第四章 气体吸收

1、第四章第四章 气体吸收气体吸收 4.1 4.1 概述概述 4.2 4.2 吸收的气、液相平衡关系吸收的气、液相平衡关系 4.3 4.3 吸收速率方程吸收速率方程 4.4 4.4 填料吸收塔的计算填料吸收塔的计算 4.5 4.5 填料塔填料塔 4.6 4.6 其他气体分离技术简介其他气体分离技术简介 4.1 4.1 概述概述 l 4.1.1 气体吸收过程气体吸收过程 l 4.1.2 吸收过程分类吸收过程分类 l 4.1.3 吸收剂的选择吸收剂的选择 l 4.1.4 吸收操作的流程吸收操作的流程 化工化工生产中的生产中的传质过程传质过程 1、三传一反、三传一反 2、均相物系的分离则通过传质分离。、

2、均相物系的分离则通过传质分离。 传质分离过程传质分离过程：利用物系中不同组分的：利用物系中不同组分的物理性质物理性质 或化学性质的差异或化学性质的差异，使其中某一组分或某些组分，使其中某一组分或某些组分 从一相转移到另一相，以达分离的目的，这一过从一相转移到另一相，以达分离的目的，这一过 程就称为传质分离过程。程就称为传质分离过程。 化工化工生产中的传质过程生产中的传质过程 以传质分离过程为特征的基本单元操作在化工生以传质分离过程为特征的基本单元操作在化工生 产中很多，典型的传质单元操作：产中很多，典型的传质单元操作： 气体吸收；液体蒸馏；固体干燥；液气体吸收；液体蒸馏；固体干燥；液-液萃取；

3、液萃取； 结晶；吸附；膜分离。结晶；吸附；膜分离。 吸收分离操作吸收分离操作：利用混合气体中各组分：利用混合气体中各组分 (component)在液体中在液体中溶解度溶解度(solubility)差异差异， 使某些易溶组分进入液相形成溶液使某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)， 不溶或难溶组分仍留在气相不溶或难溶组分仍留在气相(gas phase)，从而，从而 实现混合气体的分离。实现混合气体的分离。 吸收液吸收液 (A+S) 吸收尾吸收尾 气气(B+小小 A) 吸收剂吸收剂(absorbent)：吸收操作吸收操作 中所用的溶剂，以中所用的溶剂，以S表示。表示。 吸收质或溶质吸收质

4、或溶质(solute)：混合气混合气 体中的溶解组分，以体中的溶解组分，以A表示。表示。 惰性气体惰性气体(inert gas)或载体：或载体：不不 溶或难溶组分，以溶或难溶组分，以B表示。表示。 吸收液吸收液(strong liquor)：吸收操吸收操 作后得到的溶液，主要成分为溶作后得到的溶液，主要成分为溶 剂剂S和溶质和溶质A。 吸收尾气吸收尾气(dilute gas)：吸收后吸收后 排出的气体，主要成分为惰性气排出的气体，主要成分为惰性气 体体B和少量的溶质和少量的溶质A。 吸吸 收收 塔塔 混合气混合气 (A+B) 吸收吸收 剂剂(S) 相关概念相关概念 解吸或脱吸解吸或脱吸(des

5、orption)：与吸收相反的过程，即溶质与吸收相反的过程，即溶质 从液相中分离而转移到气相的过程。从液相中分离而转移到气相的过程。 完整的工业吸收过程：吸收和解完整的工业吸收过程：吸收和解吸吸 吸收操作的基本依据：溶解度的差异。吸收操作的基本依据：溶解度的差异。 吸收操作如下图所示：吸收操作如下图所示： 吸收剂吸收剂 气体气体 y x 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 采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题：采用吸收操作实现气体混合物的分离必须解决下列问题： 1、选择、选择合适的溶剂合适的溶剂，有选择性的溶解

6、某个（或某些），有选择性的溶解某个（或某些） 被分离组分；被分离组分； 2、提供适当的、提供适当的传质设备传质设备（多为填料塔，也有板式塔）（多为填料塔，也有板式塔） 以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气以实现气液两相的接触，使被分离组分得以从气 相转移到液相（吸收）或气相相转移到液相（吸收）或气相(解吸解吸)； 3、溶剂的再生溶剂的再生，以便循环利用。，以便循环利用。 吸收工程目的是吸收工程目的是气体混合物气体混合物的的高纯度高纯度分离，达到一定纯分离，达到一定纯 度的产物或有用物质的回收率。度的产物或有用物质的回收率。 1、分离混合气体并、分离混合气体并回收或捕获气体混合物中的有用物

7、质，回收或捕获气体混合物中的有用物质， 以制取产品以制取产品； 2、除去混合气体中的有害成分，使气体净化除去混合气体中的有害成分，使气体净化，以便进一，以便进一 步加工处理；步加工处理； 3、制备某种气体的溶液制备某种气体的溶液 4、工业废气的治理工业废气的治理，即除去工业放空尾气中的有害物，即除去工业放空尾气中的有害物， 以免污染大气。以免污染大气。 评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点：评价溶剂优劣的主要依据应包括以下几点： 溶解度大溶解度大，可提高吸收速率并减少吸收剂的耗用量。可提高吸收速率并减少吸收剂的耗用量。 选择性好选择性好，对溶质有良好的溶解能力，而对其它组分不对溶质有良好的溶解

