第二章 气体吸收

第二章气体吸收第1页，共82页，2023年，2月20日，星期三教学要求重点：低浓吸收填料层高度的计算。基本概念：最小溶剂用量、传质单元数、传质单元高度、吸收因子（解吸因子）基本关系：吸收过程的物料衡算（操作线方程）、最小溶剂用量计算、低浓吸收填料层高度的计算（平衡线为直线）理解分析：溶剂用量对吸收费用的影响，提高传质效果的措施，传质性能的测定。第2页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-1

概述一、吸收及其分类1.吸收：利用混合气体中各组分在溶剂（吸收剂）中溶解度的差异，分离气体混合物的操作。2.吸收的目的：回收溶质，制备溶液；净化气体。3.吸收分类有无化学反应物理吸收化学吸收被吸收组分数单组分吸收多组分吸收温度变化情况等温吸收非等温吸收浓度高低情况低浓度吸收高浓度吸收第3页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-1

概述4.吸收剂的选择：（1）吸收剂对溶质有较大的溶解度；（2）吸收剂对混合气中各组分有较好的选择性；（3）挥发度小，沸点高（蒸汽压低）；（4）粘度低，腐蚀性小，无毒，价廉，易得等。本章重点讨论：低浓度、单组分、等温、物理吸收过程第4页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-1

概述吸收塔解吸塔A+BA+B尾气A+S吸收液GA：溶质（要分离的组分）二、吸收与解吸流程及设备

吸收剂A+SA+G吸收和解吸是一完整的系统，解吸效果的好坏关系到吸收效果的好坏B：载气（混合气中除溶质外的所有组分）；S：溶剂；G：载气（用于气提）第5页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-1

概述吸收设备连续接触式——填料塔逐级接触式——板式塔第6页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算计算前提：溶剂不挥发，载气不溶解。一、吸收塔的物料衡算与操作线方程１.操作线方程(1)逆流V——载气的摩尔流量kmol/sL——纯溶剂的摩尔流量kmol/sX,Y——液、气相中溶质的摩尔比。第7页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算VYVY2LXVY1LX1LX2在划定范围内，以单位时间为基准，对溶质做衡算:对给定分离任务、选择好溶剂及操作条件时:V,Y1,Y2,L,X2一定Y~X符合直线关系第8页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算L/VX2X1XY2Y1Y操作线的物理意义

反映填料塔任意截面气、液相组成间的关系。(2)并流过（X1,Y1),(X2,Y2)两点斜率：L/V试着画一下?第9页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算Y1*X2X1XY2Y1YY2*L/V2.传质推动力:塔底:塔顶:逆流任意截面?第10页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算X1X2XY2*Y2YY1Y1*任意截面:塔顶:塔底:并流第11页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算二、吸收剂用量的确定1.溶剂用量L的影响（经济性）总费用=设备费+操作费操作费用↓设备费用↑以逆流为例X1XX2X1′X1*YY2Y1第12页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算2.溶剂用量的求取Lmin——当溶剂用量减小到使塔的某个截面传质推动力为0时，此时的溶剂用量为最小溶剂用量。费用minLminLoptL费用关键：Lmin第13页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算XX1X2X1*YY1Y2当纯溶剂吸收，平衡关系符合亨利定律时第14页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算XX2X1YY1Y2X1’X1*当平衡线有拐点时第15页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算例1.用清水吸收某混合气中溶质，已知入塔气体含溶质7%（mol%)，混合气流量为1500Nm3/h，操作条件下平衡关系为：Y*=1.68X。要求吸收率为97%，试求：（1）溶质的吸收速度；kmol/h

