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1、第七章第七章 吸收吸收与蒸馏与蒸馏第一部分第一部分 传质原理与气体吸收传质原理与气体吸收第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理将上式分离变量并积分将上式分离变量并积分第一节第一节 物质传递原理物质传递原理对公式进行变换对公式进行变换令令pA1-pA2=pB2-pB1P=pA1+pB1=pA2+p
2、B2第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理液相液相mn相界面相界面气相滞流内层气相滞流内层气相气相0zGzG距离距离zpHpi气气相相分分压压p气相有效气相有效膜层厚度膜层厚度滞流内滞流内层厚度层厚度第一节第一节 物质传递原理物质传递原理流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即流体主体与相界面之间存在三个流动区域，即滞流层滞流层、过
3、过度层度层和和湍流主体湍流主体。过渡层过渡层 同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲同时存在分子扩散和涡流扩散，分压梯度逐渐变小，曲线逐渐平缓。线逐渐平缓。滞流层滞流层 溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于溶质的传递主要依靠分子扩散作用，由于D D值较小，在该值较小，在该区域内分压梯度较大，曲线陡峭。区域内分压梯度较大，曲线陡峭。湍流主体湍流主体 主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用使得气主要依靠涡流扩散，大量旋涡引起的混合作用使得气相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。相主体内溶质的分压趋于一致，分压线为直线。第一节第一节 物质传递原理物质传递原理 延长滞流内层的分压线和气
4、相主体的分压线交于延长滞流内层的分压线和气相主体的分压线交于H H点，此点与相界面的距离为点，此点与相界面的距离为z zG G，在在z zG G以内的流动为以内的流动为滞流，其物质传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为滞流，其物质传递纯属分子扩散，此虚拟的膜层称为有效滞流膜有效滞流膜。 整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界整个有效滞流层的传质推动力为气相主体与相界面处的分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流面处的分压之差，即全部传质阻力都包含在有效滞流膜层内。膜层内。 第一节第一节 物质传递原理物质传递原理 由气相主体至相界面的对流传质速率为（按有效滞流膜层由气相主体至相界面的对流传质速率
5、为（按有效滞流膜层内的分子扩散速率计算）内的分子扩散速率计算）式中式中NA溶质溶质A的对流传质速率，的对流传质速率，kmol/(m2s)；zG气相有效滞流膜层厚度气相有效滞流膜层厚度,m；kG气膜吸收系数；气膜吸收系数；p气相主体中溶质气相主体中溶质A的分压的分压,kPa；pi相界面处溶质相界面处溶质A的分压的分压,kPa；pBM惰性组分惰性组分B在气相主体中与相界面处的分压的对数平均在气相主体中与相界面处的分压的对数平均值值,kPa；第一节第一节 物质传递原理物质传递原理在液相中的传质速率为在液相中的传质速率为式中式中zL液相有效滞流膜层厚度，液相有效滞流膜层厚度，m；C液相主体中的溶质液相
6、主体中的溶质A浓度，浓度，kmol/m3；ci相界面处的溶质相界面处的溶质A浓度，浓度，kmol/m3；cSm溶剂溶剂S在液相主题与相界面处的浓度的对数均在液相主题与相界面处的浓度的对数均值，值，kmol/m3；kL液膜吸收系数或液膜传质系数液膜吸收系数或液膜传质系数第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第一节第一节 物质传递原理物质传递原理第二节第二节 气体吸收气体吸收吸收操作流程吸收操作流程第二节第二节 气体吸收气体吸收气气液相平衡关系液相平衡关系一、气体在液体中的溶解度一、气体在液体中的溶解度(1) (1) 在一定温度下，气体组分的溶解度随该组分在气相中的平衡分在一定温度下，气体组分的溶
7、解度随该组分在气相中的平衡分压的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶解度则压的增大而增大；而在相同平衡分压条件下，气体组分的溶解度则随温度的升高而减小。随温度的升高而减小。(2) (2) 在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓度的在同一温度下，对于不同种类的气体组分，欲得到相同浓度的溶液，易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较高分压。溶液，易溶气体仅需控制较低的分压，而难溶气体则需较高分压。(3) (3) 加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解吸。加压和降温对吸收操作有利；反之，升温和减压有利于解吸。第二节第二节 气体吸收气体吸收当当总总压压不不高高（
