+JB(3)以主體流動速度表示的傳質通量。24/27凌云書屋2.3.2 質量傳遞的基本方式 分為分子傳質和對流傳質1.分子擴散（傳質）(1)分子擴散現象 左室A分子向右運動，右室B分子向左運動。左右兩室交換的分子數雖相等，但因左室A濃度高，故在同一時間內A分子進入右室較多而返回左室較少，其凈結果是物質A自左向右傳遞。同理，物質B自右向左

16、傳遞。兩種物質各自沿其濃度降低的方向傳遞。 上述擴散過程將一直進行到整個容器中A、B兩種物質的濃度完全均勻為止，此時，通過任一截面物質A、B的凈的擴散通量為零，但擴散仍在進行，只是左、右兩方向物質的擴散通量相等，系統處于擴散的動態平衡中。 當流體內部存在某一組分的濃度(或分壓)差時，憑借分子的無規則熱運動使該組分由高濃處向低濃處遷移的過程，稱為分子擴散或分子傳質，簡稱擴散。 分子擴散發生在固體、靜止或層流流動的流體中。25/27凌云書屋(2)費克（Fick）第一定律描述分子擴散的通量或速率的方程。式中：jA組分A的質量通量，kg/(m2.s) dA/dz組分在傳質方向上的質量濃度梯度，(kg/

17、m3)/m DAB組分A在B中的擴散系數，m2/s JA組分A的摩爾通量，kmol/(m2.s) dcA/dz組分在傳質方向上的摩爾濃度梯度，(kmol/m3)/m 26/27凌云書屋(3)等分子反向擴散 因兩容器中氣體總壓相同，所以A、B兩組分相互擴散的量nA和nB必然相等，故稱為等摩爾反方向擴散。即：JA=-JB 在擴散過程，雖然A、B兩組分發生變化，但混合氣體總壓不變，即c=cA+cB=常數，因而dcA/dz=-dcB/dz，根據菲克定律：故：DAB=DBA 該關系說明：對雙組分混合氣體，在進行等摩爾反方向分子擴散時，A在B中和B在A中的分子擴散系數相等，以后以D表示。 27/27凌云書

18、屋(4)一組分通過另一停滯組分的擴散 當截面上有一層只允許A組分通過但不允許B組分通過的膜時。由于在氣相主體與液面處存在A組分的分壓差，所以組分A將不斷向右進行分子擴散，并進入液相中去，而液相中無任何組分進入氣相，使得液面處總壓低于氣相主體，在此壓差的作用下，混合氣體(A+B)便會自動向截面處發生宏觀運動，稱為總體流動。 總體流動的結果又使得液面附近B組分的分壓大于氣相主體中B的分壓，因而組分B又將以分子擴散的方式向氣相主體移動。這樣實際的凈結果是A組分不斷向液面移動，對于B組分來講，隨總體流動向液面運動的同時又以相反方向進行分子擴散到氣相主體，實際上等于沒有運動，故稱為A組分通過停滯組分B的

19、擴散。 28/27凌云書屋A的實際傳質通量A的分子擴散通量A的主體流動通量據以上形式，得結論：組分的實際通量分子擴散通量主體流動通量這是費克第一定律的一般表達式。29/27凌云書屋2.對流傳質(1)渦流擴散 湍流時流體除了沿流動方向整體向前運動外，在其它方向上還存在著流體質點的脈動和旋渦運動，碰撞和混合程度比較劇烈。在湍流主體中，借流體質點的脈動和旋渦混合作用，使物質由高濃度向低濃度處進行的物質擴散，稱為渦流擴散。(實際上，湍流中也存在著一定的分子擴散，只是渦流擴散起主要作用 )。由于渦流擴散的復雜性，渦流擴散通量常借助費克第一定律的形式表示，即： 注意分子擴散系數D是物質的物性常數，它僅與溫

20、度、壓力、組成等因素有關；渦流擴散系數M不是物性常數，它與流體的湍動程度有關、所處位置、壁面粗糙度等因素有關。 30/27凌云書屋(2)對流傳質 流動流體與相界面一側進行的物質傳遞，稱為對流擴散。它包括流體主體中的渦流擴散和層流層中的分子擴散，為物質在單一相內進行遷移的總稱。 對流傳質的基本方程，采用下式表示： NA=kccA 式中：NA對流傳質的摩爾通量，kmol/(m2.s) kc對流傳質系數，m/s； cA 組分A界面濃度與主體濃度差，kmol/m3。上式稱對流傳質速率方程注意因組成有不同的表示法，故對流傳質速率方程有不同的表達形式。31/27凌云書屋2.3.3 分子傳質（擴散）2.3.

