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1、1,第二章 吸收 Absorption,2,概述（Introduction）,利用混合气体中各组分(component)在液体中溶解度(solubility)的差异而分离气体混合物的单元操作称为吸收。分离的依据：各组分溶解度的差异。吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液(solution)，不溶或难溶组分仍留在气相(gas phase)，从而实现混合气体的分离。,3,气体吸收是混合气体中某些组分在气液相界面上溶解、在气相和液相内由浓度差推动的传质过程。,吸收剂,气体,y,x,界面,气相主体,液相主体,相界面,气相扩散,液相扩散,yi,xi,4,吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分
2、，以A表示。惰性气体(inert gas)或载体：不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂(absorbent)：吸收操作中所用的溶剂，以S表示。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。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。,吸收塔,吸收液A+少量S,混和气体A+B,吸收剂S,吸收尾气B+少量A,5,一、气体吸收的目的,净化气体或精制气体。如用水脱除合成氨原料气中的CO2，用丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等以除去气体中的有害成分，便于下一步的反应顺利进行。制备液体产品。如用水吸收HCl气体制备盐酸，用水吸收NO
3、2气体制硝酸，用水吸收NH3气制氨水，用稀硫酸吸收SO3制浓硫酸等均属于吸收操作。回收有用物质。如用洗油从焦炉气中回收粗苯(苯、甲苯、二甲苯)等。环境保护的需要。如用碱液吸收工业过程排放的废气中含有的一些有害物质如SO2、H2S、NO、HF等。,6,二、气体吸收的分类,按溶质与溶剂间是否发生显著化学反应分：物理吸收：如水吸收二氧化碳化学吸收：如硫酸吸收氨按被吸收组分数目分：单组分吸收：如水吸收氯化氢气体多组分吸收：如洗油处理焦炉气，苯、甲苯、二甲苯等组分均溶解,7,按吸收前后温度是否发生变化分：等温吸收：非等温吸收按溶质在气液两相中组成大小分：低组成吸收：摩尔分数 0.1高组成吸收：摩尔分数
4、0.1本章重点讨论单组分低组成的等温物理吸收,8,混合气体中某一组分能否进入溶液里，既取决于该组分的分压，也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。如果混合气体中该气体的分压大于溶液的平衡蒸汽压，这个组分便可自气相转移至液相，即被吸收。由于转移的结果，溶液里这个组分的浓度便增高，它的平衡蒸汽压也随着增高，到最后，可以增高到等于它在气相中的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平衡。,三、吸收基本原理,9,反之，如果溶液中的某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来，即从液相转移到气相，这种情况称为解吸（或脱吸）。所以根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限
5、，而且，两相的浓度距离平衡愈远，则传质的推动力愈大，传质速率也愈大。吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着手。,10,四、蒸馏与吸收操作对比,蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入另一相形成两相系统；蒸馏直接获得轻、重组分，吸收混合液经脱吸才能得到较纯组分；蒸馏中气相中重组分向液相传递，液相中轻组分向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气相向液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于“停滞”状态。,11,2.1 气体吸收的相平衡关系2.1.1 气体的溶解度2.1.2 亨利定律2.1.3 吸收剂是选择2.1.4 相平衡关系在吸收过程中的应用,返回,12,2.1.1 气体的溶解度
