化工原理氣體吸收

1、第九章 氣 體 吸 收Gas Absorption吸收分離操作：利用混合氣體中各組分(component)在液體中溶解度(solubility)差異，使某些易溶組分進(jìn)入液相形成溶液(solution)，不溶或難溶組分仍留在氣相(gas phase)，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。吸收劑氣體yx界面氣相主體 液相主體 相界面氣相擴(kuò)散 液相擴(kuò)散 yi xi 氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內(nèi)由濃度差推動(dòng)的傳質(zhì)過(guò)程。吸收質(zhì)或溶質(zhì)(solute)：混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體(inert gas)或載體：不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑(absorbent)：吸收操作

2、中所用的溶劑，以S表示。吸收液(strong liquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質(zhì)A。吸收尾氣(dilute gas)：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質(zhì)A。 解吸或脫吸(desorption)：與吸收相反的過(guò)程，即溶質(zhì)從液相中分離而轉(zhuǎn)移到氣相的過(guò)程。(physical absorption)：吸收過(guò)程溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可視為單純的氣體溶解于液相的過(guò)程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等。化學(xué)吸收(chemical absorption)：溶質(zhì)與溶劑有顯著的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳、用稀硫

3、酸吸收氨等過(guò)程?；瘜W(xué)反應(yīng)能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但溶液解吸再生較難。 ：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計(jì)。多組分吸收：有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分被吸收。溶解熱：氣體溶解于液體時(shí)所釋放的熱量?；瘜W(xué)吸收時(shí)，還會(huì)有反應(yīng)熱。非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過(guò)程。：體系溫度變化不顯著的吸收過(guò)程。吸收操作的用途：(1) 制取產(chǎn)品 用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林液，碳化氨水吸收CO2制碳酸氫氨等。 (2) 分離混合氣體 吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達(dá)到分離目的。如從焦?fàn)t氣或城市煤

4、氣中分離苯，從乙醇催化裂解氣中分離丁二烯等。 (3) 氣體凈化 一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護(hù)環(huán)境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2，硝酸尾氣脫除NO2等。 吸收操作的流程： 圖9-1 選擇良好的吸收劑對(duì)吸收過(guò)程至關(guān)重要。但受多種因素制約，工業(yè)吸收過(guò)程吸收劑的選擇范圍也是很有限的，一般視具體情況按下列原則選擇。 (1) 對(duì)溶質(zhì)有較大的溶解度。溶解度，溶劑用量，溶劑再生費(fèi)用；溶解度，對(duì)一定的液氣比，吸收推動(dòng)力，吸收傳質(zhì)速率，完成一定的傳質(zhì)任務(wù)所需設(shè)備尺寸；(2) 良好的選擇性，即對(duì)待吸收組分的溶解度大，其余組分

5、溶解度度??；(3) 穩(wěn)定不易揮發(fā)，以減少溶劑損失；(4) 粘度低，有利于氣液接觸與分散，提高吸收速率；(5) 無(wú)毒、腐蝕性小、不易燃、價(jià)廉等。氣液兩相的接觸方式連續(xù)接觸(也稱微分接觸)：氣、液兩相的濃度呈連續(xù)變化。如填料塔。溶劑b 級(jí)式接觸a a 微分接觸圖9-2 填料塔和板式塔氣體溶劑氣體級(jí)式接觸：氣、液兩相逐級(jí)接觸傳質(zhì)，兩相的組成呈階躍變化。 如板式塔。散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料 吸收過(guò)程的氣液相平衡關(guān)系 氣體在液體中的溶解度 氣體吸收涉及到相際傳質(zhì)過(guò)程。對(duì)單組分物理吸收：相數(shù) = 2，組分?jǐn)?shù) = 3相律 F=-N+2 自由度 = 3，即在溫度、壓力和氣、液相組成四個(gè)

6、變量中，有三個(gè)獨(dú)立變量。在溫度和壓力一定的條件下，平衡時(shí)的氣、液相組成具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。平衡狀態(tài)下溶質(zhì)在氣相中的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，與之對(duì)應(yīng)的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解度。平衡問題：物質(zhì)傳遞的方向和限度；傳質(zhì)速率問題：傳質(zhì)推動(dòng)力和阻力。過(guò)程快慢的問題。相平衡：相間傳質(zhì)已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從宏觀上觀察傳質(zhì)已不再進(jìn)行。氣體在液體中的溶解度溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相和液相中的濃度的關(guān)系曲線。 圖9-3溶解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC1

7、20溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC在相同條件下，NH3 在水中的溶解度較 SO2 大得多。用水作吸收劑時(shí)，稱 NH3 為易溶氣體，SO2為中等溶解氣體，溶解度更小的氣體則為難溶氣體(如O2 在 30 和溶質(zhì)的分壓為 40kPa 的條件下，1kg 水中溶解的質(zhì)量?jī)H為 0.014g)。 亨利定律（Henrys law） 當(dāng)總壓不太高時(shí)，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即溶質(zhì)在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。式中： pA 溶質(zhì)在氣相中的平衡

