PPT 化工原理第五章_吸收11.2

1、22.4.4第五章第五章第五章第五章第五章第五章 吸收吸收吸收吸收吸收吸收 概述概述 气液相平衡气液相平衡 吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率 填料塔的计算填料塔的计算 填料塔填料塔-塔径计算塔径计算u吸收过程的气液相平衡关系吸收过程的气液相平衡关系u传质机理传质机理u吸收速率吸收速率u吸收塔的计算：物料衡算，吸收剂用量计算，塔吸收塔的计算：物料衡算，吸收剂用量计算，塔径，填料层高度计算径，填料层高度计算本章要点本章要点：22.4.4第五章第五章第五章第五章第五章第五章 吸收吸收吸收吸收吸收吸收一、吸收一、吸收二、工业吸收二、工业吸收三、溶剂的选择及吸收设备三、溶剂的选择及吸收设备四、吸收分

2、类四、吸收分类五、吸收操作的经济性五、吸收操作的经济性第一节第一节第一节第一节第一节第一节 概述概述概述概述概述概述22.4.4 吸收吸收：依据气体混合物中各组分在液相中的溶解：依据气体混合物中各组分在液相中的溶解度差异，对气体中不同组分进行分离的单元操作。度差异，对气体中不同组分进行分离的单元操作。 所用液体为所用液体为吸收剂吸收剂（溶剂），被吸收的气体为（溶剂），被吸收的气体为溶溶质质（吸收质），不被溶解的称（吸收质），不被溶解的称惰性气体惰性气体或或载体载体。 吸收操作的目的：吸收操作的目的： 制取液体产品；制取液体产品； 回收混合气体中有用成分；回收混合气体中有用成分； 制取液体产品。

3、制取液体产品。 一、吸收一、吸收一、吸收一、吸收一、吸收一、吸收22.4.4 解吸：将吸收得到的溶质气体从液体中分离出来解吸：将吸收得到的溶质气体从液体中分离出来的操作。的操作。 解吸经常伴随吸收构成生产上的一个完整流程。解吸经常伴随吸收构成生产上的一个完整流程。 二、工业吸收二、工业吸收二、工业吸收二、工业吸收二、工业吸收二、工业吸收合成氨原料气体的合成氨原料气体的净化，已得到纯净净化，已得到纯净的的CO222.4.4 吸收操作需解决三个问题：吸收操作需解决三个问题： 选择合适的溶剂；选择合适的溶剂； 提供适当的传质设备；提供适当的传质设备； 溶剂的再生。溶剂的再生。 溶剂的性能是吸收操作良

4、好地关键。溶剂的性能是吸收操作良好地关键。22.4.4（一）溶剂的选择：（一）溶剂的选择： 对吸收组分有较大的溶解度。 对所吸收的组分具有良好的选择性。 较低蒸气压和较小挥发度。 黏度小。有利气液接触，提高传质速率。 化学稳定性好。避免因吸收过程中条件变化而 引起吸收剂变质。 腐蚀性。吸收剂腐蚀性应尽可能小，以减少设备费和维修费 吸收后的溶剂易再生。 其他。其他。 三、溶剂的选择及传质设备三、溶剂的选择及传质设备三、溶剂的选择及传质设备三、溶剂的选择及传质设备三、溶剂的选择及传质设备三、溶剂的选择及传质设备 填料塔 板式塔降液管填料层气体液体气体液体塔板气体液体气体液体 （二）传质设备：（二）

5、传质设备： 本章将介绍填料塔的计算本章将介绍填料塔的计算 22.4.4 按有无化学反应反应：物理吸收和化学吸收 按有无热效应：非等温吸收和等温吸收 按溶质气体组分数目：单组分吸收和多组分吸收 根据溶质的浓度不同：低浓度吸收和高浓度吸收 四、吸收的分类四、吸收的分类四、吸收的分类四、吸收的分类四、吸收的分类四、吸收的分类 本章只讨论填料塔中低浓度、单组分、等温物理吸收本章只讨论填料塔中低浓度、单组分、等温物理吸收过程。过程。22.4.4五、吸收操作的经济性（费用）五、吸收操作的经济性（费用）五、吸收操作的经济性（费用）五、吸收操作的经济性（费用）五、吸收操作的经济性（费用）五、吸收操作的经济性（

6、费用） 气液两相流经设备的能量损耗气液两相流经设备的能量损耗 溶剂的挥发与变质成本溶剂的挥发与变质成本 溶剂的再生费用溶剂的再生费用22.4.4第五章第五章第五章第五章第五章第五章 吸收吸收吸收吸收吸收吸收一、平衡溶解度一、平衡溶解度二、亨利定律二、亨利定律三、气液相平衡与吸收过程三、气液相平衡与吸收过程的关系的关系 第二节第二节第二节第二节第二节第二节 气液相平衡气液相平衡气液相平衡气液相平衡气液相平衡气液相平衡22.4.4一、平衡溶解度一、平衡溶解度一、平衡溶解度一、平衡溶解度一、平衡溶解度一、平衡溶解度1、平衡溶解度、平衡溶解度 恒温、恒压下，相互接触的气液两相的浓度不变时，气液两相之间

