南京大學化工原理課件

1、第五章第五章 吸收吸收 第一節(jié) 概述物質在相間的轉移過程稱為物質傳遞過程物質在相間的轉移過程稱為物質傳遞過程蒸餾、吸收、干燥、萃取和吸附蒸餾、吸收、干燥、萃取和吸附利用氣體中各組分在液相中溶解的差異而利用氣體中各組分在液相中溶解的差異而分離氣體混合的操作稱為吸收。分離氣體混合的操作稱為吸收。溶劑溶劑 惰性氣體或載體。惰性氣體或載體。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述吸收過程中氣液相平衡關系表示方法吸收過程中氣液相平衡關系表示方法吸收過程的傳質機理吸收過程的傳質機理吸收過程傳質模型及傳質速率表達吸收過程傳質模型及傳質速率表達吸收操作的物料衡算吸收操作的物料衡算填料層高度的計算方法填料層高度的計算方法傳質設

2、備，填料吸收塔設計傳質設備，填料吸收塔設計第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、吸收操作是化學工業(yè)常用的分離方法，主要用于下列幾方面： （1）分離和凈化原料氣。）分離和凈化原料氣。 （2）分離和吸收氣體中的有用組分。）分離和吸收氣體中的有用組分。 （3）某些產品的制取。）某些產品的制取。 （4）廢氣的治理。）廢氣的治理。 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 二、選擇合適的溶劑。二、選擇合適的溶劑。1. 對被吸收的組分有較大溶解度，較好選擇性。對被吸收的組分有較大溶解度，較好選擇性。 2. 較低的蒸氣壓。較低的蒸氣壓。 3. 化學穩(wěn)定性?；瘜W穩(wěn)定性。 4. 腐蝕性。腐蝕性。 5. 粘度要低；比熱要

3、?。徊灰兹?。粘度要低；比熱要小；不易燃。6. 易于再生。易于再生。7. 價廉價廉第一節(jié) 概述三、三、吸收設備 第二節(jié)第二節(jié) 氣液相平衡氣液相平衡 相平衡過程（相平衡過程（T、P）平衡分壓（平衡時氣相中的溶質分壓）平衡分壓（平衡時氣相中的溶質分壓）平衡濃度（平衡時液相中的溶質濃度）平衡濃度（平衡時液相中的溶質濃度）溶解度溶解度第二節(jié)第二節(jié) 氣液相平衡氣液相平衡 氣體在液體中的溶解度第二節(jié)第二節(jié) 氣液相平衡氣液相平衡吸收吸收加壓和降溫。加壓和降溫。脫吸脫吸升溫和減壓升溫和減壓二、二、 亨利定律亨利定律 （一）（一） 亨利定律亨利定律 （二）（二）亨利定律各系數之間的關系亨利定律各系數之間的關系 例

4、例5-1 三、三、相平衡與吸收過程的關系相平衡與吸收過程的關系 1. 判斷過程進行的方向判斷過程進行的方向2. 確定傳質過程的推動力確定傳質過程的推動力3. 判斷過程進行的極限判斷過程進行的極限第三節(jié)第三節(jié) 吸收過程的速率吸收過程的速率 傳質（質量傳遞）：物質在一相內部和兩傳質（質量傳遞）：物質在一相內部和兩相之間發(fā)生質量轉移的現象相之間發(fā)生質量轉移的現象氣液傳質分解為三個步驟：如吸收：氣液傳質分解為三個步驟：如吸收：首先溶質組分由氣相主體傳遞至相界面，即氣相內的傳首先溶質組分由氣相主體傳遞至相界面，即氣相內的傳質。質。溶質組分在界面上發(fā)生溶解進入液相。溶質組分在界面上發(fā)生溶解進入液相。由界面