8、能力，而对其它组分不 溶或微溶，且便于再生，否则不能实现分离的目的。溶或微溶，且便于再生，否则不能实现分离的目的。 溶解度对操作条件的敏感性好溶解度对操作条件的敏感性好，被吸收的气体组分解吸，被吸收的气体组分解吸 容易，吸收剂再生方便。容易，吸收剂再生方便。 挥发度小挥发度小，即在操作温度下蒸汽压小，基本不汽化。离即在操作温度下蒸汽压小，基本不汽化。离 开吸收设备的气体被吸收剂所饱和，吸收剂挥发度愈大，开吸收设备的气体被吸收剂所饱和，吸收剂挥发度愈大， 损失量便愈大。损失量便愈大。 吸收剂的选择吸收剂的选择 粘度低粘度低，可改善吸收设备内的流动状况，从而提高传质可改善吸收设备内的流动状况，从而

9、提高传质 速率和传热速率，有助于降低泵的功率，速率和传热速率，有助于降低泵的功率，减小传质、传热减小传质、传热 阻力阻力。 化学稳定性要好，化学稳定性要好，可避免因吸收过程中条件变化而引起可避免因吸收过程中条件变化而引起 吸收剂变质吸收剂变质。 腐蚀性小腐蚀性小，以避免腐蚀设备，从而减少设备费和维修费。，以避免腐蚀设备，从而减少设备费和维修费。 其它其它，溶剂应尽可能满足，溶剂应尽可能满足价廉、易得、无毒、不易燃烧价廉、易得、无毒、不易燃烧 等经济和安全条件等经济和安全条件。 实际上实际上很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要很难找到一个理想的溶剂能够满足上述所有要 求求，但应对可供选择的溶

10、剂做全面的评价，以便作出经济、，但应对可供选择的溶剂做全面的评价，以便作出经济、 合理的选择。合理的选择。 吸收剂的选择吸收剂的选择 （1）物理吸收与化学吸收）物理吸收与化学吸收 物理吸收物理吸收(physical absorption)：利用溶质在溶剂中溶解：利用溶质在溶剂中溶解 度的差异而实现吸收的操作。吸收过程溶质与溶剂度的差异而实现吸收的操作。吸收过程溶质与溶剂不发生不发生 显著的化学反应显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。 化学吸收化学吸收(chemical absorption)：溶质与溶剂有：溶质与溶剂有显著的显著的 化学反应发生

11、化学反应发生。 注意：注意：化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气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。但溶液解吸再生较难。体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。 吸收操作的分类吸收操作的分类 作为化学吸收可被利用的化学反应一般应满足以下条件：作为化学吸收可被利用的化学反应一般应满足以下条件： 可逆性可逆性。若该反应不可逆，溶剂将难以再生和循。若该反应不可逆，溶剂将难以再生和循 环使用。环使用。 较高的反应速率较高的反应速率。若反应速率较慢，应研究加入。若反应速率较慢，应研究加入 适当的催化剂以加快反应速率。适当的催化剂以加快反应速率。 吸收操作的分类吸收操作的

12、分类 按被吸收组分数目分：按被吸收组分数目分： 单组分吸收：单组分吸收：若混合气体中只有一个组分在吸收剂中有若混合气体中只有一个组分在吸收剂中有 一定的溶解度，其余组分可认为不溶于吸收剂，溶解度一定的溶解度，其余组分可认为不溶于吸收剂，溶解度 可以忽略。可以忽略。 多组分吸收：多组分吸收：如果混合气体中有两个或多个组分溶解于如果混合气体中有两个或多个组分溶解于 吸收剂中。吸收剂中。 按吸收前后温度是否发生变化分：按吸收前后温度是否发生变化分： 等温吸收：等温吸收：热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓热效应很小，或被吸收的组分在气相中的浓 度低，而吸收剂有用量很大，在吸收过程中液相的温度度低，

13、而吸收剂有用量很大，在吸收过程中液相的温度 变化不显著。变化不显著。 非等温吸收：非等温吸收：反应热大，随着吸收过程的进行液相的温反应热大，随着吸收过程的进行液相的温 度明显变化度明显变化 吸收操作的分类吸收操作的分类 按溶质在气液两相中组成大小分：按溶质在气液两相中组成大小分： 低组成吸收：低组成吸收：摩尔分数摩尔分数CA，则，则B反向扩散反向扩散 。 (2)在界面上在界面上A溶解，溶解，B扩散，则扩散，则CMi下下 降，即界面上降，即界面上气体总压降低气体总压降低，必定使，必定使 混合气体向界面流动，这种流动为混合气体向界面流动，这种流动为总总 体流动（体流动（bulk flow）。 单相

14、内物质的分子扩散单相内物质的分子扩散 单向扩散速率方程单向扩散速率方程 组分组分B的传递速率：的传递速率： 0 M B MBB C C NJN M A AAA C C NJN dz dC D C C N AA A 1在定态下，在定态下，NA=const 积分可得：积分可得： 1 2 2 1 lnln B B A A A C C C z D CC CC C z D N 单相内物质的分子扩散单相内物质的分子扩散 1 2 12 21 12 21 2 1 ln ln B B BB AA BB AA B B A C C CC CC C z D CC CC C C C z D N 21AA Bm A CC

