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1、吸收：利用气体各组分在吸收剂（液体）吸收：利用气体各组分在吸收剂（液体） 中溶解度的不同，进行混合气体的分离。中溶解度的不同，进行混合气体的分离。精馏：利用液体各组分的挥发度不同，进行混合液精馏：利用液体各组分的挥发度不同，进行混合液体的分离。体的分离。萃取：萃取：利用液体各组分在萃取剂（液体）中溶解度利用液体各组分在萃取剂（液体）中溶解度的不同，进行混合液体的分离。的不同，进行混合液体的分离。其他分离操作：结晶，吸附，膜分离。其他分离操作：结晶，吸附，膜分离。干燥：除去固体中湿分（主要为水分）。干燥：除去固体中湿分（主要为水分）。第第8章章 气体吸收气体吸收8.1.1 吸收的目的和依据吸收的
2、目的和依据 目的：目的：（1）回收有用物质；）回收有用物质； （2）脱除有害成分。）脱除有害成分。 依据：混合气体中各组分在依据：混合气体中各组分在 某种溶剂中溶解度的差异。某种溶剂中溶解度的差异。8.1 概述概述8.1.2 工业吸收过程工业吸收过程 实施吸收操作须解决实施吸收操作须解决的问题：的问题： （1）选择合适的吸收剂；）选择合适的吸收剂； （2）提供适当的设备；）提供适当的设备； （3）溶剂再生。）溶剂再生。吸收与解吸流程吸收与解吸流程 技术要求：技术要求： 溶解度大；选择性高；对温度的敏感性强，溶解度大；选择性高；对温度的敏感性强，易解析。易解析。 经济及安全要求：经济及安全要求：
3、 蒸汽压要低，不易挥发；较好的化学稳定性；蒸汽压要低，不易挥发；较好的化学稳定性；黏度小；价廉，易得，无毒，不易燃易爆。黏度小；价廉，易得，无毒，不易燃易爆。8.1.3 溶剂的选择溶剂的选择 物理吸收：气体各组分因在溶剂中溶物理吸收：气体各组分因在溶剂中溶解度的不同而被分离的吸收操作。解度的不同而被分离的吸收操作。 化学吸收：利用化学反应而实现吸收的化学吸收：利用化学反应而实现吸收的操作。化学吸收应满足的条件：操作。化学吸收应满足的条件： （1）反应的可逆性；）反应的可逆性； （2）较高的反应速率。）较高的反应速率。8.1.4 物理吸收和化学吸收物理吸收和化学吸收 吸收的操作费用：吸收的操作费
4、用： （1）流动能耗；）流动能耗； （2）溶剂能耗；）溶剂能耗； （3）解析操作费用（此项费用最大）。）解析操作费用（此项费用最大）。 常用的解析方法：升温、减压、吹气，常用的解析方法：升温、减压、吹气，升温和吹气通常同时进行。升温和吹气通常同时进行。 （高浓度吸收时有温度变化）（高浓度吸收时有温度变化）8.1.5 吸收操作的经济特性吸收操作的经济特性8.1.6 气液两相的接触方式气液两相的接触方式级式接触级式接触微分接触微分接触8.2 气液相平衡气液相平衡8.2.1 吸收与传热的比较吸收与传热的比较过过 程程 传递对象传递对象推动力推动力极极 限限传传 热热热热 量量温温 差差温度相等温度相
5、等吸吸 收收物物 质质不是浓不是浓度差度差不是两相浓度不是两相浓度相等相等 原因：气液相平衡不同于冷热流体之间原因：气液相平衡不同于冷热流体之间的热平衡。的热平衡。8.2.2 平衡溶解度平衡溶解度8.2.2.1 溶解度曲线溶解度曲线8.2.2.2 亨利定律亨利定律 亨利常数之间的关系亨利常数之间的关系讨论：（讨论：（1）p 5 atm，H，E与压力无关；与压力无关； p，m，溶解度，溶解度。 （2）t，E，H，m，溶解度，溶解度。 8.2.3 相平衡与吸收过程的关系相平衡与吸收过程的关系8.2.3.1 判别过程的方向判别过程的方向判别过程的方向判别过程的方向1 1） y ye e，y y，x
