化工原理-ppt课件-气体吸收

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1、化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 第五章第五章 气体吸收气体吸收Gas Absorption化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 化工生产中所处理的原料、中间产品、粗产品等几乎都是化工生产中所处理的原料、中间产品、粗产品等几乎都是混合物，而大部分是混合物，而大部分是均匀物系均匀物系。为进一步加工和使用，常需要将这些混合物分离为纯净或为进一步加工和使用，常需要将这些混合物分离为纯净或几乎几乎纯态纯态

2、的物质。的物质。对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各对于均相物系必须要造成一个两相物系，利用原物系中各组分间某种组分间某种物性的差异物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分），而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。从一相转移到另一相，以达到分离的目的。物质在相间转移的过程称为物质在相间转移的过程称为物质传递过程物质传递过程（简称简称为为传质过传质过程程）。）。化学工业中常见的传质过程有化学工业中常见的传质过程有蒸馏蒸馏、吸收吸收、干燥干燥、萃取萃取和和吸附吸附等单元操作。等单元操作。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of C

3、hemical and Materials Engineering 5.1 概述（概述（Introduction）w 利用混合气体中各组分利用混合气体中各组分(component)在某液体溶剂中的在某液体溶剂中的溶解度溶解度(solubility)的差异的差异而分离气体混合物的单元操作而分离气体混合物的单元操作称为称为吸收吸收。吸。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或，不溶或难溶组分仍留在气相难溶组分仍留在气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。，从而实现混合气体的分离。气体吸收是混合气气体吸收是混合气体中某些组分在

4、气液体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相界面上溶解、在气相和液相内由相和液相内由浓度差浓度差推动的传质过程。推动的传质过程。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 化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 概述概述（Introduction）w 吸收质或溶质吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，以A表示。w 惰性气体惰性气体(inert gas)或载体或载体：不溶或难溶组分，以B表示。w 吸收剂吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S

5、表示。w 吸收液吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。w 吸收尾气吸收尾气(dilute gas)：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。w 吸收过程在吸收塔吸收塔中进行，逆流逆流操作吸收塔示意图如右所示。吸收塔混合尾气混合尾气(A+B)吸收液吸收液(A+S)吸收剂吸收剂(S)吸收尾气吸收尾气(A+B)化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 一、吸收操作的用途一、吸收操作的用途：w(1)制取产品制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得

6、产品用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林溶液，用水吸收氯化氢制盐酸等用水吸收氯化氢制盐酸等。w(2)分离混合气体分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态丙烯还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来。w(3)气体净化气体净化 一类一类是原料气

7、的净化，即除去混合气体中是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质的杂质，如合成氨原料气脱，如合成氨原料气脱H2S、脱脱CO2等；等；另一类另一类是尾是尾气处理和废气净化以保护环境气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除硝酸尾气脱除NO2等。等。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 1.根据溶质与溶剂是否反应：根据溶质与溶剂是否反应：物理吸收物理吸收和和化学吸收化学吸收2.根据热效应：根据热效应：非等温吸收非等温吸收和和等温吸收等温

8、吸收3.根据被吸收溶质的数目：根据被吸收溶质的数目：单组分吸收单组分吸收和和多组分吸收多组分吸收4.根据操作压力：根据操作压力：常压吸收常压吸收和和加压吸收加压吸收5.根据溶质的浓度不同：根据溶质的浓度不同：低浓度吸收低浓度吸收和和高浓度吸收高浓度吸收BA惰性气体溶质气相SA吸收剂溶质液相二、吸收操作分类二、吸收操作分类化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering w 物理吸收物理吸收(physical absorption)：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

9、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。w 化学吸收化学吸收(chemical absorption)：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。w 单组分吸收单组分吸收：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。w 多组分吸收多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。w 非等温吸收非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。w 等温吸收等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。w 低浓度吸收低浓度吸收：溶质在气液两相

10、中的摩尔分数不超过0.1。本章主要研究：本章主要研究：常压、等温、单组分、低浓度物理吸收常压、等温、单组分、低浓度物理吸收化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 水水粗苯粗苯水水直接蒸汽直接蒸汽焦炉煤气焦炉煤气脱苯煤气脱苯煤气贫油贫油富油富油吸吸收收塔塔解解吸吸塔塔换换热热器器冷冷却却器器冷却冷却-冷凝器冷凝器吸收液贮槽吸收液贮槽脱吸液贮槽脱吸液贮槽从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图从焦炉煤气中回收粗苯的流程示意图三、吸收的流程三、吸收的流程化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department