15、 C C z D N Sm C 讨论：讨论： (1)漂流因子漂流因子 ，表明总体流，表明总体流 动使动使A的传递速率较单独纯分子扩散的传递速率较单独纯分子扩散 大一些，其浓度分布曲线上大一些，其浓度分布曲线上”凸凸“。 1恒 Bm C C 21 1212 AA AABB CC CCCCCC 单相内物质的分子扩散单相内物质的分子扩散 (2)理想或总压不太高时：理想或总压不太高时： 1恒 Bm p p 21AA Bm A pp p p RT D N 其中：其中： 1 2 12 ln B B BB Bm p p pp p (3)等分子反向扩散：等分子反向扩散： 1 Bm C C (4)当混合物中当混

16、合物中CA很低时，很低时，CCBm，1 Bm M C C 返回 单相内物质的分子扩散单相内物质的分子扩散 结论结论： (1)比较比较 等分子反向扩散等分子反向扩散主体流动主体流动 微观运动的宏观结果，传递微观运动的宏观结果，传递 纯纯A组分或纯组分或纯B组分组分 宏观流动，同时携带宏观流动，同时携带A、 B组分组分 (2)在定态条件下，当主体流动所带组分在定态条件下，当主体流动所带组分B的量组分的量组分B 的反向扩散量时，方可保持的反向扩散量时，方可保持CBi定态。定态。 结论：结论：气相主体与界面的微小压差足以造成气相主体与界面的微小压差足以造成总体流动总体流动， 组分组分B仍有反向扩散且仍

17、有反向扩散且CBi仍可保持定态，故可以认为气仍可保持定态，故可以认为气 相各处总压基本相等，即相各处总压基本相等，即JA=- JB的前提依然成立。的前提依然成立。 单相内物质的分子扩散单相内物质的分子扩散 分子扩散系数分子扩散系数 来源来源：(1)实验测定，实验测定，(2)查手册，查手册，(3)经验公式经验公式 1、气体中的扩散系数、气体中的扩散系数 物系,CpTD p p T T DD 0 2/3 0 0 T分子动能较大分子动能较大 p分子间距加大分子间距加大 扩散系数扩散系数D 2、液体中的扩散系数、液体中的扩散系数 0 0 0 T T DD 表表5-8列出液体中的扩散系数。液体中的扩散系

18、数的列出液体中的扩散系数。液体中的扩散系数的 数量级约为数量级约为10-9（/s），为气相中的万分之一。），为气相中的万分之一。 T分子动能较大分子动能较大 分子间距加大分子间距加大 扩散系数扩散系数D 返回 分子扩散系数分子扩散系数 三个重要的传质模型三个重要的传质模型 1、双膜理论，、双膜理论，two-film theory 气相主体气相主体 液相主体液相主体 相界面相界面 pi = ci / H p Z ZG GZ ZL L pi ci c 气气 膜膜 液 膜 1923年，年， 由由W. K. Lewis(刘易斯刘易斯) 和和 W. G. Whitman (惠特曼惠特曼) ) 在上世在上

19、世 纪二十年代提出，是最早纪二十年代提出，是最早 出现的传质理论。出现的传质理论。 双膜理论的基本论点是：双膜理论的基本论点是： (1)气液界面两侧各存在一气液界面两侧各存在一 个静止的有并行膜层（气个静止的有并行膜层（气 膜、液膜），主体湍流无膜、液膜），主体湍流无 论多大，有效膜层不消失。论多大，有效膜层不消失。 单相对流传质机理单相对流传质机理 (2)界面稳定，无阻界面稳定，无阻 (3)气液主体浓度梯度均为零，全部浓度变化集中在两个气液主体浓度梯度均为零，全部浓度变化集中在两个 有效膜层内，膜内传质定态分子扩散。有效膜层内，膜内传质定态分子扩散。 结论结论 气相对流传质速率：气相对流传质

20、速率： AiA BmG A pp p p RTz D N BmG g p p RTz D k 液相对流传质速率液相对流传质速率 AAi BmL A CC C C z D N SmL l C C z D k 单相对流传质机理单相对流传质机理 模型参数：模型参数： 由实验测定。由实验测定。 LG zz , 3、贡献、贡献 (1)计算方便，至今仍是传质设备设计的主要依据计算方便，至今仍是传质设备设计的主要依据 (2)总总p不变，不变，QRezGkg,ky (3)忽略漂流因子，忽略漂流因子， kg与气相组成无关。与气相组成无关。 单相对流传质机理单相对流传质机理 4、对流传质速率、对流传质速率 气相与

21、界面的传质速率式气相与界面的传质速率式 AiAgA ppkN iyA yykN 液相与界面的传质速率式液相与界面的传质速率式 AAilA CCkN xxkN ixA 两者的关系两者的关系 lx Ckk lX Ckk iYA YYkN XXkN iXA 当吸收后所得溶液为稀溶液时：当吸收后所得溶液为稀溶液时： 对流对流 传质传质 1、概念、概念 溶质从一个相转移到另一个相称为溶质从一个相转移到另一个相称为相际传质相际传质 或两相间的传质或两相间的传质。 相际传质：相际传质：气相 气相界面界面(溶解溶解) 对流对流 传质传质 液相液相 气相传质速率：气相传质速率： y i iyA k yy yyk