7、的浓度关系。气液组成表示方法气液组成表示方法 摩尔数法：气液两相组成的浓度分别用物质的摩尔分数来表示，即y= ni/ny 、x= ni/nx 摩尔比法：气液两相中惰性组分的量不变,溶质与惰性组分摩尔比。 y1yYx1xX22.4.4 摩尔分数与摩尔比的关系：摩尔分数与摩尔比的关系：XXx 1xxX 1YYy 1yyY 122.4.42、气体的溶解度、气体的溶解度 气体在溶液中的溶解平衡是一个动态平衡，该平衡的存在是有条件的； 平衡时，气相中溶质的分压平衡分压或（饱和分压） 液相中溶质的浓度平衡溶解度或（溶解度） 气体溶解度是一定条件下吸收进行的极限。 温度和压力对吸收操作有重要影响： 加压和降

8、温对吸收有利； 升温和降压对解析有利。22.4.43、溶解度曲线、溶解度曲线（1）平衡分压与溶解度的关系：）平衡分压与溶解度的关系： 对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小； 温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。 （2）不同气体在同一溶剂中的溶解度：）不同气体在同一溶剂中的溶解度： 吸收剂、温度T、P 一定时，不同物质的溶解度不同。 22.4.4说明说明： 温度和压力对吸收操作有重要影响： 加压和降温对吸收有利； 升温和降压对解析有利。 易溶气体仅需较小的分压就能达到一定溶解度 。22.4.4 y不变，P总增大，溶质的分压增大， 溶解度。 20 ，SO2水溶解平衡曲线（3）总压对

9、溶解度的影响：）总压对溶解度的影响：只取决于溶质气相中的分压。22.4.4二、亨利定律二、亨利定律二、亨利定律二、亨利定律二、亨利定律二、亨利定律1、亨利定律亨利定律 ：一定温度下，溶液上方气相中溶质的：一定温度下，溶液上方气相中溶质的 平衡分平衡分 压与液相中溶质的摩尔分数正比。压与液相中溶质的摩尔分数正比。PA -溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，KPax-溶质在液相中的摩尔分数溶质在液相中的摩尔分数E-亨利系数，亨利系数，KPa （ P189查表可得）条件：恒温、总压不高（条件：恒温、总压不高（ 5 MPa）、稀溶液的气液平衡状态。）、稀溶液的气液平衡状态。 温度升高，E值

10、增大 难溶气体的E值大，易溶气体的E值小ExPA22.4.42、其他表达式、其他表达式 ：（1）HcAPAPA -溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，KPacA-溶质在液相中的浓度，溶质在液相中的浓度，kmol /m3H-溶解度系数，溶解度系数， kmol /（K Pa m3 ） 温度升高，H值减小。 难溶气体的H值小，易溶气体的H值大。（2）mxyy-溶质在气相中的平衡摩尔分数溶质在气相中的平衡摩尔分数x-溶质在液相中的摩尔分数溶质在液相中的摩尔分数m-相平衡常数相平衡常数 温度升高，m值增大。 难溶气体的m值大，易溶气体的m值小。22.4.4（3）用摩尔比表示：）用摩尔比表示：

11、YYy1XXx1mxyXXmYY11XmmX)1 (1Y若若 m =1或稀溶液，或稀溶液，XA很小，则很小，则A*AmXY22.4.43、亨利定律各系数间的关系：、亨利定律各系数间的关系：（1）m与与E的关系：的关系：m=E/p（2）H与与E的关系：的关系：H=c/E 稀液：Hrs/(EMs)（3）E、H、M三者的关系：三者的关系： sSEmpHMr例22.4.4例例1：在常压及：在常压及20下，测得氨在水中的平衡下，测得氨在水中的平衡数据为：数据为：0.5gNH3溶于溶于100gH2O形成的稀氨水形成的稀氨水溶液，溶液上方的平衡分压为溶液，溶液上方的平衡分压为400Pa，在该在该浓度范围下相

12、平衡关系可用亨利定律表示，浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数试求亨利系数E，溶解度系数溶解度系数H，及相平衡常及相平衡常数数m。（。（氨水密度可取为氨水密度可取为1000kg/m3）22.4.4亨利系数为亨利系数为 *pEx00527. 0400Pa41059. 7相平衡常数相平衡常数 00527. 000395. 0m75. 0Hcp *10001005 . 017/5 . 0c3/293. 0mkmol解：由亨利定律表达式知：解：由亨利定律表达式知：*ppExEx18/10017/5 . 017/5 . 0 x00527. 0又又 mxy *，而，而 Ppy *51001.

13、 140000395. 022.4.4溶解度系数为：溶解度系数为： 400293. 0HPamkmol34/1033. 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 ssHEMr181059. 710004437.32 10/kmol mPaPEm 437.59 10101.3 100.7522.4.4三、气液相平衡与吸收过程的关系三、气液相平衡与吸收过程的关系三、气液相平衡与吸收过程的关系三、气液相平衡与吸收过程的关系三、气液相平衡与吸收过程的关系三、气液相平衡与吸收过程的关系 1 1、判断传质的方向、判断传质的方向 y*=mx x*= y/m若y y*，吸收过程，吸收过程

14、 若若x x*，解吸过程，解吸过程 y = y*，平衡过程，平衡过程 x = x*，平衡过程，平衡过程 y y*，解吸过程，解吸过程 x 0 0为吸收过程，为吸收过程， x x ，当，当x x x x* * 时，达到最大。时，达到最大。 myxx1*1max12*2min2mxyyV，y2V，y1L，x2L，x122.4.43 3、吸收过程的推动力、吸收过程的推动力 当传质进行时，其速率与传质的推动力大小有关，传质过程是否容易进行取决于实际组成偏离平衡组成的程度取决于实际组成偏离平衡组成的程度，因而推动力可用一相的实际组成与其对应的平衡组成之差来表示 。说明说明 实际组成偏离平衡组成实际组成偏