21、3.1氣體中的穩態擴散（1） 等分子反向擴散穩態等分子反向擴散時擴散通量計算式32/27凌云書屋（2） 組分A通過停滯組分B的擴散33/27凌云書屋2.3.3.2 液體中的穩態擴散 在液相中進行擴散時，物質的擴散速度遠遠小于氣相中的，但液體密度大，濃度梯度大，因而擴散通量與氣相中的大致相同。（1） 液體中的擴散通量方程 仍可用費克第一定律描述液體中的擴散通量方程。但與穩態氣體擴散不同的是，液體的擴散系數隨濃度而變化，且總濃度隨位置變化，因此在應用費克第一定律時，用平均擴散系數、平均總濃度代替原式中的擴散系數、總濃度，即：34/27凌云書屋(2) 等分子反向擴散 發生在摩爾潛熱相等的二元化合物蒸

22、餾中。求解過程與氣相中的相同。1.2.2.3 組分A通過停滯組分B的擴散 發生在吸收、萃取等單元操作中。求解過程與氣相中的相同。35/27凌云書屋2.3. 4 擴散系數 (分子)擴散系數D為物質的物性常數之一，其物理意義表示單位濃度梯度下物質的擴散通量，因而表明一種物質在另外一種物質中的擴散能力。其值由實驗測定，數值大小與溫度、壓強及濃度有關，常用物質的擴散系數見本書附錄一。 當無數據可查時，可采用一些理論公式進行計算或用經驗公式估算。 理論公式： 36/27凌云書屋經驗公式：上述各式中的符號的含義參見教材P34-P41。作業：1、3、5題37/27凌云書屋2.3.5 對流傳質 流體與固體壁面

23、間對流傳質中，一方面由于濃度梯度的存在，物質以分子擴散的方式進行傳遞，另一方面，流體在運動過程中，也必然將物質從一處向另一處傳遞。所以，對流傳質的速率除了分子傳遞的影響外，還受到流體流動的影響。 本節討論對流傳質的基本規律，重點討論對流傳質速率的計算問題。2.3.5.1 對流傳質的類型與機理(1) 對流傳質的類型按流體的流動發生原因不同，分：自然對流傳質 強制對流傳質強制層流傳質強制湍流傳質按流體的作用方式，分：流體作用于固體壁面，即流體與固體壁面的傳質，如水流過可溶性固體壁面。一種流體作用于另一種流體，兩流體通過相界面進行傳質，即相際傳質，如用水吸收混于空氣的氨。38/27凌云書屋(2) 對

24、流傳質的機理 以流體與固體壁面的對流傳質為例討論，對有固定相 界面的相際傳質，其機理類似。 層流區：質量傳遞僅以分子擴散方式進行，據費克第一定律知，其濃度梯度很大，濃度分布曲線很陡，為一直線。zcA層流區緩沖區湍流主體區 緩沖區：質量傳遞以分子擴散和渦流擴散方式進行，濃度梯度較層流區的小，且非常量，濃度分布曲線為一曲線。 湍流主體區：質量傳遞以分子擴散和渦流擴散方式進行，但分子擴散占比重很小，忽略不計。濃度梯度非常小，近似為零，濃度分布曲線為一水平線。39/27凌云書屋 將層流區、湍流主體區的直線延長，其交點與壁面間形成的膜層稱為停滯膜層。zcA層流區緩沖區湍流主體區停滯膜層 停滯膜層內濃度分

25、布曲線為直線，說明在停滯膜層內物質傳質是以分子擴散的方式進行的。停滯膜層以外的濃度分布曲線為水平線，說明此區域內無傳質阻力，全部傳質阻力集中在停滯膜內。40/27凌云書屋2.3.5.2 濃度邊界層與對流傳質系數1.3.2.1 濃度邊界層 當流體流過固體壁面時，若流體與固體壁面間存在濃度差，受壁面濃度的影響，在與壁面垂直方向上的流體內部將建立起濃度梯度，該濃度梯度自壁面向流體主體逐漸減小。通常將壁面附近具有較大濃度梯度的區域稱為濃度邊界層或傳質邊界層。 如圖示，流體最初以均勻速度u0和均勻濃度cA0進入圓管內，因流體受壁面濃度的影響，濃度邊界層厚度由進口的零值逐漸增加，經過一段距離Le后，在管中

26、心匯合，匯合后濃度邊界層厚度等于圓管的半徑。超過匯合點后，濃度分布將逐漸趨于平坦，若管子的長度足夠，則截面上的濃度最后變為均勻一致并等于壁面的濃度cAs。此段距離Le稱為傳質進口段長度，處于進口段內的傳質稱為進口段傳質，處于進口段后的傳質稱為充分發展的傳質。u0cA0LeDcAs41/27凌云書屋對流傳質系數 據對流傳質速率方程，固體壁面與流體間的對流傳質速率為： GA=NAS=kcS(cAs-cAb)式中：GA對流傳質速率，kmol/s； CAS壁面濃度， CAb流體的主體濃度或平均濃度，kmol/m3。 從上式可以看出，要計算對流傳質速率GA，關鍵在于對流傳質系數kc的確定。但kc的確定是