6、x， y ye e0.047 y0.047 x0.106 x， 吸收；吸收； 2 2） y ye e，y y，x x， y ye e0.094 y0.094 y0.05 0.05 ，解吸；，解吸； x xe e0.053 x0.053 cAi，必有，必有cB cB，存在，存在JB ，界面处总压，界面处总压p，产生微小，产生微小压差压差p，促使混合气体向界面流动，产生主，促使混合气体向界面流动，产生主体流动。体流动。 扩散流扩散流 主体流动主体流动（P8）主体流动与扩散流主体流动与扩散流 微小微小p足以造成必足以造成必要的主体流动，各处要的主体流动，各处p总压仍可视为相等，即总压仍可视为相等，即
7、JA = - JB依然成立。依然成立。8.3.2.3 分子扩散速率方程分子扩散速率方程 净物流：净物流：A的分子扩散速率方程的分子扩散速率方程： 主体流动是因分子扩散而引起的一种伴主体流动是因分子扩散而引起的一种伴生流动。生流动。主体流动与扩散流主体流动与扩散流8.3.2.4 静止流体中分子扩散速率积分式静止流体中分子扩散速率积分式 定态时，定态时，NA = 常数常数等分子反向扩散等分子反向扩散（1）等分子反向扩散）等分子反向扩散（2）单向扩散）单向扩散气相扩散时，气相扩散时，漂流因子漂流因子（P10）单向扩散单向扩散8.3.3 扩散系数扩散系数 扩散系数是物质的一种传递性质，其值扩散系数是物
8、质的一种传递性质，其值受温度，压强和混合物中组分浓度的影响。受温度，压强和混合物中组分浓度的影响。8.3.3.1 组分在气体中的扩散系数组分在气体中的扩散系数D0为为T0 ， p0状态下扩散系数，可查手册。状态下扩散系数，可查手册。8.3.3.2 组分在液体中的扩散系数组分在液体中的扩散系数讨论讨论（P11）讨论讨论（P12）8.3.4.1 对流对传质的贡献对流对传质的贡献 对流传质：流动流体与相界面之间的物对流传质：流动流体与相界面之间的物质传递。质传递。组分的浓度分布组分的浓度分布1静止流静止流体；体；2滞流；滞流；3 湍流湍流8.3.4 对流传质对流传质（1）流体作滞流流动）流体作滞流流
9、动（2）流体作湍流流动）流体作湍流流动流动对传质的强化作用与对流传热类似。流动对传质的强化作用与对流传热类似。8.3.4.2 对流传质速率对流传质速率 气相与界面的传质气相与界面的传质 液相与界面的传质液相与界面的传质8.3.4.3 传质分系数的无因次关联式传质分系数的无因次关联式 气体或液体在降膜式吸收器内作湍流流动。气体或液体在降膜式吸收器内作湍流流动。符号说明符号说明（P14）（P14）8.3.5 对流传质理论对流传质理论8.3.5.1 有效膜理论有效膜理论 要点要点（P16）膜理论预示膜理论预示kD，但实际表明，但实际表明kD0.67， G，L 不是实际存在的有效膜厚度，不是实际存在的
10、有效膜厚度， 而成而成为虚拟的当量膜厚。为虚拟的当量膜厚。有效膜理论有效膜理论8.3.5.2 溶质渗透理论溶质渗透理论 要点要点（P16P16）表面更新周期性发生。表面更新周期性发生。8.3.5.3 表面更新理论表面更新理论 要点要点（P17P17）表面更新随时进行。表面更新随时进行。溶质在液相中的浓度分布溶质在液相中的浓度分布8.4 相际传质相际传质8.4.1 相际传质速率相际传质速率8.4.1.1 传质速率方程传质速率方程主体浓度与界面浓度的图示主体浓度与界面浓度的图示符号说明符号说明解吸速率方程解吸速率方程8.4.1.2 传质速率方程的各种表达形式传质速率方程的各种表达形式相平衡方相平衡