11、of Chemical and Materials Engineering 从合成氨原料气中回收从合成氨原料气中回收CO2的流程的流程化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 必须解决问题：必须解决问题：1、选择合适的吸、选择合适的吸收剂（收剂（溶剂溶剂）；）；2、提供合适的气、提供合适的气液传质液传质设备设备；3、吸收剂的、吸收剂的再生再生循环使用。循环使用。吸收塔解吸塔工业吸收过程工业吸收过程吸收剂应具有的吸收剂应具有的特点特点：溶解度：大溶解度：大 敏感性：好敏感性：好 选择性：高选择性：高 蒸

12、汽压：低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）蒸汽压：低（不易挥发，减少溶剂损失，避免在气体中引入新的杂质）粘粘 度：低（利于传质及输送）度：低（利于传质及输送）比比 热：小（再生时耗热量小）热：小（再生时耗热量小）发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积）发泡性：低（以免过分限制气速而增大塔的体积）腐蚀性：低（减少设备费和维修费）腐蚀性：低（减少设备费和维修费）安全性：好（避免易燃易爆）安全性：好（避免易燃易爆）经济性：易得到、易再生经济性：易得到、易再生T、p，有利于有利于吸收吸收；T、p ，有利于有利于解吸解吸四、溶剂选择四、溶剂选择化工与材料工程学院化工与材料工程学院-

13、Department of Chemical and Materials Engineering 5.2 吸收过程的相平衡关系吸收过程的相平衡关系 气体吸收是一种典型的气体吸收是一种典型的相际间的传质相际间的传质过过程，气液相平衡关系是研究气体吸收过程的程，气液相平衡关系是研究气体吸收过程的基础，该关系通常用气体在液体中的基础，该关系通常用气体在液体中的溶解度溶解度及及亨利定律亨利定律表示。表示。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 5.2.1 气体在液体中的溶解度气体在液体中的溶解度 气体溶解示

14、意图气体溶解示意图 如果把氨气和水共同封存在容器中，令如果把氨气和水共同封存在容器中，令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速入液相的速率便等于

15、它从液相返回气相的速率率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，相际动平衡，简称简称相平衡相平衡或或平衡平衡。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 气体的溶解度气体的溶解度w 在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一一一对应对应关系。关系。w 平衡状态下气相中溶质的分压平衡状态下气相中溶质的分压称为称为平衡分压平衡分压或或饱和分压饱和分

16、压，与之，与之对应的液相浓度对应的液相浓度称为称为平衡浓度平衡浓度或气体在液体中的或气体在液体中的溶解度溶解度。这时这时溶液已经溶液已经饱和饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的气体在液相中的饱和浓度饱和浓度，习惯上习惯上以单位质量（或体积）的液以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。达到的极限程度。w 在一定温度下达到平衡时，在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增溶液的浓度随气体压力的增加而增加加。如果要使

17、一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。在溶液上方维持较高的平衡压力。w 气体的溶解度与温度有关，一般来说，气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解温度下降则气体的溶解度增高度增高。气体的溶解度气体的溶解度 1.对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度升高而减小；对同一溶质，在相同的气相分压下，溶解度随温度升高而减小；2.对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。对同一溶质，在相同的温度下，溶解度随气相分压的升高而增大。加压加压和和降温降温有利于吸收操作，反之，有利于吸收操作，

18、反之，减压减压和和升温升温有利于解吸操作。有利于解吸操作。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 溶解度曲线溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。相中的浓度的关系曲线。溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa

19、1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC在相同条件下，在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较在水中的溶解度较 SO2 大得多。大得多。用水作吸收剂时，称用水作吸收剂时，称 NH3 为为易溶气体易溶气体，SO2为为中等溶解气体中等溶解气体，溶解度更，溶解度更小的气体则小的气体则为为难溶气体难溶气体(如如O2 在在 30 和溶质的分压为和溶质的分压为 40kPa 的条件下，的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为水中溶解的质量仅为 0.014g)。5.2.2 亨利定律（亨利定律（Henrys law）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当总压不

20、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。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：式中：p*溶质在气相中的平衡分压，溶质在气相中的平衡分压，kPa；x 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。ExpA*亨利定律亨利定律 亨利系数的值随物系的特性及温度而异；亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，物系一定，E 值一般随温度的上升而增大；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；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，难溶气体在同一

21、溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体值很大，易溶气体 E 值很小；值很小；E 的单位与气相分压的压强单位一致。的单位与气相分压的压强单位一致。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 亨利定律其它表示方法亨利定律其它表示方法 当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有：换算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有：cA 溶质在液相中的摩尔浓度，溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；H 溶解度系数溶解度系数

22、；kmol/(m3 kPa)，随温度升高而减小，易溶气体的，随温度升高而减小，易溶气体的H值很大，而难溶气体的值很大，而难溶气体的H值很小。值很小。AAcHp1*（1）气相组成用溶质）气相组成用溶质A的分压的分压PA*,液相组成用物质的浓度液相组成用物质的浓度cA表示：表示：溶解度系数可视为在一定温度下溶质气体分压为溶解度系数可视为在一定温度下溶质气体分压为1kPa的平衡浓度。的平衡浓度。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering y*与组成为与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；的液相呈平

