第三章 气体的吸收

第三章气体吸收

GasAbsorption3.1概述3.2气液相平衡3.3

分子扩散与单相传质3.4对流传质3.5吸收塔的计算3.6解吸及计算3.7

其他吸收类型概述（Introduction）

吸收分离操作：利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility)差异，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(gasphase)，从而实现混合气体的分离。吸收剂气体yx界面气相主体液相主体相界面气相扩散液相扩散yi

xi气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。吸收分离操作实例：乙醇胺水溶液吸收二氧化碳气体概述（Introduction）

吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体(inertgas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液(strongliquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气(dilutegas)：吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。解吸或脱吸(desorption)：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。物理吸收(physicalabsorption)：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。概述（Introduction）

化学吸收(chemicalabsorption)：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、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。但溶液解吸再生较难。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。溶解热：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。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。概述（Introduction）

概述（Introduction）

吸收操作的用途：(1)制取产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨等。(2)分离混合气体吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。如从焦炉气或城市煤气中分离苯，从乙醇催化裂解气中分离丁二烯等。(3)气体净化一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。气液两相的接触方式连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。如板式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料塑料丝网波纹填料

选择原则：经济、合理。吸收剂的选择要求1.溶解度大；2.选择性高；3.再生容易；4.挥发性小；5.粘度低；6.化学稳定性高；7.腐蚀性低；8.无毒、无害、价廉等。概述（Introduction）

相同点：同为气液相之间的传质、传热过程区别：1、建立两相体系的方法不同蒸馏：采用改变物料状态参数的方法使混合的物系内部产生第二个物相。吸收：采用从外界引入另一个相态的方法形成两相系统。吸收与蒸馏的区别概述（Introduction）

2、操作条件和组分的传递方式不同

蒸馏：液相汽化和蒸汽的冷凝同时进行，在相界面轻、重组分同时向相反的方向进行。

吸收：液相温度远远小于其沸点，只有溶质分子进入液相的单向传递，而气相中的惰性组分在界面处于“停滞”状态。

吸收操作的经济性

吸收操作的费用主要包括：(1)气液两相流经吸收设备的能量消耗，指泵送液体、风机送气的能耗。概述（Introduction）

(3)溶剂的再生费用，即解吸操作费，此项所占的比例最大。常用的解吸方法有升温、减压、吹气，其中升温与吹气特别是升温与吹气同时使用最为常见。(2)溶剂的挥发损失和变质损失。(4)吸收的设备费用指吸收塔及辅助设备（泵、风机、加热器、冷却器等）的费用。

吸收操作的经济性是由总费用（即操作费用加设备费用）来衡量的。最经济的吸收操作应是操作费用与设备费用之和即总费用为最小。第一节吸收过程的相平衡关系(GasLiquidEquilibrium)3.1.1气液相平衡关系3.1.2相平衡关系在吸收过程中的应用3.1.1

吸收过程的气液相平衡关系气体在液体中的溶解度气体吸收涉及到相际传质过程。对单组分物理吸收：相数=2，组分数=3相律F=-N+2自由度=3，即在温度、压力和气、液相组成四个变量中，有三个独立变量。在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系。平衡状态下溶质在气相中的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体中的溶解度。平衡问题：物质传递的方向和限度；传质速率问题：传质推动力和阻力。过程快慢的问题。相平衡：相间传质已达到动态平衡，从宏观上观察传质已不再进行。气体在液体中的溶解度溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC在相同条件下，NH3在水中的溶解度较SO2大得多。用水作吸收剂时，称NH3为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2在30℃和溶质的分压为40kPa的条件下，1kg水中溶解的质量仅为0.014g)。讨论：（2）温度和y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（1）p、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（3）相同的总压及摩尔分数，

cO2

<cCO2

<cSO2

<cNH3

氧气为难溶气体，氨气为易溶气体亨利定律（Henry’slaw）

当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中：p*——溶质在气相中的平衡分压，kPa；

x——溶质在液相中的摩尔分数；

E——亨利系数，kPa。——亨利定律亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E值一般随温度的上升而增大；E值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体E值很大，易溶气体E值很小；E的单位与气相分压的压强单位一致。讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、T。