8、5105Pa）时时，在在一一定定温温度度下下，稀稀溶溶液液上上方方溶溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下的关系：上上式式表表示示溶溶液液的的浓浓度度低低于于一一定定数数值值时时溶溶质质的的平平衡衡分分压压与与它它在在溶溶液液中中的的摩摩尔尔分分率率成成正正比比。亨亨利利系系数数E值值较较大大表表示示溶溶解解度度较较小小。一般一般E值随温度的升高而增大。值随温度的升高而增大。Pe=EX式中式中:Pe-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率溶质在液相中的摩尔分率E-享利系数，享利系数，kPa二、
9、亨利定律二、亨利定律 第二节第二节 气体吸收气体吸收 溶液的密度溶液的密度,kg/m3；M溶液的平均分子量溶液的平均分子量,kg/kmolPe=C/H式中：式中：C液相中溶质的摩尔浓度液相中溶质的摩尔浓度,kmol/m3;H溶解度系数溶解度系数,kmol/mkN; 在在亨亨利利定定律律适适用用的的范范围围内内, ,H H是是温温度度的的函函数数, ,而而与与P Pe e或或C C无无关关。对对于于一一定定的的溶溶质质和和溶溶剂剂，H H值值一一般般随随温温度度升升高高减减小小。易易溶溶气气体体H H值值较较大大，难溶气体难溶气体H H值较小。值较小。 亨利定律的其它形式亨利定律的其它形式(1)
10、 (1) 气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示气相用平衡分压，液相用物质的量浓度表示第二节第二节 气体吸收气体吸收ye=mx式中：式中：x溶质在液相中的摩尔分率；溶质在液相中的摩尔分率；ye与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；与该液相成平衡的气相中溶质的摩尔分率；m相平衡常数相平衡常数,无因次。无因次。m=E/P上式中上式中P为系统总压，为系统总压，值越大，表示溶解度越小。值越大，表示溶解度越小。(2) (2) 溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率溶质在液相和气相中的浓度分别用摩尔分率x,yx,y表示表示第二节第二节 气体吸收气体吸收当当溶溶液液浓浓度度很很低低时时,上上式式右右端端分分
11、母母约约等等于于1,于于是是上上式式可可简简化化为为:Ye=mX(3) (3) 对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用物质的量比来表示对于低浓度气体吸收，两相的组成通常用物质的量比来表示第二节第二节 气体吸收气体吸收三、吸收速率方程三、吸收速率方程吸收过程中的吸收过程中的吸收速率吸收速率是指单位时间内，在单位面积上被吸是指单位时间内，在单位面积上被吸收的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式称为收的溶质量。表明吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式称为吸收速率方程吸收速率方程。1气膜气膜吸收速率方程式吸收速率方程式2液膜吸收速率方程式液膜吸收速率方程式第二节第二节 气体吸收气体吸收上式表
12、明，在分压上式表明，在分压浓度图浓度图上，上，pi-ci关系为过定点关系为过定点D（c，p），），斜率为斜率为-kL/kG的直线。的直线。根据双膜理论，界面处的气液根据双膜理论，界面处的气液浓度符合平衡关系，所以该直浓度符合平衡关系，所以该直线与气液平衡线的交点即为点线与气液平衡线的交点即为点（ci，pi）0cci液相浓度液相浓度D(c,p)(ci,pi)p=f(c)ppi气气相相分分压压对于定态传质，气液两膜中的传质速率应当相等，即对于定态传质，气液两膜中的传质速率应当相等，即3 3 界面浓度界面浓度第二节第二节 气体吸收气体吸收吸收过程的总推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡吸收过程的总
13、推动力可采用任何一相的主体浓度与其平衡浓度的差值来表示。浓度的差值来表示。(1)以（以（p-pe）表示总推动力表示总推动力双膜理论：双膜理论：pi=ci/H亨利定律：亨利定律：pe=c/H液相吸收速率方程液相吸收速率方程NA=kL(ci-c)NA=kLH(pi-pe)气相吸收速率方程气相吸收速率方程NA=kG(p-pi)代入代入4 4 总吸收速率方程总吸收速率方程第二节第二节 气体吸收气体吸收令令式中式中KG气相总吸收系数气相总吸收系数，kmol/(m2skPa) 对于易溶气体，对于易溶气体，H H值很大，则有：值很大，则有：1/1/HkHkL L1/k1/kG G ，此时传质阻此时传质阻力的
14、绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略。力的绝大部分存在于气膜之中，液膜阻力可以忽略。NA=KG(p-pe)1/KG1/kG或或KGkG 对于气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相湍动对于气膜控制的吸收，要提高总吸收系数，应该加大气相湍动程度。程度。 即气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大即气膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大部分用于克服气膜阻力，此种情况称为部分用于克服气膜阻力，此种情况称为 “气膜控制气膜控制”（gas-film gas-film controlcontrol）。）。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸气等过程。如：水吸收氨，浓硫酸吸收水蒸