15、离平衡组成的程度愈大，过程的推动力的程度愈大，过程的推动力愈大，其传质速率愈大，吸愈大，其传质速率愈大，吸收收/解吸过程愈容易进行。解吸过程愈容易进行。吸收平衡解吸气相p-p*0P*-py-y*0Y*-yY-Y*0Y*-Y液相C*-c0c-c*X*-x0 x-x*X*-X0X-X*y-x是否是传质推动力？为什么？是否是传质推动力？为什么？例2：在总压101.3kPa，温度30的条件下, SO2摩尔分率为0.3的混合气体与SO2摩尔分率为0.01的水溶液相接触，试问：(1) 从液相分析SO2的传质方向； (2) 从气相分析，其它条件不变，温度降到0时SO2的传质方向；(3) 其它条件不变，从气相

16、分析，总压提高到202.6kPa时SO2的传质方向，并计算以液相摩尔分率差及气相摩尔率差表示的传质推动力。解解：(1)查表5-1得在总压101.3kPa，温度30条件下SO2在水中的亨利系数E=4850kPa 所以 47.88 从液相分析 x=0.01故SO2必然从液相转移到气相，进行解吸过程。pEm3 .101485000627. 088.473 . 0*myx例题例题例题(2)查表5-1，得SO2在101.33kPa、0时亨利系数E=0.167104kPa，则：420.167 10*0.010.16101.33*SOEymxxPyy传质过程为吸收，由气相向液相转移（3）在总压202.6kP

17、a，温度30条件下，SO2在水中的亨利系数E=4850kPa =23.94从气相分析y*=mx=23.940.01=0.24 pA2 pB1 pB2 pA1+ pB1= pA2 + pB2 =P 在总压和温度相同的情况下，联通管内任一截面上单位时在总压和温度相同的情况下，联通管内任一截面上单位时间单位面积上向右传递的间单位面积上向右传递的A的物质量与向左传递的的物质量与向左传递的B的物质量的物质量必定相等，此现象称为必定相等，此现象称为等摩尔逆向扩散（等分子反向扩散）等摩尔逆向扩散（等分子反向扩散）。发生在蒸馏过程中。发生在蒸馏过程中。22.4.4等摩尔相互扩散：等摩尔相互扩散： JA= -

18、JB (1) DAB= DBA (2) NA= JA ; NB= JB (3)组分组分A的传质速率：的传质速率： (4a)zpRTDJddAABAAN22.4.4210AAPpAzAdpRTDdzN)(Z12AAAppRTDN传质速率为：传质速率为：12()AAADNppRTz对于液相则有传质速率为：对于液相则有传质速率为：AA1A2BB1B2(),()DDNccNcczzzcDJddAABAAN同理，同理，B传质速率为为：传质速率为为：12()BBBADNppNRTz 将（将（4a）式由边界条件进行积分：）式由边界条件进行积分：A2A1ABA2A1ABAzzNccDppRTD理想气体理想气体

19、B2B1BAB2B1BABzzNccDppRTD 在气体吸收中溶质在气体吸收中溶质A溶溶解于溶剂中，惰性气体解于溶剂中，惰性气体B不不溶解于溶剂中，则液相中溶解于溶剂中，则液相中不存在组分不存在组分B，此过程为，此过程为组组分分A通过另一通过另一“静止静止”组组分分B的单向扩散。的单向扩散。 p总压总压p界面界面pB,i气气相相主主体体 液相液相NBMNAMJBJA0pA,ipBpAz分子扩散；分子扩散；整体移动：整体移动：2 2 2 2 2 2 单向扩散单向扩散单向扩散单向扩散单向扩散单向扩散（ 一组分通过另一一组分通过另一一组分通过另一一组分通过另一一组分通过另一一组分通过另一“停滞停滞停

20、滞停滞停滞停滞”组分的扩散组分的扩散组分的扩散组分的扩散组分的扩散组分的扩散）物料系统内的分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起物料系统内的分子扩散是由物质浓度（或分压）差而引起的分子微观运动；的分子微观运动；整体移动是因系统内流体主体与相界面处存在总压差引起整体移动是因系统内流体主体与相界面处存在总压差引起的流体宏观流动，起因于分子扩散。的流体宏观流动，起因于分子扩散。整体移动是一种分子扩散的伴生现象。整体移动是一种分子扩散的伴生现象。分子扩散和总体移动的关系分子扩散和总体移动的关系分子扩散和总体移动的关系分子扩散和总体移动的关系分子扩散和总体移动的关系分子扩散和总体移动的关系对于组分对于组

21、分B：NB= - JB （5） 对于组分对于组分A：NA=JA+整体移动速率整体移动速率 （6）整体移动速率比：整体移动速率比： （7） PPNNBABMAM22.4.4) - - (JJNNppJNJNABBMBMBAAAMAAJpp1NABAA）（ppNNAABMAMNppNBMAAAMzpRTDzDddddcAABAABAJdzdpRTNAAApppDABpDAAB0-pp-ppA2A1AzAdpRTdzNpppppBBARTppInRTN12ABA2A1ABInzzpD-DpppppA2B2A1B1ppppppBBARTpN12B1B22AA1ABIn-zDppppRTNA2AA1Bm

