环境工程原理吸收

第一节吸收的基本概念一、吸收的定义与应用二、吸收的类型主要内容现在是1页\一共有96页\编辑于星期二一、吸收的定义吸收是利用混合气体各组分在同种液体中溶解度（或化学反应活性）的差异而将气体混合物分离的操作过程。本质：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。气相主体液相主体相界面气相扩散液相扩散yixi吸收质或溶质：混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液：吸收操作后的溶液，主要成分为溶剂和溶质。吸收尾气：吸收后排出气体，主要成分为惰性气体和少量溶质。现在是2页\一共有96页\编辑于星期二二、吸收的用途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(HCl,HNO3?)；水吸收甲醛制福尔马林；碳化氨水吸收CO2制碳酸氢氨(硫酸铵?)等。2、回收有用物质：吸收剂选择性吸收气体中某些组分以达到回收利用目的。如从焦炉气或城市煤气中回收苯；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，如燃煤烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NOx等。现在是3页\一共有96页\编辑于星期二吸收分离操作实例：从焦炉气或城市煤气中回收苯现在是4页\一共有96页\编辑于星期二1、按溶质和吸收剂之间是否发生反应：物理吸收：水净化含SO2锅炉尾气化学吸收：碱液净化含SO2锅炉尾气2、按混合气体中被吸收组分数目：单组分吸收：如用水吸收HCl气体制取盐酸多组分吸收：碱液吸收烟气（含SO2,NOx,CO2,CO等）3、按体系温度是否变化：如果液相温度明显升高——非等温吸收如果液相温度基本保持不变——等温吸收三、吸收操作的类型现在是5页\一共有96页\编辑于星期二1、处理量大，成份复杂，同时含有多种气态污染物；2、吸收组分浓度低；3、吸收效率和吸收速率要求高；4、多数情况吸收过程仅是将污染物由气相转入液相，还需对吸收液进一步处理，以免造成二次污染。5、多采用化学吸收——如碱液吸收燃烧烟气中低浓度的SO2；四、吸收净化气态污染物的特点（与化工相比）现在是6页\一共有96页\编辑于星期二(1)简述吸收的基本原理和过程。(2)吸收的主要类型有哪些？(3)环境工程领域有哪些吸收过程？(4)利用吸收法净化气态污染物的特点有哪些？本节思考题第一节吸收的基本概念现在是7页\一共有96页\编辑于星期二一、物理吸收的热力学基础二、物理吸收的动力学基础主要内容第二节物理吸收

掌握亨利定律；相平衡关系与吸收过程的判别；双膜理论；传质速率方程与传质系数。现在是8页\一共有96页\编辑于星期二一、物理吸收的热力学基础过程发生的方向过程发生的极限过程发生的推动力溶质在气液两相间平衡现在是9页\一共有96页\编辑于星期二1、气液平衡相际动态平衡平衡分压,pA*平衡浓度如温度和总压一定，溶质在液体中的溶解度只取决于溶质气相中的组成。液相气相溶质溶解速率溶质挥发速率界面气-液相平衡关系表达形式：溶解度曲线、亨利定律—溶解度摩尔分数,yA摩尔比，YA…….物质的量浓度，cA摩尔分数，xA摩尔比，XA现在是10页\一共有96页\编辑于星期二在稀溶液条件下，温度一定，总压不大时，气体溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比。pA*

——溶质在气相中的平衡分压，Pa；

xA——溶质在液相中的摩尔分数；

E——亨利系数，Pa。第二节物理吸收

2、亨利（Henry）定律数学表达式：适用范围：x<10%的稀溶液；p<5×105Pa。♣影响因素：溶质、溶剂、T。物系一定，T↑，E↑♣E大，溶解度小，难溶气体。♣亨利系数来源：实验测定、查手册。现在是11页\一共有96页\编辑于星期二第二节物理吸收

上述气态物质被水溶解的难易程度？典型气体在水中的亨利系数

25℃E(kPa)CO5.88106

CO21.66105

H2S0.552105

SO20.413104

现在是12页\一共有96页\编辑于星期二亨利定律的不同表达形式：

pA*

—溶质在气相中的平衡分压，Pa；

cA—溶质A在液相中物质的量浓度，kmol/m3；

H—溶解度系数，kmol/(m3.Pa)。第二节物理吸收

xA—液相中溶质的摩尔分数；yA*—与溶液平衡气相中溶质摩尔分数；

m—相平衡常数，无量纲。三个常数之间的关系：

现在是13页\一共有96页\编辑于星期二单组分物理吸收过程中，惰性气体和溶剂的量不变，以它们为基准，用摩尔比表示平衡关系：当溶液浓度很低时，XA很小，上式可近似写为：第二节物理吸收