（2）最小溶剂用量；t/h

（3）当溶剂用量为3200kg/h时，出塔溶液浓度是多少？此时塔顶、塔底的传质推动力是多少？（4）如果出塔溶液浓度为3%（mol%)，此时的溶剂用量为多少？（5）试绘出（3）、（4）两种情况的操作线示意图，分析要达到同样分离要求，哪种情况所需的传质面积大？第16页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算两塔联合操作的操作线aX1abY1aY2aY2bY1bX1bX2bX2aXYY*=f(X)X1aY1aX2bX1bY2aY2bX2aY1b=ab第17页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算Y2bX2bX2aX1aX1bY1bY2aY1aY*=f(X)XYY1aY2aY1b=Y2bX2bX2aX1aX1bab两塔联合操作的操作线第18页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算L,X1X2=0Y2=0.003Y1=0.03X2’0.5L有循环的操作线V=100kmol/hL=100kmol/hX=0.0151.有循环的操作线2.循环点在x=0.015处的操作线x1→x2’→操作线Y*=f(X)X1X2Y1Y2X2’X=0.015YXX2*第19页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算例2.在常压下用纯溶剂吸收某混合气中的溶质。已知：入塔气体溶质浓度为5%（mol%)，出塔气体浓度1%。操作条件下的平衡关系为：

Y*=35X。试求：（1）逆流及并流时的最小液气比；（2）压强升高至原来的3倍时，逆流操作的液气比为原来的多少倍？第20页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算三、低浓吸收填料层高度的计算1.填料层高度的基本计算式GA——溶质吸收速率kmol/sNA——传质速率kmol/m2sF——传质面积m2V——填料体积m3a——填料的有效比表面积m2/m3Z——填料层高度mΩ——填料塔截面积m2第21页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算dZY+dYX+dXXX1,LX2,LY2,VYY1,V对dZ塔段进行物衡算：∵△≠const,NA≠const当NA选择不同表达式时，对全塔积分可推出不同的Z计算式：第22页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算当NA=KY(Y-Y*)时当NA=KX(X*-X)时第23页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算2.传质单元高度及传质单元数(1)传质单元高度传质单元高度=f(设备结构，操作条件）其数值大小反映设备传质性能的优劣。思考：传质单元高度受什么因素影响，反映什么？第24页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算求取方法一：已知体积传质系数时，由定义式求解。方法二：经验公式。方法三：实验测定。第25页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算(2)传质单元数其数值大小反映分离的难易程度NOG↑,物系就越难分离。第26页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算一个传质单元取（Y-Y*)=constY’Y”Z=HOG第27页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算小结填料层高度计算通式Z=HN一定T,P当低浓吸收，且K=const第28页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算一定T,P当低浓吸收，且k=const第29页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算3.传质单元数NOG的求取(1)平衡线段为直线A基本式思路：利用操作线关系和相平衡关系，找出Y与

Y-Y*之间的关系积分即可平衡关系操作线关系第30页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算第31页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算B平均推动力法C吸收因子法第32页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算清水已知：D=880mm,Z=6m,Vs=2000m3/h,y1=5%,y2=0.263%,a1=6.12%,Y*=2.0X，25℃，常压。试求：（2）每小时能吸收多少丙酮（3）若保持气液流量不变，将填料层高度再增加3m，问能多吸收多少丙酮？（1）总传质系数X16mY2’Y13mY2第33页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算令：A=L/mV——吸收因子S=mV/L——解吸因子纯溶剂吸收时第34页，共82页，2023年，2月20日，星期三第35页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算小结低浓吸收平衡线段为直线，使K=const。适用于已知四个浓度和平衡关系时。适用于操作型问题分析。不需要X1。第36页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算讨论从经济性上看（1）图的走势NOG第37页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算（2）如何提高吸收程度增大溶剂用量，可有效提高吸收效果。但要慎用。降低操作温度、升高操作压力，或降低吸收剂入塔浓度均可提高吸收效果。Y*=mXX1*X2XYY2’Y2Y1L’LY*=mXY*=m’XXX2’X1YY1Y2*Y2’*X2第38页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算例3.逆流吸收塔中用纯溶剂进行低浓度吸收操作，其操作线如图所示。若其它条件不变，而系统温度降低（设T对m的影响远大于kYa，kXa),

则：（1）HOG；Y2；X1将如何变化？（2）请画出操作线示意图。第39页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算分析：平衡线将下移X1YY2X第40页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算第41页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算第42页，共82页，2023年，2月20日，星期三例2：某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮一空气混合物中的丙酮，操作液气比L/V=2.1时，丙酮回收率可达到φ=0.95。已知物系的浓度较低，操作条件下的平衡关系为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，而与