6、,相平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，当气液两相经过长时间的接触后，溶质的溶解速率与解吸速率达到相等时，气液两相中溶质的浓度就不再因两相间的接触而变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。,13,平衡分压：平衡状态下气相中的溶质分压称为平衡分压或饱和分压，液相中的溶质组成称为平衡组成或饱和组成。气体在液体中的溶解度，是指气体在液体中的饱和组成，常以单位质量或体积的液体所含溶质的质量来表示。气体的溶解度标明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。,14,1.相律 F=C-P+n独立组分数：C=3(A、B、S)相数：P=2（气、液相）影响因素
7、：n=2（温度、压强）自由度F=3-2+2=3，即气相组成、液相组成、温度、压力4个变量中，已知3个量，便可确定余下的1个量。温度、压力一定：溶解度（液相组成）=f(气相组成)总压5105Pa时：溶解度=f(气相组成，温度）,15,2.溶解度曲线,横标：气相分压；纵标：溶解度；参数：温度（总压不太高时）。,16,同种溶质：温度一定：气相分压愈大，溶解度愈大气相分压一定：温度愈低，溶解度愈大 不同溶质：溶解度一定时，易溶气体溶液上方分压小，难溶气体上方分压大说明加压、降温有利于吸收操作的进行易溶气体仅需较小的分压就能达到一定溶解度,17,2.1.2 亨利定律,亨利定律内容 总压不高时，在一定温度
8、下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比，其比例系数为亨利系数。,18,注意,应用条件：溶液为理想溶液或稀溶液，溶质在气相和液相中的分子状态必须相同。理想溶液：拉乌尔定律：非理想溶液：低浓度气体吸收：E=常量难溶物系：E常量，但当P0.1MPa时，E可视为常量,19,P0.1MPa时，E=f(P,t)E由实验测定确定：以pi/x对x作图，当x0，pi/x的值即为E。常见物系的E可查有关手册。对于一定的气体和一定的溶剂，E值随温度变化：t，E，x，体现气体溶解度随温度升高而减小的变化趋势。同一溶剂中：易溶气体的E值很小难溶气体的E值相对较大。,20,2.pi=ci/H式中
9、：ci溶液中溶质的物质的量浓度(体积摩尔浓度)，kmol(A)/m3；H 称为溶解度系数，kmol/(m3kPa)表明：当气液两相达到平衡时，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与液相中溶质的体积摩尔浓度成正比。,21,设溶液组成为ckmol(A)/m3，密度为kg/m3；溶质和溶剂的分子量分别为MA kg/kmol、MS kg/kmol，则：,22,P对H影响小，H大，溶解度大，易溶气体对于稀溶液，c值很小，c(MS-MA),说明,23,说明 温度、总压的影响：m大，溶解度小，难溶气体,3.yi=mxi,m与E的关系：,m相平衡常数，无因次。,24,4.Yi=mXi,在低浓度气体吸收计算中，通常采
10、用基准不变的摩尔比 Yi（或 X i）表示组成。,25,以上亨利定律的各种表达式描述的都是互成平衡的气液两相组成间的关系，它们都是根据液相组成来计算与之平衡的气相组成。同样，也可根据气相组成计算平衡的液相组成，此时，亨利定律可写成：,26,2.1.3 吸收剂的选择,完成一个吸收过程需选择合适的溶剂，对吸收剂的要求是：溶解度大。可提高吸收速率并减少吸收剂的耗用量。选择性好。对溶质有良好的溶解能力，而对其它组分不溶或微溶，且便于再生，否则不能实现分离的目的。,27,挥发度小，即在操作温度下蒸汽压小，基本不汽化。离开吸收设备的气体被吸收剂所饱和，吸收剂挥发度愈大，损失量便愈大。粘度低。可改善吸收设备
11、内的流动状况，从而提高传质速率和传热速率，有助于降低泵的效率，减小传质、传热阻力。其它。来源充分，价格低廉，无毒，无腐蚀性不易燃，不发泡，化学性质稳定等。,28,2.1.4.相平衡关系在吸收过程中的应用,1判断传质进行的方向,y y*或x*x或,A由气相向液相传质，吸收过程,平衡状态,A由液相向气相传质，解吸过程,吸收过程：,29,结论组成点在平衡线上方，为吸收过程组成点在平衡线上，为平衡过程组成点在平衡线下方，为解吸过程,30,2.传质过程的推动力,未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表