23、衡的气相中溶质的摩尔分数；m 相平衡常数相平衡常数，m值越大，表明该气体的溶解度越小；值越大，表明该气体的溶解度越小；mxy*（2）气、液相组成分别用溶质）气、液相组成分别用溶质A的摩尔分数的摩尔分数y、x表示：表示：化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 三个比例系数之间的关系：三个比例系数之间的关系：（1）H与E的关系ExpA*AAcHp1*ExcHA溶液的总浓度溶液的总浓度 cm=kmol（溶质）（溶质）+kmol（溶剂）（溶剂）m3溶质的浓度溶质的浓度 cA=cm xMcLM溶液密度，kg/

24、m3溶液的平均分子量，kg/kmol化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 由于溶液很稀，即溶质很少，故溶液的密度可近似用溶剂的密由于溶液很稀，即溶质很少，故溶液的密度可近似用溶剂的密度代替，即度代替，即sLSMM xccMcmASSm溶液的平均摩尔质量可用溶液的平均摩尔质量可用溶剂溶剂的摩尔质量代替，即的摩尔质量代替，即xMcSSASSEMH化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering PEm xpEy*（3

25、）E与m的关系由理想气体的分压定律由理想气体的分压定律:ExpypA*mxy*化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 亨利定律亨利定律 在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比摩尔比 Y（或或 X）表示组成。表示组成。以摩尔比表示组成的相平衡关系以摩尔比表示组成的相平衡关系 X 溶质在液相中的摩尔比浓度；溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*与与X 呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。呈平衡的气相中溶质的摩尔比浓度。当溶液的当溶液的浓度很低浓度很低时，时，m 趋

26、近趋近 1 或当或当 X 很小时很小时yyBAY1的摩尔数气相中惰气的摩尔数气相中溶质xxSAX1的摩尔数液相中溶剂的摩尔数液相中溶质XmmXY)1(1*mXY*化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 5.2.3 吸收过程相平衡关系吸收过程相平衡关系应用应用（1）判断传质方向判断传质方向:y*=mx x*=y/m 若若 y y*，吸收过程吸收过程 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 y x（不是传质推动力，因为

27、不同相不是传质推动力，因为不同相)x*-x 0,pA-pA*0，cA*-cA 0 解吸：解吸：y*-y 0，x-x*0，pA*-pA 0，cA-cA*0（3）确定传质过程极限确定传质过程极限 y-y*0为为吸收过程，吸收过程，x，当，当x x*时，达到最大时，达到最大化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 例：在总压例：在总压101.3kPa、温度温度303K下，含下，含SO2为为0.105（摩尔分数）的气体与含（摩尔分数）的气体与含SO2为为0.002的水溶液相遇，的水溶液相遇，已知平衡关系为已知

28、平衡关系为y*=46.5x。问：会发生吸收还是脱吸？问：会发生吸收还是脱吸？解：从气相分析解：从气相分析 y y*=46.5x=46.5=46.5x=46.50.002=0.093y=0.1050.002=0.093x=0.002=y/46.5=0.105/46.5=0.0023x=0.002结论同上。结论同上。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 5.3 5.3 吸收传质机理与吸收速率吸收传质机理与吸收速率 w 平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入

29、液相这个问题，至于液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法进入液相速率大小，却无法解决解决，后者属于传质的，后者属于传质的机理问题机理问题。本节的内容是。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。备的依据。w 气体吸收气体吸收是溶质是溶质先从先从气相主体气相主体扩散到气液扩散到气液界面界面，再从气液界面扩散到再从气液界面扩散到液相主体液相主体的传质过程。的传质过程。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical

30、 and Materials Engineering 5.3.1 气液相际传质理论气液相际传质理论相对于气相浓度相对于气相浓度 y 而言，而言，液相浓度欠饱和液相浓度欠饱和(xy*)，溶质溶质 A 由气相由气相向液相转移。向液相转移。气、液相浓度气、液相浓度(y,x)在在平平衡线上方衡线上方(P点点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论结论：若系统气、液相浓度：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即发生从气相到液相的传质，即吸收过程吸收过程。x*释放溶质吸收溶质化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chem

31、ical and Materials Engineering 相对于气相浓度而言相对于气相浓度而言实际液相浓度过饱和实际液相浓度过饱和(xx*)，故液相有释放，故液相有释放溶质溶质 A 的能力。的能力。相对于液相浓度相对于液相浓度 x 而言而言气 相 浓 度 为 欠 饱 和气 相 浓 度 为 欠 饱 和(y 1/（H kL），），KGkGxyykmkK11溶解度H很大，m很小，1/kym/kx举例：氯化氢溶于水或稀盐酸中；氨溶解于水或稀氨水中；浓硫酸吸收水蒸汽举例：氯化氢溶于水或稀盐酸中；氨溶解于水或稀氨水中；浓硫酸吸收水蒸汽传质阻力集中于气膜中，称为气膜阻力控制或传质阻力集中于气膜中，称为气