物系一定，2）E大，溶解度小，难溶气体

E小，溶解度大，易溶气体3）对于理想溶液，E即为该温度下的饱和蒸汽压

5）E的来源：实验测得；查手册4）E值的计算：在恒定的温度下，对指定物系测得一系列x及P*,计算（一）组成表示法1、质量分数与摩尔分数质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分数。摩尔分数：在混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分数。2.亨利定律其他形式气相：液相：质量分数与摩尔分数的关系：2、质量比与摩尔比质量比：混合物中某组分A的质量与惰性组分B

（不参加传质的组分）的质量之比。摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩尔数之比。气相：液相：质量分数与质量比的关系：摩尔分数与摩尔比的关系：3、质量浓度与摩尔浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。质量浓度与质量分数的关系：c—混合物在液相中的总摩尔浓度，kmol/m3；—混合物液相的密度，kg/m3。4、气体总压与理想气体中组分的分压总压与某组分分压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系:摩尔浓度与分压之间的关系:pA=PyAH——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）cA——摩尔浓度，kmol/m3；

（二）

亨利定律其他形式根据组分组成的表示方法不同，亨利定律又可以表示成如下的形式：H与E的关系：H的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体。

2）p对H影响小。

3）（2）

m——相平衡常数，无因次。m与E的关系：m的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体。

2）在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的比摩尔分数

Y（或X）表示组成。比摩尔分数表示组成的平衡关系X——溶质在液相中的比摩尔分数；Y*——与X呈平衡的气相中溶质的比摩尔分数。当m趋近1或当X很小时（3）

相对于气相浓度y而言，液相浓度欠饱和(x<x*)，故液相有吸收溶质A的能力。相对于液相浓度x而言，气相浓度为过饱和(y>y*)，溶质A由气相向液相转移。传质过程的方向

气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质3.1.2相平衡关系在吸收过程中的应用相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和(x>x*)，故液相有释放溶质A的能力。相对于液相浓度x而言气相浓度为欠饱和(y<y*)，溶质A由液相向气相转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：yxoy*=f(x)Qyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质A。相对于液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质A不发生转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：yxoy*=f(x)Ryxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。x*传质过程的限度对吸收而言：若保持液相浓度x不变，气相浓度y最低只能降到与之相平衡的浓度y*，即ymin=y*=mx；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最高也只能升高到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmax=x*=y/m。yxoy*=f(x)Pyxy*x*传质过程的限度对解吸而言：若保持液相浓度x不变，气相浓度y最高只能升到与之相平衡的浓度y*，即ymax=y*；若保持气相浓度y不变，则液相浓度x最高也只能降到与气相浓度y相平衡的浓度x*，即xmin=x*。yxoy*=f(x)Qyxy*x*传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。(x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；传质过程的推动力未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）例：在常压及20℃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400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）

解：由亨利定律表达式知：∴亨利系数为又，而

∴相平衡常数∴溶解度系数为：或由各系数间的关系求出其它系数2.2.1分子扩散（moleculardiffusion）

2.2.2单相分子扩散2.2.3单相对流传质2.3.4界面上的浓度第二节扩散和单相传质

（Diffusion&Masstransferbetweenphase）

吸收过程：

（1）A由气相主体到相界面，气相内传递；（2）A在相界面上溶解，溶解过程；（3）A自相界面到液相主体，液相内传递。单相内传递方式：分子扩散对流扩散（涡流扩散）一般认为相界面的传质阻力很小，气液两相的浓度符合亨利定律，总过程的速率由气相与液相内的传质速率决定。分子扩散现象：一、分子扩散与菲克定律2.2.1分子扩散（moleculardiffusion）

分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。扩散通量（Rateofdiffusion)

：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，以J表示，kmol/(m2·s)。菲克定律（1855）：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处组分A的浓度梯度成正比。JA——组分A扩散速率(扩散通量)，kmol/（m2·s）；

——组分A在扩散方向z上的浓度梯度(kmol/m3)/m；

DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行。理想气体：=2.2.2气相中的定态分子扩散分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。一、等分子反向扩散及速率方程

1.等分子反向扩散JAJBTppA2pB2TppA1pB112pA1>pA2PB1<pB2等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。

总压一定=

JA=－JB

DAB=DBA=D∵∴∵∴2.等分子反向扩散传质速率方程传质速率定义：任一固定的空间位置上，单位时间内通过单位面积的物质量，记作N,kmol/(m2·s)。NA=气相：NA=液相：积分：