27、一項復雜的問題，它與流體的性質、壁面的幾何形狀和粗糙度、流體的速度等因素有關，一般通過實驗確定經驗公式，使用時通過選取適當的經驗公式加以計算確定。42/27凌云書屋2.3.6 相際間的對流傳質模型 先對對流傳質過程作一定的假定，然后，根據假定建立描述對流傳質過程的數學模型，最后求解對流傳質模型，即可得出對流傳質系數的計算式。2.3.6.1 雙膜模型 1923年惠特曼(Whiteman)提出最早的傳質模型。要點： 氣液兩相接觸時，兩相間存在穩定的相界面，界面兩側各有一個很薄的停滯膜，溶質A以分子擴散的方式通過此膜層。 在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態。 在兩個停滯膜以外的氣液兩相主體中，由于

28、流體的強烈湍動，各處濃度均勻一致。 雙膜理論將復雜的相際傳質過程歸結為兩種流體停滯膜層的分子擴散過程，依此模型，在相界面處及兩相主體中均無傳質阻力存在。故，整個相際傳質過程的阻力便全部集中在兩個停滯膜層內。因此，雙膜模型又稱雙阻力模型。43/27凌云書屋2.3.6.2 溶質滲透模型 1935年希格比(Higbie)提出。 其要點為：溶質開始從界面進入液膜直到建立穩定的濃度梯度需要一段過渡時間，在此期間，溶質從相界面向液膜深度方向逐步滲透，其滲透過程為一段不穩定的傳質過程，常采用不穩定傳質方程來描述。2.3.6.3 表面更新理論 1951年丹克沃茨(Danckwerts)提出. 其要點為：在氣液

29、兩相接觸過程中，不斷有液體單元從主體到達界面，置換原來界面上的液體，停留一段時間后又為新的液體單元所置換，如此不斷地進行，其接觸表面也在不斷更新，因此傳質過程為不穩定狀態，其速率與置換的頻率有關。 后兩種理論雖然用于具體過程的計算還有一定距離，但它有助于更深刻地揭示過程進行的物理本質 不穩定擴散和表面更新，對尋求強化過程途徑有一定指導意義。第二次課44/27凌云書屋2.3 .7 氣體吸收速率方程式 反映吸收過程進行快慢程度以吸收速率來表示，它是指單位時間內，通過單位傳質面積吸收的溶質的量。通過吸收速率可確定完成指定的吸收任務所需設備的尺寸及混和氣體通過指定設備所能達到的吸收程度。 描述吸收速率

30、與吸收推動力之間關系的數學表達式即為吸收速率方程式。由于推動力的形式不同，可寫出不同的吸收速率方程式。 45/105凌云書屋2.3.7.1 膜吸收速率方程式 在穩定操作的吸收設備內任一部位上，相界面兩側的氣、液相膜層中的傳質速率應是相同的，否則會在相界面處有溶質積累。因此，其中任一側停滯膜中的傳質速率都能代表該部位上的吸收速率。單獨根據氣膜或液膜的推動力及阻力寫出的速率關系式稱為氣膜或液膜吸收速率方程式，相應的吸收系數稱為膜系數或分系數，用k表示。pGpicicL氣相液相zGzL46/105凌云書屋2.3.7.1.1 氣膜吸收速率方程式1.用(pG-pi)表示氣膜推動力的膜吸收速率方程式 據雙

31、膜模型，溶質以分子擴散方式通過氣相一側停滯膜時的傳質速率為：pGpicicL氣相液相zGzL 上式中，停滯膜厚度zG難以確定，但一定的物系及一定的操作條件規定了T、P、D，一定的流動狀況及傳質條件規定了zG的值，故：kG氣膜吸收系數，kmol/(m2.s.kPa)；1/ kG氣膜阻力， (m2.s.kPa)/kmol，此阻力的表達形式是與氣膜推動力（pG-pi）相對應的。47/105凌云書屋各氣相傳質分系數之間的關系： 帶入式與比較2.以（y-yi）為氣膜推動力的膜吸收速率方程式 當氣相的組成以摩爾分率表示時，相應的氣膜吸收速率方程式為：ky氣膜吸收系數，kmol/(m2.s)；1/ ky氣膜