8、分壓， 溶質(zhì)的溶解度； H 溶解度系數(shù)。 亨利定律 是物性，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定?？蓮挠嘘P(guān)手冊(cè)中查得是物性，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定?？蓮挠嘘P(guān)手冊(cè)中查得； H隨溫度變化而變化，一般地，隨溫度變化而變化，一般地，T ，H ； H越大，表明溶解度越大，越易溶越大，表明溶解度越大，越易溶； 單位 kmol/(m3Pa) 。AApHc Ac亨利定律（Henrys law） 當(dāng)氣、液相溶質(zhì)濃度用其它組成表示法表示時(shí)，通過(guò)濃度換算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有 y* 與組成為 x 的液相呈平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；c 溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；E 亨利系數(shù)；KPa； m 相平衡常數(shù)；mxy *三個(gè)比

9、例系數(shù)之間的關(guān)系：PEm ECH 式中 C為溶液的總濃度（kmol/m3）。對(duì)于稀溶液，因溶質(zhì)的濃度很小，因此 c L / ML = s / Ms ，其中 L代表 溶液，S代表溶劑。 LLMc三個(gè)比例系數(shù)與溫度的關(guān)系？AAExp*AAHpc 相對(duì)于氣相濃度 y 而言，液相濃度欠飽和(xy*)，溶質(zhì) A 由氣相向液相轉(zhuǎn)移。氣液相際傳質(zhì)過(guò)程的方向、限度及推動(dòng)力 氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)在平在平衡線上方衡線上方(P點(diǎn)點(diǎn))：yxoy*=f(x)Pyxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將發(fā)生從氣相到液相的傳質(zhì)，即吸收過(guò)程。x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)相對(duì)于氣相濃度而言實(shí)際 液

10、相 濃 度 過(guò) 飽 和(xx*)，故液相有釋放溶質(zhì) A 的能力。相對(duì)于液相濃度 x 而言氣 相 濃 度 為 欠 飽 和(yy*)，溶質(zhì) A 由液相向氣相轉(zhuǎn)移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)在平在平衡線下方衡線下方(Q點(diǎn)點(diǎn))：yxoy*=f(x)Qyxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方，則體系將發(fā)生從液相到氣相的傳質(zhì)，即解吸過(guò)程。x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)相對(duì)于氣相濃度而言液相 濃 度 為 平 衡 濃 度(x=x*)，故液相不釋放或吸收溶質(zhì) A。相對(duì)于液相濃度 x 而言氣相濃度為平衡濃度(y=y*)，溶質(zhì) A 不發(fā)生轉(zhuǎn)移。氣、液相濃度氣、液相濃度(y,x)處于處于平衡線上平衡線上(

11、R點(diǎn)點(diǎn))：yxoy*=f(x)Ryxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上，則體系從宏觀上講將不會(huì)發(fā)生相際間的傳質(zhì)，即系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。x*對(duì)吸收而言：若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度 y 最低只能降到與之相平衡的濃度 y*，即 ymin=y*；若保持氣相濃度 y 不變，則液相濃度 x 最高也只能升高到與氣相濃度 y 相平衡的濃度 x*，即 xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*yxoy*=f(x)Qyxy*x*對(duì)解吸而言：若保持液相濃度 x 不變，氣相濃度 y 最高只能升到與之相平衡的濃度 y*，即 ymax=y*；若保持氣相濃度 y 不變，則液相濃度 x 最高也只

12、能降到與氣相濃度 y 相平衡的濃度 x*，即 xmin=x*。傳質(zhì)推動(dòng)力的表示方法可以不同，但效果一樣。 (x*-x)：以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力。 對(duì)吸收過(guò)程：(y-y*)：以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力；未達(dá)平衡的兩相接觸會(huì)發(fā)生相際間傳質(zhì)(吸收或解吸)，離平衡濃度越遠(yuǎn)，過(guò)程傳質(zhì)推動(dòng)力越大，傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行越快。方法：用氣相或液相濃度遠(yuǎn)離平衡的程度來(lái)表征氣液相際傳質(zhì)過(guò)程的推動(dòng)力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）吸收傳質(zhì)理論 吸收過(guò)程是溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移的相際傳質(zhì)過(guò)程，可分為三個(gè)步驟： 氣相主體 液相主體 相界面溶解氣相擴(kuò)散 液相擴(kuò)散 (1) 溶質(zhì)由氣相主體擴(kuò)散

13、至兩相界面氣相側(cè)(氣相內(nèi)傳質(zhì))；(2) 溶質(zhì)在界面上溶解(通過(guò)界面的傳質(zhì))；(3) 溶質(zhì)由相界面液相側(cè)擴(kuò)散至液相主體(液相內(nèi)傳質(zhì))。 由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世紀(jì)二十年代提出，是最早出現(xiàn)的傳質(zhì)理論。雙膜理論的基本論點(diǎn)是： (1) 相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各存在著一個(gè)很薄（等效厚度分別為 1 和 2 ）的流體膜層。溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過(guò)此兩膜層。(2) 相界面沒有傳質(zhì)阻力，即溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。(3) 在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動(dòng)劇烈，傳質(zhì)速率高，傳質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。 氣相主體 液相主體