积分：

3.讨论（1）（2）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp（3）等分子反向扩散发生在蒸馏过程中。二、单向扩散及速率方程1.总体流动（Bulkmotion)

：因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。12JAJBNMcA/cNMcB/c总体流动NMNA2.总体流动的特点：（1）因分子本身扩散引起的宏观流动。（2）A、B在总体流动中方向相同，流动速度正比于摩尔分数。3.单向扩散传质速率方程（因为界面为半透型界面

）（NM为总体流动的通量）（由等分子反向扩散

）（在稳定情况下，总体流动通量等于透过组分的传递通量

。）——微分式在气相扩散由上式：——积分式——积分式——积分式液相：（截面1、2处B组分分压的对数均值）（截面1、2处S组分浓度的对数均值）令4.讨论（1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系（2）、——漂流因数，无因次漂流因数意义：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较单纯分子扩散增大的倍数。（3）单向扩散体现在吸收过程中。三、扩散系数扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；m2/s。

D的影响因素：A、B浓度、T、pD的来源：查手册；半经验公式；测定分别为A、B两组分的分子体积，cm3/mol马克斯威尔—吉利兰公式1)气相中：分子体积:1mol物质在其正常沸点下呈液态时的体积，表征分子本身所占据的空间大小。2)液相中：液相密度大，气相的D为液相的105倍。但一定条件下，汽液两相仍能达到相同的扩散通量。对于低分子量的非电解质，在稀溶液中的D可用下式估计：其中：

α——溶剂的缔合因子

μ——溶液粘度

——常沸点下的摩尔容积，

VA1.气相中的D范围：10-5～10-4m2/s经验公式2.液相中的D范围：10-10～10-9m2/s3、组分在空气中的分子扩散系数举例4、组分在水中的分子扩散系数举例2.2.3单相对流传质一、涡流扩散（Turbulentdiffusion)

涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会依靠自身的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。——涡流扩散速率，kmol/(m2·s)；——涡流扩散系数，m2/s。注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关。总扩散通量：TTWtWt热流体冷流体TtpApAicAicA气相液相GLE二、有效膜模型（Filmmodel)

1.单相内对流传质过程传热过程传质过程（1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的变化较陡。（2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。（3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的变化逐渐平缓。2.有效膜模型（Filmmodel)

单相对流传质的传质阻力全部集中在一层虚拟的膜层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散。三、单相对流传质速率方程1.气相对流传质速率方程有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点E，则厚度zG为E到相界面的垂直距离。——以分压差表示推动力的气相传质分系数，kmol/(m2·s·kPa）。=传质系数×吸收的推动力气相对流传质速率方程有以下几种形式：——以气相摩尔分率表示推动力的气相传质分系数，

kmol/（m2·s）；

——以气相摩尔比差表示推动力的气相传质系数，

kmol/（m2·s）；

各气相传质分系数之间的关系：带入上式与比较2.液相对流传质速率方程液相传质速率方程有以下几种形式：kL——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液相对流传质分系数，m／s；——以液相组成摩尔分率表示推动力的液相对流传质分系数，kmol/（m2·s）；液相传质分系数之间的关系：注意：对流传质系数=f(操作条件、流动状态、物性）——以液相摩尔比差表示推动力的液相传质分系数，

kmol/（m2·s）

2.2.4界面上的浓度定态传质

=f（cAi）、cAi

一、一般情况二、平衡关系满足亨利定律、cAi

三、图解I（pAi，cAi）操作点OI（界面）cA/kmol/m3cApA/kPa0第三节

传质速率方程2.3.1两相对流传质模型2.3.2总传质速率方程2.3.3传质阻力与传质速率的控制2.3.1两相对流传质模型相际对流传质三大模型：双膜模型溶质渗透模型表面更新模型一、双膜模型pApAicAicA气相液相GLE溶质渗透模型（1935年希格比提出）：液相中的对流传质过程液体在向下流动过程中每隔一段时间发生一次完全混合，使液体浓度均匀化。