11、方程程吸收传质吸收传质速率方程速率方程吸收或解吸收或解吸的总传吸的总传质系数质系数 8.4.2 界面浓度与传质阻力的控制步骤界面浓度与传质阻力的控制步骤界面浓度的求取界面浓度的求取或或（1）图解法）图解法（2）解析法）解析法与上式联立求解。与上式联立求解。界面浓度的求取界面浓度的求取图中图中a为操作点，为操作点，b为平衡点。为平衡点。8.4.2.2 吸收过程的阻力分析吸收过程的阻力分析（1）气相阻力控制）气相阻力控制条件：条件：或或 m很小（溶解度很大）；易溶气体：水很小（溶解度很大）；易溶气体：水吸收吸收NH3，HCl。传质阻力在两相中的分配传质阻力在两相中的分配（2）液相阻力控制）液相阻力
12、控制条件：条件： m很大（溶解度很小）；很大（溶解度很小）；难溶气体：水吸收难溶气体：水吸收CO2，O2等。等。或或传质阻力传质阻力在两相中的分配在两相中的分配8.5 低含量气体吸收低含量气体吸收8.5.1 吸收过程的数学描述吸收过程的数学描述8.5.1.1 低含量气体吸收的特点低含量气体吸收的特点 (1) G，L 为常量；为常量；(2) 等温；等温； (3)传质系数为常量。传质系数为常量。8.5.1.2 物料衡算微分式物料衡算微分式 衡算条件：忽略控制体两衡算条件：忽略控制体两端面轴向的分子扩散。端面轴向的分子扩散。流经微元塔段流经微元塔段两相浓度变化两相浓度变化符号说明符号说明（P20）8
13、.5.1.3 传质速率积分式传质速率积分式_容积传质系数，容积传质系数，8.5.1.4 传质单元数与传质单元高度传质单元数与传质单元高度传质单元高度传质单元高度传质单元数传质单元数 传质单元高度传质单元高度HOG、HOL与设备形与设备形式，操作条件有关，为完成一个传质单式，操作条件有关，为完成一个传质单元所需的塔高，反映设备性能高低。元所需的塔高，反映设备性能高低。 传质单元数传质单元数NOG、NOL与相平衡及进与相平衡及进出口浓度条件有关，反映了分离任务的出口浓度条件有关，反映了分离任务的难易。难易。传质单元数与传质单元高度传质单元数与传质单元高度塔高计算式塔高计算式 传质单元高度传质单元高
14、度传质单元数传质单元数讨论：讨论： 1 1）塔高传质单元高度）塔高传质单元高度传质单元数传质单元数 只是变量的分离和合并，无本质区别。只是变量的分离和合并，无本质区别。2 2）传质单元数）传质单元数N NOGOG和和N NOLOL只与相平衡和进出口含量有关，只与相平衡和进出口含量有关， 反映了分离任务的难易。分离要求高或吸收剂差，传反映了分离任务的难易。分离要求高或吸收剂差，传 质单元数多。质单元数多。3 3）传质单元高度）传质单元高度H HOGOG和和H HOLOL只与设备的形式和设备中的操只与设备的形式和设备中的操 作条件有关，反映了设备效能的高低。效能高传质单作条件有关，反映了设备效能的
15、高低。效能高传质单 元高度小。常用的吸收设备传质单元高度为。元高度小。常用的吸收设备传质单元高度为。4 4）传质单元高度于传质单元数的其他形式见表）传质单元高度于传质单元数的其他形式见表8 85 5。5 5）计算方法同样适合解吸，只是推动力相反。）计算方法同样适合解吸，只是推动力相反。6 6）K Ky ya a和和K Kx xa a称为体积传质系数，一般实验同时测定。称为体积传质系数，一般实验同时测定。8.5.2 传质单元数的计算方法传质单元数的计算方法8.5.2.1 操作线与推动力的变化规律操作线与推动力的变化规律两相逆流接触，如图两相逆流接触，如图对控制体作物料衡算：对控制体作物料衡算：逆