12、征气液相际传质过程的推动力。,31,传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。,(x*-x)：以液相摩尔分数差表示的传质推动力。,对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；,（y-y*）,（x*-x）,32,y2,y1,x2,x1,3.指明传质过程进行的极限,因为平衡是过程进行的极限，所以当两相进行接触，达到平衡时过程也就终止，即：y=yi或者x=xi时，吸收或者解吸过程将停止，不会无限进行下去。若要使过程进行，必须改变条件，使原来的平衡打破，在新的条件下重新建立平衡。,y2,y1,x2,x1,逆流,并流,33,对吸收而言，无论气液相流量、塔高、塔径如何，出塔尾气的组成不会低
13、于与该位置液相组成相平衡的气相组成。如逆流：y2yi2=mxi2；并流：y1yi1=mxi1；对吸收而言，无论气液相流量、塔高、塔径如何，吸收液的组成不会高于与该位置气相组成相平衡的液相组成。如逆流&并流：x1xi1=yi1/m。,34,2.2 传质机理与吸收速率 2.2.1.分子扩散与菲克定律2.2.2.气相中的稳态分子扩散2.2.3 液相中的稳态分子扩散2.2.4 扩散系数2.2.5 对流传质2.2.6 吸收过程的机理2.2.7 吸收速率方程式,35,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,（1）A由气相主体到相界面，气相内传递；（2）A在相界面上溶解，溶解过程；（3）A自相
14、界面到液相主体，液相内传递。单相内传递方式：分子扩散；对流扩散。,吸收过程：,36,分子扩散现象：,2.2.1.分子扩散与菲克定律,37,分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。扩散通量：单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积扩散的物质量，J表示，kmol/(m2s)。菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。,38,JA组分A扩散速率（扩散通量），kmol/（m2s）；,组分A在扩散方向z上的浓度梯度（kmol/m3）/m；,DAB组分A在B组分中的
15、扩散系数，m2/s。,负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿着浓度降低的方向进行,39,根据菲克定律：,由A、B两种气体所构成的混合物中，A与B的扩散系数相等。,分子扩散系数间的关系对于双组分物系：,40,理想气体：,物质传递通量也可表示为该物质是浓度与其传递速度的成积：,JA-组分A在该点处的浓度，kmol/m3uDA-组分A在该点处沿Z方向的扩散速度，m/s,41,2.2.2.气相中的稳态分子扩散,分子扩散两种形式：等分子反向扩散，单向扩散。,1等分子反向扩散及速率方程,(1)等分子反向扩散,42,等分子反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。,总压一定,=,JA=
16、JB,DAB=DBA=D,43,（2）等分子反向扩散传质速率方程,传质速率定义:任一固定的空间位置上,单位时间内通过单位面积的物质量，记作N,kmol/(m2 s)。,气相：,分离变量并进行积分，积分限为：,44,3）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。,4）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。,（3）讨论,1）,2）液相：,45,例如在吸收过程中,2.一组分通过另一停滞组分的扩散,1）一组分通过另一停滞组分的扩散,总体流动N,46,总体流动：因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。总体流动的特点：因分子本身扩散引起的宏观流动。A、B在总体流动中方向相同，
17、流动速度正比于摩尔分率。,47,总体流动中物质B向右传递的通量为,而,即,2）传递速率设总体流动通量为N，其中物质A的通量为：,48,若扩散在气相中进行，则：,49,即,分离变量后积分,50,漂流因数，无因次。,因PpBm，所以漂流因数,51,其大小反映了总体流动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。,漂流因数的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动 的影响小。,漂流因数意义：,52,2.2.4 扩散系数,扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s