22、AB-zD22.4.4ccpppBmAzpRTN2AA1AB2AA1BmAB-c-zcDDppppBBBm12B1B2In-pcpBmpcBm、-单方向扩散时传质速率方程式单方向扩散时传质速率方程式-组分组分B分压力的对数平均值分压力的对数平均值-漂流因子漂流因子分子扩散系数分子扩散系数D 物性属性，随外界环境发生变化物性属性，随外界环境发生变化 液体小于气体；液体小于气体；T、D, P D。等分子反向扩散：等分子反向扩散：)(21AAAppRTzDN单向扩散的传质通量：单向扩散的传质通量：12()AAABmDPNppRTz p对于理想气体混合物：对于理想气体混合物：m12,()BmAABAA

23、ABmppppccccRTRTRTRTD cNccZ c将总浓度、分浓度及代入上式得：此式也适用于液相此式也适用于液相22.4.4与等摩尔扩散比较：与等摩尔扩散比较：（1）比较单向扩散时的传质速率比等分子反向扩散时多比较单向扩散时的传质速率比等分子反向扩散时多了一个因子（了一个因子（P/pBm），称为），称为“漂流因子漂流因子”。BmPp（2）组分）组分A的浓度与扩散距离的浓度与扩散距离Z称指数关系。称指数关系。SmCc、漂流因数，无因次漂流因数，无因次 漂流因数意义：其大小反映了总体流动对漂流因数意义：其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率的影响程度，其值为总体流

24、动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。 1Bm pp1Sm cc（3）单向扩散体现在吸收过程中。）单向扩散体现在吸收过程中。22.4.4三、单相内对流传质三、单相内对流传质三、单相内对流传质三、单相内对流传质三、单相内对流传质三、单相内对流传质 分子扩散现象只存在与静止流体和层流流体中，而分子扩散现象只存在与静止流体和层流流体中，而工业中常见的是物质在湍流流体中的对流传质现象，与传工业中常见的是物质在湍流流体中的对流传质现象，与传热相似，对流传质通常指的流体与某一界面之间的传质。热相似，对流传质通常指的流体与某一界面之间的传质。对流传质包括分子扩散和涡流扩散。

25、对流传质包括分子扩散和涡流扩散。 涡流扩散是凭借流体质点的湍动和漩涡来传递物质的涡流扩散是凭借流体质点的湍动和漩涡来传递物质的现象，传质过程中，涡流扩散远大于分子扩散。现象，传质过程中，涡流扩散远大于分子扩散。液相液相mn相界面相界面气相滞流内层气相滞流内层气相气相 0 ZG ZG距离距离zpAGGpi气气相相分分压压 p气相有效气相有效膜层厚度膜层厚度滞流内滞流内层厚度层厚度G1、单相对流传质、单相对流传质 过程分析过程分析-有效膜模型有效膜模型 流动流体与两相界面之间的传质流动流体与两相界面之间的传质过渡层过渡层 同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度

26、逐渐变小，曲线逐渐平缓。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，由于溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于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作主要依靠涡流扩散，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，分压线为直线。用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。22.4.42 2、气相对流传质速率方程、气相对流传质速率方程 有效膜：有效膜：单相对流传质的传质单相对流传质的传质阻力阻力全部集中在一全部集中在一 层层虚拟的膜虚拟的膜层内，膜层内的传质形

27、式层内，膜层内的传质形式仅仅 为分子扩散为分子扩散 。kG以分压差表示推动力的气相传质分系数，以分压差表示推动力的气相传质分系数，kmol/(m2skPa）pAG-pAi 溶质在气相主体与界面之间的浓度差。溶质在气相主体与界面之间的浓度差。ppppRTNA2AA1BmAB-zDppppRTNAAiAGBmAB-zDpRTpkGBmABzD气膜传质阻力气膜传质推动力kppppkGANGiGAiAG1-22.4.4液相传质速率方程有以下几种形式：液相传质速率方程有以下几种形式：)(iAxxkNx )(LiLAcckN)(AXXkNiX 3 3、液相速率方程式、液相速率方程式ccBmAzNLiAB-

28、ccDcBmzkcDABL液膜传质阻力液膜传质推动力kcckNALLiLiL1-cc22.4.4kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相 对流传质分系数，对流传质分系数，ms； kx以液相组成摩尔分率表示推动力的液以液相组成摩尔分率表示推动力的液相对流传质分系数，相对流传质分系数，kmol/（m2s）；）； kX以气相摩尔比差表示推动力的液相传质系数，以气相摩尔比差表示推动力的液相传质系数， kmol/（m2s）；）； 22.4.4过程过程传热传热传质传质推动力温度差浓度差（分压差）过程极限平衡时冷热流体温度相等平衡时，不是气液两相组成相等，是实际组成与平衡组成

29、相等基本方式热传导自由电子、原子、分子热运动（不规则运动）分子扩散分子运动（不规则运动，分子移去后有空位需其他分子填补）对流涡流运动（质点发生相对位移）涡流扩散涡流运动（质点的湍流和漩涡）辐射电磁波传播 基本 定律 及表达式热传导傅立叶定律Q/A=-dt/dx分子扩散费克定律JA=-DdcA/dz-导热系数，物质的特性D-分子扩散系数，物质的特性对流传导牛顿冷却定律Q/A=t对流传质JA=-（D+DE）dcA/dz-对流传热系数，与流动状况、流体性质、传热面积等有关，不是不是物质的特性常数DE-涡流扩散系数，与流动状况及位置有关，不是不是 物质的特性常数表一传热方式与传质方式的对比表一传热方式

30、与传质方式的对比 22.4.4四、吸收机理四、吸收机理四、吸收机理四、吸收机理四、吸收机理四、吸收机理双膜理论双膜理论双膜理论双膜理论双膜理论双膜理论 1、双膜理论、双膜理论相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上界面上没有没有传质阻力，气液传质阻力，气液两相处于平衡两相处于平衡状态。状态。界面两侧分别存在界面两侧分别存在着两层膜，着两层膜，气膜和液膜气膜和液膜。气相一侧叫。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜气膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，膜内的流体是，这两层膜均很薄，膜内的流体是 层流流动，层流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质溶质以分子扩散的方