32、膜阻力控制或气膜控制气膜控制。传质速率方程：LGG111HkkK化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 三点说明：三点说明：1.气膜控制时，液相界面浓度气膜控制时，液相界面浓度cicAL（液相主体溶质（液相主体溶质A的浓度），气膜的浓度），气膜推动力（推动力（PAG-Pi）（PAG-P*）(气气相总推动力相总推动力)；2.溶解度系数溶解度系数H很大时，平衡线斜率很大时，平衡线斜率很小。此时，较小的气相分压（很小。此时，较小的气相分压（或浓度）能与较大的液相浓度或浓度）能与较大的液相浓度cA*相平衡；

33、相平衡；3.气膜控制时，要提高总传质系数气膜控制时，要提高总传质系数，应，应加大气相湍流加大气相湍流程度。程度。0EicipGpLccpPI*Lp（a)气膜控制气膜控制 化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering（2）难溶气体（液膜控制）难溶气体（液膜控制）H ，H/kG，H/kG 1 。漂流因数可表示为 P/PBm，它反映 由于总体流动使传质速率比单纯分子扩散增加的比率。4一般来说，两组份的等分子反相扩散体现在 精流 单元操作中，而A组份通过B组份的单相扩散体现在 吸收 操作中。10分子扩散中菲克定律

34、的表达式为，气相中的分子扩散系数D随温度升高而增大（增大、减小），随压力增加而减小（增大、减小）。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 5.易溶气体溶液上方的分压 小 ，难溶气体溶液上方的分压 大 ，只要组份在气相中的分压 大于 液相中该组分的平衡分压，吸收就会继续进行。6.某低浓度气体吸收过程，已知相平衡常数m=1 ，气膜和液膜体积吸收系数分别为kya=210-4kmol/m3.s,kxa=0.4 kmol/m3.s,则该吸收过程及气膜阻力占总阻力的百分数分别为 气膜控制，约100%；该气体为

35、易 溶气体。二、选择1 根据双膜理论，当被吸收组分在液相中溶解度很小时，以液相浓度表示的总传质系数 B 。A大于液相传质分系数 B 近似等于液相传质分系数C小于气相传质分系数 D 近似等于气相传质分系数2 单向扩散中飘流因子 A 。A 1 B 1 C =1 D 不一定3 已知SO2水溶液在三种温度t1、t2、t3下的亨利系数分别为E1=0.0035atm、E2=0.011atm、E3=0.00625atm，则AA t1t2 C t1t2 D t3t1A 增大 B 减小 C 不变 D 不能判断化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materi

36、als Engineering 计算题：含氨极少的空气于101.33kPa，20被水吸收。已知：气膜传质系数 kG=3.1510-6kmol（m2skPa）；液膜传质系数 kL=1.8110-4 kmol（m2skmol/m3）；溶解度系数 H=1.5kmol（m3kPa）。气液平衡关系服从亨利定律。求：气液相总传质系数KG、KY；液相总传质系数KL、KX。解：物系的气液相平衡关系服从亨利定律。GGkkPasmkmolKHkkKK)/(10089.31024.311126G5LGG故：此物系中氨极易溶于水，溶解度非常大，属气膜控制。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department o

37、f Chemical and Materials Engineering 此系统属低浓度气体吸收。)/(1016.1/6.55ccK)/(1008.210815.41)/(kmol1013.3243X32654GsmkmolKmkmolMcKmkmolsmkmolKkHkKsmPKKXssLLGLLY：可按纯溶剂（水）计算由于溶液浓度极稀，对低浓度气体吸收，化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 5.4 5.4 低浓度气体吸收塔的计算低浓度气体吸收塔的计算化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的

38、不同，化工单元设备的计算，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。一般可分为设计型计算和操作型（校核型）计算两大类。设计型计算设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任：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。务要求的单元设备。操作型计算操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。完成的任务。两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法和步骤有些不同而已。体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔本

39、章着重讨论吸收塔的设计型计算的设计型计算，而操作型计算则通过习题加以训练。，而操作型计算则通过习题加以训练。吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设设计出计出能完成此分离任务所需的能完成此分离任务所需的吸收塔吸收塔。吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 已知：处理气量及初、终浓度、相平衡已知：处理气量及初、终浓度、相平衡 关系关系求：（求：（1）溶剂的用量及吸收液浓度）溶剂的用量及吸收液浓度 （2）填料塔的填料层高度）填料