L无关。（温度、压强不变）试求：（1）如V’=1.2V，L，X2，Y1不变,φ’=？

ΔYm有何变化？（2）欲将丙酮回收率由原来的0.95提高至0.98，若其他操作条件不变，仅增大吸收剂用量，L’/L=?§2-2低组成气体吸收的计算第43页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2低组成气体吸收的计算解：原工况下：新工况下(1)（本题关键）第44页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算（2）因为：气膜控制KYa与L无关试差求解或者：查图2-18第45页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2低组成气体吸收的计算例：在一填料塔内吸收某低浓混合气中溶质，现入塔溶剂中溶质浓度增大，其他操作条件不变，则出塔气、液组成将如何变化？X1X2Y2Y1L/V分析1.T、P不变，则平衡关系?m?2.T、P、流量不变，则KYa、KXa?3.HOG?4.NOG?可用关系NOG~mV/L~(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*)物料衡算Y2?第46页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算X1?简化分析法：X1?第47页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算例：在一填料塔中用清水吸收空气中氨，若用水量增大，其他条件不变，则Y2,X1如何变化？X1X2Y2Y1L/V分析1.T、P不变，则平衡关系?m?2.易溶体系，？控制？则KYa、KXa?3.HOG?4.NOG?由：NOG~mV/L~(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*)Y2?物料衡算式？从传质推动力角度考虑：画图，看看X1？第48页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算例：在一填料塔中吸收低浓度气体，若用气量增大，要求吸收率不变，按比例增大吸收剂用量可行吗？X1X2Y2Y1L/V分析1.T、P不变，则平衡关系?m?2.V↑，L

↑,则KYa、KXa?3.HOG?4.NOG?由：NOG~mV/L~(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*)Y2?结论：要维持吸收率不变，需增大L。第49页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算（2）平衡线为曲线A图解积分法∵平衡线不为直线，KYa≠const第50页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算YY2Y1YY1iYiXX1X(Xi,Yi)X2(X1i,Y1i)YY2…Y…Y1YiY2i…Yi…Y1i……图解积分0Y2Y1Y第51页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算当气膜控制时:KYa=const同理：将Y换成Y*按同样方法图解积分即可。第52页，共82页，2023年，2月20日，星期三§6-2

低组成气体吸收的计算B.数值积分法已知：kYa，kXa，Y1，Y2，X1，X2及Y*=f(X)令Y=(Y1-Y2)/nYj=Y2+jY物料衡算Xj由j:0~nYi利用辛普森公式：第53页，共82页，2023年，2月20日，星期三§6-2

低组成气体吸收的计算C.近似梯级法FTyXT*HH*A*AF’操作线辅助线平衡线操作线平衡线辅助线做适用于气膜控制及平衡线平缓情况。第54页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算D.分段法Y1*YX2X1XY2Y1Y*YNOG1YY2…Y…Y1Y*Y2*…Y*…Y1*NOG1NOG2NOG3…NOGn适用于气膜控制系统第55页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算例：已知一填料吸收塔中的填料层高度为6m，拟用洗油逆流吸收煤气中的苯，V/=200kmol(B)/m2.h、Y1=0.02；X2=0、L/

=40kmol(S)/m2·h。KYa=0.05kmol/m2·s，且于L无关，Y*=0.13X。要求吸收率不小于0.95。问该塔能否满足要求。第56页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算解：Y2=Y1(1-A)Y2=0.001；X1=V(Y1-Y2)/L+X2=0.095Y1=Y1-mX1=0.00765；Y2=Y2-mX2=0.001Ym=(Y1-Y2)/ln(Y1/Y2)=0.00327NOG=(Y1-Y2)/Ym=5.81S=m/(L/V)=0.65；X2=0；A=ANOG=(1/(1-S))ln[(1-S)(1/(1-A))+S)=5.7HOG=[(V/)/3600]/(KYa)=1.11mZ’=HOGNOG=6.5(6.33)m>6m所以：该吸收塔不能完成生产任务。第57页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算四、理论板层数NT求取1.理论板：离开该板的两相达平衡。HETPYnYnXn+1Xn+1Yn-1Yn-1XnXnn板式塔填料塔HETP——等板高度。第58页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算Yj-2V,Ybj-1jV,YtL,XtL,Xbj=NTj=1Yj-1Xj-1Xj2.理论板数的求取（1）逐板计算法已知：平衡关系Y*=f(X)板式塔的操作线方程：反映相邻两板气、液相组成间的关系。j——塔板序号第59页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算方法：操作线平衡线操作线平衡线操作线平衡线由:Yb=Y0X1=XbXNY1YNX2…YN-1YN≤YtNT=N当：YN=Yt当：YN＜Yt使用一次平衡关系，就是一块理论板已知：第60页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算YtYbXYY*=f(X)XtXb①②abc第61页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-2