14、相界面pi = ci / Hp 12pi ci c 氣膜液膜氣相液相pApAicAicAcApAFGHELGE)(AiAAsmLLccccDN)(AiAppPPRTDNABmGG液相有效層流膜厚氣相有效層流膜厚兩相相內(nèi)傳質(zhì)速率可用下面的形式表達(dá)為： DG、DL 溶質(zhì)組分在氣膜與液膜中的分子擴(kuò)散系數(shù)；P/pBm 氣相擴(kuò)散漂流因子；c/cSm 液相擴(kuò)散漂流因子； G 、L 界面兩側(cè)氣液相等效膜層厚度，待定參數(shù)。 雙膜理論將兩流體相際傳質(zhì)過(guò)程簡(jiǎn)化為經(jīng)兩膜層的穩(wěn)定分雙膜理論將兩流體相際傳質(zhì)過(guò)程簡(jiǎn)化為經(jīng)兩膜層的穩(wěn)定分子擴(kuò)散的串聯(lián)過(guò)程。對(duì)吸收過(guò)程則為溶質(zhì)通過(guò)氣膜和液膜子擴(kuò)散的串聯(lián)過(guò)程。對(duì)吸收過(guò)程則為溶質(zhì)通

15、過(guò)氣膜和液膜的分子擴(kuò)散過(guò)程。的分子擴(kuò)散過(guò)程。 iAAmBGGAPPPPRTDN,iAAPP,GkAiAmSLLAccccDN,AiAcc,Lk 按雙膜理論，傳質(zhì)系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)成正比，這與實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)聯(lián)式地結(jié)果相差較大； 由此理論所得的傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算式形式簡(jiǎn)單，但等效膜層厚度 G 和 L 以及界面上濃度 pi 和 ci 都難以確定； 雙膜理論存在著很大的局限性，例如對(duì)具有自由相界面或高度湍動(dòng)的兩流體間的傳質(zhì)體系，相界面是不穩(wěn)定的，因此界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的等效膜層以及物質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過(guò)此兩膜層的假設(shè)都難以成立； 該理論提出的雙阻力概念，即認(rèn)為傳質(zhì)阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計(jì)的

16、概念，在傳質(zhì)過(guò)程的計(jì)算中得到了廣泛承認(rèn)，仍是傳質(zhì)過(guò)程及設(shè)備設(shè)計(jì)的依據(jù)； 本書后續(xù)部分也將以該理論為討論問題的基礎(chǔ)。 氣體吸收因過(guò)程的復(fù)雜性，傳質(zhì)速率(吸收速率)一般難以理論求解，但遵循現(xiàn)象方程所描述的物理量傳遞的共性規(guī)律。iGGAppkN 氣相(氣膜)傳質(zhì)速率方程對(duì)于穩(wěn)定吸收過(guò)程，可根據(jù)雙膜理論建立相際傳質(zhì)速率方程(總傳質(zhì)速率方程)。類似于間壁式對(duì)流傳熱速率方程。 由于混合物的組成可用多種方式表示，對(duì)應(yīng)于每一種表達(dá)法都有與之相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程。 液相(液膜)傳質(zhì)速率方程LiLAcckNiyAyykNkG 推動(dòng)力為分壓差的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2kPa)；ky 推動(dòng)力為摩爾分?jǐn)?shù)差的氣相傳

17、質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；pG、y 溶質(zhì)A在氣相主體的分壓(kPa)、摩爾分?jǐn)?shù)；pi 、yi 溶質(zhì)A在界面氣相側(cè)的分壓(kPa)、摩爾分?jǐn)?shù)。 氣相傳質(zhì)速率方程常用的表達(dá)形式有兩種 ：iGGAppkN不同形式的傳質(zhì)速率方程物理意義一樣，都代表單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位界面面積傳遞的溶質(zhì) A 的量；傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)推動(dòng)力的表達(dá)方式有關(guān)，其倒數(shù)表達(dá)的是氣相傳質(zhì)阻力；注意：不同單位的傳質(zhì)系數(shù)數(shù)值不同，但可根據(jù)組成表示法的相互關(guān)系進(jìn)行換算。例：當(dāng)氣相總壓不很高時(shí)，根據(jù) p= P y，有 )()()(iyiGGiGGAyykPpPpPkppkNGyPkk 液相傳質(zhì)速率方程常用的表達(dá)形式也有兩種 kc 推動(dòng)力為摩

18、爾濃度差的液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；kx 推動(dòng)力為摩爾分?jǐn)?shù)差的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；c、x 溶質(zhì)A在液相主體的摩爾濃度、摩爾分?jǐn)?shù)；ci、xi 溶質(zhì)A在界面液相側(cè)的摩爾濃度、摩爾分?jǐn)?shù)。 )(LiLAcckN)(xxkNixA（以氣相分壓差為推動(dòng)力）（以氣相分壓差為推動(dòng)力）傳遞過(guò)程的阻力具有加和性。若以雙膜理論為依據(jù)，則吸收過(guò)程的傳質(zhì)總阻力是氣相傳質(zhì)阻力與液相傳質(zhì)阻力之和(相界面無(wú)阻力)?？倐髻|(zhì)速率為總傳質(zhì)推動(dòng)力與總的傳質(zhì)阻力之比。GiGAkppN1iiHpc 氣相： 液相：相界面，汽液兩相互成平衡：LLiLLiLLiAHkppkHpHpkccN111*合比定律*)(1111*LGGLG