5、向液體主體傳遞。即完成吸收過程。由界面向液體主體傳遞。即完成吸收過程。 溶質氣體，組分無論在氣相還是液相中的傳遞機理均溶質氣體，組分無論在氣相還是液相中的傳遞機理均是憑借擴散完成的。是憑借擴散完成的。 擴散擴散 由分子無規(guī)則隨機的熱運動引起的沿濃度梯由分子無規(guī)則隨機的熱運動引起的沿濃度梯度降低方向上的分子擴散度降低方向上的分子擴散 由于流體宏觀湍動和旋渦流引起渦流擴散。由于流體宏觀湍動和旋渦流引起渦流擴散。糖水實驗（攪拌與否）糖水實驗（攪拌與否） 第三節(jié)第三節(jié) 吸收過程的速率吸收過程的速率分子擴散與費克定律 雙組分等摩爾相互擴散，或稱等摩爾逆向擴散；雙組分等摩爾相互擴散，或稱等摩爾逆向擴散；

6、單方向擴散，或稱組分單方向擴散，或稱組分A通過靜止組分通過靜止組分B的擴散。的擴散。 等摩爾逆向擴散等摩爾逆向擴散 BAJJdZdpRTDJBBAB常數BAppp0dZdpdZdpdZdpBA具體應用：具體應用：A、B組分摩爾汽化熱相等組分摩爾汽化熱相等 （精餾）（精餾）DDDBAAB2121AAAAAccZDppRTZDJ組分組分A通過靜止組分通過靜止組分B的擴散的擴散 例例5-2 分子擴散系數分子擴散系數 1.氣體中的擴散系數氣體中的擴散系數 2.液體中的擴散系數液體中的擴散系數例例5-3 五、單相內的對流傳質五、單相內的對流傳質 （二）氣相傳質速率方程式（二）氣相傳質速率方程式 氣相對流

7、傳質速率，氣相對流傳質速率，kmol/（m2s） ：氣膜傳質系數：氣膜傳質系數; ：溶質：溶質A在氣相主體與界面間的分壓差在氣相主體與界面間的分壓差; AiAGBmGAppppRTZDNBmGGppRTZDk氣膜傳質阻力氣膜傳質推動力GiAiAGAkppppkN1ANGkiApp （三）（三）液相傳質速率方程式液相傳質速率方程式 ：液相對流傳質速率，：液相對流傳質速率， ALAiBmLAccccZDNANsmkmol2/BmLLccZDk液膜傳質阻力液膜傳質推動力LAiAiLAkcccckN1六、兩相間傳質的雙膜理論六、兩相間傳質的雙膜理論（一）雙膜理論（一）雙膜理論對于吸收操作相際傳質過程的

8、機理，對于吸收操作相際傳質過程的機理，W，GWhitman雙膜理論（停滯膜模型）雙膜理論（停滯膜模型）一直占有重要地位。一直占有重要地位。 六、兩相間傳質的雙膜理論六、兩相間傳質的雙膜理論基本假設：基本假設：（1）相互接觸的氣液兩）相互接觸的氣液兩相流體間存在著相流體間存在著穩(wěn)定的相穩(wěn)定的相界面界面，界面兩側各有一個，界面兩側各有一個很薄的停滯膜，吸收質以很薄的停滯膜，吸收質以分子擴散方式通過此二膜分子擴散方式通過此二膜層。層。（2）在相界面處，氣液）在相界面處，氣液兩相達于平衡。兩相達于平衡。（3）在兩個停滯膜以外）在兩個停滯膜以外的氣液兩相主體中，由于的氣液兩相主體中，由于流體充分湍動，物