32、阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達形式是與氣膜推動力（y-yi）相對應的。48/105凌云書屋2.3.7.1.2 液膜吸收速率方程式1.用(ci-cL)表示液膜推動力的膜吸收速率方程式 據雙膜模型，溶質以分子擴散方式通過液相一側停滯膜時的傳質速率為： pGpicicL氣相液相zGzLkL液膜吸收系數，m/s；1/ kL液膜阻力， s/m，此阻力的表達形式是與液膜推動力（ci-cL）相對應的。49/105凌云書屋各液相傳質分系數之間的關系： 帶入式與比較2.以（xi-x）為液膜推動力的膜吸收速率方程式 當液相的組成以摩爾分率表示時，相應的液膜吸收速率方程式為：kx液膜吸收系數，kmol

33、/(m2.s)；1/ kx氣膜阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達形式是與液膜推動力（xi-x）相對應的。50/105凌云書屋2.3.7.1.3界面組成的確定根據(1)一般情況定態傳質pi、ci 而 (2)平衡關系滿足亨利定律 pi、ci 51/105凌云書屋I（pi，ci） 氣膜阻力液膜阻力操作點OI（界面）cA/kmol/m3cApA/kPa0 采用圖解的方法由操作點作斜率為kL/kG 的直線與平衡線的交點確定界面組成 52/105凌云書屋2.3.8 總吸收速率方程式 為了避開難以測定的界面組成，可采用兩相主體組成的某種差值來表示總推動力而寫出吸收速率方程式，稱為總吸收速率方程式。

34、這種吸收速率方程式中的吸收系數，稱為總吸收系數，用K表示。 總吸收系數的倒數即為總阻力，總阻力應當是兩膜阻力的代數和。總推動力是兩相主體組成的某種差值，因氣、液相組成表示法不同，二者不能直接相減，即使表示法相同，差值也不能代表過程的總推動力。 吸收過程能自動進行，是由于兩相主體組成未達到平衡。一旦任何一相主體組成與另一相主體組成達到平衡，推動力便為0。因此，吸收過程的總推動力采用任何一相的主體組成與其平衡組成的差值表示。53/105凌云書屋1.以（pG-pe）表示總推動力的總吸收速率方程式54/105凌云書屋說明KG總吸收系數，kmol/(m2.s.kPa)；1/ KG總阻力， (m2.s.k

35、Pa)/kmol，此阻力的表達形式是與總推動力（pG-pe）相對應的，且由氣膜阻力1/kG與液膜阻力1/(HkL)組成。氣膜控制： 表明易溶氣體吸收時，傳質總阻力的絕大部分集中氣膜中，氣膜阻力控制著整個吸收過程的速率；傳質總推動力的絕大部分集中在氣膜中；吸收總推動力的絕大部分用于克服氣膜阻力，這種情況稱為氣膜控制。 對于氣膜控制的吸收過程，要提高吸收速率，在選擇設備型式及確定操作條件時應注意主要減小氣膜阻力。55/105凌云書屋2.以（ce-cL）表示總推動力的總吸收速率方程式56/105凌云書屋說明KL總吸收系數，m/s；1/ KL總阻力， s/m，此阻力的表達形式是與總推動力（ce-cL）

36、相對應的，且由氣膜阻力H/kG與液膜阻力1/kL組成。液膜控制： 表明難溶氣體吸收時，傳質總阻力的絕大部分集中液膜中，液膜阻力控制著整個吸收過程的速率；傳質總推動力的絕大部分集中在液膜中；吸收總推動力的絕大部分用于克服液膜阻力，這種情況稱為液膜控制。對于液膜控制的吸收過程，要提高吸收速率，在選擇設備型式及確定操作條件時應注意主要減小液膜阻力。57/105凌云書屋【例】110kPa下操作的氨吸收塔，某截面上，含氨0.03摩爾分率的氣體與氨濃度為1kmol/m3的氨水接觸，已知氣膜傳質系數kG=510-6kmol/(m2skPa)，液膜傳質系數kL=1.510-4m/s，氨水的平衡關系可用亨利定律

37、表示，H=0.73kmol/(m3kPa)，試計算：1.氣液相界面上的兩相組成；2.以分壓差和體積摩爾濃度差表示的總推動力、總傳質系數、傳質速率；3.該吸收過程的控制因素；4. 氣、液膜系數分別增加10時，總阻力的變化情況。58/105凌云書屋【解】59/105凌云書屋60/105凌云書屋3.以（y-ye）表示總推動力的總吸收速率方程式Ky總吸收系數，kmol/(m2.s)；1/ Ky總阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達形式是與總推動力（y-ye）相對應的。61/105凌云書屋4.以（xe-x）表示總推動力的總吸收速率方程式Kx總吸收系數，kmol/(m2.s)；1/ Kx總阻力，