31、式进行传质。 膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。层膜内。 22.4.4气液相界面两侧的浓度分布 （双膜模型）气相：液相：稳态下NA为定值：ppkGANiG-ckNALiL-ccppkkNGALiLiG-ckcppGkLiLiG-c2 2 2、气液两相溶质的组成、气液两相溶质的组成、气液两相溶质的组成气相传质推动力液相传质推动力22.4.4气液相界面两侧的浓度分布 （双膜模型）双模理论的三个基本要点：（1）气液两相的传质阻力集中

32、在一定厚度的膜内；（2）在膜内只有分子扩散，无涡流扩散；（3）相界面处pi、ci符合相平衡关系，即相界面的传质阻力为零。1 1 1、两相间传质、两相间传质、两相间传质、两相间传质、两相间传质、两相间传质双膜理论双膜理论双膜理论双膜理论双膜理论双膜理论 条件：流体流速较小（但为湍流） 有固定的传质相界面。22.4.4)()(cckppkNiLiGAGLiikkccpp当已知两相组成的平衡关系，如当已知两相组成的平衡关系，如 )(*cfp 和上式联立便可和上式联立便可 求出求出 iicp ,3 3 3、界面浓度、界面浓度、界面浓度22.4.4五、总传质速率方程五、总传质速率方程五、总传质速率方程五

33、、总传质速率方程五、总传质速率方程五、总传质速率方程1、总传质速率方程（、总传质速率方程（Y-Y）mXYmXiYikYYkYYkmNiiiAXXX1m-m1)XX(kiANY1)YY(kYYkmNiiAXY1)YY(kkYmNAXY1)Y(kkmKYXY11令22.4.4总热阻总推动力KKYY1Y)Y(YYANkkmKYXY11气膜中的传质阻力液膜中的传质阻力以摩尔比差表示推动力的气相总传热系数，kmol/( s )，简称为气相总传质系数气相总传质系数。)X-(XKXANkkKXYX111mKKYXm上式适用条件（稀溶液、双膜理论的3个要点）22.4.422.4.42、总传质速率方程的分析、总

34、传质速率方程的分析)Y(KYYAN)X-(XKXAN1. 线段线段PL、PG的意义的意义2. P点、点、I点位置意义点位置意义YXLG气膜阻力气膜阻力液膜阻力液膜阻力P(操作点操作点)I（界面）（界面）m平衡线斜率XYiYYiXX传质推动力与阻力传质推动力与阻力022.4.4（1）易溶气体（气膜控制）易溶气体（气膜控制）YX气相总气相总推动力推动力P(操作点操作点)I（界面）（界面）m平衡线斜率XYiYYiXX(a)气膜阻力控制气膜阻力控制易溶气体气膜阻力大易溶气体气膜阻力大0气膜气膜推动力推动力kkmKYXY11相平衡常数相平衡常数m很小，平很小，平 衡斜率很小；衡斜率很小；总推动力总推动力

35、: （Y-Yi）（Y-Y）要提高总传质速率：要提高总传质速率： 加大气相湍动程度加大气相湍动程度kkkYKmYYX1，22.4.4（2）难溶气体（液膜控制）难溶气体（液膜控制）YX液相总液相总推动力推动力P(操作点操作点)Im平衡线斜率XYiYYiXX(b)液膜阻力控制液膜阻力控制难溶气体气膜阻力大难溶气体气膜阻力大0液膜液膜推动力推动力kkKXYX111m相平衡常数相平衡常数m很大，平很大，平 衡斜率很大；衡斜率很大；总推动力总推动力: （Xi-X）（X-X）要提高总传质速率：要提高总传质速率： 加大液相湍动程度加大液相湍动程度kkkXKXXY11m，22.4.4（3）中等溶解气体（双膜控制

36、）中等溶解气体（双膜控制） 同时增大气液两相的湍动程度同时增大气液两相的湍动程度（4）溶解度区分）溶解度区分 m 1，易溶气体；，易溶气体； m 100，难溶气体；，难溶气体； m=1100，中等难溶气体。，中等难溶气体。22.4.4气液膜控制的表现气液膜控制的表现阻力形式阻力形式实例实例提高吸收速率提高吸收速率的方式的方式气膜控制气膜阻力易溶气体的吸收，如用H2O吸收HCl、NH3增大气体流速液膜控制液膜阻力难溶气体的吸收，CO2、O2、H2增大液体流速五、传质速率方程各种形式五、传质速率方程各种形式五、传质速率方程各种形式五、传质速率方程各种形式五、传质速率方程各种形式五、传质速率方程各种

37、形式22.4.4传质速率方程传质速率方程各传质系数关系各传质系数关系相内、相际相内与相际相内气膜：液膜：相际以气相浓度表示：以液相浓度表示：)(p)(y)(YpkykYkNiGiyiYAc)(x)(X)(ckxkXkNiLiyiXA)(p)(y)(YpKyKYKNGyYAc)(x)(X)(cKxKXKNLyXA)1)(1(YkkiyYY)1)(1(pYkiGY)1)(1(xXXkkiX)1)(1(cXkiLX)Y)(1(1YKKyY)1)(1 (YpKYG)X)(1(1XKKxX)1)(1 (cXKXLKKKKKKyxYXLGmmHk1mk1K1kmk1K1k1mk1K1kmk1K1k1kHK