9、質濃度流體充分湍動，物質濃度均勻。均勻。六、兩相間傳質的雙膜理論六、兩相間傳質的雙膜理論其它理論其它理論希格比（希格比（Higbie）于）于1935年提出溶質滲透年提出溶質滲透理論。理論。圖爾等人（圖爾等人（Toor and Marchello）于）于1958年提出的膜滲透理論。年提出的膜滲透理論。六、兩相間傳質的雙膜理論六、兩相間傳質的雙膜理論（二）氣相與液相的傳質速率方程式（二）氣相與液相的傳質速率方程式 1. 氣相傳質速率方程氣相傳質速率方程iAGAppkNiyAyykNiYAYYkN六、兩相間傳質的雙膜理論六、兩相間傳質的雙膜理論（二）氣相與液相的傳質速率方程式（二）氣相與液相的傳質速

10、率方程式 2. 液相傳質速率方程液相傳質速率方程AiLAcckNxxkNixAXXkNiXA六、兩相間傳質的雙膜理論六、兩相間傳質的雙膜理論（二）氣相與液相的傳質速率方程式（二）氣相與液相的傳質速率方程式 3.氣液兩相界面處的溶質組成氣液兩相界面處的溶質組成 平衡方程：平衡方程： Y、X 得到：得到： 、XXkNiXAiYAYYkNYXiikkXXYYYXiikkXXYYiimXY iYiX六、兩相間傳質的雙膜理論六、兩相間傳質的雙膜理論（二）氣相與液相的傳質速率方程式（二）氣相與液相的傳質速率方程式 3.氣液兩相界面處的溶質組成氣液兩相界面處的溶質組成如何消除界面濃度如何消除界面濃度?七、總

11、傳質速率方程七、總傳質速率方程（一）總傳質速率方程式（一）總傳質速率方程式1. 以以 為推動力的總傳質速率方程為推動力的總傳質速率方程液相液相*YY mYXiiXXkNiXAmYX*XiXiXiAkmYYkmYmYkXXN*11iYAYYkNYiAkYYN1XiXiXiAkmYYkmYmYkXXN*11XYAkmkYYN1*XYYkmkK11*YYKNYA 為為 推動力的總傳質系數，簡稱氣相推動力的總傳質系數，簡稱氣相總傳總傳質系數質系數 ，單位單位YK*YY smkmol2/XYAkmkYYN1*XYYkmkK11相間傳質總阻力相間傳質總阻力 = 氣膜阻力氣膜阻力 + 液膜阻力液膜阻力 XY

12、YkmkK11七、總傳質速率方程七、總傳質速率方程（一）總傳質速率方程式（一）總傳質速率方程式2. 以以 為推動力的總傳質速率方程為推動力的總傳質速率方程氣相氣相mYXiiXX *mYX*iYAYYkNXiYiAkXXmkYYN11* 為為 推動力的總傳質系數，簡稱氣相推動力的總傳質系數，簡稱氣相總傳總傳質系數質系數 ，單位單位smkmol2/XXkNiXAXiYiAkXXmkXXN11*XYAkmkXXN11*XYXkmkK111XXKNXA*XKXX*相間傳質總阻力相間傳質總阻力 = 氣膜阻力氣膜阻力 + 液膜阻力液膜阻力 XYAkmkXXN11*XYXkmkK111XYXkmkK111X

13、YXkmkK111XYYkmkK11YXmKK七、總傳質速率方程七、總傳質速率方程（二）氣膜控制與液膜控制（二）氣膜控制與液膜控制1.溶解度很大溶解度很大(m很小很小) (5-35)液膜阻力可以忽略液膜阻力可以忽略 XYYkmkK11YYkKExcHApEm 七、總傳質速率方程七、總傳質速率方程（二）氣膜控制與液膜控制（二）氣膜控制與液膜控制2.溶解度很小溶解度很小(m很大很大) (5-39) 氣膜阻力可以忽略氣膜阻力可以忽略 XYXkmkK111Ymk1Xk1XXkK七、總傳質速率方程七、總傳質速率方程（二）氣膜控制與液膜控制（二）氣膜控制與液膜控制較小的氣相組成較小的氣相組成Y與較大的液相