38、(m2.s)/kmol，此阻力的表達形式是與總推動力（xe-x）相對應的。62/105凌云書屋5.以（Y-Ye）表示總推動力的總吸收速率方程式KY總吸收系數，kmol/(m2.s)；1/ KY總阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達形式是與總推動力（Y-Ye）相對應的。63/105凌云書屋6.以（Xe-X）表示總推動力的總吸收速率方程式KX總吸收系數，kmol/(m2.s)；1/ KX總阻力， (m2.s)/kmol，此阻力的表達形式是與總推動力（Xe-X）相對應的。64/105凌云書屋2.3.9 吸收速率方程及吸收系數小結1.推動力涉及范圍及組成表示方法不同，吸收速率方程有多種形式(1

39、0)，歸納為兩類：與膜系數相對應的速率式，采用一相主體組成與界面處組成之差表示推動力；與總系數相對應的速率式，采用任一相主體組成與其相平衡濃度之差表示推動力。2.吸收系數應與推動力表示方法及其單位相一致。如吸收速率方程推動力吸收系數NA=kG(pG-pi)(pG-pi)kG，kmol/(m2.s.kPa)NA=kL(ci-cL)(ci-cL)kL, m/sNA=KL(ce-cL)(ce-cL)KL, m/sNA=KG(pG-pe)(pG-pe)KG，kmol/(m2.s.kPa)65/105凌云書屋3.因為塔內不同橫截面上氣液相組成各不相同，因此吸收速率也不同，故吸收速率方程適用于塔內某一截面

40、上穩態吸收的過程，不能直接用來描述全塔的吸收速率。4.總吸收速率方程適用于全部組成范圍內平衡關系符合亨利定律的溶液。5.兩種特殊情況：易溶氣體吸收，氣膜控制；難溶氣體吸收，液膜控制。6.總吸收系數通過膜系數計算；各膜系數可相互換算；各總系數可相互換算。第三次課作業：、題66/105凌云書屋2.4 低組成氣體吸收的計算吸收塔的計算內容：設計型：流向、流程、吸收劑用量、吸收劑組成、溶質回收量或回收率、塔高、塔徑操作型：核算；操作條件與吸收結果的關系。計算依據：物料恒算 相平衡 吸收速率方程67/105凌云書屋 工業吸收過程既可采用板式塔又可采用填料塔，本章主要討論填料塔。 填料塔是在塔的筒體內填充

41、某種特定形狀的固體物即填料，構成填料層。填料的作用：增大兩相間的接觸面積和接觸時間，增加湍動程度。 氣液兩相的流動方式：逆流、并流。 通常液體在塔內作為分散相，依靠重力自上而下流動，而氣體則在壓差的作用下，以連續相的方式流過全塔。逆流特點：平均推動力比并流的大，能有效地提高吸收速率；可提高出塔吸收液的組成；使出塔氣體組成降至最低。湍動程度高接觸時間長68/105凌云書屋2.4.1 物料衡算與操作線方程2.4.1.1 物料衡算1.逆流 對圖中穩定操作狀態的逆流吸收塔進行溶質A的物料衡算 ：VY1+LX2=VY2+LX1 說明一般已知V、Y1，Y2由生產工藝要求確定，X2在選定吸收劑后為定值。未知

42、量L、X1。溶質回收量GA=V(Y1-Y2)=L(X1-X2) 溶質回收(吸收)率：（確定Y2）吸收塔V,Y2V,Y1L,X2L,X169/105凌云書屋混和氣體：Vh m3/s，y1純溶劑：X2=02.并流對圖中穩定操作狀態的并流吸收塔進行溶質A的物料衡算 ：VY1+LX1=VY2+LX2G= V(Y2-Y1)=L(X1-X2) 吸收塔V,Y2V,Y1L,X2L,X170/105凌云書屋2.4.1.2 吸收塔的操作線方程與操作線1.逆流 塔內任一截面m-n至塔底處溶質A的物料衡算，如藍框 ：V,Y2V,Y1L,X2L,X1YXmn 塔內任一截面m-n至塔頂處溶質A的物料衡算，如紅框 ：71/

43、105凌云書屋說明操作線方程反映在塔的任一截面上，上升氣相組成與下降液相組成之間的關系。XY1Y2X1X2TBYAB點代表塔底組成，T點代表塔頂組成，A點代表塔內任一截面的氣、液組成。從A點引一垂線，與平衡線交與一點，兩點之間垂直距離代表以氣相表示的推動力(Y-Ye)；從A點引一水平線，與平衡線交與一點，兩點之間水平距離代表以液相表示的推動力(Xe-X)；吸收過程的操作線位于平衡線上方，若位于下方，則為解吸過程。操作線離平衡線愈遠吸收的推動力愈大；72/105凌云書屋2.4.1.2 吸收塔的操作線方程與操作線（續）2.并流 塔內任一截面m-n至塔底處溶質A的物料衡算，如藍框 ：V,Y2V,Y1