38、1Hk1k1K1xyxxyyXYXXYYLGLLGGkKkKkKkKkKkKxxyYYGG，XXLLy液相控制时：气相控制时：22.4.4过程过程传质（吸收）传质（吸收）传热传热速率方程表达式膜速率方程总速率方程速率方程气膜NA=kG(p-pi)NA=KG(p-p)传热（总）Q/A=KtmNA=kY(Y-Yi)NA=KY(Y-Y)NA=ky(y-yi)NA=Ky(y-y)传导（分）Q/Am=-（TW-tw）液膜NA=kL(ci-c)NA=KL(c-c)NA=kX(Xi-X)NA=KX(X-X) 对流（分）Q/Ai=i（T-TW） （分）Q/Ao=o（tw-t）NA=kx(xi-x)NA=Kx(

39、x-x)推动力一相主体组成与界面组成之差两相主体组成之差（实际组成与平衡组成之差）传热：冷热两流体间的平均温度之差传导：壁面两侧温度之差对流：流体算术平均温度与壁面温度之差阻力共同特性总阻力为各层阻力之和：总阻力=气膜阻力+液膜阻力气液平衡关系对传质阻力有很大影响稳态串联过程：总阻力为各层阻力之和：总阻力=管内对流热阻+管内垢阻+壁面导热热阻+管外垢阻+管外对流热阻表二表二 速率方程的对比速率方程的对比表三表三 强化过程的对比强化过程的对比22.4.4小结小结 ：吸收速率方程吸收速率方程 与膜系数相对应的传质速率式与膜系数相对应的传质速率式与总系数对应的传质速率式与总系数对应的传质速率式 用一

40、相主体与界面的浓用一相主体与界面的浓度差表示推动力度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力浓度之差表示推动力例例例22.4.4【例例】常压下操作吸收塔某截面上气液两相主体中常压下操作吸收塔某截面上气液两相主体中分压和浓度分别为分压和浓度分别为0.03atm和和1kmol/m3，已知气相传，已知气相传质系数质系数kG=510-4kmol/(m2sPa)，液相传质系数，液相传质系数kL=1.510-4m/s，平衡关系可用亨利定律表示，且，平衡关系可用亨利定律表示，且H=73.7kmol/(m3atm)，试计算：，试计算：1）以分压差表示的总推动力、总传质系数

41、、传质速）以分压差表示的总推动力、总传质系数、传质速率；率；2）以摩尔分数差表示总推动力的气相总传质系数；）以摩尔分数差表示总推动力的气相总传质系数；3）气膜与液膜阻力的相对大小；该过程属于什么过）气膜与液膜阻力的相对大小；该过程属于什么过程。程。4）气液界面上的两相组成。）气液界面上的两相组成。22.4.4第五章第五章第五章第五章第五章第五章 吸收吸收吸收吸收吸收吸收一、物料衡算与操作线方程一、物料衡算与操作线方程 二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定三、填料层高度的计算三、填料层高度的计算四、塔径的计算塔径的计算 五、吸收的操作型计算五、吸收的操作型计算 第四节第四节第四节第四节第四节

42、第四节 填料塔的计算填料塔的计算填料塔的计算填料塔的计算填料塔的计算填料塔的计算22.4.4操作型：操作型：核算；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：计算依据：物料衡算；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：设计型：流向、流程、吸收剂用量、流向、流程、吸收剂用量、 吸收剂浓度、塔高吸收剂浓度、塔高(填料层高度填料层高度)、塔径、塔径22.4.4具体的设计计算，一般的已知条件为：具体的设计计算，一般的已知条件为： 1）气体混合物中溶质）气体混合物中溶质A的组成（的组成（mol分率）以及流量分率）以及流量

43、kmol/(m2.s) 2）吸收剂的种类及）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；下的相平衡关系； 3）出塔的气体组成）出塔的气体组成 需要计算：需要计算：1）吸收剂的用量）吸收剂的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度22.4.4一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程一、吸收塔的物料衡算与操作线方程 1、物料衡算、物料衡算 逆流吸收逆流吸收G，Y2G，Y1L，X2L，X1G，YL，X稀端稀端浓端浓端G惰性气体，kmol

44、 s-1L吸收剂流量，kmol s-1Y、Y2分别为截面及塔顶气相溶质的摩尔比， kmol（溶质）/ kmol （惰性气体）X、X2分别为截面及塔顶液相溶质的摩尔比， kmol（溶质）/ kmol （溶剂）Y Y2 ，X X222.4.41、物料衡算、物料衡算 逆流吸收逆流吸收G，Y2G，Y1L，X2L，X1G，YL，X稀端稀端浓端浓端 任意截面任意截面与塔顶作溶质与塔顶作溶质A的物质量的物质量作衡算作衡算 ：GYXLGLX22Y 全塔：全塔：YYX1221GXLGL被吸收的量）（）（Y-YGX-XL2121D应用：应用： 回收率回收率/吸收率吸收率 确定确定X1YY-1YY-Y12121X-

45、XY-YGL22或或或或X-XY-YGL212122.4.42、操作线方程、操作线方程 逆流吸收逆流吸收G，Y2G，Y1L，X2L，X1G，YL，X稀端稀端浓端浓端 由任意截面物料衡算式：由任意截面物料衡算式：GYXLGLX22Y逆流吸收操作线方程：逆流吸收操作线方程：)XGL-Y(XGLY11说明：说明：（1）方程的意义：塔内任意截面上气相浓度）方程的意义：塔内任意截面上气相浓度Y与液与液相浓度相浓度X成直线关系，直线斜率为成直线关系，直线斜率为L/G。22.4.4（3）直线通过两个端点：）直线通过两个端点： 底端：底端：B（ X1 ，Y1 ） 顶端：顶端：T （ X2 ，Y2 ）XY1Y2