总结：亨利定律有四种表达形式，都表示气－液平衡时气相与液相组成之间的平衡关系，其关系都可表示成平面坐标中的曲线。现在是14页\一共有96页\编辑于星期二相对气相浓度y而言，液相浓度欠饱和(x<x*)，液相有吸收溶质A的能力。相对液相浓度x而言，气相浓度为过饱和(y>y*)，溶质A由气相向液相转移。(1)判断传质方向气、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，体

系将发生从气相到液相传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质3、相平衡关系在吸收过程中的应用第二节物理吸收

现在是15页\一共有96页\编辑于星期二相对气相浓度而言液相浓度过饱和(x>x*)，液相有释放溶质A的能力。相对液相浓度x而言气相浓度为欠饱和(y<y*)，溶质A由液相向气相转移。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，体

系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质第二节物理吸收

(1)判断传质方向现在是16页\一共有96页\编辑于星期二相对气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，液相不释放或吸收溶质A。相对液相浓度x而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质A不发生转移。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)在平衡线上，从宏观角度体系不发生相间传质，即系统处于平衡状态。x*第二节物理吸收

(1)判断传质方向现在是17页\一共有96页\编辑于星期二对吸收而言：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*；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*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*第二节物理吸收

2、确定传质过程的极限现在是18页\一共有96页\编辑于星期二yxoy*=f(x)Qyxy*x*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*。第二节物理吸收

2、确定传质过程的极限现在是19页\一共有96页\编辑于星期二传质推动力表示方法可不同，但效果一样。未达到平衡的两相接触发生相间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，传质推动力越大，传质过程越快。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度表示气液相际传质过程的推动力。第二节物理吸收

yxoy*=f(x)Pyxy*x*(y-y*)(x*-x)3、计算传质推动力气相液相气体分压物质浓度摩尔分数Δy=y－y*Δp=p－p*Δx=x*－xΔc=c*－c传质推动力表示方法(p-p*)(c*-c)现在是20页\一共有96页\编辑于星期二溶质由气相主体传至两相界面，即气相内传质；溶质在两相界面由气相溶解于液相，即相际传质；溶质由界面液相侧传至液相主体，即液相内传质。双膜理论——描述气液两相间的传质过程二、物理吸收的动力学基础吸收过程是一种典型的由气相向液相的传质过程，一般可分解为三个基本步骤：第二节物理吸收

1、吸收过程机理现在是21页\一共有96页\编辑于星期二相互接触的气液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的气膜和液膜。在相界面处，气液两相在瞬间即可达到平衡，界面上没有传质阻力。在膜层以外，气液两相流体都充分湍动，不存在浓度梯度，没有传质阻力；浓度差集中在气膜和液相膜内，传质阻力全部集中在两膜内。

2、双膜理论（看书p274）第二节物理吸收

现在是22页\一共有96页\编辑于星期二相界面GL溶质ApApAicAicA气相主体液相主体cAi=HpAi亨利定律双膜理论模型示意图第二节物理吸收

双膜理论将流体相际传质过程简化为经两膜层稳态分子扩散的串联过程，气相和液相对流传质速率相等。吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。现在是23页\一共有96页\编辑于星期二第二节物理吸收

现在是24页\一共有96页\编辑于星期二第二节物理吸收

由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。气相传质速率方程常用的三种表达形式kG—推动力为分压差的气膜传质系数，kmol/(sm2Pa)；ky—推动力为摩尔分数差的气膜传质系数，kmol/(sm2)；kY—推动力为摩尔比差的气膜传质系数，kmol/(sm2)；p、y、Y—溶质A在气相主体分压(kPa)、摩尔分数和摩尔比；pi、yi、Yi—溶质A在界面气相侧分压(kPa)、摩尔分数和摩尔比。现在是25页\一共有96页\编辑于星期二液相传质速率方程常用的三种表达形式第二节物理吸收

kL—推动力为摩尔浓度差的液膜传质系数，m/s；kx—推动力为摩尔分数差的液膜传质系数，kmol/(sm2)；kX—推动力为摩尔比差的液膜传质系数，kmol/(sm2)；c、x、X—溶质A在液相主体摩尔浓度、摩尔分数和摩尔比；ci、xi、Xi—溶质A在界面液相侧摩尔浓度、摩尔分数和摩尔比。现在是26页\一共有96页\编辑于星期二第二节物理吸收