19、LGLLiGiGAppKHkkppHkppkppN比較可得： LGGHkkK111同樣，寫出以液相濃度差為推動(dòng)力的總傳質(zhì)速率方程)*(1*11*11LGLLLiGiGLLiGiGLLiGiGAccKkcckHcckcckHcHckcckppNLGLkkHK11比較可得： 以氣相為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)速率方程*yyKNyAKy 是以 (y-y*) 為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位為 kmol/(sm2)，其倒數(shù)為氣、液兩相傳質(zhì)總阻力。總傳質(zhì)系數(shù) Ky（相際傳質(zhì)系數(shù)）與相內(nèi)傳質(zhì)系數(shù) kx、ky 的關(guān)系式，實(shí)質(zhì)表達(dá)了總傳質(zhì)阻力 1/Ky 等于氣相傳質(zhì)阻力 1/ky 與液相傳質(zhì)阻力 m/kx 之和。因?yàn)榭傋枇?1/

20、Ky 以氣相為基準(zhǔn)，所以液相阻力 1/kx 需乘以換算系數(shù) m。 (yi-y*) 項(xiàng)是與液相傳質(zhì)推動(dòng)力 (xi-x) 相對(duì)應(yīng)的，可以看作是以氣相濃度差的形式等價(jià)表示的液相傳質(zhì)推動(dòng)力。氣、液氣、液傳質(zhì)總推動(dòng)力為兩相的相內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力之和。傳質(zhì)總推動(dòng)力為兩相的相內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力之和。xyykmkK11yxxmkkK111xxKKxxNxxA*1相際： 以液相為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)速率方程Kx 是以(x*-x)為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位為kmol/(m2s)。1/Kx代表了以液相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)過(guò)程的總傳質(zhì)阻力，是以液相為基準(zhǔn)的氣、液兩相相內(nèi)傳質(zhì)阻力之和。 補(bǔ)充題： 已知 ，推導(dǎo))(xxkNixAiyyyk*yy

21、KNyAxxKx*yxxmkkK111xyykmkK11對(duì)易溶氣體，平衡常數(shù) m 值小，平衡線很平，這時(shí)：傳質(zhì)阻力主要集中在氣相，此類傳質(zhì)過(guò)程稱為氣相阻力控制過(guò)程，或稱氣膜控制過(guò)程。 yyyyxykKkKkmk111采用總傳質(zhì)速率方程進(jìn)行計(jì)算可避開難以確定的相界面組成 xi 和和 yi。這與通過(guò)間壁對(duì)流傳熱問題中用總傳熱速率方程可避開固體壁面兩側(cè)溫度是相似的。 總傳質(zhì)阻力取決于氣、液兩相的傳質(zhì)阻力。但對(duì)一些吸收過(guò)程，氣、液兩相傳質(zhì)阻力在總傳質(zhì)阻力中所占的比例相差甚遠(yuǎn)，可對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。xyykmkK11對(duì)難溶氣體，平衡常數(shù) m 值大，平衡線很陡，這時(shí)： xxxxyxkKkKmkk1111傳

22、質(zhì)阻力主要集中在液相，此類過(guò)程稱為液相阻力控制過(guò)程，或液膜控制過(guò)程。 分析氣、液兩相中傳質(zhì)阻力所占的比例，對(duì)于強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程，提高傳質(zhì)速率有重要的指導(dǎo)意義。例如，以氣相阻力為主的吸收操作，增加氣體流速，可減薄界面處氣膜層的厚度，從而降低氣相傳質(zhì)阻力，有效地提高吸收速率；而增加液體流速吸速率則不會(huì)有明顯改變。 yxxmkkK111相平衡方程 吸收傳質(zhì)速率方程 總傳質(zhì)系數(shù) 相內(nèi)或同基準(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù)換算 相際或不同基準(zhǔn)傳質(zhì)系數(shù)換算 amxybHcpxxKyyKxxkyykNxyixiyA*ccKppKcckppkNLGiLiGA*xyykmkK11xyxkmkK1)(11)(111LGGHkkKLGLk

23、kHK11GyPkk Lxkck GyPKK LxKcK mKKmkkxyxyLGHkk在氣、液兩相內(nèi)傳質(zhì)速率的計(jì)算中，推動(dòng)力項(xiàng)中含有溶質(zhì)在相界面的濃度 yi 和和 xi ，可用計(jì)算方法或作圖法得出。計(jì)算法：對(duì)穩(wěn)定的吸收過(guò)程，氣、液兩相內(nèi)傳質(zhì)速率應(yīng)相等。若兩相濃度均以摩爾分?jǐn)?shù)表示，有 當(dāng) kx 和 ky 為定值時(shí)，在直角坐標(biāo)系中 yixi 關(guān)系是一條過(guò)定點(diǎn)（x,y）而斜率為 -kx/ky 的直線。 )()(xxkyykNixiyAyxiikkxxyy根據(jù)雙膜理論，界面處 yixi 應(yīng)滿足相平衡關(guān)系：若已知相平衡關(guān)系式和氣、液相傳質(zhì)系數(shù) ky、kx，將上兩式聯(lián)立就可求得當(dāng)氣、液相主體摩爾分?jǐn)?shù)為

24、y、x 時(shí)所對(duì)應(yīng)的界面處氣、液相摩爾分?jǐn)?shù) yi、xi。 ieixfy 作圖法：yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiA氣相液相相界面yi xi yi =fe(xi)yxiyxixxkkyy ieixfy yi、xi 為直線 與平衡線 的交點(diǎn)坐標(biāo)，直線上 A 點(diǎn)坐標(biāo)為與之對(duì)應(yīng)的氣、液主體流的摩爾分?jǐn)?shù) y、x。 相平衡關(guān)系為曲線 設(shè)平衡曲線段 PQ 與 QR 的割線的斜率分別為 mL 和 mGxxmyyxxyymiLiiiL*,GiiiiGmyyxxxxyym*,由圖可得： yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiAPQRmLmG以氣相為基準(zhǔn)時(shí)，由圖可知 根據(jù)