表面更新模型（1951年丹克沃茨提出）：液体在向下流动过程中，表面不断更新，即不断的有液体从主体转为界面而暴露于气相中，这种界面的不断更新使传质过程大大加强。两者区别：前者假定表面更新每隔一定时间周期性发生；后者更新是随时进行的过程。二、双膜模型的基本论点（假设）

1.气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩散方式通过气膜和液膜。2.相界面处两相达平衡，无扩散阻力。3.有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以涡流扩散的形式传质。双膜模型也称为双膜阻力模型2.3.2总传质速率方程

一、用气相组成表示吸收推动力——以气相分压差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s·kPa）；——以气相摩尔分数差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；——以气相摩尔比的差值表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；二、用液相组成表示吸收推动力

——以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数，m/s；——以液相摩尔分数差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；——以液相摩尔比的差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；根据双膜理论系统服从亨利定律或平衡关系在计算范围为直线三、总传质系数与单相传质分系数之间的关系同理：用类似的方法得到四、总传质系数之间的关系

2.3.3传质阻力与传质速率的控制一、传质阻力相间传质总阻力=液相(膜)阻力+气相(膜)阻力注意:传质系数、传质阻力与推动力一一对应。二、传质速率的控制步骤1.气膜控制气膜控制：传质阻力主要集中在气相，此吸收过程为气相阻力控制（气膜控制）。H较大，易溶气体气膜控制的特点：.pAGIpAicAcAi提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。2.液膜控制液膜控制：传质阻力主要集中在液相，此吸收过程为液相阻力控制（液膜控制）液膜控制的特点：H较小，难溶气体.提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。同理：气膜控制：液膜控制：m小，易溶气体m大，难溶气体3、

气膜、液膜阻力共同控制

对于中等溶解度的溶质，在传质总阻力中气膜阻力与液膜阻力均不可忽视，要提高总传质系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。小结：吸收速率方程

与膜系数相对应的吸收速率式与总系数对应的速率式

用一相主体与界面的浓度差表示推动力用一相主体的浓度与其平衡浓度之差表示推动力注意：吸收系数的单位：kmol/(m2.s.单位推动力)吸收系数与吸收推动力的正确搭配。阻力的表达形式与推动力的表达形式的对应。吸收速率方程的适用条件。各种吸收系数间的关系。气膜控制与液膜控制的条件

。第四节

吸收塔的计算2.4.1物料衡算与操作线方程2.4.2吸收剂用量的确定2.4.3填料层高度的计算2.4.4吸收塔的计算2.4.5

塔径的计算2.4.6解吸及计算2.4.7其他吸收类型计算依据：物料衡算；相平衡；吸收速率方程。吸收塔的计算内容：吸收塔的设计计算，一般的已知条件是：

1）气体混合物中溶质A的组成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s)2）吸收剂的种类及T、P下的相平衡关系；3）出塔的气体组成。需要计算：1）吸收剂的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度2.4.1物料衡算与操作线方程一、物料衡算定态逆流接触，假设S（惰性组分）不挥发，B不溶于S。全塔范围内，对A作物料衡算：VY1+LX2=VY2+LX1

V（Y1－Y2）=L（X1－X2）V，Y2V，Y1L，X2L，X1V:惰性组分的摩尔流量L:吸收剂的摩尔流量X1=X2＋V（Y1－Y2）/L二、操作线方程式及操作线1.逆流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX2=VY2+LXY2=Y1（1－A）A

——A被吸收的百分数，称为回收率或吸收率。——逆流吸收塔操作线方程在截面与塔釜截面之间作组分A的衡算——逆流吸收塔操作线方程表明：塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。

逆流吸收操作线具有如下特点：XY1Y2X1X2TBY（3）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T、p无关。（2）操作线通过塔顶（稀端）T

（X2，Y2）及塔底（浓端）

B

（X1，Y1）;（1）定态，L、V、Y1、X2恒定，操作线在X～Y

坐标上为一直线，斜率为L/V。L/V为吸收操作的液气比；（5）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；（4）吸收操作线在平衡线的上方，解吸操作线在平衡线OE下方。YXXTBYK.X*Y*2.并流吸收V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，XVY+LX=VY2+LX2Y1Y2X2X1ABXY逆流与并流的比较：1）逆流推动力均匀，且2）Y1大，逆流时Y1与X1在塔底相遇有利于提高X1；