以上各式均用到了相界面的组成，即pAi、cAi及气液膜传质系数，但相界面的组成很难确定。因此，用气液两相主体的分压和浓度计算传质速率更为方便。

不同形式的传质速率方程物理意义一样，都代表单位时间内通过单位界面面积传递溶质A的量；传质系数与传质推动力表达方式有关，其倒数为传质阻力注意：不同单位的传质系数大小不同，但可根据组成表示法的相互关系进行换算。现在是27页\一共有96页\编辑于星期二在气液界面应用亨利定律：3、总传质速率方程第二节物理吸收

（1）以(p-p*)表示总推动力的吸收速率方程KG:以气相分压差为推动力的总传质系数,kmol·m-2·s-1·Pa-1

分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力

即总阻力=气膜阻力+液膜阻力现在是28页\一共有96页\编辑于星期二第二节物理吸收

（2）以(c*-c)表示总推动力的总吸收速率方程KL:以液相浓度差为推动力的总传质系数,m/s

总传质系数KG与KL之间的关系：现在是29页\一共有96页\编辑于星期二第二节物理吸收

（3）总传质速率方程的其他表示形式：Kx:以液相摩尔分数差为推动力的总传质系数,m/s

KX:以液相摩尔比差为推动力的总传质系数,m/sKy:以气相摩尔分数差为推动力的总传质系数,m/sKY:以气相摩尔比差为推动力的总传质系数,m/s现在是30页\一共有96页\编辑于星期二

传质速率与传质推动力成正比，与传质阻力成反比。增加溶质的气相分压或者减少液相浓度，都可以增加传质推动力，从而增加传质速率。总传质速率方程表示什么？第二节物理吸收

采用总传质速率方程进行计算可避开难以确定的相界面组成xi和yi。这与间壁对流传热问题中用总传热速率方程避开固体壁面两侧温度相似。总传质阻力取决于气、液两相的传质阻力。但对一些吸收过程，气、液两相传质阻力在总传质阻力中所占比例相差较大，可对问题进行简化处理。现在是31页\一共有96页\编辑于星期二

包括气膜阻力和液膜阻力两部分：在通常吸收操作条件下，kG和kL大致相当，而不同溶质的亨利系数却相差很大。（以气相分压差为推动力时）4、传质阻力分析第二节物理吸收

现在是32页\一共有96页\编辑于星期二1)气膜控制气膜控制：传质阻力主要集中在气相气膜控制的特点：提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程度。第二节物理吸收

易溶气体，H值很大，液膜阻力相对很小液相界面浓度Ci≈CA，气膜推动力PA-Pi≈PA-PA*较小的气相分压PA（或浓度）能与较大液相浓度CA*相平衡。如用水吸收NH3、HCl等现在是33页\一共有96页\编辑于星期二液膜控制：传质阻力主要集中在液相液膜控制的特点：提高传质速率的措施：提高液体流速；增大液相湍流程度。第二节物理吸收

难溶气体，H值很小,液膜阻力相对很大比如，用水吸收CO2,O2。气相界面分压Pi≈PA，液膜推动力Ci-CA=CA*-CA。2)液膜控制现在是34页\一共有96页\编辑于星期二中等溶解度的溶质：如用水吸收SO2。第二节物理吸收

3)双膜控制气膜、液膜传质阻力相当，两者都不可忽略双膜控制的特点：提高传质速率的措施：提高气体和液体流速；增大气相和液相的湍流程度。现在是35页\一共有96页\编辑于星期二小结：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第二节物理吸收

现在是36页\一共有96页\编辑于星期二注意：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要正确搭配阻力与推动力的表达形式要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二节物理吸收