低组成气体吸收的计算（2）解析法当平衡线段为直线时：即Y*=mX+B交替使用平衡关系及操作线关系得:注意NOG与NT

的区别联系：第62页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-3传质系数主要介绍：吸收系数的实验测定、经验公式、准数关联式。

传质系数=f(物性参数、操作条件、设备结构)1.吸收系数的实验测定试构造一个适当的实验系统，测定填料塔的传质性能及指定物系的传质系数。第63页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-3传质系数2.收系数的经验公式对特定的设备，在一定的操作条件下，直接通过实验测定得到的传质系数随重要操作条件变化的关系。（1）用水吸收氨：.kGa=6.0710-4G0.9W0.39

kGa：气膜体积吸收系数(kmol/(m3·h·kPa))。G：气相的空塔质量流速(kg/m2.s)。W：液相的空塔质量流速(kg/m2·s)。公式使用条件：1）在填料塔中用水吸收氨；2）直径为12.5mm的陶瓷环填料。第64页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-3传质系数（2）常压下用水吸收二氧化碳

kLa=2.57U

0.96，

kLa：液膜体积吸收系数kmol/m3·h·kPa。

U：喷淋密度（单位时间内喷淋在单位塔截面积上的液体体积m3/m2·h)。公式使用条件：1）常压下填料塔中用水吸收二氧化碳；2）直径10~32mm的陶瓷环；3）U=3~20m3/m2·h；4）G=130~580kg/m2·h；5）21~27℃.第65页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-3传质系数相关准数：(1)施伍德准数(Sherwood)——反映传质影响3.吸收系数的准数关联(2)施密特准数(Schmidt)——反映物性影响(3)雷诺准数——反映流动因素影响第66页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-3传质系数(4)伽利略准数（Gallilio）准数——反映重力及粘性力综合影响例1计算气膜吸收系数的准数关联式：第67页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-4解吸及其它情况下的吸收一、解吸（脱吸）（1）气提（通入惰性气体）（2）通入过热水蒸汽（3）减压1.定义及目的（1）解吸——吸收的逆过程。（2）目的——回收溶质或再生溶剂。2.解吸方法第68页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-4解吸及其它情况下的吸收吸收液再生溶剂载气V,Y2L,X2L,X1V,Y13.解吸计算内容（1）加入载气用量V（2）解吸塔高度4.解吸计算（1）载气用量V

解吸的操作线第69页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-4解吸及其它情况下的吸收Y1*YX2Y1X1Y2X直线，过（X2,Y2)(X1,Y1)两点（操作线与平衡线相交时）Y1’（操作线与平衡线相切时）V=倍数Vmin第70页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-4解吸及其它情况下的吸收（2）填料层高度计算适用于：低浓传质，平衡线段为直线时第71页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-4解吸及其它情况下的吸收平衡线为曲线时NL求取方法图解积分数值积分近似梯级法分段法第72页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-4解吸及其它情况下的吸收例如图所示的吸收与解吸联合操作。在吸收塔内用煤油吸收混合气体中的苯，原料气中苯的浓度为Y1=0.02,在吸收塔操作条件下Y*=0.125X，L/V=0.16,洗油的入塔浓度为X2=0.005,出塔尾气中苯的残余浓度为Y2=0.001,吸收过程为气膜控制过程。解吸塔中用水蒸汽解吸，Y*=3.16X，L/V=0.365,为液膜控制过程。现欲将Y2降到0.0005,试问:保持洗油入塔浓度而增大L/V能否达到要求;或保持L不变,而降低洗油入塔浓度,解吸塔的蒸汽量需增加多少?第73页，共82页，2023年，2月20日，星期三§2-4解吸及其它情况下的吸收Y*=0.125XY*=3.16XY1=0.02L/V=0.16L/