X2小，逆流时Y2与X2在塔顶相遇有利于降低Y2。逆流与并流操作线练习Y3X2X1Y1Y2X2Y2X3CDABY1Y2Y3X1X2X3CDAB2.4.2吸收剂用量的确定B1Y1Y2ABOEXYX2X1X*1PL/V一、最小液气比最小液气比定义：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，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。最小液气比的计算1.平衡曲线一般情况（直线或凹形曲线）X*1——与Y1相平衡的液相组成。平衡关系符合亨利定律时：2.平衡曲线为凸形曲线情况二、操作液气比注意：为了保证填料表面能够被液体充分润湿，应考虑单位塔截面上单位时间流下液体不能小于某一最低允许值(最小喷淋量)。例：空气与氨的混合气体，总压为101.33kPa，其中氨的分压为1333Pa，用20℃的水吸收混合气中的氨，要求氨的回收率为99%，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，若吸收剂用量取最小用量的2倍，试求每小时送入塔内的水量？溶液浓度(gNH3/100gH2O)22.53

分压Pa160020002427分析：求水量吸收剂用量L求Lmin已知L/Lmin平衡常数解：1）平衡关系2）最小吸收剂用量：其中：

3）每小时用水量

2.4.3填料层高度的计算一、传质单元数法

1.塔高计算基本关系式单位时间，dZ内吸收A的量：——塔截面积，m2;GA——A的流率，kmol/(m2·s)；G——混合气体流率，kmol/(m2·s)；L——吸收剂流率，kmol/(m2·s)。a——单位体积填料的有效传质面积，m2/m3填料。微元填料层内的吸收速率方程式为：低浓度气体吸收时填料层的基本关系式为：

的单位

称为“气相总传质单元高度”

，用

表示

——气相总传质单元数

同理：——气相总体积传质系数，kmol/（m3·s）

——液相总体积传质系数，kmol/（m3·s）

填料层高度可用下面的通式计算：

Z=传质单元高度×传质单元数总体积传质系数的物理意义：

在单位推动力下，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质量。

2.传质单元数与传质单元高度

以为例（1）传质单元数、—液相总传质单元数、总传质单元高度；——气相传质单元数、传质单元高度；——液相传质单元数、传质单元高度。—气相总传质单元数、总传质单元高度；定义：气相总传质单元数传质单元数：反映了取得一定吸收效果的难易程度。气体流经一段填料，溶质组成变化（Y1

－

Y2）等于该段填料平均吸收推动力（Y－Y*)m时，该段填料为一个传质单元。（2）传质单元高度

定义：气相总传质单元高度，m。

传质单元高度的意义:

完成一个传质单元分离效果所需的填料层高度，反映了吸收设备效能的高低。传质单元高度影响因素：填料性能、流动状况体积总传质系数与气体流量的关系:

传质单元高度变化范围：0.15～1.5m。各种传质单元高度之间的关系：设平衡线斜率为m

同理：比较上式：3、传质单元数的计算（1）对数平均推动力法气液平衡线为直线操作线也为直线=Y－Y＊=AY+B

对数平均推动力法脱吸因数法平衡线为直线时

其中：

——塔顶与塔底两截面上吸收推动力的对数平均，称为对数平均推动力。同理：（气相传质单元数）（液相传质单元数）注意：1）平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。2）平衡线与操作线平行时，3）当、时，对数平均推动力可用算术平均推动力代替。将代入（2）吸收因数法平衡线为通过原点的直线，服从亨利定律的

逆流吸收为例：令

——脱吸因数。平衡线斜率和操作线斜率的比值无因次。S愈大，脱吸愈易进行。——吸收因数

讨论：m、y1、X2、S一定时：

注意：图的适用范围为>20及S<0.75。

1）的意义：反映了A吸收率的高低。

2）参数S的意义：反映了吸收过程推动力的大小，其值为平衡线斜率与吸收操作线斜率的比值。

S范围在0.7～0.83）4）——吸收因数例：某生产车间使用一填料塔，用清水逆流吸收混合气中有害组分A，已知操作条件下，气相总传质单元高度为1.5m，进料混合气组成为0.04（组分的Amol分率，下同），出塔尾气组成为0.0053，出塔水溶液浓度为0.0128，操作条件下的平衡关系为Y=2.5X（X、Y均为摩尔比），试求：1）L/V为(L/V)min的多少倍？2）所需填料层高度。3）若气液流量和初始组成均不变，要求最终的尾气排放浓度降至0.0033，求此时所需填料层高度为若干米？解：