40、塔的填料层高度 （3）吸收塔塔径）吸收塔塔径 吸收（或解吸）塔的计算吸收（或解吸）塔的计算22,yG22,xL11,yG11,xLyG,xL,吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 吸收过程既可采用板式塔又可采用填料塔。吸收过程既可采用板式塔又可采用填料塔。本章重点讨论连续本章重点讨论连续接触的接触的填料填料吸收塔。吸收塔。填料塔内气液两相流动：填料塔内气液两相流动：逆流逆流和和并流并流。逆流的优点：逆流的优点：（1）在两相进出口浓度相

41、同的条件下，逆流的）在两相进出口浓度相同的条件下，逆流的平均推动力大平均推动力大于于并流。并流。（2）逆流时，下降至塔底的液体刚好与进入塔内的混合气接触）逆流时，下降至塔底的液体刚好与进入塔内的混合气接触，有利于提高液体浓度，可，有利于提高液体浓度，可减少吸收剂用量减少吸收剂用量。（3）上升至塔顶的气体与刚刚进塔的新鲜吸收剂接触，有利于）上升至塔顶的气体与刚刚进塔的新鲜吸收剂接触，有利于降低出塔气体的浓度，可降低出塔气体的浓度，可提高提高溶质的溶质的吸收率吸收率。逆流的缺点：逆流的缺点：向下流的液体受到上升气体的作用力（曳力），会阻碍液体下向下流的液体受到上升气体的作用力（曳力），会阻碍液体下

42、流，因而限制了允许的液体和气体的流量。流，因而限制了允许的液体和气体的流量。设计恰当，可以克服这一缺陷，设计恰当，可以克服这一缺陷，一般吸收操作多一般吸收操作多采用逆流采用逆流。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 在许多工业生产过程中，当进塔的混合气体中在许多工业生产过程中，当进塔的混合气体中的溶质浓度不高（的溶质浓度不高（510%），通常称为），通常称为低浓度低浓度气体吸收气体吸收。低浓度气体吸收的低浓度气体吸收的特点特点：（1）G、L可视为可视为常量常量；（2）吸收过程是在）吸收过程是在等温

43、等温下进行；下进行；（3）传质系数为）传质系数为常数常数。使计算过程简化。使计算过程简化。吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 G2、G1组分组分(A+B)出塔、入塔气体流率，出塔、入塔气体流率，kmol(A+B)/(m2.s);L2、L1组分组分(A+S)入塔、出塔液体流率，入塔、出塔液体流率，kmol(A+S)/(m2.s);G、L通过塔任一截面的气、液流率，通过塔任一截面的气、液流率，kmol/(m2.s);y2、y1出出塔、入塔气体组成的摩尔分率塔、入塔气体组成的摩尔分率,kmol A/kmol(A+B);x2、x1入入塔、出塔液体组成的摩尔分率塔、出塔液体组成的摩尔分

44、率,kmol A/kmol(A+S);x、y通过塔任一截面的气、液组成。通过塔任一截面的气、液组成。塔底塔底5.4.1 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程22,yG22,xL11,yG11,xLyG,xL,吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶稀端稀端浓端浓端以逆流操作为例：或用字母表示塔顶和塔或用字母表示塔顶和塔底：底：a=2 ;b=1吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 22,yG22,xL11,yG11,xLyG,xL,吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端)1(),1(SBxLLyGGxxXyyY1,1全塔物料衡算式：全

45、塔物料衡算式：)1()1(2211ByGyGG)1()1(2211SxLxLL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惰性气体GB和溶剂LS量不变化)()(21S21BXXLYYG吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 22,yG22,xL11,yG11,xLyG,xL,吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算塔顶塔顶塔底塔底稀端稀端浓端浓端)()(22BXXLYYGS)(2BS2BSXGLYXGLY或或塔顶塔顶与任一截面间的物料衡算：与任一截面间的物料衡算：塔底塔底与任一截面间的物料衡算：与任一截面间的物料衡算：)()(11BXXLYYGS)(1BS1BSXGL

46、YXGLY或或吸收操作线方程实际上是实际上是等效等效的，逆流吸收塔操的，逆流吸收塔操作线只有一条，在图中为一条直作线只有一条，在图中为一条直线，如图中线，如图中AB线所示。线所示。由全塔物料衡算可得由全塔物料衡算可得:)(2BS2BSXGLYXGLY)(1BS1BSXGLYXGLY)()(1BS12BS2XGLYXGLY故以上两式故以上两式:ERQBPA*Y*X0YXY1Y2YX2X X1摩尔比坐标系中的操作摩尔比坐标系中的操作线和平衡线线和平衡线)()(2121BXXLYYGS吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 ERQBPA*Y*X0YXY1Y2YX2X X1摩尔比坐标系中