22、N /1 界面平衡：界面平衡：)( ii xfy 液相传质速率：液相传质速率： x i ixA k xx xxkN /1 总传质速度方程总传质速度方程 问题：界面含量问题：界面含量xi、yi难易确定。难易确定。 定态传质：界面平衡，无推动力，无阻力。定态传质：界面平衡，无推动力，无阻力。 x i y i A k xx k yy N /1/1 设：相平衡线为：设：相平衡线为： amxy ii * )()()(yyayayxxm iii * )()( xx m ayay i i 总传质速度方程总传质速度方程 xy ii A kmk xxmyy N /1/1 / m i i xx m yy * x

23、i y i A k xx k yy N /1/1 xy ii A kmk xxxx N /1/1 * xy A kmk xx N /1/1 * =1/Kx xxKN xA * m 总传质速度方程总传质速度方程 xy ii A kmk xxmyy N /1 * yyxxm ii x i y i A k xx k yy N /1/1 xy ii A kmk yyyy N /1 * xy A kmk yy N /1 * =1/Ky *yyKN yA m 总传质速度方程总传质速度方程 其中：其中： xy x kmk K /1/1 1 以液相浓度差以液相浓度差(x*-x)推动力的总传热系数。推动力的总传

24、热系数。 xy y kmk K /1 1 以气相浓度差以气相浓度差(y-y*)推动力的总传热系数。推动力的总传热系数。 问题：问题：Kx、Ky两式符合条件是什么？两式符合条件是什么？ 答：答：m是系数，并非一定是亨利定律中的是系数，并非一定是亨利定律中的m，即，即 其条件是：其条件是： amxy ii yx mKK 总传质速度方程总传质速度方程 吸收传质速率方程的几种形式吸收传质速率方程的几种形式 相平衡方程相平衡方程 吸收传质速吸收传质速 率方程率方程 总传质系数总传质系数 相内或同基准的传质系数换算相内或同基准的传质系数换算 相际或不同基准传质系数换算相际或不同基准传质系数换算 amxy

25、BMXY b H c p xxK yyK xxk yykN x y ix iyA * * XXK YYK XXk YYkN X Y iX iYA * * ccK ppK cck ppkN c g ic igA * * xyy kmkK11 xyx kmkK1)(11 XYY kMkK11 )(111 cgg HkkK cgc kkHK11 XYX kMkK1)(11 iyYgy YYkkPkk11 ixXcmx XXkkkck11 * 11YYKKPKK yYgy * 11XXKKKcK xXLmx mKKmkk xyxy MKKMkk XYXY cgcg HKKHkk 总传质速度方程总传质速

26、度方程 （1）气膜控制）气膜控制(gas-film control) 当当 yxyy xy xy mkKk，K k m k kk, 1 ,时 易溶气体，平衡线斜率易溶气体，平衡线斜率m很小，很小， yxyy mkKkK, （2）液相阻力控制）液相阻力控制(liquid-film control) 当当 m k Kk，K kmk kk x yxx xy xy , 11 ,时 难溶气体，平衡线斜率难溶气体，平衡线斜率m很大，很大， m k KkK x yxx , (3)两相阻力联合控制，都占一定比例两相阻力联合控制，都占一定比例(实际情况实际情况) 说明：说明： 传质与传热的不同点：传质与传热的不

27、同点： 工程上直接测定总传质系数工程上直接测定总传质系数Kx、Ky。 Kx、Ky均包括均包括m，所以阻力控制在很大程度上，所以阻力控制在很大程度上 取决于系统的物性。取决于系统的物性。 总传质速度方程总传质速度方程 4.4 4.4 吸收塔的计算吸收塔的计算 4.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程 4.4.2 吸收剂用量与最小液气比吸收剂用量与最小液气比 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 4.4.4 吸收塔塔径的计算吸收塔塔径的计算 4.4.5 吸收塔的操作型计算吸收塔的操作型计算 4.4.6 解吸及其计算解吸及其计算 1、全塔物料衡算式、全塔物料衡算式 2

28、121 XXLYYV V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 4.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程 溶质的回收率（吸收率）溶质的回收率（吸收率） ： 气体进塔的溶质量 被吸收的溶质量 1 21 Y YY 1 2 1 Y Y 出塔气中溶质的组成出塔气中溶质的组成 1 12 YY 4.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程 出塔底排出液中溶质的组成出塔底排出液中溶质的组成 （物料衡算式）（物料衡算式） 2121 YY L V XX 2、吸收操作线方程与操作线、吸收操作线方程与操作线 设逆流吸收塔内在任一截面设逆流吸收塔内在任一截面 上气上气-液两相浓度为液两相浓度

29、为Y和和X。 V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 V, Y L, X LXVYLXVY 22 22 YXX V L Y 在在Y-X图上为直线图上为直线吸收操作线。吸收操作线。 4.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程 称为称为液气比液气比。 11 YXX V L Y 同理同理 线上任一点的坐标线上任一点的坐标(Y， X)代表了塔内该截面上代表了塔内该截面上 气、液两相的组成。气、液两相的组成。 操作线与吸收操作的操作线与吸收操作的 液气比、塔底及塔顶溶液气比、塔底及塔顶溶 质组成有关质组成有关，与平衡关，与平衡关 系、塔型和操作条件无系、塔型和操作条件无 关。关。 操作