44、L,X2L,X1YXmn 塔內任一截面m-n至塔頂處溶質A的物料衡算，如紅框 ：73/105凌云書屋說明操作線方程反映在塔的任一截面上，下降氣相組成與下降液相組成之間的關系。XY2Y1X1X2TBYA從A點引一垂線，與平衡線交與一點，兩點之間垂直距離代表以氣相表示的推動力(Y-Ye)；從A點引一水平線，與平衡線交與一點，兩點之間水平距離代表以液相表示的推動力(Xe-X)；B點代表塔底組成，T點代表塔頂組成，A點代表塔內任一截面的氣、液組成。吸收過程的操作線位于平衡線上方，若位于下方，則為解吸過程。 無論并流、逆流，操作線方程與操作線均由物料衡算得到，與系統的平衡關系、操作條件及設備結構型式沒有

45、關系。74/105凌云書屋abY2a X2aX2bY2b Y1bX1bY1aX1aY2bY1b=Y1aY2aX2bX1b=X2aX1aCDAB并流、逆流操作線練習（多塔聯合操作）75/105凌云書屋2.4.2 吸收劑用量的確定以逆流為例。 在V、Y1、Y2、X2已知的情況下，吸收塔的操作線的一個端點T已確定，另一個端點B則可在Y=Y1的水平線上移動，點B的橫標取決于操作線的斜率L/V。2.4.2.1 最小液氣比(L/V)min L/V：液氣比，是吸收劑與惰性氣體摩爾流量的比值，反映單位氣體處理量時的吸收劑耗用量的大小。 V確定，L，L/V，B點右移，X1。 當L減小至使B點右移至Be點時，X1

46、=Xe1，即吸收液與進塔混和氣相平衡，為理論上吸收液能達到的最高組成。此時操作線BeT的斜率稱為最小液氣比，用(L/V)min表示，相應的吸收劑用量稱為最小吸收劑用量，用Lmin表示。XY1Y2X1X2TBYABeXe176/105凌云書屋最小液氣比的計算1.平衡發生在塔底 最小液氣比定義：針對一定的分離任務，操作條件和吸收物系一定，塔內某截面吸收推動力為零，達到分離程度所需塔高無窮大時的液氣比。XY1Y2X1X2TBYABeXe1平衡關系符合亨利定律時： 77/105凌云書屋2.平衡發生在塔內過T作平衡線的切線，交Y=Y1水平線于B點。78/105凌云書屋3.操作液氣比79/105凌云書屋【

47、例】在逆流吸收塔中，用洗油吸收焦爐氣中的芳烴。吸收塔壓強為105kPa ，溫度為300K ，焦爐氣流量為1000m3/h ，其中所含芳烴組成為0.02（摩爾分率,下同），吸收率為95%，進塔洗油中所含芳烴組成為0.005。若取吸收劑用量為最小用量的1.5倍，試求進入塔頂的洗油摩爾流量及出塔吸收液組成。（操作條件下氣液平衡關系為Y*=0.125X ）進入吸收塔的惰性氣體摩爾流量為：進塔氣組成：出塔氣組成：80/105凌云書屋吸收劑組成： 由于入塔洗油中含有少量芳烴，則入塔的洗油量為：L=L(1+X2)=7.59(1+0.0053)=7.63kmol/h81/105凌云書屋2.4.3 塔徑的計算根

48、據圓形管路流量公式計算。 式中：VS操作條件下混和氣體的流量，m3/s。以入塔氣流量計（逆流：塔底，并流：塔頂）。 利用上式關鍵在于空塔氣速u的確定，u的確定取決于塔的類型、操作條件、物系等因素，將在第4章介紹。82/105凌云書屋2.4.4 填料層高度的計算有傳質單元數法和等板高度法。2.4.4.1 傳質單元數法1.基本計算式 所以填料層高度計算涉及物料衡算、傳質速率和相平衡關系。我們前面介紹的所有傳質速率方程都適用于穩定操作的吸收塔中的“某一橫截面”,而不能用于全塔。對于整個吸收塔，氣、液的濃度分布都沿塔高變化，吸收速率也在變化。所以要在全塔范圍應用吸收速率關系式，就要采用微分方法，然后積

49、分得到填料層的總高度。 83/105凌云書屋單位時間，dZ內吸收A的量：X+dX微元填料層內，因氣液組成變化極小，可認為吸收速率NA為定值。微元填料層內，吸收速率方程式：84/105凌云書屋積分上兩式 有效傳質面積 a m，即：在S1時才有可能。希望得到高組成的吸收液：力圖使X1Xe1 方法是減小液體量，改變操作線方程，從而使L/V1時才有可能。 一般S=0.7-0.8時，可兼顧上述兩種情況。93/105凌云書屋同理：此式常用于解吸操作的計算94/105凌云書屋對數平均推動力法適用情況：平衡關系符合線性關系。YY1Y2X1X2TBYXY1Y2Y1Y2YY95/105凌云書屋同理：96/105凌