16、流吸收的操作逆流吸收的操作操作线：操作线： 如平衡线在操作范围内可视为直如平衡线在操作范围内可视为直线，则线，则:逆流吸收操作线逆流吸收操作线8.5.2.2 平衡线为直线时的对数平均推动力法平衡线为直线时的对数平均推动力法同理：同理：8.5.2.3 吸收因数法吸收因数法解吸因数，解吸因数，A吸收因数吸收因数8.5.3 吸收塔的设计型计算吸收塔的设计型计算8.5.3.1 计算公式计算公式 全塔物料衡算式全塔物料衡算式 相平衡方程式相平衡方程式 吸收过程基本方程式吸收过程基本方程式8.5.3.2 设计型计算的命题设计型计算的命题设计要求：求达到指定分离要求所需的塔高。设计要求：求达到指定分离要求所
17、需的塔高。 给定条件：给定条件：y1，G，相平衡关系，相平衡关系， 分离要求分离要求(y2或或)。被吸收的溶质量气体进塔的溶质量尚须作设计条件选择。尚须作设计条件选择。 回收率：回收率：8.5.3.3 流向选择流向选择一般选逆流，一般选逆流，ym较大。在特殊情况较大。在特殊情况下，可考虑用并流（平衡线斜率极小）。下，可考虑用并流（平衡线斜率极小）。并流吸收的操作线并流吸收的操作线8.5.3.4 吸收剂进口浓度的选吸收剂进口浓度的选择择 技术上：技术上： x2， ym , H （最高允许浓度：（最高允许浓度：x2 = x2m，ym = 0，H） 经济上：经济上：x2，H ，设备，设备费费 ，但解
18、吸操作费，但解吸操作费，须优，须优化选择。化选择。吸收剂进口浓度上限吸收剂进口浓度上限8.5.3.5 吸收剂用量的选择及最小液气比吸收剂用量的选择及最小液气比最小液气比最小液气比讨论讨论（P26）8.5.3.6 解吸塔的最小气液比解吸塔的最小气液比 解吸操作线和最小液气比解吸操作线和最小液气比8.5.3.7 塔内返混的影响塔内返混的影响返混：少量流体自身由下游返回至上游。返混：少量流体自身由下游返回至上游。返混破坏逆流操作条件，使推动力下降，返混破坏逆流操作条件，使推动力下降，对传质不利。对传质不利。轴向返混降低推动力轴向返混降低推动力8.5.3.8 吸收剂再循环吸收剂再循环入塔吸收剂浓度：入
19、塔吸收剂浓度：吸收剂再循环的操作线吸收剂再循环的操作线讨论讨论（P30）8.5.4 吸收塔的操作型计算吸收塔的操作型计算8.5.4.1 操作型计算的命题操作型计算的命题（1）第一类命题）第一类命题 （求操作结果）（求操作结果） 给定条件：给定条件： H（及其他有关尺寸），（及其他有关尺寸），L，G，x2，y1， y = f (x)，流动方式，流动方式，Kya 或或 Kxa 。 计算目的：计算目的： y2()，x1 。（2）第二类命题）第二类命题（求操作条件）（求操作条件） 给定条件：给定条件： H（及其他有关尺寸），（及其他有关尺寸），G，y1，y2，x2， y = f (x)，流动方式，流动
20、方式，Kya或或Kxa 。 计算目的：计算目的： L，x1 。8.5.4.2 计算方法计算方法联立节所列方程。一般，由于相平联立节所列方程。一般，由于相平衡方程式及吸收过程方程式的非线性，衡方程式及吸收过程方程式的非线性，须试差或迭代。须试差或迭代。当平衡线在操作范围内可视为直线当平衡线在操作范围内可视为直线时，第一类命题可将基本方程线性化。时，第一类命题可将基本方程线性化。但第二类命题仍须试差。但第二类命题仍须试差。8.5.4.3 吸收塔的操作和吸收塔的操作和调节调节 调节方法：改变吸调节方法：改变吸收剂的入口条件。收剂的入口条件。（1）L的调节的调节L增大对操作结果的影响增大对操作结果的影