30、线越远离平衡线，操作线越远离平衡线， 吸收推动力越大吸收推动力越大 Y X o Y*=f(X) B Y1 X1X2 Y2 A Y XX* Ye P Y- Y* X*-X 4.4.1 物料衡算和操作线方程物料衡算和操作线方程 Y x o Y*=f(X) B Y1 X1X2 Y2 A L/V Y- Y* C X1 (L/V) X1* (L/V)min D 4.4.2吸收剂进用量与最小液气比吸收剂进用量与最小液气比 称称(L/V)min为吸收设计的最小液气比。为吸收设计的最小液气比。 L Lmin min 称为最小吸收 称为最小吸收 剂量。剂量。 2 * 21 min 1 XX YY V L 适宜的

31、液气比适宜的液气比 min 0 . 21 . 1 V L V L opt 4.4.2 吸收剂进用量与最小液气比吸收剂进用量与最小液气比 随随 L/V的减小，操作线与平衡线是相交还是相切的减小，操作线与平衡线是相交还是相切 取决于平衡线的形状。取决于平衡线的形状。 Y xo Y*=f(X) Y1 X2 Y2 B X1,max=X* (L/V)min C Y xo Y*=fX) Y1 X2 Y2 B X*1 (L/V)min C X1,max 两线在两线在 Y1 处相交时，处相交时，X1,max=X*1； 两线在中间某个浓度处相切时，两线在中间某个浓度处相切时， X1,maxX*1 。 4.4.2

32、吸收剂进用量与最小液气比吸收剂进用量与最小液气比 最小液气比的计算最小液气比的计算 1 1、图解法、图解法 Y xo Y*=f(X) Y1 X2 Y2 B X1,max=X* (L/V)min C Y xo Y*=fX) Y1 X2 Y2 B X*1 (L/V)min C 2 * 21 min 1 XX YY V L 2 21 min 1 XX YY V L 1 X 2 2、解析法、解析法 2 * 21 min 1 XX YY V L 2 21 min 1 X m Y YY V L 2 1 min 1 X m Y Y V L A 清水吸收时清水吸收时 m V L min 例题例题4-44-4

33、习题习题4 4， 1313 适宜液气比适宜液气比 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定 4.4.3 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 1、目的：建立过程的工艺参数，设备参数及物、目的：建立过程的工艺参数，设备参数及物 性参数之间的定量关系。性参数之间的定量关系。 V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 V, Y L, X 工艺参数：工艺参数：Y1，Y2，X1，X2，V，L 设备参数：设备参数：KYa，H，A, D 物性参数：物性参数：m 2、基本方法：、基本方法： 衡算方程衡算方程+过程特征方程过程特征方程 物衡或能衡物衡或能衡 3、微分接触过程：取微元控制、微分接

34、触过程：取微元控制 体，列衡算方程和过程特征方体，列衡算方程和过程特征方 程，然后积分。程，然后积分。 低含量气体吸收特点低含量气体吸收特点 前提：前提： 进塔混合气体溶质含量很低，即进塔混合气体溶质含量很低，即Y1510%， 进塔混合气体溶质含量较高，但在塔内被吸收进塔混合气体溶质含量较高，但在塔内被吸收 的数量不大。的数量不大。 特点：特点： V、L常数常数 等温吸收过程等温吸收过程不必进行热衡不必进行热衡 KX、KY为常数。为常数。 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 V, Y2 V, Y1 L, X1 L, X2 X Y+dY 1、塔高计算的基本关系式、塔高计算的

35、基本关系式 物衡：被吸收量物衡：被吸收量=传质量传质量 对气相对气相(板书）：板书）： Y X+dX dH 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 dY YYAK V H Y Y Y 1 2 * 1 同理可得：同理可得： dX XXAK L H X X X 1 2 * 1 全塔传质速率方程全塔传质速率方程 或填料层高度计算的基本方程式或填料层高度计算的基本方程式 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 2、传质单元数与传质单元高度、传质单元数与传质单元高度 有效比表面有效比表面a不等于填料比表面积不等于填料比表面积at KXa、KYa 称为总体积传质系数。称

36、为总体积传质系数。 m smKmolm sKmol Ak L Ak V XY ./ / , 32 可看成由过程条件所决定的某种可看成由过程条件所决定的某种单元高度单元高度。 令：令： AK V H Y OG 称为传质单元高度称为传质单元高度 dY YYAK V H Y Y Y 1 2 * 1 1 2 * Y Y OG YY dY N 称为传质单元数称为传质单元数 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 HOG NOG OGOG NHH 同理可得：同理可得： OLOL NHH 各种传质单元高度与传质单元数见书各种传质单元高度与传质单元数见书P115。 4.4.3 吸收塔填料层高

37、度的计算吸收塔填料层高度的计算 dY YYAK V H Y Y Y 1 2 * 1 类似地 OGOGN HH aAk V H Y OG 1 2 Y Y i OG YY dY N OLOLN HH aAk L H X OL 1 2 X X i OL XX dX N 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 液相传质单元高度液相传质单元高度 液相传质单元数液相传质单元数 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 （1）传质单元数（）传质单元数（NOG、NOL）的大小）的大小反映吸收反映吸收 过程进行的难易程度过程进行的难易程度，它与吸收塔的结构因素以，它与吸收