47、的操作摩尔比坐标系中的操作线和平衡线线和平衡线)(2BS2BSXGLYXGLY)(1BS1BSXGLYXGLY吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程稳定吸收条件下，稳定吸收条件下，Ls、GB、X1、Y2均为定值均为定值吸收操作线为一条直线，斜率为吸收操作线为一条直线，斜率为LS/GB，截距为截距为2BS2XGLY 吸收操作线方程描述了塔任意截吸收操作线方程描述了塔任意截面上气液两相浓度之间的关系。面上气液两相浓度之间的关系。ERQBPA*Y*X0YXY1Y2YX2X X1摩尔比坐标系中的操作摩尔比坐标系中的操作线和平衡线线和平衡线操作线通过操作线通过A（X2，Y2）和点）和点

48、(X1,Y1);点点A代表塔顶的状态；代表塔顶的状态；点点B代表塔底的状态；代表塔底的状态；AB为操作线。为操作线。由于吸收过程气相中的溶质分压由于吸收过程气相中的溶质分压总大于液相溶质的平衡分压总大于液相溶质的平衡分压吸收操作线吸收操作线AB总在平衡线的上方总在平衡线的上方吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 用用摩尔比表示的传质速率方程：摩尔比表示的传质速率方程：)()1)(1()11()(*AYYYYKYYYYKyyKNyyy)(*AYYKNY以气相摩尔比差为推动力的总传质系数，以气相摩尔比差为推动力的总传质系数，kmol/(m2.s)(*AXXKNX以以液相摩尔比差为推

49、动力的总传质系数，液相摩尔比差为推动力的总传质系数，kmol/(m2.s)当当为为低低浓度吸收浓度吸收时，时，GBG，LSL，Yy，Xx，)()(22xxLyyG)(22xGLyxGLy或或121yyy 吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程)()(22BXXLYYGS取决于气液两相的流量取决于气液两相的流量L、G、吸收塔内某截面、吸收塔内某截面上的气、液组成，与相平衡关系、塔型（板式或上的气、液组成，与相平衡关系、塔型（板式或填料）、相际接触情况以及操作条件无关填料）、相际接触情况以及操作条件无关。上式的应用的唯一条件：上式的应用的唯一条件：稳定连续逆流操作稳定连续逆流操作

50、。溶质的物料平衡关系溶质的物料平衡关系注意:）XGL（YXGLY22回收率（吸收率）回收率（吸收率）吸收塔设计计算中，吸收塔设计计算中，气体的处理量气体的处理量进塔气体的组成进塔气体的组成Y1吸收剂的入塔组成吸收剂的入塔组成X2分离要求分离要求一定一定确定吸确定吸收剂用收剂用量量分离要求：分离要求：（1）回收有用物质时，通常规定回收率（吸收率）回收有用物质时，通常规定回收率（吸收率）1211B21B)(YYYYGYYG进塔气体的溶质的量进塔气体的溶质的量被吸收的溶质的量被吸收的溶质的量（2）除去气体中的有害物质，一般直接规定气体中残余有害溶质的组成）除去气体中的有害物质，一般直接规定气体中残余

51、有害溶质的组成Y1吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 并流并流操作的吸收塔操作的吸收塔22,yG22,xL11,yG11,xLXEA0YY1Y2X2X1B)()(1221BXXLYYGS)()(11BXXLYYGS)()(22BXXLYYGS)(2BS2BSXGLYXGLY)(1BS1BSXGLYXGLY吸收塔的物料衡算与操作线方程吸收塔的物料衡算与操作线方程由全塔物料衡算式由全塔物料衡算式)(2211XGLYXGLY22,yG22,xL11,yG11,xLG=G2=G1=GBL=L2=L1=LS低浓度气体吸收低浓度气体吸收:吸 收 剂 用 量吸 收 剂 用 量 L s 或

52、液 气 比或 液 气 比 Ls/GB 在吸收塔的设计计算和在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要塔的操作调节中是一个很重要的参数。的参数。吸收塔的设计计算中，吸收塔的设计计算中，气体处气体处理量理量G，以及，以及进、出塔组成进、出塔组成 Y1、Y2 由设计任务给定，由设计任务给定，吸收剂吸收剂入塔组成入塔组成 X2 则是由工艺条件则是由工艺条件决定或设计人员选定。决定或设计人员选定。)(2211XGLYXGLY 选取的选取的 L/G ，操作线斜率，操作线斜率 ，操，操作线与平衡线的距离作线与平衡线的距离 ，塔内传，塔内传质推动力质推动力 ，完成一定分离任务，完成一定分离任务所需塔高所需

53、塔高 ；L/G ，吸收剂用量，吸收剂用量 ，吸收剂出，吸收剂出塔浓度塔浓度 X1 ，循环和再生费用，循环和再生费用 ；若若L/G ，吸收剂出塔浓度，吸收剂出塔浓度 X1 ，塔内传质推动力塔内传质推动力 ，完成相同任务，完成相同任务所需塔高所需塔高 ，设备费用，设备费用 。ERQBPA1YYY*Y2Y2XX1X*XX0分析分析)(2211XGLYXGLY化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 若减少吸收剂用量，操作线斜率若减少吸收剂用量，操作线斜率减小，向平衡线靠近（减小，向平衡线靠近（AB），），溶