14、組成與較大的液相組成X*相平衡相平衡 m1m100 氣膜控制過程氣膜控制過程 液膜控制過程液膜控制過程氣氣膜膜推推動動力力氣氣相相總總推推動動力力氣體在水中溶解度的難易程度區(qū)分氣體在水中溶解度的難易程度區(qū)分當當m1時，易溶氣體；時，易溶氣體；當當m100時，難溶氣體；時，難溶氣體；當當1m100時，中等溶解度。時，中等溶解度。對于中等溶解度的溶質，在傳質總阻力中對于中等溶解度的溶質，在傳質總阻力中氣膜阻力與液膜阻力均不可忽視，要提高氣膜阻力與液膜阻力均不可忽視，要提高傳質系數，必須同時增大氣相和液相的湍傳質系數，必須同時增大氣相和液相的湍動程度。動程度。八、傳質速率方程式的各種表示形式八、傳質

15、速率方程式的各種表示形式 氣相氣相 液相液相 兩相間兩相間 兩相間兩相間AALAAGAiLiAGAccKppKcckppkN*xxKyyKxxkyykNxyixiyA*XXKYYKXXkYYkNXYiXiYA*例例5-5 第四節(jié)吸收塔的計算第四節(jié)吸收塔的計算 吸收塔的工藝計算。吸收塔的工藝計算。確定吸收劑用量。確定吸收劑用量。塔的主要工藝尺寸，包括塔徑和塔塔的主要工藝尺寸，包括塔徑和塔的有效段高度。的有效段高度。塔的有效段高度，對填料塔是指填料層高度，塔的有效段高度，對填料塔是指填料層高度，對板式塔則是板距與實際板層數的乘積對板式塔則是板距與實際板層數的乘積。 第四節(jié)吸收塔的計算第四節(jié)吸收塔的

16、計算 逆流吸收塔操作示意圖逆流吸收塔操作示意圖吸收過程的操作線吸收過程的操作線第四節(jié)吸收塔的計算第四節(jié)吸收塔的計算二、吸收的操作線方程式與操作線二、吸收的操作線方程式與操作線m-n截面與塔底端面之間作組分截面與塔底端面之間作組分A的衡算的衡算全塔的物料衡算式全塔的物料衡算式 VYLXVYLX11XXLYYV1111XVLYXVLY1122XVLYXVLY稀端稀端濃端濃端 處理的氣體組成較低，低濃度的吸收處理的氣體組成較低，低濃度的吸收 yY xX 11xVLyxVLy吸收劑的用量與最小液氣比吸收劑的用量與最小液氣比吸收劑的用量與最小液氣比吸收劑的用量與最小液氣比根據生產經驗，取吸收劑最小用量的

17、根據生產經驗，取吸收劑最小用量的1.12.0倍是比較適宜的倍是比較適宜的 min0 . 21 . 1VLVL2*121minXXYYVL2121minXXYYVLmin0 . 21 . 1VLVL2121min/XmYYYVLmXY*例例5-6 三、填料層高度計算三、填料層高度計算填料層高度等于所需的填料層體積除以塔截面積。 填料層體積則取決于完成規(guī)定任務所需的總傳質面積和每立方米填料層所能提供的氣、液有效接觸面積 。填料層高度的計算將要涉及物料衡算、傳物料衡算、傳質速率與相平衡。質速率與相平衡。 （一）填料層高度的基本計算式（一）填料層高度的基本計算式單位單位m3填料的有效氣液傳質填料的有效

18、氣液傳質面積面積m2/m3 塔的橫截面積，塔的橫截面積，m2 dZadAaadZNdANAALdXVdYadZNAXXKYYKXXkYYkNXYiXiYA*XXKYYKXXkYYkNXYiXiYA*12121212*XXXYYYXXiXYYiYXXdXaKLYYdYaKVXXdXakLYYdYakVZXXaKLdXYYaKVdYXXakLdXYYakVdYdZXYiXiY*氣相體積吸收總系數，氣相體積吸收總系數， kmol/（m3s）液相體積吸收總系數，液相體積吸收總系數，kmol/（m3s）。）。體積吸收系數的物理意義是在推動力為一個體積吸收系數的物理意義是在推動力為一個單位的情況下，單位時