现在是37页\一共有96页\编辑于星期二(1)亨利定律有哪些表达形式，意义及常数之间的关系如何？(2)如何通过相平衡曲线判断传质方向，其物理意义何在？(3)举例说明如何改变平衡条件来实现传质极限的改变。(4)吸收过程有哪几个基本步骤？(5)双膜理论的基本论点是什么？(6)吸收速率与传质推动力和传质阻力关系有哪些表达形式？(7)吸收传质阻力由哪几个部分组成，如何表示，关系如何？(8)简要说明气体性质对传质阻力的影响，并举例说明。本节思考题第二节物理吸收

现在是38页\一共有96页\编辑于星期二第三节化学吸收一、化学吸收的特点二、化学吸收的平衡关系三、化学吸收的传质速率本节主要内容掌握化学吸收过程平衡关系及化学吸收传质速率现在是39页\一共有96页\编辑于星期二采用吸收法处理气态污染物时，通常采用化学吸收湿式脱硫：石灰/石灰石洗涤烟气脱硫干法脱硫：喷雾干燥烟气脱硫：SO2被雾化的

Ca(OH)2浆液或Na2CO3溶液吸收水、酸、碱吸收净化含NOx废气（硝酸生产过程）水、碱液吸收净化含氟废气（磷酸生产）第三节化学吸收现在是40页\一共有96页\编辑于星期二化学吸收：气相中溶质A被吸收剂吸收后，与吸收剂或其中的活性组分B发生化学反应的吸收过程。一、化学吸收的特点(看书p280-281)第三节化学吸收距离zp或c气相主体液相主体气膜液膜相界面产物M活性组分BcBcMcA,ipA溶质ApA,i反应区化学吸收过程示意图A+BM现在是41页\一共有96页\编辑于星期二如反应速率快，活性组分B的扩散速率也较快：溶质A达到相界面后立即被反应消耗，相界面、液相中溶质A的浓度很低。如反应速率较慢，或活性组分B的扩散速率慢：溶质A可能扩散到液相主体后仍有大部分未能反应。第三节化学吸收

溶质A化学吸收速率的影响因素：溶质的扩散速率活性组分的扩散速率、化学反应速率反应产物扩散速率化学吸收过程的特点：可以加快溶质传质速率，增加吸收剂吸收容量；化学反应提高了吸收的选择性。现在是42页\一共有96页\编辑于星期二化学吸收涉及的过程：溶质在气液两相间的相平衡溶质在液相的化学反应平衡

亨利定律稀溶液液相中物理溶解态的溶质浓度溶质气相分压化学反应平衡条件

二、化学吸收的平衡关系第三节化学吸收现在是43页\一共有96页\编辑于星期二假设溶质A仅与一种活性组分反应（单一组分），反应关系式为：化学反应平衡常数：[A]：液相中未反应的，以物理溶解态存在的溶质浓度—与气相中溶质分压相对应的溶质浓度此浓度可表示为：

第三节化学吸收现在是44页\一共有96页\编辑于星期二平衡关系可知，[A]低于液相中溶质A的总浓度。H一定，低于仅有物理吸收时溶质在气相中的平衡分压因此溶剂吸收率大于物理吸收。第三节化学吸收代入亨利定律：自学:溶质与吸收剂和溶质与活性组分反应不同情形现在是45页\一共有96页\编辑于星期二1、溶质与吸收剂反应：如用水吸收氨。假设溶质在溶剂中的总浓度为cA，化学反应平衡关系可表示为：进而可得

（）（）（）第三节化学吸收现在是46页\一共有96页\编辑于星期二将此浓度代入亨利定律，可得溶质的气液相平衡关系：在稀溶液条件下：溶剂量大，[B]=常数；反应条件一定时，K=常数上述气液相平衡在形式上仍然符合亨利定律。溶解度系数增加了(1+K[B])倍。

（）第三节化学吸收现在是47页\一共有96页\编辑于星期二如果吸收过程还涉及其他反应，那么整个吸收过程的溶质平衡关系就会更为复杂。比如，反应产物发生解离反应：

则相应的解离反应平衡关系为：

（）（）第三节化学吸收现在是48页\一共有96页\编辑于星期二则溶质A在液相中的总浓度为而再根据化学反应平衡关系

（）第三节化学吸收现在是49页\一共有96页\编辑于星期二可解得：

相平衡关系式：此时，pA*与cA不再是亨利定律的正比关系。（）第三节化学吸收现在是50页\一共有96页\编辑于星期二2.溶质与溶剂中的活性组分B反应：B代表溶剂中与溶质反应的活性组分。