54、液变浓，推动力减小，吸收困溶液变浓，推动力减小，吸收困难，气液接触面积必须增大，塔难，气液接触面积必须增大，塔高增大。高增大。若吸收剂用量减少到使操作线与若吸收剂用量减少到使操作线与平衡线相交（平衡线相交（C点），此处气液点），此处气液相浓度（相浓度（Y、X*）相平衡。推动）相平衡。推动力为零力为零,所需相际面积为无限大所需相际面积为无限大,是一种是一种达不到的极限达不到的极限。*1XCB1ERQBPA1YYY*Y2Y2XX1X*XX0摩尔比坐标系中的操作线和平衡线摩尔比坐标系中的操作线和平衡线此时所需的吸收剂用量此时所需的吸收剂用量称为称为最小吸收剂用量最小吸收剂用量，以，以Lmin表示。表

55、示。吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室*1XCB1ERQBPA1YYY*Y2Y2XX1X*XX0最小液气比（最小液气比（Limiting gas-liquid ratio）min()(1.1 2.0)()LLGG摩尔比坐标系中的操作线摩尔比坐标系中的操作线和平衡线和平衡线5.4.2 吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定塔底流出液组成与进塔混合气组成达到塔底流出液组成与进塔混合气组成达到平衡，这是理论上吸收液所能达到的最平衡，这是理论上吸收液所能达到的最高组成。高组成。适宜的液气比：适宜的液气比：Y*=f(X)确定合适的吸收剂用量确定合适的吸收剂用量是吸收塔设计计算的首要任务。是吸

56、收塔设计计算的首要任务。在气量在气量G一定的情况下，确定吸收剂用量也就是确定液气比一定的情况下，确定吸收剂用量也就是确定液气比GLGL具体步骤具体步骤：（1）确定最小液气比）确定最小液气比 （2）根据工程经验，确定适宜的液气比。）根据工程经验，确定适宜的液气比。min)(GL2*121min)(XXYYGL吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室*1XCB1ERQBPA1YYY*Y2Y2XX1X*XX0 摩尔比坐标系中摩尔比坐标系中 的操作线和平衡线的操作线和平衡线总费用总费用=设备费设备费+操作费操作费（L/G），操作线斜率操作线斜率，传传质推动力质推动力，塔高（填料层高，塔高（

57、填料层高度）度），操作费用，操作费用，设备费用设备费用；（L/G），操作线斜率操作线斜率，传传质推动力质推动力，塔高（填料层高，塔高（填料层高度）度），操作费用，操作费用，设备费设备费用用；吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering Y1Y2X1X2X1,maxY*=f(X)2max,121minXXYY）GL（吉林化工学院化工原理教研室吉林化工学院化工原理教研室 讨论：讨论：1 1、相平衡关系、相平衡关系符合亨利定律符合亨利定律时，时，X1*=Y1/m当当X2=0时，时

58、，（清溶剂）（清溶剂）2 2、若为低浓度气体吸收（如无特别说明以后均为低浓度气体、若为低浓度气体吸收（如无特别说明以后均为低浓度气体吸收）吸收）2*121min)(xxyyGL吸收剂用量的确定吸收剂用量的确定用摩尔分数代替摩尔比，用摩尔分数代替摩尔比，公式形式不变公式形式不变21212*121min)(XmYYYXXYYGLmYYYmGL121min)(化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 塔径的计算塔径的计算uGD4D-吸收塔直径；吸收塔直径；m；G-操作条件下混合气体的体积流量，操作条件下混合

59、气体的体积流量，m 3/s;u-空塔气速（按空塔界面计算的混合气体线速度，空塔气速（按空塔界面计算的混合气体线速度，m/s）注意：注意：（1）计算塔径时，一般以塔底的气量为依据；）计算塔径时，一般以塔底的气量为依据；（2）计算出塔径后，需要按塔径的系列标准进行圆整。）计算出塔径后，需要按塔径的系列标准进行圆整。工业上标准塔径：工业上标准塔径：400mm、500mm、600mm、700mm、800mm、1000mm、1200mm、1600mm、2000mm计算塔径的计算塔径的关键关键在于确定适宜的空塔气速。在于确定适宜的空塔气速。化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of

60、Chemical and Materials Engineering 塔高的计算塔高的计算填料吸收塔的有效高度，指填料吸收塔的有效高度，指填料的高度填料的高度。填料高度的计算通常采用：填料高度的计算通常采用：（1）传质单元数法）传质单元数法 （2）等板高度法）等板高度法化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering 定义定义：吸收因子吸收因子（因数）：（因数）：A=L/（mG）或或 A=LS/（mGB）几何意义几何意义：操作线斜率与平衡线斜率之比：操作线斜率与平衡线斜率之比解吸因子解吸因子（因数）：（因数）