25、總傳質(zhì)速率方程式以及氣、液相內(nèi)傳質(zhì)速率方程式，由上式可得 同理，以液相為基準(zhǔn)時(shí)有代入相關(guān)傳質(zhì)速率方程可得 )()(*yyyyyyii)()(*xxmyyyyiLixLyykmkK11)()(*xxxxxxii)(*xxmyyxxiGiyGxxkmkK111平衡線為曲線時(shí)，總傳質(zhì)阻力仍等于氣、液相內(nèi)傳質(zhì)阻力之和，所不同的是氣、液兩相傳質(zhì)阻力的換算系數(shù)不再是相平衡常數(shù)m，而是與平衡曲線段有關(guān)的 mL 或 mG。 化工單元設(shè)備的計(jì)算，按給定條件、任務(wù)和要求的不同，一般可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型（校核型）計(jì)算兩大類。設(shè)計(jì)型計(jì)算：按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件來(lái)設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求的單元設(shè)備。操作型計(jì)算：根據(jù)已知

26、的設(shè)備參數(shù)和工藝條件來(lái)求算所能完成的任務(wù)。兩種計(jì)算所遵循的基本原理及所用關(guān)系式都相同，只是具體的計(jì)算方法和步驟有些不同而已。本章著重討論吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算，而操作型計(jì)算則通過(guò)習(xí)題加以訓(xùn)練。 吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算是按給定的生產(chǎn)任務(wù)及條件（已知待分離氣體的處理量與組成，以及要達(dá)到的分離要求），設(shè)計(jì)出能完成此分離任務(wù)所需的吸收塔。設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容與步驟 計(jì)算依據(jù)：物系的相平衡關(guān)系和傳質(zhì)速率(1) 吸收劑的選擇及用量的計(jì)算；吸收劑的選擇及用量的計(jì)算；(2) 設(shè)備類型的選擇；(3) 塔徑計(jì)算；(4) 填料層高度或塔板數(shù)的計(jì)算；填料層高度或塔板數(shù)的計(jì)算；(5) 確定塔的高度；(6) 塔的流體力學(xué)計(jì)算及校核

27、；(7) 塔的附件設(shè)計(jì)。 本教材以吸收為例說(shuō)明填料塔填料層高度的計(jì)算方法，以精餾為例說(shuō)明板式塔塔板數(shù)的計(jì)算方法。但在吸收和精餾操作中，填料塔和板式塔均為最常用的塔型。 以逆流操作的填料塔為例：對(duì)穩(wěn)定吸收過(guò)程，單位時(shí)間內(nèi)氣相在塔內(nèi)被吸收的溶質(zhì) A 的量必須等于液相吸收的量。全塔物料衡算為： 下標(biāo) “b” 代表塔內(nèi)填料層下底截面，下標(biāo) “a” 代表填料層上頂截面。GB 惰性氣體B的摩爾流率kmol/s；Ls 吸收劑S的摩爾流率kmol/s；Y 溶質(zhì)A在氣相中的比摩爾分?jǐn)?shù)； X 溶質(zhì)A在液相中的比摩爾分?jǐn)?shù)。 目的：計(jì)算給定吸收任務(wù)下所需的吸收劑用量 L 或吸收劑出口濃度 Xb。)()(absabBX

28、XLYYGGB, YaGB, YbLs, XbLs, XaGB ,YLs, X進(jìn)塔氣量 GB 和組成 Yb是吸收任務(wù)規(guī)定的，進(jìn)塔吸收劑溫度和組成 Xa一般由工藝條件所確定，出塔氣體組成 Ya 則由任務(wù)給定的吸收率 求出 在填料塔內(nèi)，對(duì)氣體流量與液體流量一定的穩(wěn)定的吸收操作，氣、液組成沿塔高連續(xù)變化；在塔的任一截面接觸的氣、液兩相組成是相互制約的；全塔物料衡算式就代表GB、Ls一定，塔內(nèi)具有最高氣、液濃度的截面“b”（濃端），或具有最低氣、液濃度的截面“a”（稀端）的氣、液濃度關(guān)系。回回 收收 率率 為為 ： bababYYYYY 1 同理，若在任一截面與塔底端面間作溶質(zhì)A的物料衡算，有 V,

29、Y2V, Y1L, X1L, X2V, YL, X上兩式均稱為吸收操作線方程，代表逆流操作時(shí)塔內(nèi)任一截面上的氣、液兩相組成 Y 和 X 之間的關(guān)系。若取填料層任一截面與塔的塔頂端面之間的填料層為物料衡算的控制體，則所得溶質(zhì) A 的物料衡算式為 Ls, XaGB ,YaGB, YbLs, XbGB YLs, X aSaBXXLYYG aaBSYXXGLYbbBSYXXGLY液氣比液氣比當(dāng) Ls/GB 一定，操作線方程在 Y-X 圖上為以液氣比 Ls/GB為斜率，過(guò)塔頂、底的氣、液兩相組成點(diǎn)(Xa，Ya)和(Xb，Yb)的直線，稱為吸收操作線吸收操作線。YXoY*=f(X)BYbXbXaYaAYX