46、X1X2TBGL)(*XfY Y)XGL-Y(XGLY11逆流吸收操作线逆流吸收操作线（2）直线斜率：）直线斜率：液气比GL）惰性气体流量（）吸收剂流量（skmolskmol11（4）操作线仅与液气比、浓端操作线仅与液气比、浓端及稀端组成有关，与系统的及稀端组成有关，与系统的平衡关系、塔型及操作条件平衡关系、塔型及操作条件T、p无关。无关。 22.4.4（6）操作线与平衡线的距离：）操作线与平衡线的距离： 垂直：垂直： 水平：水平： 平衡线与操作线共同决定吸收推动力。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。操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大。（5）吸收操作线在平

47、衡线的上方，）吸收操作线在平衡线的上方， 解吸操作线在平衡线的下方。解吸操作线在平衡线的下方。 Y-YYX-XXXTB)(*XfYYK.YXX*Y*逆流吸收操作线逆流吸收操作线总 推动力（7）吸收操作线的做法）吸收操作线的做法 a. 作出平衡线作出平衡线 b. 确定两个端点（顶点、底点）连线即可确定两个端点（顶点、底点）连线即可22.4.4对于对于并流吸收并流吸收G，Y2G，Y1L，X2L，X1G，YL，XGY+LX=GY2+ LX2)GL(GL22XYXYY2Y1X2X1TBXY逆流与并流的比较：逆流与并流的比较：1）逆流推动力均匀，且）逆流推动力均匀，且并流并流逆流逆流mmYY 2） Y1

48、大，逆流时大，逆流时Y1与与X1在塔在塔 底相遇有利于提高底相遇有利于提高X1； X2小，逆流时小，逆流时Y2与与X2在塔在塔 顶相遇有利于降低顶相遇有利于降低Y2。22.4.4二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定X-XY-YGL2121 已知量已知量:G，Y1，X2以及分离要求，求以及分离要求，求吸收剂量吸收剂量L。X1随随L变变 分离要求表示方法：分离要求表示方法： 回收率回收率 Y2YY-1YY-Y1212122.4.4二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定二、吸

49、收剂用量的确定二、吸收剂用量的确定B*min)(GL液液-气比气比L/GBY1最小最小液气比液气比讨论：液气比讨论：液气比（1） ， ， ,LGLYANA达到同一个达到同一个Y2， 所需填料层高所需填料层高， 但但X2 。（2）当）当L 至至B 时，时， Y=0或或X=0 最小液气比）（GLmin)XGL-Y(XGLY11吸收塔最小液气比吸收塔最小液气比(a)22.4.41、最小液、最小液-气比气比最小液气比定义：最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大

50、时的液气比。达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。 用用 表示。表示。 minGLLmin为相应的吸收剂用量，即为为相应的吸收剂用量，即为最小吸收剂用量最小吸收剂用量 。与最小吸收剂用量与最小吸收剂用量Lmin对应的吸收液组成为对应的吸收液组成为 ， 是进塔气体组成是进塔气体组成Y1平衡的液相组成，是平衡的液相组成，是吸收液吸收液组成的上限组成的上限。X1X122.4.42、最小液、最小液-气比的计算气比的计算方法：操作线方程与平衡线方程结合确定方法：操作线方程与平衡线方程结合确定B*min)(GL液液-气比气比L/GBY1最小最小液气比液气比吸收塔最小液气比吸收塔最小液气比(a)(1) 平衡

51、线为凹形如图（平衡线为凹形如图（a）：）： xfYX-XY-YGL221min22.4.4B*min)(GL液液-气比气比L/GBY1最小最小液气比液气比吸收塔最小液气比吸收塔最小液气比(a)(2) 平衡线符合亨利定律：平衡线符合亨利定律：XmYmYX11X-/mYY-YX-XY-YGL2121221min）（符合亨利定律时，符合亨利定律时，Y2要求小时，（要求小时，（L/G）min需要增大。需要增大。X-XY-YGL221min22.4.4吸收塔最小液气比吸收塔最小液气比(b)(3) 平衡曲线为凸形，如图（平衡曲线为凸形，如图（b）时：）时： )(*XfY 1Y2Y2X1Xmax, 1X切点

52、切点BB/2max, 121minGXXYYL适宜液气比：适宜液气比：min)(0.21.1(GLGL22.4.43、操作液气比、操作液气比设备费,Z,G YL再生费，并不总有效设备费, ,Z,LYGLmin)(0.21.1(GLGL适宜液气比：适宜液气比：22.4.4例：空气与氨的混合气体，总压为例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其其中氨的分压为中氨的分压为1333Pa，用用20的水吸收混合气中的的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为氨，要求氨的回收率为99%，每小时的处理量为，每小时的处理量为1000kg空气。物系的平衡关系列于本例附表中，若空气。物系的平衡关系列于本例附表

53、中，若吸收剂用量取最小用量的吸收剂用量取最小用量的2.0倍，试倍，试求每小时送入求每小时送入塔内的水量。塔内的水量。溶液浓度溶液浓度(gNH3/100gH2O) 2 氨气分压氨气分压Pa 160022.4.4分析：分析：求水量求水量吸收剂用量吸收剂用量L求求Lmin已知已知L/Lmin平衡常数平衡常数解：解： 1）平衡关系）平衡关系 *1yyY*1pp333106 . 11033.101106 . 101604. 018/10017/2X0212. 0XYm*0212. 001604. 0757. 0XY757. 0:平衡关系为22.4.42）最小吸收剂用量：）最小吸收剂用量： 2121min