18、。D的影响因素：A、B、T、P、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定,53,1、物质在气体中的扩散系数,气体A在气体B中（或B在A中）的扩散系数，可按马克斯韦尔吉利兰（Maxwell-Gilliland）公式进行估算,54,2、物质在液体中的扩散系数,物质在液体中的散系数与组分的性质、温度、粘度以及浓度有关。对于很稀的非电解溶液，物质在液体中的扩散系数,55,2.2.5 对流传质,1、涡流扩散凭籍流体质点的流动和旋涡来传递物质的现象。扩散通量：,56,注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关。,总扩散通量：,57,2、对流传质 流动流体与两相界面
19、之间的传质1）流动界面 气液两相和液液两相间的界面,58,对于等摩尔反方向扩散,对于单向扩散,59,2.2.6 吸收过程的机理,1、双膜理论相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上没有传质阻力，气液两相处于平衡状态。界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜，这两层膜均很薄，膜内的流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。,60,61,双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等
20、效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；,62,2.2.7 吸收速率方程式,吸收速率：,单位面积，单位时间内吸收的溶质A的摩尔数，用NA表示，单位通常用kmol/m2.s。,吸收传质速率方程：,吸收速率与吸收推动力之间关系的数学式,吸收速率=传质系数推动力,63,膜吸收速率方程式,在稳定操作的吸收设备内任一部位上，相界面两侧的气、液相膜层中的传质速率应是相同的，否则会在相界面处有溶质积累。因此，其中任一侧停滞膜中的传质速率
21、都能代表该部位上的吸收速率。单独根据气膜或液膜的推动力及阻力写出的速率关系式称为气膜或液膜吸收速率方程式，相应的吸收系数称为膜系数或分系数，用k表示。,64,令,气膜吸收速率方程式,气膜吸收系数，kmol/(m2.s.kPa)。,也可写成：,1、气膜吸收速率方程式,65,当气相的组成以摩尔分率表示时,当气相组成以摩尔比浓度表示时,66,2、液膜吸收速率方程式,令,或,液膜吸收速率方程,67,当液相的组成以摩尔分率表示时,当液相组成以摩尔比浓度表示时,68,3、界面浓度,当已知两相组成的平衡关系，如,和上式联立便可,求出,69,70,4、总吸收系数及相应的吸收速率方程式,为了避开难以测定的界面组
22、成，可采用两相主体组成的某种差值来表示总推动力而写出吸收速率方程式，称为总吸收速率方程式。这种吸收速率方程式中的吸收系数，称为总吸收系数，用K表示。,71,总吸收系数的倒数即为总阻力，总阻力应当是两膜阻力的代数和。总推动力是两相主体组成的某种差值，因气、液相组成表示法相同，二者不能直接相减，即使表示法相同，差值也不能代表过程的总推动力。吸收过程能自动进行，是由于两相主体组成未达到平衡。一旦任何一相主体组成与另一相主体组成达到平衡，推动力便为0。因此，吸收过程的总推动力采用任何一相的主体组成与其平衡组成的差值表示。,72,1）以气相组成表示总推动力的吸收速率方程式a）以p为推动力的吸收速率方程,
23、与液相主体浓度c成平衡的气相分压，Pa。,73,b）以y为推动力的吸收速率方程,2）以液相组成表示总推动力的吸收速率方程式,以y为推动力的气相总吸收系数，kmol/(m2.s)。,a）以c为推动力的吸收速率方程,以c为推动力的液相总吸收系数，m/s,74,b）以x为推动力的吸收速率方程,以x为推动力的液相总吸收系数，kmol/(m2.s),3）用摩尔比浓度为总推动力的吸收速率方程式适用条件：溶质浓度很低时,据分压定律,75,代入,令,76,5、各种吸收系数之间的关系1）总系数与分系数的关系,77,由亨利定律：,78,分别为总阻力、气膜阻力和液膜阻力,即总阻力=气膜阻力+液膜阻力,同理,79,在