30、X*Y*P線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)(X，Y)代表了塔內(nèi)該截面上氣、液兩相的組成。操作線上任一點(diǎn) P 與平衡線間的垂直距離 (Y-Y*) 為塔內(nèi)該截面上以氣相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力；與平衡線的水平距離 (X*-X) 為該截面上以液相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力。兩線間垂直距離（Y-Y*）或水平距離（X*-X）的變化顯示了吸收過(guò)程推動(dòng)力沿塔高的變化規(guī)律。 Y- Y*X*-X對(duì)于低濃氣體（通常對(duì)于低濃氣體（通常yb10%），），因吸收量小，由此引起因吸收量小，由此引起的塔內(nèi)溫度和流動(dòng)狀況的改變相應(yīng)也小，吸收過(guò)程可視為的塔內(nèi)溫度和流動(dòng)狀況的改變相應(yīng)也小，吸收過(guò)程可視為等溫過(guò)程，傳質(zhì)系數(shù)等溫過(guò)程，傳質(zhì)系數(shù) kY、kX

31、 、Ky、Kx 沿塔高變化小，沿塔高變化小，G Ga Gb GB， L La Lb LS，Y y， X x， 于于 是是 ， aabbyxxGLy aayxxGLy bbyxxGLy并流操作線方程對(duì)氣、液兩相并流操作的吸收塔，取塔內(nèi)填料層任一截面與塔頂（濃端）構(gòu)成的控制體作物料衡算，可得并流時(shí)的操作線方程，其斜率為（-L/V）。 aaXGLYXGLYYXoY*=f(X)AYaXaXbYbBYXX*Y*PY- Y*X*-X 在 Ya 至 Yb 范圍內(nèi)，兩相逆流時(shí)沿塔高均能保持較大的傳質(zhì)推動(dòng)力，而兩相并流時(shí)從塔頂?shù)剿籽厮邆髻|(zhì)推動(dòng)力逐漸減小，進(jìn)、出塔兩截面推動(dòng)力相差較大。 在氣、液兩相進(jìn)、出塔濃

32、度相同的情況下，逆流操作的平均推動(dòng)力大于并流，從提高吸收傳質(zhì)速率出發(fā)，逆流優(yōu)于并流。這與間壁式對(duì)流傳熱的并流與逆流流向選擇分析結(jié)果是一致的。 工業(yè)吸收一般多采用逆流，本章后面的討論中如無(wú)特殊說(shuō)明，均為逆流吸收。 與并流相比，逆流操作時(shí)上升的氣體將對(duì)借重力往下流動(dòng)的液體產(chǎn)生一曳力，阻礙液體向下流動(dòng)，因而限制了吸收塔所允許的液體流率和氣體流率，這是逆流操作不利的一面。 吸收劑用量 Ls 或液氣比 Ls / GB 在吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算和塔的操作調(diào)節(jié)中是一個(gè)很重要的參數(shù)。吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，氣體處理量 GB ，以及進(jìn)、出塔組成 Yb、Ya 由設(shè)計(jì)任務(wù)給定，吸收劑入塔組成 Xa 則是由工藝條件決定或設(shè)計(jì)人

33、員選定。aabsBbXYYLGX可知吸收劑出塔濃度 Xb 與吸收劑用量 Ls 是相互制約的。由全塔物料衡算式 選取的 Ls / GB ，操作線斜率 ，操作線與平衡線的距離 ，塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力 ，完成一定分離任務(wù)所需塔高 ； Ls / GB ，吸收劑用量 ，吸收劑出塔濃度 Xb ，循環(huán)和再生費(fèi)用 ； 若Ls / GB ，吸收劑出塔濃度 Xb ，塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力 ，完成相同任務(wù)所需塔高 ，設(shè)備費(fèi)用 。不同液氣比 Ls /GB 下的操作線圖直觀反映了這一關(guān)系。YXoY*=f(X)BYbXbXaYaAL/GY- Y*BXb(L/G)Xb,max(L/G)minC最小液氣比(Ls/GB )min要達(dá)到規(guī)定的

34、分離要求，或完成必需的傳質(zhì)負(fù)荷GB (Yb-Ya)， Ls/GB的減小是有限的。當(dāng) Ls/GB下降到某一值時(shí)，操作線將與平衡線相交或者相切，此時(shí)對(duì)應(yīng)的 Ls/GB稱為最小液氣比，用(Ls/GB )min表示，而對(duì)應(yīng)的 Xb則用 Xb,max 表示。隨 Ls/GB的減小，操作線與平衡線是相交還是相切取決于平衡線的形狀。YXoY*=f(X)YbXaYaAXb,max=Xb*(L/G)minCYXoY*=f(X)YbXaYaBXb*(L/G)minCXb,max兩線在 Yb 處相交時(shí)，Xb,max=Xb*；兩線在中間某個(gè)濃度處相切時(shí)， Xb,maxXb* 。 ababBsXXYYGLmax,mina