50、云書屋說明對數平均推動力法適用于平衡線為直線，逆流、并流吸收皆可。平衡線與操作線平行 時，當97/105凌云書屋梯級圖解法適用情況：平衡關系為直線或彎曲率不大的曲線。圖解步驟：在Y-X圖上繪出TB線及OE線；TBYXFFOE在TB及OE線之間畫出若干(Y-Ye)的中點聯成的曲線MN；從塔頂T出發，作水平線交MN于F，延長TF至F，使TF=FF，從F出發，重復繪制梯級過程，直至達到或超過塔底B點為止；NOG梯級數 (非整數)MN98/105凌云書屋 適用情況：平衡關系符合曲線且無具體函數關系步驟：根據已知條件在Y-X圖上作出平衡線和操作線。在Y1與Y2之間任選若干個Y值，從圖中讀出相應的Ye值，

51、并計算 值。在直角坐標系中以 作圖得曲線。 曲線與Y=Y1、Y=Y2及橫軸所包圍的面積即為NOG。 圖解積分法OEBTY1Y299/105凌云書屋數值積分法 適用情況：平衡關系符合曲線且已知函數關系 圖解積分法雖為一種理論上嚴格的方法，但計算起來特別繁瑣。可采用數值積分法進行計算，例如采用辛普森(Simpson)數值積分法。其方法是： 在Y1和Y2之間作偶數等分，對每一個Yi值計算出對應的f(Yi) ，并令Y0=Y2(塔頂氣相組成)，Yn=Y1(塔底氣相組成)，然后按下式進行求解：此外可采用龍貝格方法、高斯積分法等。 100/105凌云書屋2.4.4.2 等板高度法 設填料層由N級組成，吸收劑

52、從塔頂進入第I級，逐級向下流動，最后從塔底第N級流出；原料氣從塔底進入第N級，逐級向上流動，最后從塔頂第1級排出。在每一級上，氣液兩相的組成達到平衡，溶質組成由氣相向液相轉移。若離開某一級時，氣液兩相的組成達到平衡，則稱該級為一個理論級，或稱為一層理論板，NT。 等板高度：分離效果達到一個理論級所需的填料層高度。Z=HETPNTNT完成分離任務，所需的理論級數；HETP等板高度，由實驗測定或經驗公式計算。Y2=YIX2=X0YIYiXIIii+1NXiYi+1Xi+1YNXNY1=YN+1X1=XN101/105凌云書屋Y1X0X1Y2X2Y3X3Y4T BoE1. 圖解法求NT步驟：畫平衡線

53、OE，操作線TB；從T點出發畫梯級，直到越過B點。梯級數為理論板數NT。102/105凌云書屋解析法逆流。平衡線：Yi=mXi+b操作線：Y2=YIX2=X0YIYiXIIii+1NXiYi+1Xi+1YNXNY1=YN+1X1=XN103/105凌云書屋當 A=1時 NT=NOG A1時 NTNOG ANOG104/105凌云書屋2.4.5 吸收塔的設計型計算 逆流：氣液流向相反； 并流：氣液流向相同。逆流與并流的比較： 逆流操作與并流的氣液兩相進、出口組成相等的條件下逆流操作的優點：逆流操作可獲得較大的吸收推動力，從而提高吸收過程的傳質速率；可得到濃度較高的吸收液；可使出塔氣體中溶質的含量

54、降低，提高溶質的吸收率。 所以工業上多采用逆流吸收操作。 注意：在逆流操作過程中，液體在向下流動時受到上升氣體的曳力，這種曳力過大會妨礙液體順利流下，因而限制了吸收塔的液體流量和氣體流量。1流向的選擇105/105凌云書屋2吸收劑進口組成的選擇及其最高允許組成 吸收劑進口組成過高，吸收過程的推動力減小，則吸收塔的塔高將增加，使設備投資增加；若吸收劑進口組成太低，吸收劑再生費用增加。 吸收塔的操作型計算是指吸收塔塔高一定時，吸收操作條件與吸收效果間的分析和計算。例如已知塔高Z，氣、液流量，混合氣體中溶質進口組成、吸收劑進口組成、體積吸收系數KYa時，核算指定設備能否完成分離任務。又如某一操作條件