19、間單位體積填料層單位的情況下，單位時間單位體積填料層內吸收的溶質量。內吸收的溶質量。 aKYaKX（二）（二）傳質單元高度與傳質單元數傳質單元高度與傳質單元數傳質單元數意義傳質單元數意義 （a a）（b b） 傳質單元數反映吸收過程的難度。任務所傳質單元數反映吸收過程的難度。任務所要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推要求的氣體濃度變化越大，過程的平均推動力越小，則意味著過程難度越大，此時動力越小，則意味著過程難度越大，此時所需的傳質單元數也越大。所需的傳質單元數也越大。（三）傳質單元數的求法（三）傳質單元數的求法1. 對數平均推動力法對數平均推動力法2. 吸收因數法吸收因數法例例5-7 3.

20、圖解積分法與數值積分法圖解積分法與數值積分法 4. 梯級圖解法梯級圖解法 對于低濃度氣體吸收操作，只要在過程所對于低濃度氣體吸收操作，只要在過程所涉及的濃度范圍內平衡線為直線，便可用涉及的濃度范圍內平衡線為直線，便可用解析法求傳質單元數。解析法求傳質單元數。當平衡線彎曲不甚顯著時，可用梯級圖解當平衡線彎曲不甚顯著時，可用梯級圖解法簡捷估算總傳質單元數的近似值。法簡捷估算總傳質單元數的近似值。當平衡線為曲線時，則宜采用圖解積分法。當平衡線為曲線時，則宜采用圖解積分法。四、吸收塔操作計算四、吸收塔操作計算（一）（一）吸收塔設計型計算吸收塔設計型計算1流向的選擇流向的選擇2吸收劑進口濃度的選擇及其最

21、高允許濃吸收劑進口濃度的選擇及其最高允許濃度度四、吸收塔操作計算四、吸收塔操作計算（二）吸收塔操作型計算（二）吸收塔操作型計算可調節(jié)的操作條件有操作溫度、壓力、吸可調節(jié)的操作條件有操作溫度、壓力、吸收劑（或液氣比）等。收劑（或液氣比）等。操作線方程；氣液相平衡關系；傳質速率操作線方程；氣液相平衡關系；傳質速率方程式；填料層高度計算式。方程式；填料層高度計算式。例例5-9四、吸收塔操作計算四、吸收塔操作計算（三）（三）強化吸收過程的措施強化吸收過程的措施1提高吸收過程的推動力提高吸收過程的推動力（1）逆流操作）逆流操作 例例5-10逆流操作可獲得較高的吸收液濃度及較大的吸收逆流操作可獲得較高的吸

22、收液濃度及較大的吸收推動力。推動力。 （2）提高吸收劑的流量）提高吸收劑的流量（3）降低吸收劑入口溫度）降低吸收劑入口溫度（4）降低吸收劑入口溶質的濃度）降低吸收劑入口溶質的濃度四、吸收塔操作計算四、吸收塔操作計算（三）（三）強化吸收過程的措施強化吸收過程的措施2降低吸收過程的傳質阻力降低吸收過程的傳質阻力（1）提高流體流動的湍動程度）提高流體流動的湍動程度1）若氣相傳質阻力大，提高氣相的湍動程度；）若氣相傳質阻力大，提高氣相的湍動程度；2）若液相傳質阻力大，提高液相的湍動程度；）若液相傳質阻力大，提高液相的湍動程度；可有效地降低吸收阻力?？捎行У亟档臀兆枇?。（2）改善填料的性能）改善填料的