设活性组分B的初始浓度为，反应平衡时的转化率为R

化学平衡关系可写为:

（）第三节化学吸收现在是51页\一共有96页\编辑于星期二溶剂中未反应溶质A的浓度为由亨利定律，可以得到溶质的气液相平衡关系：由上式可以求得：

所以参加反应的溶质浓度为：

表示了溶剂的吸收能力最大趋近活性组分的起始浓度（）（）（）第三节化学吸收现在是52页\一共有96页\编辑于星期二化学吸收过程特点溶质气液相平衡

化学反应平衡

溶液中未反应的溶质浓度第三节化学吸收现在是53页\一共有96页\编辑于星期二传质模型基础：双膜模型相界面处：溶质在气液两相中的组成仍符合平衡关系，可用亨利定律表示：第三节化学吸收三、化学吸收的传质速率液相侧：扩散传质过程和化学反应过程共同作用：液相主体相界面气相扩散液相扩散pAcAicA

pAi气相主体物理吸收化学吸收

气膜液膜气相侧：溶质传质速率方程与物理吸收过程相同现在是54页\一共有96页\编辑于星期二化学反应界面处液相溶质物理态溶解浓度减小增加相界面处的传质推动力液相侧停滞膜当量厚度降低传质阻力减少

传质系数增加

化学反应对液相传质速率的影响可以用增大传质推动力或增大传质系数两种方法来表示。第三节化学吸收现在是55页\一共有96页\编辑于星期二不存在化学反应时，物理吸收的液相传质速率为：

传质系数不变，推动力增加，化学吸收液相传质速率相应地总传质系数不变，但液相传质推动力增加，以液相浓度差为推动力的总传质速率方程可表示为—增加的传质推动力部分，其实质是由于化学反应减少了液相溶质浓度。

第三节化学吸收现在是56页\一共有96页\编辑于星期二传质推动力不变，传质系数增加，液相传质速率方程为同样，总传质系数也会相应增加：

—增强因子

总传质速率方程为：第三节化学吸收如何求增强因子？现在是57页\一共有96页\编辑于星期二扩散方程化学反应速率方程

建立反应-扩散微分方程式然后根据具体的反应过程进行积分求解。针对溶质A、活性组分B化学反应分：瞬时、快速、慢速、一级、二级、n级可逆、不可逆第三节化学吸收现在是58页\一共有96页\编辑于星期二相界面pApAi=0cMicM气相主体液相主体cBicB溶质A：在相界面处与B完全反应，在液膜内没有扩散化学吸收就完全等同于气膜阻力控制的物理吸收极端情况：反应面发生在界面上：第三节化学吸收如液相中活性组分B：浓度足够大，扩散速率足够快现在是59页\一共有96页\编辑于星期二活性组分B浓度较大，扩散速率也较快，化学反应发生在液膜中，此时传质过程和反应过程会相对复杂。

相界面pApAicM气相主体液相主体cAicBGL1L2反应面：取决于A、B传质速率的相对大小反应面发生在液膜：第三节化学吸收现在是60页\一共有96页\编辑于星期二对于液膜控制的吸收过程，采用化学吸收过程可以消除液相传质阻力，大大提高传质速率。但对于气膜控制的吸收过程，化学吸收是否有作用？

第三节化学吸收现在是61页\一共有96页\编辑于星期二化学吸收与物理吸收的主要区别是什么？化学反应对吸收过程有哪些影响？如何联系化学吸收的气液平衡和化学反应平衡？如何解释化学吸收中传质速率的增加？化学反应速率的不同如何影响化学吸收？化学吸收的适用范围是什么？本节思考题第三节化学吸收现在是62页\一共有96页\编辑于星期二一、吸收设备工艺简述二、填料塔吸收过程的物料衡算与操作线方程三、吸收剂用量的计算四、填料层高度的基本计算本节主要内容第四节吸收设备的主要工艺计算

掌握吸收塔物料衡算与操作线方程，掌握填料层高度的计算方法。现在是63页\一共有96页\编辑于星期二填料塔：气液两相在塔内连续接触板式塔：气液两相在塔内逐级接触一、吸收设备工艺简述第四节吸收设备的主要工艺计算

吸收常用设备是吸收塔，以低浓度气体吸收为对象根据塔内气液接触部件的结构，分为填料塔与板式塔两大类。吸收操作一般用填料塔；精馏操作一般用板式塔现在是64页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