21、响吸收剂用量调节的限度吸收剂用量调节的限度，气液两相在塔底平衡，气液两相在塔底平衡，气液两相在塔顶平衡，气液两相在塔顶平衡，有限塔高有限塔高 L/G m，L，y2下降不明显，此时操作调节应改下降不明显，此时操作调节应改变变 x2 或或 t 。吸收操作中吸收操作中L/G的调节作用的调节作用（2）x2的调节的调节 x2的调节主要受解吸的调节主要受解吸过程的限制。过程的限制。x2降低对操作结果的影响降低对操作结果的影响(3) t 的调节的调节，气体溶解度增大；，气体溶解度增大； 温度调节在技术温度调节在技术上受冷却器能力的上受冷却器能力的限制；在经济上受限制；在经济上受能耗的优化约束。能耗的优化约束
22、。T降低对操作结果的影响降低对操作结果的影响8.5.5 填料吸收塔的操作填料吸收塔的操作 高含量气体吸收高含量气体吸收8.6.1 高含量气体吸收的特点高含量气体吸收的特点 （1）G、L沿塔高变化沿塔高变化 惰性气体流率惰性气体流率GB沿塔高不变；设溶剂不沿塔高不变；设溶剂不蒸发，纯溶剂流率蒸发，纯溶剂流率LS为常量。为常量。 全塔物料衡算全塔物料衡算操作线操作线高含量气体吸收操作线高含量气体吸收操作线（2）吸收过程系非等温）吸收过程系非等温溶解热使两相温度升高，对吸收不利。溶解热使两相温度升高，对吸收不利。（3）传质系数与含量有关）传质系数与含量有关高含量吸收，漂流因子有影响。高含量吸收，漂流
23、因子有影响。，受流动影响，不为常数。，受流动影响，不为常数。8.6.2 过程的数学描述过程的数学描述物料衡算物料衡算流经微元塔段两相流经微元塔段两相流率与含量的变化流率与含量的变化热量衡算热量衡算 忽略溶剂汽化和气体温度升高带走的忽略溶剂汽化和气体温度升高带走的热；不计热损失。微分溶解热热；不计热损失。微分溶解热= f (x), kJ/kmol， 因因L相对较大，忽略相对较大，忽略 ， 。相际传质速率相际传质速率界面含量界面含量8.6.3 过程的计算过程的计算绝热吸收平衡线绝热吸收平衡线 绝热吸收平衡线的作法绝热吸收平衡线的作法x, t y逐段计算法逐段计算法传质单元的近似计算传质单元的近似计
24、算 如气相含量不十分高，如气相含量不十分高， 8.7 化学吸收化学吸收8.7.1 化学反应对相平衡的影响化学反应对相平衡的影响 化学吸收的优点：化学吸收的优点：(1)提高吸收的选择性；提高吸收的选择性；(2)加快吸收速率，减小设备加快吸收速率，减小设备容积；容积；(3)溶解度增加，吸收剂用量溶解度增加，吸收剂用量减少；减少；(4)气相中溶质除去彻底。气相中溶质除去彻底。反应对相平衡的影响反应对相平衡的影响不可逆反应不可逆反应 A (气气) A (液液) P (液液)溶解度溶解度 ，平衡分压，平衡分压pe = 0，ye = mx，m = 0A (气气)A (液液) + B P (液液) 反应平衡