54、XmYYYVL其中：其中： 291000Vhkmol/5 .34空气333. 133.101333. 11Y0133. 012)99. 01 (YY0133. 001. 0000133. 002X757. 0m22.4.42121min)(XmYYYVL0757. 00133. 0)000133. 00133. 0(5 .34hkmol/8 .253）每小时用水量）每小时用水量 Lmin2L8 .252hkmol/6 .51hkg /8 .92822.4.4【例例】含含SOSO2 2的混合气体送入填料吸收塔中，用清水的混合气体送入填料吸收塔中，用清水洗涤以除去其中的洗涤以除去其中的SOSO2

55、2。吸收塔的操作温度为吸收塔的操作温度为20，压力为压力为101.3kPa。混合气的流量为。混合气的流量为1000m3/h，其中含，其中含SO2体积百分数为体积百分数为9%，要求，要求SO2的回收率为的回收率为90%。若。若吸收剂用量为理论最小用量的吸收剂用量为理论最小用量的1.2倍，试计算：倍，试计算：已知已知101.3kPa，20条件下条件下SO2在水中的平衡数据与在水中的平衡数据与Y1相平衡的液相组成相平衡的液相组成=0.0032 （1）吸收剂用量及塔底吸收液的组成）吸收剂用量及塔底吸收液的组成X1；22.4.4（2）当用含）当用含SO2 0.0003（摩尔比）的水溶液作吸收（摩尔比）的

56、水溶液作吸收剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原剂时，保持二氧化硫回收率不变，吸收剂用量比原情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？情况增加还是减少？塔底吸收液组成变为多少？22.4.4dANdDAZYY+dYXX+dXZdZY2X2X1Y1GGLL a-每每m3堆积填料的有效气液接触面积，堆积填料的有效气液接触面积，m2/m3-塔截面积，塔截面积，m2 三、填料层高度的计算三、填料层高度的计算 1、填料层高度的基本计算式、填料层高度的基本计算式 微元段微元段dZ作物料衡算：作物料衡算：LdXGdYDddA-dZ高度内气液接触有效面积，高度内气液接触有效面积， m2dZdAa22.4

57、.4）（dZNdDAa)Y(YK)Y(YkNYiYAX)X(KX)X(kNXiXA或或X)X(KX)Y(YKYX)X(kX)Y(YkYdXYiXiYaLdaGdaLdaGdZ从塔底到塔顶积分：从塔底到塔顶积分：XXYYXXYYX)X(XK)Y(YYKX)X(Xk)Y(YYkXYiXiY12121212daLdaGdaLdaGZ此式为此式为低浓度气体低浓度气体稳态吸收塔计算稳态吸收塔计算填料层高度基本公式填料层高度基本公式22.4.4akaaKaKXYXY,k,其单位均为：其单位均为：kmol/m3sa有效比表面积，总小于填料层的比表面积，只有被液体有效比表面积，总小于填料层的比表面积，只有被液

58、体膜层所覆盖的填料表面才能提供气液接触的有效面积；影膜层所覆盖的填料表面才能提供气液接触的有效面积；影响因素较多，难以测定。响因素较多，难以测定。体积传质系数体积传质系数aKaKXY1,1反映传质阻力的大小反映传质阻力的大小22.4.42、传质单元法、传质单元法-变量分离法变量分离法YY)Y(YYkHiGYG12dN;aG气相传质单元数气相传质单元高度XX12dXN;aLLXLX)X(kHi液相传质单元数液相传质单元高度YY)Y(YYNKHOGO12d;aGYG气相总传质单元数气相总传质单元高度XX12dXN;aLLXLX)X(KHOO液相总传质单元数液相总传质单元高度NHNHNHNHZOLO

59、LOGOGLLGG填料层高度22.4.4（1）传质单元高度）传质单元高度1/KYa，反映传质阻力的大小，反映传质阻力的大小G/为定值时，为定值时，HOG反映传质阻力的大小反映传质阻力的大小常用填料塔单元高度的数量级为常用填料塔单元高度的数量级为1.1 1.0mHOG反映吸收反映吸收设备性能设备性能的优劣，的优劣，mGa1aGKKHYYOG气相总传质单元高度气相总体积传质系数单位塔截面积的惰性气体摩尔流量22.4.4 HOG 、HOL 、HG 、HL之间的关系之间的关系 HOG与气相总压力与气相总压力P的关系：的关系： HOL与溶液总浓度与溶液总浓度c的关系：的关系：aGaGKPKHKPKGYO

60、GGY即即 HOG与气相总压力与气相总压力P成反比成反比aLaLcXKcKHKKXXOLL即即 HOL与溶液总浓度与溶液总浓度c成反比成反比HLmGHHLGOGHHmGLHLGOLHLmGHOLOG22.4.4 HOG 、HOL 、HG 、HL之间的关系之间的关系kmk1K1XYY式中各项乘以式中各项乘以G/a，求得，求得akmGakGaKGXYYHLmGHHLGOG同理同理 ，由，由 得出：得出：HLmGHOLOGk1mk1K1XYXHHmGLHLGOL22.4.4 NOG 、NOL各与的关系式各与的关系式NHNHZOLOLOGOGHLmGHOLOGNmGLNOLOG22.4.4（2）传质单