35、babBsXXYYGLmax,min,最小液氣比的計(jì)算式：在最小液氣比下操作時(shí)，在塔的某截面上（塔底或塔內(nèi)）氣、液兩相達(dá)平衡，傳質(zhì)推動(dòng)力為零，完成規(guī)定傳質(zhì)任務(wù)所需的塔高為無(wú)窮大。對(duì)一定高度的塔而言，在最小液氣比下操作則不能達(dá)到分離要求。 實(shí)際液氣比應(yīng)在大于最小液氣比的基礎(chǔ)上，兼顧設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用兩方面因素，按總費(fèi)用最低的原則來(lái)選取。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般取 min0 . 21 . 1BsBsGLGL注意：以上由最小液氣比確定吸收劑用量是以熱力學(xué)平衡為出發(fā)點(diǎn)的。從兩相流體力學(xué)角度出發(fā)，還必須使填料表面能被液體充分潤(rùn)濕以保證兩相均勻分散并有足夠的傳質(zhì)面積，因此所取吸收劑用量 L 值還應(yīng)不小于所選

36、填料的最低潤(rùn)濕率，即單位塔截面上、單位時(shí)間內(nèi)的液體流量不得小于某一最低允許值。 在填料塔內(nèi)，氣、液兩相傳質(zhì)面積由填充的填料表面提供。傳質(zhì)面積：若塔的截面積為 （m2），填料層高度為 h（m），單位體積的填料所提供的表面積為 a（m2/m3），則該塔所能提供的傳質(zhì)面積 A（m2）為 a 為填料的有效比表面積，是填料的一個(gè)重要特性數(shù)據(jù)，填料及填料填充方式一定即為定值。塔截面積或塔徑：主要由與填料的流體力學(xué)特性相關(guān)的空塔氣速?zèng)Q定。塔截面積確定后，求傳質(zhì)面積就轉(zhuǎn)化為求所需的填料層高度。 完成一定吸收任務(wù)所需的傳質(zhì)面積，不僅與傳質(zhì)量和分離程度等由任務(wù)規(guī)定的指標(biāo)有關(guān)，還與塔內(nèi)氣液兩相流動(dòng)狀況、相平衡關(guān)系、

37、填料類型以及填充方式等影響相際傳質(zhì)速率的諸多因素緊密相關(guān)。物料衡算方程和傳質(zhì)速率方程是計(jì)算填料層高度的基本方程。haA此傳質(zhì)量也就是在 dh 段內(nèi)溶質(zhì) A 由氣相轉(zhuǎn)入液相的量。因此 haNANAAdd若 dh 微元段內(nèi)傳質(zhì)速率為NA，填料提供的傳質(zhì)面積為 dA=adh，則通過(guò)傳質(zhì)面積 dA 溶質(zhì) A 的傳遞量為 xLyGdd 對(duì)填料層中高度為 dh 的微分段作物料衡算可得溶質(zhì) A 在單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的量填料塔內(nèi)氣、液組成 y、x 和傳質(zhì)推動(dòng)力y（或x）均隨塔高變化，故塔內(nèi)各截面上的吸收速率也不相同。haNyGAddhaNxLAddG ,yaG, ybL, xbL xayxhy+dydh

38、x+dx將以摩爾分?jǐn)?shù)表示的總的傳質(zhì)速率方程代入，則有 對(duì)上兩式沿塔高積分得 在上述推導(dǎo)中，用相內(nèi)傳質(zhì)速率方程替代總的傳質(zhì)速率方程可得形式完全相同的填料層高度 h 的計(jì)算式。若采用 NA=kY(Y-Yi) 和 NA=kX(Xi - X) 可得：hayyKyGydd*haxxKxLxdd*dyyyaKGhbayyyxxxaKLhbaxxx*dbyyaiyyyyakGhdbaxxixxxxakLhd用其它組成表示法的傳質(zhì)速率方程，可推得以相應(yīng)相組成表示的填料層高度 h的計(jì)算式。 特點(diǎn)：低濃度氣體吸收（yA (L/V)I吸收劑 L 增大，除受液泛條件限制外，還要考慮吸收劑再生設(shè)備的能力。如果吸收劑用量

39、增大過(guò)多，使再生不良或冷卻不夠，吸收劑進(jìn)塔濃度 X2 和溫度 t2 都可能升高，這兩者都會(huì)造成傳質(zhì)推動(dòng)力下降，沖抵了吸收劑用量增大的作用。 降低吸收劑入塔濃度，若 Y1 和 L/V 不變，操作線向上平移，傳質(zhì)推動(dòng)力增大。當(dāng)吸收劑入塔濃度由 X2 降至 X2 時(shí)，液相出塔濃度將由 X1 降至 X1，氣體出塔濃度降至 Y2，分離程度增大。降低吸收劑入塔溫度 t2，改變了物系的平衡關(guān)系，氣體溶解度增大，平衡線下移，傳質(zhì)推動(dòng)力也增大。當(dāng)氣、液進(jìn)塔濃度 Y1、X2 以及液氣比不變時(shí)，氣體出塔濃度 Y2 降低，分離程度增加。YXoY*=f(X)IIY1X1X2Y2IX!Y2(L/V)II = (L/V)I