1、填料塔两相浓度沿塔高连续变化连续接触式传质设备现在是65页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

现在是66页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

阶梯环鲍尔环拉西环鞍形环环填料的种类:(1)散装填料现在是67页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

板波纹槽式液体分布器丝网波纹填料塑料丝网波纹填料

(2)规整填料现在是68页\一共有96页\编辑于星期二2、板式塔两相浓度沿塔高呈阶梯变化逐级接触式传质设备降液管平顶型溢流堰受液区开孔区第四节吸收设备的主要工艺计算

现在是69页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

现在是70页\一共有96页\编辑于星期二溢流塔板又分为：第四节吸收设备的主要工艺计算

泡罩型筛孔型浮阀型其它型筛孔型现在是71页\一共有96页\编辑于星期二泡罩型筛孔型浮阀型其它型第四节吸收设备的主要工艺计算

各种浮阀：F1型、V型、T型、A型浮阀型旋流塔板

压延孔板斜孔塔板

现在是72页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

吸收设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。

两种计算遵循的基本原理及所用关系式相同，只是计算方法和步骤有些差异。本章着重讨论吸收塔的设计型计算。现在是73页\一共有96页\编辑于星期二一般已知条件为：

1)气体混合物中溶质A的组成及流量kmol/(m2.s)

2)吸收剂种类及T、P下的相平衡关系；

3)出塔气体的组成。计算：吸收剂用量；塔的工艺尺寸，塔径和填料层高度传质面积：若塔的截面积为，填料层高度为Z，单位体积的填料所提供的有效比表面积为a（m2/m3），则该塔所能提供的传质面积A=

Za。第四节吸收设备的主要工艺计算

qv---操作条件下混合气体的体积流量m3/su----空塔气速，一般以塔底气量计算。塔径：由与填料的流体力学特性相关的空塔气速决定塔截面积确定后，求传质面积转化为求所需填料层高度。现在是74页\一共有96页\编辑于星期二（一）全塔物料衡算

二、填料塔吸收过程的物料衡算与操作线方程第四节吸收设备的主要工艺计算

qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2qnG,YqnL,X确定各物流间量的关系以及设备中任意位置两物料组成间的关系。下标“1”代表填料层下底截面，下标“2”代表填料层上顶截面。

qnG—惰性气体B的摩尔流量kmol/s；

qnL—纯吸收剂S的摩尔流量kmol/s；

Y—溶质A在气相中的摩尔比；

X—溶质A在液相中的摩尔比。Y1,Y2—为进、出塔溶质A在气相中摩尔比；X1,X2—为出、进塔溶质A在吸收液中摩尔比；现在是75页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

进塔气量qnG和组成Y1由吸收任务规定，进塔吸收剂温度和组成X2一般由工艺条件确定，出塔气体组成Y2则由任务给定的吸收率φ

求出稳态吸收过程，单位时间内气相溶质A在塔内被吸收的量必等于液相的吸收量。全塔物料衡算为：qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2qnG,YqnL,X现在是76页\一共有96页\编辑于星期二（二）操作线方程与操作线同理，在任一截面与塔顶端面间作溶质A的物料衡算(常用)，则以填料层任一截面与塔底端面之间的填料层为衡算对象，则溶质A的物料衡算式为第四节吸收设备的主要工艺计算

qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2qnG,YqnL,X上两式为吸收操作线方程，表明塔内任一截面气相浓度Y与液相浓度X成直线关系，斜率为qnL/qnG—吸收塔操作液气比。现在是77页\一共有96页\编辑于星期二操作线方程与操作线Y-X图上以液气比qnL/qnG为斜率，过塔进、出口气、液两相组成点A(X2,Y2)和B(X1,Y1)的直线，称为吸收操作线。YXoY*=f(X)BY1X1X2Y2AYXX*Y*P线上任一点P(X,Y)代表塔内该截面上气、液两相的组成。操作线上任一点P与平衡线间的垂直距离Y-Y*为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线水平距离X*-X为该截面以液相为基准的吸收传质推动力。两线间垂直距离Y-Y*或水平距离X*-X的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。Y-Y*X*-X第四节吸收设备的主要工艺计算