55、（L、V、T、p、Y1、X2）之一變化時，計算吸收效果如何變化。1、定性分析 定性分析步驟：（1）常根據條件確定HOG、S，然后用Z=HOGNOG確定NOG的變化；（2）用脫吸因數法圖 (P118)確定Y2的變化趨勢；（3）用全塔物料衡算分析X1的變化。2.4.6 吸收塔的操作型計算106/105凌云書屋【例】在一填料塔中用清水吸收氨空氣中的低濃氨氣，若清水量適量加大，其余操作條件不變，則Y2、X1如何變化？（已知體積傳質系數隨氣量變化關系為kYaV0.8）【解】用水吸收混合氣中的氨為氣膜控制過程，故KYakYaV0.8 因氣體流量V不變，所以KYa近似不變，所以HOG不變。因塔高不變，故根據

56、Z= HOGNOG可知NOG不變。當清水量加大時，因S=mV/L，故S降低，由圖2-18可以看出(Y1-Ye2)/(Y2-Ye2)會增大，故Y2將減小。根據物料衡算L(X1-X2)=V(Y1-Y2)VY1可近似推出X1將下降。107/105凌云書屋2、定量計算 在定量計算時，由于傳質單元數計算式的非線性，因此，計算需采用試差法及對比法求解。 【例】某填料吸收塔在101.3 kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空氣混合氣中的丙酮，操作液氣比為2.0，丙酮的回收率為95%。已知該吸收為低濃度吸收，操作條件下氣液平衡常數為1.18，吸收過程為氣膜控制，氣相總體積吸收系數與氣體流率的0.8次方成正比。

57、（塔截面積為1m2）（1）若氣體流量增加15%，而液體流量及氣、液進口組成不變，試求丙酮的回收率有何變化？（2）若丙酮回收率由95%提高到98%，而氣體流量，氣、液進口組成，吸收塔的操作溫度和壓力皆不變，試求吸收劑用量提高到原來的多少倍。108/105凌云書屋【解】（1） 設操作條件變化前為原工況，氣量增加15%時為新工況。109/105凌云書屋110/105凌云書屋 111/105凌云書屋(2) 當氣體流量不變時，對于氣膜控制的吸收過程，HOG不變，故吸收塔塔高不變時，NOG也不變化，即將丙酮回收率由95%提高到98%，提高吸收劑用量時，新工況下 ， 112/105凌云書屋2.4.7 強化吸

58、收過程的措施 強化吸收過程即提高吸收速率。吸收速率為吸收推動力與吸收阻力之比，故強化吸收過程從以下兩個方面考慮：提高吸收過程的推動力；）降低吸收過程的阻力。1提高吸收過程的推動力（1）逆流操作 （2）提高吸收劑的流量 通常混合氣體入口條件由前一工序決定，即氣體流量V、氣體入塔組成一定，如果吸收操作采用的吸收劑流量L提高，即L/V提高，則吸收的操作線上揚，氣體出口濃度下降，吸收程度加大，吸收推動力提高，因而提高了吸收速率。113/105凌云書屋（3）降低吸收劑入口溫度 當吸收過程其它條件不變，吸收劑溫度降低時，相平衡常數將增加，吸收的操作線遠離平衡線，吸收推動力增加，從而導致吸收速率加快。（4）

59、降低吸收劑入口溶質的濃度 當吸收劑入口濃度降低時，液相入口處吸收的推動力增加，從而使全塔的吸收推動力增加。 2降低吸收過程的傳質阻力（1）提高流體流動的湍動程度吸收的總阻力包括：氣相與界面的對流傳質阻力；溶質組分在界面處的溶解阻力；液相與界面的對流傳質阻力。114/105凌云書屋 通常界面處溶解阻力很小，故總吸收阻力由兩相傳質阻力的大小決定。若一相阻力遠遠大于另一相阻力，則阻力大的一相傳質過程為整個吸收過程的控制步驟，只有降低控制步驟的傳質阻力，才能有效地降低總阻力。 降低吸收過程傳質阻力的具體有效措施： 1）若氣相傳質阻力大，提高氣相的湍動程度，如加大氣體的流速，可有效地降低吸收阻力； 2）

60、若液相傳質阻力大，提高液相的湍動程度，如加大液體的流速，可有效地降低吸收阻力。（2）改善填料的性能 因吸收總傳質阻力可用 表示，所以通過采用新型填料，改善填料性能，提高填料的相際傳質面積a，也可降低吸收的總阻力。 115/105凌云書屋2.5 吸收系數 吸收系數是反映吸收過程物系及設備傳質動力學特性的參數，是設計計算的基本數據，其大小主要受物系的性質、操作條件及設備結構等三方面的影響。由于影響因素十分復雜，目前還無通用的計算方法和計算公式。一般是針對具體的物系，在一定的操作條件和設備條件下進行實驗，將實驗數據整理成相應的經驗公式或準數關聯式，供計算時使用。2.5.1 吸收系數的測定 吸收系數的