38、塔的结构因素以 及气流动状况无关。及气流动状况无关。 )( 21 YY当 m YY)( * 或 OG N (2)传质高度传质高度HOG可理解为可理解为一个传质单元所需的填一个传质单元所需的填 料层高度料层高度，是吸收塔效能高低的反映。，是吸收塔效能高低的反映。 Y K OG H 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 4、NOG(或或NOL)的计算的计算 (1)吸收因数法（解析法）吸收因数法（解析法） 1 2 * Y Y OG YY dY N XfY * YX 相平衡方程：相平衡方程：Y*=mX+a或或Y*=mX 物料衡算：物料衡算：X=X2+V/L(Y-Y2) 1 2 1

39、2 22 * Y Y Y Y OG YY L V XmY dY YY dY N 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 L mV mXY mXY L mV L mV NOG 22 21 1ln 1 1 解吸解吸 因数因数 令令S=mV/L称为解吸因数，称为解吸因数， A=L/mV称为吸收因数。称为吸收因数。 S mXY mXY S S NOG 22 21 1ln 1 1 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 同理可得：同理可得： A mXY mXY A A NOL 11 21 1ln 1 1 若相平衡方程为若相平衡方程为Y*=mX时：时： NOG和和NOL

40、、A、(Y1-mX2)/ (Y2-mX2)或或(Y1- mX2)/ (Y1-mX1)三者的关系，见图三者的关系，见图4-11，我们可根据图算，我们可根据图算 出出NOG或或NOL。 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 S=mV/L为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值。为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值。 S吸收操作线越靠近平衡线吸收操作线越靠近平衡线 * YY 所以所以解吸因素解吸因素S反映了吸收过程推动力的大小反映了吸收过程推动力的大小。 S mXY mXY , 22 21 所需传质单元数越少，填料层高度越低。但需

41、所需传质单元数越少，填料层高度越低。但需 指出，指出，S减少，通常是靠增大吸收剂流量实现的，减少，通常是靠增大吸收剂流量实现的， 这就意味着吸收剂流量增大、再生负荷加大，这就意味着吸收剂流量增大、再生负荷加大， 吸收的操作费增加，所以一般认为吸收的操作费增加，所以一般认为S0.50.8m 在经济上是合理的。在经济上是合理的。 4、NOG(或或NOL)的计算的计算 (2)对数平均推动力法对数平均推动力法 1 2 1 2 21 21 * Y Y Y Y OG Y Yd YY YY YY dY N 2 1 21 21 ln Y Y YY YY NOG m Y m OG Y YY N 21 4.4.3

42、 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 同理可得：同理可得： m OL X XX N 21 2 1 21 ln X X XX X m 液相对数平均推动力。液相对数平均推动力。 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 mY OGOG Y YY AK V NHH 21 mX OLOL X XX AK L NHH 21 当当Y*=mX时时 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 22 11 2211 2121 ln mXY mXY mXYmXY YY Y YY N m OG 22 XX V L YY 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算

43、 22 11 ln 1 1 mXY mXY L mV NOG 2 2 1 1 2 2 1 1 2121 ln X m Y X m Y X m Y X m Y XX X XX N m OG 22 11 ln 1 1 mXY mXY mV L N OG 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 例题例题4-5,4-64-5,4-6 习题习题8 8 逆流与并流有何不同？逆流与并流有何不同？ 操作线斜率为操作线斜率为-L/V。 V, Y1 V, Y2 L, X2 L,X1 V, YL, X Y X o Y*=f(X) A Y1 X1X2 Y2 B Y X X* Y* P Y- Y* X

44、*-X 4.4.3 吸收塔填料层高度的计算吸收塔填料层高度的计算 仿照圆形管路的直径计算公式仿照圆形管路的直径计算公式 4.4.4 吸收塔塔径的计算吸收塔塔径的计算 u q D V 4 计算时以计算时以塔底气量塔底气量(即进塔气量即进塔气量)为依据，因塔为依据，因塔 底气量大于塔顶。底气量大于塔顶。 计算塔径的关键是确定适宜的空塔气速，通常计算塔径的关键是确定适宜的空塔气速，通常 是先确定是先确定液泛气速液泛气速，然后考虑一个小于，然后考虑一个小于1的安全的安全 系数，计算出空塔气速。系数，计算出空塔气速。 4.5 填料塔 v 一.填料塔的结构与特点 v 二. 填料的类型及性能评价. v三.

45、填料塔的流体力学性能 v四. 填料塔的内件 一. 填料塔的结构与特点 v 1. 填料塔的结构 v填料层：提供气液接触的场所。 v液体分布器：均匀分布液体，以避免发生 沟流现象。 v液体再分布器：避免壁流现象发生。 v支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。 v除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。 10.2 填料塔填料塔 v气体从塔底送入，经气体分布装置（小直 径塔一般不设气体分布装置）分布后，与 液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填 料表面上，气液两相密切接触进行传质。 填料塔属于连续接触式气液传质设备，两 相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态 下，气相为连续相，液相为分散相。 v当液体沿填料层向

46、下流动时，有逐渐向塔壁 集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增 大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液 两相在填料层中分布不均，从而使传质效率 下降。因此，当填料层较高时，需要进行分 段，中间设置再分布装置。液体再分布装置 包括液体收集器和液体再分布器两部分，上 层填料流下的液体经液体收集器收集后，送 到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层 填料上。 v2.填料塔的特点(与板式塔相比) v优点优点： v生产能力大。填料塔内件开孔率大，空隙 率大，液泛点高。 v分离效率高。填料塔每米理论级远大于板 式塔，尤其在减压及常压条件下。 v压降小。空隙率高，阻力小。 v持液量小。 v操作弹性大。 v缺点