操作线平衡线现在是78页\一共有96页\编辑于星期二三、吸收剂用量的计算

在吸收塔的设计计算中，气体处理量qnG以及进、出塔组成Y1和Y2由设计任务给定，吸收剂入塔组成X2则是由工艺条件决定或设计人员选定。

可知吸收剂出塔浓度X1与吸收剂用量qnL相互制约，即吸收剂用量的变化会引起操作线相应的变化。由全塔物料衡算式：

第四节吸收设备的主要工艺计算

现在是79页\一共有96页\编辑于星期二X2X*X1XY1Y*Y2操作线(qnL/qnG)(qnL/qnG)min(qnL/qnG)maxABCB1D第四节吸收设备的主要工艺计算

qnL，qnL/qnG，操作线远离平衡线，塔内各截面上的传质推动力，吸收剂出塔浓度X1，完成一定的分离任务所需塔高；循环和再生费用；操作线AD平行于纵轴，吸收剂用量无穷大，吸收剂出塔浓度最小，X1=X2。操作线与平衡线相交吸收剂用量最小，吸收剂出塔浓度最大，气液两相达到平衡。qnL/qnG，吸收剂出塔浓度X1，塔内传质推动力，完成相同任务所需塔高，设备费用。现在是80页\一共有96页\编辑于星期二最小吸收剂用量：

实际吸收剂用量>qnLmin

吸收剂用量吸收塔高度第四节吸收设备的主要工艺计算

根据全塔的物料衡算，吸收剂用量为：吸收剂用量最小时，塔底截面气液两相平衡，由亨利定律得qnL=(1.1~2.0)qnLmin现在是81页\一共有96页\编辑于星期二涉及吸收过程物料衡算、传质速率方程和相平衡关系第四节吸收设备的主要工艺计算

四、填料层高度的基本计算1、基本计算式（一）填料层高度的计算式qnG,Y2qnG,Y1qnL,X1qnL,X2YXZY+dYdhX+dX选取填料塔中微元填料层dh为研究对象对微元填料层作溶质A的物料衡算：微元填料层内的传质速率方程：dqn——经过微元填料层传递的溶质A的量，kmol/s；——塔的横截面积，m2

；a——填料层的有效传质比表面积，m2/m3

。现在是82页\一共有96页\编辑于星期二将微元填料层物料衡算方程和传质速率方程联立：第四节吸收设备的主要工艺计算

dh的微分方程沿塔高积分得体积传质系数：实际应用中常将传质系数与比表面积a的乘积（KYa及KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为kmol/(m3·s)。物理意义：传质推动力为一个单位时，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。

低浓度气体吸收高浓度气体若在塔内吸收量不大(如难溶气体吸收)，吸收过程具有低浓度气体吸收特点，也可按低浓度吸收处理。现在是83页\一共有96页\编辑于星期二对气相总传质系数和推动力：HOG—气相总传质单元高度，m；NOG—气相总传质单元数，无因次。HOL—液相总传质单元高度，m；NOL—液相总传质单元数，无因次。若令对液相总传质系数和推动力：若令2、传质单元高度和传质单元数第四节吸收设备的主要工艺计算

现在是84页\一共有96页\编辑于星期二传质单元数：分子为气相（液相）组成的变化，分母为传质推动力，只决定于传质前后气液相的组成和相平衡关系，与设备的情况无关。其值大小反映了吸收过程的难易程度，任务要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，意味着过程难度越大，所需传质单元数越大。（p293）在设备选型前可先计算出过程所需的传质单元数，值大，分离任务艰巨，为避免塔过高应选用传质性能优良的填料。若值过大，应重新考虑所选溶剂或液气比是否合理。第四节吸收设备的主要工艺计算

依此类推，可以写出通式：填料层高度=传质单元高度×传质单元数现在是85页\一共有96页\编辑于星期二第四节吸收设备的主要工艺计算

总传质单元高度：完成一个传质单元分离任务所需填料层高度，与填料性能和塔中气、液两相的流动状况有关，其值大小反映了填料层传质动力学性能的优劣。HOG或HOL值小，表示设备性能高，完成相同传质单元数的吸收任务所需塔的高度小。

HOG或HOL因分子分母同向变化的缘故，其变化幅度较小，一般吸收设备的传质单元高度在0.15~1.5m范围内。现在是86页\一共有96页\编辑于星期二1、对数平均推动力法

第四节吸收设备的主要工艺计算