1）L/V为(L/V)min的倍数2）所需填料层高度脱吸因数法

对数平均推动力法3）尾气浓度下降后所需的填料层高度尾气浓度

（3）数值积分法平衡线为曲线时，图解积分法步骤如下：1）操作线上任取一点（X,Y），其推动力为

(Y-Y*)。2）系列Y～作图得曲线。3）积分计算Y2至Y1范围内的阴影面积。AA*YY*XY2Y1（4）近似梯级法MM’M1F1F分析梯级TF1F

在梯级

T*A*FT中，——平均推动力

MM’M1F1F二、等板高度法理论级:不平衡的气液两相在一段填料层内相互接触，离开该段填料的气液两相达到相平衡，此段填料为一个理论级。Z=HETP×NT

NT——完成分离任务，所需的理论级数；HETP——等板高度。等板高度：分离效果达到一个理论级所需的填料层高度。理论级数NT的计算——克列姆塞尔方程：溶质的吸收率与理论最大吸收率的比值

相对吸收率

2）理论级数NT与NOG的关系

当

时，

当

时，

当

时，

吸收的操作型计算

例：某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空气混合物中的丙酮，操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达95%。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为Y=1.18X，吸收过程为气膜控制，总传质系数KYa与气体流率的0.8次方成正比，1）今气体流率增加20%，而流体及气液进出口组成不变，试求：a）丙酮的回收率有何变化？b）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？2）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来95%的提高至98%，吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？思路：1）已知L/V、m、吸收率脱吸因数法求NOGV改变HOG改变塔高不变求N’OG脱吸因数法求改变后的吸收率2）V不变脱吸因数法求改变后的S求LNOG不变Z不变解：求原有条件下的传质单元数NOG其中：

当时，

1）气体流量增加20%时的操作效果在单位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为：

2）当吸收率由95%提高至98%，由于气体流率没变，因此对于气膜控制的吸收过程HOG不变，塔高是一定的，故NOG仍为5.097用试差法求解

故液气比应提高到：

吸收剂用量应增至：

2.4.4

吸收塔的计算命题：物系、操作条件一定，计算达到指定分离要求所需塔高。分离要求：残余浓度Y2或溶质的回收率

一、设计型1.流向的选择

逆流特点：1)逆流推动力大，传质速率快；2）吸收液的浓度高；3）溶质的吸收率高；4）液体受到上升气体的曳力，限制了液体流量和气体流量。2、吸收剂进口浓度的选择及其最高允许浓度3、吸收剂流量的确定二、吸收塔的操作型计算命题：塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的分析和计算;

吸收塔的核算。

三、吸收过程的强化目标：提高吸收过程的推动力；降低吸收过程的阻力。1.提高吸收过程的推动力（1）逆流操作比并流操作的推动力大；（2）增加吸收剂的流量或增大液气比L/V；2.降低吸收过程的传质阻力（1）提高流体流动的湍动程度；（2）改善填料的性能，使填料比表面积增加。（3）吸收过程为气膜控制时，降低吸收剂入口温度；（4）吸收过程为气膜控制时，提高吸收的压力；（5）降低吸收剂入口溶质的浓度。注意：吸收温度不能过低，否则分子扩散系数减小、粘度增大，致使吸收阻力增加。适当上述参数均可强化吸收传质过程，提高分离程度。但实际生产过程的影响因素较多，对具体问题要作具体分析。例如对吸收剂再循环流程，设吸收剂再循环量与新鲜吸收剂加入量L的比值为，两股吸收剂混合后浓度为X2’，由吸收剂混合前后的物料衡算可得V,Y1V,Y2L,X1L,X2’L’,X1L,X2若增加，吸收剂入塔浓度增大，传质推动力下降，塔的吸收能力要下降。但对于有显著的热效应的吸收过程，大量的吸收剂再循环可减小吸收剂在塔内的温升，因而平衡线可以下移，传质推动力增大，有利于吸收。YXoY*=f(X)IY1X1X2’Y2X2II2.4.5