47、缺点：填料造价高；当液体负荷较小时 不能有效地润湿填料表面，使传质效率 降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚 合的物料；对侧线进料和出料等复杂精 馏不太适合等。 v填料作用 v提供气液接触面积； v强化气体湍动，降低气相传质阻力； v更新液膜表面，降低液相传质阻力。 二. 填料的类型及性能评价 v1 填料（packings）的类型 v1).分类 v按填料形状分： 网体填料 实体填料 v按填料的装填方式分： 散装填料 规整填料 v按材质分： 金属填料 塑料填料 陶瓷填料 石墨填料 v2).常用的几种填料 v拉西环(Rasching ring) ： 拉西环是工业上最早使用的 一种填料，为外径与高度相

48、 等的圆环，通常由陶瓷或金 属材料制成。 拉西环拉西环 环环 v拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻 环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因 而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传 质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。 其改善方面有形、十字格形的拉西环。 v拉西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻 环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因 而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传 质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。 其改善方面有形、十字格形的拉西环。 v鲍尔环(pall ring)：鲍尔环 是在拉西环的壁上开一层或 两层长方形窗口，窗孔的母 材两层交错地弯向环中心对 接。这种结构使填料层内气

49、、 液分布性能大为改善，尤其 是环的内表面得到充分利用。 v与同样尺寸的拉西环相比，鲍尔环的气液通 量可提高50%，而压降仅为其一半，分离效 果也得到提高。其改进为阶梯形鲍尔环，圆 筒部分的一端制成喇叭口形状。这样填料间 呈现点接触，床层均匀且空隙率大，与鲍尔 环相比气体阻力减少25%，生产能力提高 10%。 v阶梯环：鲍尔环基础上改 造得出的。环壁上开有窗孔， 其高度为直径的一半。由于 高径比的减少，使得气体绕 填料外壁的平均路径大为缩 短，减少了阻力。 v弧鞍型(berl saddle) ： 表面全部敞口，不分内 外，液体在表面两侧均 匀流动，表面利用率高， 流动呈弧形，气体阻力 小。但两

50、面对称有重叠 现象，容易产生沟流。 强度差，易破碎。应用 较少。 v矩鞍型(intolox saddle)：矩鞍形填料 结构不对称，堆积时 不重叠，均匀性更高。 该填料气流阻力小， 处理能力大，性能虽 不如鲍尔环好，但构 造简单，是一种性能 优良的填料。 v环矩鞍(Intalox)：兼具 环型、鞍型填料的优点。 敞开的侧壁有利于气体 和液体通过，减少了填 料层内滞液死区。填料 层内流体孔道增多，使 气液分布更加均匀，传 质效率得以提高。 v一般采用金属材质，机 械强度高。 v球型：球体为空心，气体和液体从其内 部经过。由于球体结构的对称性，填料装 填密度均匀，不易产生空穴和架桥，故气 液分散性

51、能好。 v常采用塑料材质。一般用于特定场合，工 程上应用较少。 v格栅填料：以条状单 元体经一定规则组合而 成，其结构随条状单元 体的形式和组合规则而 变，具有多种结构形式。 特点是比表面积较低， 主要用于低压降、大负 荷、防堵的场合。 木格栅填料木格栅填料 格里奇格栅填料格里奇格栅填料 v波纹填料：波纹填料是 由许多层波纹薄片组成， 各片高度相同但长短不等， 搭配组合成圆盘状，填料 波纹与水平方向成45倾 角，相邻两片反向重叠使 其波纹互相垂直。圆盘填 料块水平放入塔内，相邻 两圆盘的波纹薄片方向互 成90角。 金属丝网波纹填料金属丝网波纹填料 金属孔板波纹填料金属孔板波纹填料 v波纹填料因

52、波纹薄片的材料与形状不同分成 板波纹填料和网波纹填料。 v板波纹填料可由陶瓷、塑料、金属、玻璃钢 等材料制成。填料的空隙率大，阻力小，流 体通量大、效率高，而且制造方便、价格低， 正向通用化、大型化方向发展。 v脉冲填料：是由带缩颈的中空 棱柱形单体，按一定方式拼装而 成的一种规则填料。脉冲填料组 装后，会形成带锁颈的多孔棱形 通道，其纵面流道交替收缩和扩 大，气液两相通过时产生强烈的 湍动，在缩颈处，气速最高，湍 动剧烈，从而强化传质，在扩大 段，气速减到最小，实现两相的 分离。 v流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲” 传质过程。 v特点是处理量大，压降小。适用于真空精馏， 大塔径场合。

53、 2 填料的性能评价 v1. 填料的几何特性 v（1）比表面积）比表面积：单位体积填料层具有的填：单位体积填料层具有的填 料表面积，料表面积，m2/m3。填料的比表面积愈大，。填料的比表面积愈大， 所提供的气液传质面积愈大，愈有利于传质所提供的气液传质面积愈大，愈有利于传质。 是评价填料性能优劣的重要指标重要指标。 v说明说明 v操作中有部分填料表面不被润湿，以致比表 面积中只有某个分率的面积才是润湿面积。 据资料介绍，填料真正润湿的表面积只占全 部填料表面积的2050%。 v有的部位填料表面虽然润湿，但液流不畅， 液体有某种程度的停滞现象。这种停滞的液 体与气体接触时间长，气液趋于平衡态，在