15、气等过程。第二节第二节 气体吸收气体吸收(2)以（以（Ce-C）表示总推动力表示总推动力令令代入代入NA=KL(ce-c)KL液相总吸收系数，液相总吸收系数，m/s第二节第二节 气体吸收气体吸收对于难溶气体，对于难溶气体，H值很小，则有：值很小，则有：H/kG1/kL，此时传质此时传质阻力的绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略。阻力的绝大部分存在于液膜之中，气膜阻力可以忽略。1/KL1/kL或或KLkL即液膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝即液膜阻力控制着整个吸收过程的速率，吸收总推动力的绝大部分用于克服液膜阻力，此种情况称为大部分用于克服液膜阻力，此种情况称为“液膜控制液膜
16、控制”（liquid-filmcontrol）。）。如：水吸收氧或氢。如：水吸收氧或氢。对于中等溶解度的气体，气膜阻力和液膜阻力都不可忽略，对于中等溶解度的气体，气膜阻力和液膜阻力都不可忽略，要提高总吸收系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。要提高总吸收系数，必须同时增大气相和液相的湍动程度。第二节第二节 气体吸收气体吸收(3)以（以（Y-Ye）表示总推动力表示总推动力分压定律：分压定律：p=PyY=y/（1-y）y=Y/（1+Y）同理同理式中式中Ye表示与液相浓度表示与液相浓度X成平衡的气相浓度成平衡的气相浓度NA=KG(p-pe)当吸收质在气相中的浓度很小时，当吸收质在气相中的浓度很小时
17、，Y和和Ye都很小，则有都很小，则有KYKGP第二节第二节 气体吸收气体吸收(4)以（以（Xe-X）表示传质总推动力表示传质总推动力液相浓度以液相浓度以X表示，与气相浓度成平衡的液相浓度以表示，与气相浓度成平衡的液相浓度以Xe表示。表示。当吸收质浓度在液相中很小时，当吸收质浓度在液相中很小时，Xe和和X都很小，则有都很小，则有令令KX液相总吸收系数，液相总吸收系数，kmol/（m2s）KXKLC第二节第二节 气体吸收气体吸收 、 为为推推动动力力 、 为推动力为推动力 、 为推动力为推动力气气膜膜NA=KG(p-pi) NA=kY(Y-Yi)kY=PkG/(1+Y)(1+Yi)NA=ky(y-
18、yi)ky=PkG液液膜膜NA=kL(Ci-C)NA=kX(Xi-X)kX=kLC/(1+Xi)(1+X)NA=kX(xi-X)kX=CkL气气相相NA=KG(P-Pe)KG=1/(1/kG+1/HkL)气膜控制气膜控制KG=kG NA=KY(Y-Ye)KY=PKG/(1+Y)(1+Ye)KY=1/(1/kY+m/kX)气膜控制时气膜控制时KY=kYNA=Ky(y-ye)Ky=PKGKy=1/(1/ky+m/kX)气膜控制时气膜控制时Ky=ky 液相液相NA=KL(Ce-C)KL=1/(H/kG+1/kG)液膜控制时液膜控制时KL=kLNA=KX(Xe-X)KX=KL./(1+Xe)(1+X)
19、KX=1/(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时KX=kXNA=Kx(xe-x)Kx=CKLKx=1/(1/mky+1/kx)液膜控制时液膜控制时Kx=kx传质速率方程式的各种形式传质速率方程式的各种形式假设：假设：吸收塔计算的内容主要是通过物料衡算及操作线方程，确吸收塔计算的内容主要是通过物料衡算及操作线方程，确定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。定吸收剂的用量和塔设备的主要尺寸（塔径和塔高）。吸收操作多采用逆流；吸收操作多采用逆流；低浓度气体吸收；低浓度气体吸收；吸收是在等温下进行；吸收是在等温下进行；传质分系数传质分系数kG、kL在全塔为常数；在全塔为常数；传质总系数传
20、质总系数KG或或KL也可认为是常数。也可认为是常数。四、吸收塔的计算四、吸收塔的计算第二节第二节 气体吸收气体吸收V，Y1L，X1YXV，Y2L，X2mn逆流吸收塔的物料衡算逆流吸收塔的物料衡算1 1 吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算第二节第二节 气体吸收气体吸收对对全全塔塔来来说说，气气体体混混合合物物经经过过吸吸收收塔塔后后，吸吸收收质质的的减减少少量量等于液相中吸收质的增加量，即：等于液相中吸收质的增加量，即：V(Y1-Y2)=L(X1-X2)Y2=Y1（1-A）式中：式中：V惰性气体的摩尔流量惰性气体的摩尔流量,Kmol/SL吸收剂摩尔流量吸收剂摩尔流量,Kmol/SY1、Y2分别为吸
21、收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；X1、X2分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；分别为吸收塔的塔底和塔顶的液相比摩尔分率；A混合气体中溶质混合气体中溶质A被吸收的百分率，称为吸收率或回收率被吸收的百分率，称为吸收率或回收率第二节第二节 气体吸收气体吸收 建立和不断更新两相接触表面，使之具有尽可能大的建立和不断更新两相接触表面，使之具有尽可能大的接触面积和尽可能好的流体力学条件，以利于提高吸收速接触面积和尽可能好的流体力学条件，以利于提高吸收速率，减少设备的尺寸，同时，气体通过设备的阻力要小，率，减少设备的尺寸，同时，气体通过设备的阻力要小，以节省动力消耗。以节省动力消耗。第二节第二节 气体吸收气体吸收五、五、 吸收塔吸收塔简介简介1 1 吸收设备的作用吸收设备的作用液体分布器液体分布器气体出口气体出口液体入口液体入口塔壳塔壳填料填料液体再分布器液体再分布器支承栅板支承栅板气体入口气体入口液体出口液体出口2 2 填料塔的结构与操作填料塔的结构与操作第二节第二节 气体吸收气体吸收第二节第二节 气体吸收气体吸收