塔径的计算

气体沿塔上升可视为通过一个空管，按流量公式计算塔径

D--塔径(m)

Vs--在操作条件下混合气体的体积流量(m/s)

u--混合气体的空塔速度（m3/s)

塔径设计要做多方案比较以求经济上既是优化的，操作上也是可行的。一般适宜操作气速通常取泛点气速的50%∽85%。

算出的塔径还要按压力容器公称直径标准圆整。2.4.6解吸及计算2.4.6.1解吸条件及传质方向2.4.6.2解吸方法2.4.6.3解吸塔的计算2.4.6.4传质系数的计算返回使溶解于液相中的气体释放出来的操作称为解吸(desorption)或脱吸；解吸是吸收的逆过程，相际传质推动力为(y*-y)或

(x-x*)；降低气体溶解度(如减压、加温)和降低气相主体的溶质分压(如气提或汽提)都有利于解吸过程的进行；工业解吸过程通常是将溶液由塔顶引入，惰性气体或蒸汽由塔底引入，使两相在塔内逆流接触传质。此过程也称为气提或汽提(stripping)；解吸操作过程和设备的计算方法及气液传质理论和吸收过程相同，相对应的计算式形式也类似；气体解吸的特点i)解吸是吸收的逆过程，溶质由液相向气相转移，传质推动力是：（P*-P），(吸收时P-P*)

或者(C-C*），(吸收时C*-C)ii)当气液在塔内逆流解吸时，操作线在平衡之下。解吸x2>x1y2>y1Gy1Lx1Gy2

Lx2yy2y1x1x2y*x解吸过程：溶质从吸收液中分离出的操作，称为解吸。解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生循环使用。2.4.6.1解吸条件及传质方向传质方向：溶质由液相向气相传递。或条件：或或推动力：或1．气提解吸：2．减压解吸：3．加热解吸：2.4.6.2解吸方法或解吸能耗大，整个吸收过程的能耗主要在解吸。2.4.6.3解吸塔的计算V，Y2V，Y1L，X2L，X1V，YL，X一、物料衡算与操作线方程

V(Y2－Y1)=L(X2－X1)全塔物料衡算：操作线：L—吸收液流量，kmol/(m2·s);V—载气流量，kmol/(m2·s);解吸塔的最小气液比因待解吸的液相相对于气相而言是过饱和的，即X>X*，所以解吸操作线位于平衡线下方。对逆流解吸塔，其操作线方程与吸收操作线方程在形式完全相同，只是解吸塔的稀端（X2、Y2）在塔底。当溶液的处理量L、进出塔浓度X1、X2以及解吸气进塔组成Y2确定后，气体用量V与气体出塔浓度Y1直接相关。YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1(L/V)maxAYXoY*=f(X)Y1X2Y2B(L/V)maxCX1Y1*CA解吸塔的最小气液比当解吸用气量V减小时，气体出塔浓度Y1增大，操作线的A点向平衡线靠拢，传质推动力下降。当操作线与平衡线相交或相切时，解吸操作线斜率（液气比）最大，即气液比最小，这是达到一定解吸程度气液比操作的最低极限值。对操作线与平衡线相交的情况，塔顶处两相传质平衡，有对操作线与平衡线相切（平衡线呈上凹形状），最小气液比由过B点所作的操作线与平衡线的切线斜率确定。实际气液比应大于最小气液比。填料层高度计算式可采用与吸收塔相同的方法，但需注意式中涉及到的推动力(浓度差)的前后项要调换。用传质单元高度与传质单元数计算填料层高度Z，传质单元高度的计算方法不变，但传质单元数定义中有传质推动力项，应加以注意。若平衡关系为Y*=MX：式中A=L/(MV)为吸收因子。过程速率是决定单元设备大小的关键因素。填料层高度计算式中的传质系数(ky，KY等)体现了与吸收速率的正比关系，在吸收计算中具有十分重要的意义。传质系数包含了传质过程速率计算中一切复杂的、不易确定的影响因素，其数值的大小主要取决于物系的性质、操作条件及设备的性能(填料特性)三个方面。由于影响因素十分复杂，传质系数的计算难以通过理论模型解决，迄今为止也尚无通用的计算方法可循。传质系数的获取途径：(1)实验测定；(2)针对特定体系的经验公式；(3)适用范围更广的准数关联式。对气、液传质过程，可将各传质速率表达式概括为:2.4.6.4传质系数的计算传质系数的实验测定对实际操作的物系，若相平衡关系为直线，则填料层高度计算式为上式也可写为高度为Z的填料段的平均传质速率方程式中F=Za