25、常数反应平衡常数液相中液相中A的总浓度的总浓度 c = cA + cP ，cP = c cA可逆反应可逆反应例例 Cl2 + H2O = HOCl + H + Cl水合反应使浓度增加水合反应使浓度增加 8.7.2 化学吸收速率化学吸收速率 增强因子增强因子 为化学吸收速率与物理吸收速为化学吸收速率与物理吸收速率之比。率之比。8.7.3 化学吸收塔高计算化学吸收塔高计算 简化计算法简化计算法 m = 0 单相传质的机理单相传质的机理：（1）分子扩散：因分子的微观运动使该组）分子扩散：因分子的微观运动使该组分由高浓度处传递至低浓度处。分由高浓度处传递至低浓度处。（2）对流传质：流体的宏观流动导致的
26、物）对流传质：流体的宏观流动导致的物质传递。质传递。符号说明：符号说明：扩散速率，扩散速率，kmol/m2s浓度梯度，浓度梯度，kmol/m4扩散系数，扩散系数，m2/s扩散流：扩散流：分子微观运动的宏观结果，传递纯分子微观运动的宏观结果，传递纯 A 或纯或纯 B 。主体流动：主体流动：宏观运动，同时携带宏观运动，同时携带 A 与与 B 至至界面定态时，主体流动所带界面定态时，主体流动所带 B 的量等于的量等于B的的反向扩散量，反向扩散量，cBi 保持定态。保持定态。漂流因子漂流因子 或或 ，单向扩散时，单向扩散时因存在主体流动而使因存在主体流动而使 NA 为为 JA 的某一倍数，的某一倍数，
27、漂流因子恒大于。当漂流因子恒大于。当 cA 很低，很低，cBM = cM时其值接近于。时其值接近于。式中式中讨论：讨论： T分子动能较大；分子动能较大； p分子间距加大，分子间距加大， 二者均使二者均使 D。讨论：讨论： 一般，一般，D气气105D液液，但组分在液体中，但组分在液体中的摩尔浓度较气体大，故，的摩尔浓度较气体大，故，N 气气100N液液，组分浓度对组分浓度对D液液有较显著影响。有较显著影响。符号说明：符号说明： p，pi A的气相主体分压于界面处的分压，的气相主体分压于界面处的分压，kN/m2；ci，c A的界面浓度与液相主体浓度，的界面浓度与液相主体浓度，kmol/m3；kG
28、气相传质分系数，气相传质分系数，kmol/sm2(kN/m2)；kL 液相传质分系数，液相传质分系数， kmol/sm2(kN/m3)或或m/s。要点：要点： 界面两侧各存在一层静止的气膜和界面两侧各存在一层静止的气膜和液膜，全部传质阻力集中于静止层，膜液膜，全部传质阻力集中于静止层，膜中传质为定态分子扩散，紧贴界面两侧中传质为定态分子扩散，紧贴界面两侧气、液两相浓度平衡。气、液两相浓度平衡。要点：要点： 液体在下流过程中，间隔液体在下流过程中，间隔 发发生一次完全混合，使浓度均运化。在生一次完全混合，使浓度均运化。在溶质渗透时间溶质渗透时间 内，发生非定态的内，发生非定态的扩散过程。扩散过程
29、。要点：要点： 流体在下面过程中，表面不断流体在下面过程中，表面不断更新，不断有液体从主体转为界面，更新，不断有液体从主体转为界面，使过程大大强化。使过程大大强化。定义定义S为单位时间内表面被更为单位时间内表面被更新的百分率（更新频率）。新的百分率（更新频率）。符号说明：符号说明：y，x溶质的气相与液相主体浓度，摩溶质的气相与液相主体浓度，摩 尔分率；尔分率；yi，xi 界面两侧气、液相的溶质浓度，界面两侧气、液相的溶质浓度，摩尔分率；摩尔分率；ky，kx传质分系数，传质分系数，kmol/sm2。符号说明：符号说明：G 混合气体流率，混合气体流率， kmol/sm2；L 液体流率，液体流率， kmol/sm2；a 单位容积内具有的有效吸收表面，单位容积内具有的有效吸收表面，m2/m3讨论：讨论： ，x1，ym，NOG ，H ，设，设备费备费，但解吸操作费，但解吸操作费，须优化选择。，须优化选择。