54、 塔内几乎不构成有效传质区。为此，须把比 表面积与有效的传质比表面积加以区分。 v（2）空隙率空隙率：单位体积填料层具有的空隙：单位体积填料层具有的空隙 体积，体积，m3/m3。 值大则气体通过填料层的阻值大则气体通过填料层的阻 力小，故力小，故值以高为宜。值以高为宜。重要指标。 v对于乱堆填料，当塔径与填料尺寸之比大于8 时，因每个填料在塔内的方位是随机的，填 料层的均匀性较好，这时填料层可视为各向 同性，填料层的空隙率就是填料层内任一横 截面的空隙截面分率。 v（3）填料因子：比表面积与空隙率三次方 的比值，/3称为干填料因子，1/m，它反 映特定结构和尺寸填料的综合流体力学性能。 当填料

55、被液体润湿后，a与均发生相应的变 化，此时的/3称为湿填料因子，表示实际 操作时填料的流体力学特性，其值由实验测 定。 v填料因子值小表示流动阻力小，液泛速度可 以提高。 ： v（4）堆积密度p：单位体积填料的质量， 以表示，kg/m3。在机械强度允许的条件下， 填料壁要尽量薄以减小堆积密度，这样既增 大了空隙率又降低成本。 v（5）个数n：单位体积填料层具有的填料个数。 v2.填料的性能评价 v填料性能的优劣常根据效率、通量及压降三 要素衡量。 v相同条件下，比表面积愈大，气液分布愈均 匀，表面的润湿性能愈优良，传质效率愈高； v空隙率愈大，则通量愈大，压降也愈低。 v常用填料综合性能评价见

56、P269表4-5。 三. 填料塔的流体力学性能 v包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、 填料表面的润湿及返混等。 v1. 填料层的持液量 v指在一定操作条件下，在单位体积填料层内 所积存的液体体积，以(m3液体)/(m3填料)表 示。 v持液量分为静持液量Hs、动持液量Ho和总持 液量Ht。 v静持液量是指当填料被充分润湿后，停止气 液两相进料，并经排液至无滴液流出时存留 于填料层中的液体量，其取决于填料和流体 的特性，与气液负荷无关。 v动持液量是指填料塔停止气液两相进料时流 出的液体量，它与填料、液体特性及气液负 荷有关。总持液量是指在一定操作条件下存 留于填料层中的液体总量。显然，总

57、持液量 为静持液量和动持液量之和，即 st HHH 0 v填料层的持液量可由实验测出，也可由经验 公式计算。一般来说，适当的持液量对填料 塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量 过大，将减少填料层的空隙和气相流通截面， 使压降增大，处理能力下降。 v 2. 填料层的压降 v 在逆流操作的填料塔 中，从塔顶喷淋下来的 液体，依靠重力在填料 表面成膜状向下流动， 上升气体与下降液膜的上升气体与下降液膜的 摩擦阻力形成了填料层摩擦阻力形成了填料层 的压降的压降。 v填料层压降与液体喷淋量及气速有关填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一在一 定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；定的气速下，液体喷淋量

58、越大，压降越大； 在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也 越大越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的 压降P/Z与空塔气速u的关系标绘在对数坐 标纸上，可得到如图示的线群。 4.2.3 填料塔的流体力学性能(续) v 在图中，直线0表 示无液体喷淋（L=0） 时，干填料P/Zu关 系，称为干填料压降线， 直线，斜率为1.82.0。 载点载点 泛点泛点 恒持液量区 载液区 液泛区 v曲线1、2、3表示不同 液体喷淋量下，填料层 的P/Zu关系，称为 填料操作压降线，折线， 存在两转折点，下转折 点称“载点”，上转折 点称“泛点”。这两个 点将P/Zu线群分成

59、 三个区段，即恒持液量 区、载液区和液泛区。 v恒持液量区 v气速较低时，液体向下流动不受 气流的影响，填料表面上覆盖的 液膜厚度基本不变，因而填料层 的持液量不变。在同一空塔气速 下，由于湿填料层内所持液体量 占据一定空间，故使气体的真实 速度较通过干填料层的速度高， 因而压降也大，此时P/Zu位 于干填料压降线的左侧，且二者 平行。 载点载点 泛点泛点 恒持液量区 载液区 液泛区 v载液区 v气速增大，气体对液膜流动产生阻滞作用， 使液膜增厚，填料层的持液量随气速的增加 而增大，此现象称为拦液。开始发生拦液现 象时的空塔气速称为载点气速，超过载点后， 曲线斜率大于2。 4.2.3 填料塔的流体力学性能(续) 液泛区 气速继续增大，由于液体不能 顺利向下流动，使填料层的持 液量不断增大，填料层内几乎 充满液体。气速增加很小便会 引起压降的剧增，此现象称为 液泛，开始发生液泛现象时的 气速称为泛点气速，以uF表示。 此区域内曲线斜率可达10以上。 载点载点 泛点泛点 恒持液量区 载液区 液泛区 v应予指出，在同样的气