为传质面积，Vp=Z为填料装填体积。当填料和填料装填方式一定，测量稳定操作时进、出塔气、液流量和测量段Z两端气、液浓度，由物料衡算及平衡关系可得出GA和Ym

，进而得出KY或KYa。注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计计算时，设计体系的物性、操作条件及设备性能应与实验测定时的情况相同或相近。传质系数的经验公式

实际上很难对每一具体设计条件下的传质系数都直接进行实验测定。为此，不少研究者针对某些典型的系统和条件进行研究，在所测定的大量数据基础上提出了对一定的物系在一定条件范围内的传质系数经验公式。用水吸收二氧化硫适用条件：

(1)气体的空塔质量流速G为320~4150kg/(m2h)，液体的空塔质量流速W为4400~58500kg/(m2h)；(2)直径为25mm的环形填料。用水吸收SO2属中等溶解度的气体吸收。计算气、液相体积传质系数的经验公式分别为传质系数的经验公式用水吸收氨用水吸收氨属易溶气体的吸收，吸收阻力主要在气膜侧。用填充12.5mm陶瓷环形填料塔实测数据得出的计算气相传质系数经验公式为式中：KGa

——气相传质系数，kmol/(m3.h.kPa)；

KCa

——液相传质系数，kmol/(m3.h.kmol/m3)；

G——气相空塔质量流速，kg/(m2.h)；

W——液相空塔质量流速，kg/(m2.h)；

——与温度有关的常数，其值列于下表。t℃10152025300.00930.01020.01160.01280.0143传质系数的经验公式常压下用水吸收二氧化碳U—液相喷淋密度，m3/(m2h)。单位时间喷淋在单位塔截面上的液相体积。用水吸收二氧化碳属难溶气体吸收，吸收阻力主要在液膜侧。计算液相体积传质系数的经验公式为适用条件：(1)直径为10~32mm陶瓷环填料塔；(2)喷淋密度U为3~20m3/(m2h)；(3)气体的空塔质量速度G为130~580kg/(m2h)；(4)操作温度为21~27℃。KCa

的大小主要取决于液相的喷淋密度，而气体的质量流速G基本无影响。传质系数的准数关联式根据传递现象动力学相似基本原则推导出来并通过实验确定模型参数的准数方程有更宽的适用范围。常用准数：修伍德数Sh、雷诺数Re

及施密特数Sc

等。计算气相传质系数的准数关联式气相修伍德准数气体通过填料层的雷诺数气相施密特准数计算气相传质系数的准数关联式适用范围:ReG

=2×103~3.5×104ScG

=0.6~2.5P=101~303kPa(绝压)应用场合湿壁塔0.0230.830.44填料塔0.0660.80.33上式是由湿壁塔中汽液传质的实验数据关联得到，除了用于湿壁塔（l为湿壁塔塔径）外，也可用于拉西环填料塔（l为拉西环填料的外径）。模型参数:计算气相传质系数的准数关联式上述准数中：D — 溶质在气相中的分子扩散系数m2/s；P/pm— 气相漂流因子；KG

— 气相传质系数kmol/(m2skPa)；

R — 通用气体常数kJ/(kmolK)；l — 特征尺寸m；G — 混合气体的密度kg/m3；T — 温度K；G — 混合气体的粘度Ns/m2；G — 气体的空塔质量速度；de — 填料层中流体通道的当量直径，de=4a/，（a为填料的比表面m2/m3，为填料层的空隙率m3/m3）；u0 — 气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔气速m/s）；计算液相传质系数的准数关联式液相修伍德准数液体通过填料层的雷诺数液相施密特准数液相的伽利略(Callilio)准数上述准数中：a —填料比表面积m2/m3

；kc

—液膜传质系数，m/s；cSm/c —液相漂流因子；l—特征尺寸，取填料直径m；G —重力加速度，m/s2；L—液体的粘度，N·s/m2；L —液体的密度kg/m3；D’ —溶质在液相中的分子扩散系数m2/