23、性能五、解吸塔的計算五、解吸塔的計算解吸過程：工業(yè)生產中，常將離開吸收塔解吸過程：工業(yè)生產中，常將離開吸收塔的吸收液送到解吸塔中，的吸收液送到解吸塔中，X1降至降至X2。目的：目的： （1）獲得所需較純的氣體溶質；）獲得所需較純的氣體溶質；（2）使溶劑再生返回到吸收塔循環(huán)使用。）使溶劑再生返回到吸收塔循環(huán)使用。解吸過程方向：解吸過程是吸收的逆過程，解吸過程方向：解吸過程是吸收的逆過程，是氣體溶質從液相向氣相轉移的過程。是氣體溶質從液相向氣相轉移的過程。五、解吸塔的計算五、解吸塔的計算1解吸方法解吸方法（1）氣提解吸）氣提解吸（2）減壓解吸）減壓解吸（3）加熱解吸）加熱解吸 2. 解吸塔的計算解

24、吸塔的計算（1）解吸用氣量與最小氣液比）解吸用氣量與最小氣液比（1）解吸用氣量與最小氣液比）解吸用氣量與最小氣液比2*121minYYXXLV（2）解吸塔填料層高度計算）解吸塔填料層高度計算1212*1XXXOLOLXXdXKNHZmOLXXXN21 *22*11*22*11lnXXXXXXXXXmmVLmbYXmbYXmVLmVLNOL22211ln11（2）解吸塔填料層高度計算）解吸塔填料層高度計算12mVLmbYXmbYXmVLmVLNOL22211ln11LmVYYYYLmVLmVNOG*22*211ln11例例 5-12第五節(jié)第五節(jié) 填料塔填料塔 一、填料塔的結構及填料特性一、填料塔

25、的結構及填料特性（一）結構（一）結構1.規(guī)整填料、規(guī)整填料、2.支撐棚板、支撐棚板、3.液體收集器、液體收集器、4.集液管、集液管、5.多級槽式液體分布器、多級槽式液體分布器、6.填料壓圈、填料壓圈、7.支撐棚板、支撐棚板、8.蒸汽入口管、蒸汽入口管、9.塔底、塔底、10.至再沸器循環(huán)管、至再沸器循環(huán)管、11.裙座、裙座、12.底座環(huán)底座環(huán)（二）填料性能（二）填料性能 1. 散裝填料散裝填料（1）拉西環(huán)）拉西環(huán)（2）鮑爾環(huán)）鮑爾環(huán) （3）矩鞍形）矩鞍形(4) 球形填料球形填料填料比表面積達填料比表面積達1000m2/m3，比重輕，比重輕0.97g/cm3，不堵塞，不堵塞，易掛膜。易掛膜。 （二

26、）填料性能（二）填料性能 2. 整裝填料整裝填料格利稀柵格格利稀柵格（二）填料性能（二）填料性能 2. 整裝填料整裝填料金屬規(guī)整填料金屬規(guī)整填料-孔板波紋孔板波紋金屬規(guī)整填料金屬規(guī)整填料-壓延孔波紋壓延孔波紋（二）填料性能（二）填料性能 2. 整裝填料整裝填料大型化發(fā)展大型化發(fā)展1#煉油減壓塔規(guī)整填料3. 塔填料的幾何特性塔填料的幾何特性（1） 公稱直徑，公稱直徑，mm（2） 比表面積比表面積（3） 空隙率空隙率（4） 填料因子填料因子 ， 反映特定結構和尺寸的反映特定結構和尺寸的填料在氣填料在氣-液兩相實際操作中的綜合流體力液兩相實際操作中的綜合流體力學性能。學性能。ta二、填料塔內氣液兩相流動特性二、填料塔內氣液兩相流動特性填料塔流體力學填料塔流體力學性能主要包括：性能主要包括：氣體壓降、氣體壓降、液泛氣速、液泛氣速、持液量持液量液液/氣兩相流體分氣兩相流體分布等。布等。（二）（二） 泛點氣速和壓