61、：S=mG/L 或或 S=mGB/LS（1）A1，则，则L/G 1，则，则L/G m y2，。在塔顶达到平衡。在塔顶达到平衡x2*，若若x2=0,max=1（3）A=1，则，则L/G=m 塔高无穷大时，全塔处处平衡，塔高无穷大时，全塔处处平衡，max=1填料层无穷高的吸收塔填料层无穷高的吸收塔化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering a 单位体积填料的单位体积填料的有效有效传质面积，传质面积，m2/m3；h 填料层高度，填料层高度，m；塔截面积（即填料层截面），塔截面积（即填料层截面），m2；D 塔直

62、径，塔直径，mhDahaaVA)4/(2Kya kmol/(m3.s)Ky kmol/(m2.s)5.4.4 有限高吸收塔填料层高度计算有限高吸收塔填料层高度计算气相总体积传质系数气相总体积传质系数气液两相的接触面积：气液两相的接触面积：A的影响因素：的影响因素：（1）设备的大小）设备的大小 （2）填料的特性）填料的特性 （3）流体流动状况）流体流动状况微元体积：微元体积：hd相界面面积：相界面面积：ddAah单位时间内由气相传入液相单位时间内由气相传入液相A的物质的量为：的物质的量为：AdAN dAN ahkmol(A)/s单位塔截面由气相传入液相单位塔截面由气相传入液相A的物质的量为：的物

63、质的量为：haNdAkmol(A)/(m2.s)单位塔截面单位塔截面气相传入液相的溶质气相传入液相的溶质=气相所失溶质气相所失溶质=液相所得溶质液相所得溶质h0yy+dyxx+dxhdhy2x2x1y1通过填料层微元高度的浓度通过填料层微元高度的浓度变化变化xLyGhaNdddA对单位塔截面对单位塔截面有限高吸收塔填料层高度计算有限高吸收塔填料层高度计算HdxaNLdyaNGhxxAyyA121212*yyyyyN OGdaKGHyOG气相总体积传质系数，气相总体积传质系数，kmol/（m3s）aKyOGOGNH、气相总传质单元高度气相总传质单元高度、总传质单元数、总传质单元数（1）)(*yy

64、KNyA)*12y（ydyaKGhyyyOGOGyyyNH）y（ydyaKGh12*12*xxxxxN OLdaKLHxOL液相总体积传质系数，液相总体积传质系数，kmol/（m3s）aKxOLOLNH、液相总传质单元高度液相总传质单元高度、总传质单元数、总传质单元数（2）)(*AxxKNx填料层高度传质单元高度填料层高度传质单元高度传质单元数传质单元数 OLOLxxxNHx）（xdxaKLh12*12*xxxx）（xdxaKLh化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering（3）12yyiyyyN Gda

65、kGHyG气相分体积传质系数，气相分体积传质系数，kmol/（m3s）akyGGNH、气相分传质单元高度气相分传质单元高度、分传质单元数、分传质单元数)(AiyyykN（4）)(AxxkNix12xxixxxN LdakLHxL液相分体积传质系数，液相分体积传质系数，kmol/（m3s）akxGGNH、液相分传质单元高度液相分传质单元高度、分传质单元数、分传质单元数GGyyiyNH）y（ydyakGh12LLxxixNHx）（xdxakLh12化工与材料工程学院化工与材料工程学院-Department of Chemical and Materials Engineering GG d()ba

66、yyyiGyhH Nk ayy（3）)(AiyyykN（4）)(AxxkNix LL d()baxxxiLxhH Nk axxh0yy+dyxx+dxhdhyaxaxbyb 通过填料层微元通过填料层微元 高度的浓度变化高度的浓度变化)(*AxxKNx（2）OLOL*d()baxxxLxhHNK axx（1）)(*AyyKNy OGOG*d()bayyyGyhHNK ayy有限高吸收塔填料层高度计算有限高吸收塔填料层高度计算（1）平均推动力法平均推动力法1、平衡线为直线、平衡线为直线令令 y=y-y*常数yyd)d(2121)yyyyyydd(0APBQREAByx2y1y2x1xyx 操作线和平衡线皆为操作线和平衡线皆为 直线时的总推动力直线时的总推动力)2121yyyyyyd(d*111yyy塔塔底气相总推动力底气相总推动力*222yyy塔顶气相总推动力塔顶气相总推动力传质单元数传质单元数的确定的确定12122121*yyyyyyyyyyyyyN OGdd212121yyyyyylnOGNmyyyN21OG)(m21OGOGyyyaKGNHhy2121lnyyyyym令令塔顶塔底推动