40、X2氣、液出塔的實(shí)際濃度和可由全塔物料衡算式和傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算式聯(lián)解求得。 適當(dāng)調(diào)節(jié)上述三個(gè)參數(shù)均可強(qiáng)化吸收傳質(zhì)過(guò)程，提高分離程度。但實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的影響因素較多，對(duì)具體問題要作具體分析。1212XXX例如對(duì)吸收劑再循環(huán)流程，設(shè)吸收劑再循環(huán)量與新鮮吸收劑加入量 L 的比值為 ，兩股吸收劑混合后濃度為，由吸收劑混合前后的物料衡算可得 V, Y1V, Y2L, X1L, X2L, X1L, X2若 增加，吸收劑入塔濃度增大，傳質(zhì)推動(dòng)力下降，塔的吸收能力要下降。但對(duì)于有顯著的熱效應(yīng)的吸收過(guò)程，大量的吸收劑再循環(huán)可減小吸收劑在塔內(nèi)的溫升，因而平衡線可以下移，傳質(zhì)推動(dòng)力增大，有利于吸收。 YXoY*=f(X

41、)IY1X1X2Y2X2II過(guò)程速率是決定單元設(shè)備大小的關(guān)鍵因素。填料層高度計(jì)算式中的傳質(zhì)系數(shù)(ky，KY 等) 體現(xiàn)了與吸收速率的正比關(guān)系，在吸收計(jì)算中具有十分重要的意義。 傳質(zhì)系數(shù)包含了傳質(zhì)過(guò)程速率計(jì)算中一切復(fù)雜的、不易確定的影響因素，其數(shù)值的大小主要取決于物系的性質(zhì)、操作條件及設(shè)備的性能(填料特性)三個(gè)方面。由于影響因素十分復(fù)雜，傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算難以通過(guò)理論模型解決，迄今為止也尚無(wú)通用的計(jì)算方法可循。 傳質(zhì)系數(shù)的獲取途徑：(1) 實(shí)驗(yàn)測(cè)定；(2) 針對(duì)特定體系的經(jīng)驗(yàn)公式；(3) 適用范圍更廣的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式。 cKKcNA1對(duì)氣、液傳質(zhì)過(guò)程，可將各傳質(zhì)速率表達(dá)式概括為 傳質(zhì)系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定 對(duì)實(shí)

42、際操作的物系，若相平衡關(guān)系為直線，則填料層高度計(jì)算式為 上式也可寫為高度為 h 的填料段的平均傳質(zhì)速率方程 mYYYYaKGh21mYAYFKYYGG21mpYAYaVKYYGG21式中 F=ha 為傳質(zhì)面積，Vp= h 為填料裝填體積。 當(dāng)填料和填料裝填方式一定，測(cè)量穩(wěn)定操作時(shí)進(jìn)、出塔氣、液流量和測(cè)量段 h 兩端氣、液濃度，由物料衡算及平衡關(guān)系可得出GA 和Ym ，進(jìn)而得出 KY 或 KYa。 注意：實(shí)驗(yàn)測(cè)定的傳質(zhì)系數(shù)用于吸收或解吸塔設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，設(shè)計(jì)體系的物性、操作條件及設(shè)備性能應(yīng)與實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)的情況相同或相近。 傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 實(shí)際上很難對(duì)每一具體設(shè)計(jì)條件下的傳質(zhì)系數(shù)都直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

43、為此，不少研究者針對(duì)某些典型的系統(tǒng)和條件進(jìn)行研究，在所測(cè)定的大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上提出了對(duì)一定的物系在一定條件范圍內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。 適用條件： (1) 氣體的空塔質(zhì)量流速 G 為 3204150kg/(m2h)，液體的空塔質(zhì)量流速 W 為 440058500 kg/(m2h)； (2) 直徑為25mm的環(huán)形填料。 25. 07 . 041081. 9WGakg82. 0Wakc用水吸收 SO2 屬中等溶解度的氣體吸收。計(jì)算氣、液相體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式分別為 傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 用水吸收氨屬易溶氣體的吸收，吸收阻力主要在氣膜側(cè)。用填充 12.5mm 陶瓷環(huán)形填料塔實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的計(jì)算氣相傳質(zhì)系數(shù)經(jīng)

44、驗(yàn)公式為 39. 09 . 041007. 6WGakg式中：kga 氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m3.h.kPa)； kca 液相傳質(zhì)系數(shù)， kmol/(m3.h.kmol/m3)； G 氣相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2.h)； W 液相空塔質(zhì)量流速，kg/(m2.h)； 與溫度有關(guān)的常數(shù)，其值列于下表。 t 10152025300.00930.01020.01160.01280.0143傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式 U 液相噴淋密度，m3/(m2h) 。單位時(shí)間噴淋在單位塔截面上的液相體積，用水吸收二氧化碳屬難溶氣體吸收，吸收阻力主要在液膜側(cè)。計(jì)算液相體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式為 96. 057. 2Uakc適用條件：(1) 直徑為1032mm 陶瓷環(huán)填料塔；(2) 噴淋密度 U 為 320 m3/(m2 h)；(3) 氣體的空塔質(zhì)量速度 G 為 130580 kg/(m2 h)；(4) 操作溫度為2127。kca 的大小主要取決于液相的噴淋密度，而氣體的質(zhì)量流速 G 基本無(wú)影響。 傳質(zhì)系數(shù)的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式 根據(jù)傳遞現(xiàn)象動(dòng)力學(xué)相似基本原則推導(dǎo)出來(lái)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定模型參數(shù)的準(zhǔn)數(shù)方程有更寬的適用范圍。常用準(zhǔn)數(shù)：修伍德數(shù) Sh、雷諾數(shù) Re 及施密特?cái)?shù) Sc 等。氣相修伍德準(zhǔn)數(shù) GGGScReSh GBGBmgRTpPDkScReDlPR