24、溶质浓度很低时,2）总系数间的关系 a）气相总吸收系数间的关系,80,当溶质在气相中的浓度很低时,b）液相总传质系数间的关系,c）气相总吸收系数与液相总吸收系数的关系,81,3）各种分系数间的关系,6、传质速率方程的分析,1）溶解度很大时的易溶气体,气膜控制,82,气膜控制,例：水吸收氨或HCl气体,液膜控制,例：水吸收氧、CO2,83,2）溶解度很小时的难溶气体,当H很小时，,液膜控制,3）对于溶解度适中的气体吸收过程 气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，要提高过程速率，必须兼顾气液两端阻力的降低。,84,4）分析气、液两相中传质阻力所占的比例，对于强化传质过程，提高传质速率有重要的指导意义。以气
25、相阻力为主的吸收操作，提高传质速率的措施：提高气体流速；加强气相湍流程，可减薄界面处气膜层的厚度，从而降低气相传质阻力，有效地提高吸收速率；以液相阻力为主的吸收操作，提高传质速率的措施：提高液体流速；加强液相湍流程度。,85,86,吸收传质速率方程的几种形式,87,88,2.3 吸收塔的计算2.3.1.物料衡算与操作线方程2.3.2.吸收剂用量的确定2.3.3 塔径的计算2.3.4.填料层高度的计算2.3.5.理论板层数的计算,89,工业吸收过程既可采用板式塔又可采用填料塔，本章主要讨论填料塔。填料塔是在塔的筒体内填充某种特定形状的固体物即填料，构成填料层。填料的作用：增大两相间的接触面积和接
26、触时间，增加湍动程度。气液两相的流动方式：逆流、并流。通常液体在塔内作为分散相，依靠重力自上而下流动，而气体则在压差的作用下，以连续相的方式流过全塔。,90,逆流特点：平均推动力比并流的大，能有效地提高吸收速率；可提高出塔吸收液的组成；使出塔气体组成降至最低。湍动程度高接触时间长,91,操作型：核算；操作条件与吸收结果的关系。,计算依据：物料恒算 相平衡 吸收速率方程,吸收塔的计算内容：,设计型：流向、流程、吸收剂用量、吸收剂浓度、塔高、塔径,92,2.3.1 物料衡算与操作线方程,1.物料衡算对图中稳定操作状态的逆流吸收塔进行溶质A的物料衡算：VY1+LX2=VY2+LX1 说明一般已知V、
27、Y1，Y2由生产工艺要求确定，X2在选定吸收剂后为定值。未知量L、X1。,吸收塔,V,Y2,V,Y1,L,X2,L,X1,93,溶质回收量GA=V(Y1-Y2)=L(X1-X2)溶质回收(吸收)率：（确定Y2）,混和气体：Vh m3/s，y1纯溶剂：X2=0,94,2.吸收塔的操作线方程与操作线,塔内任一截面m-n至塔底处溶质A的物料衡算，如蓝框：,塔内任一截面m-n至塔顶处溶质A的物料衡算，如红框：,逆流吸收塔操作线方程,95,96,说明,塔内任一截面的气相浓度Y与液相浓度X之间成直线关系，直线的斜率为L/V。B点代表塔底组成，T点代表塔顶组成，A点代表塔内任一截面的气、液组成。从A点引一垂
28、线，与平衡线交与一点，两点之间垂直距离代表以气相表示的推动力(Y-Ye)；从A点引一水平线，与平衡线交与一点，两点之间水平距离代表以液相表示的推动力(Xe-X)；,97,吸收过程的操作线位于平衡线上方，若位于下方，则为解吸过程。平衡线与操作线共同决定吸收推动力。操作线离平衡线愈远吸收的推动力愈大；,98,在V、Y1、Y2、X2已知的情况下，吸收塔的操作线的一个端点T已确定，另一个端点B则可在Y=Y1的水平线上移动，点B的横标取决于操作线的斜率L/V。L/V：液气比，是吸收剂与惰性气体摩尔流量的比值，反映单位气体处理量时的吸收剂耗用量的大小。V确定，L，L/V，B点右移，X1。,2.3.2.吸收
29、剂用量的确定,99,当L减小至使B点右移至Be点时，X1=Xe1，即吸收液与进塔混和气相平衡，为理论上吸收液能达到的最高组成。此时操作线BeT的斜率称为最小液气比，用(L/V)min表示，相应的吸收剂用量称为最小吸收剂用量，用Lmin表示。最小液气比定义：针对一定的分离任务，操作条件和吸收物系一定，塔内某截面吸收推动力为零，达到分离程度所需塔高无穷大时的液气比。,100,液气比,最小液气比,101,最小液气比的求法图解法正常的平衡线,102,计算法适用条件：,103,如果平衡曲线如下图所示，过T作平衡线的切线，交Y=Y1水平线于B点。,104,3.操作液气比,105,2.3.3 塔径的计算,根
30、据圆形管路流量公式计算。,式中：VS操作条件下混和气体的流量，m3/s。以入塔气流量计（逆流：塔底，并流：塔顶）。利用上式关键在于空塔气速u的确定，u的确定取决于塔的类型、操作条件、物系等因素，将在第三章介绍。,106,2.3.4 填料层高度的计算,有传质单元数法和等板高度法。1.填料层高度的基本计算式,107,所以填料层高度计算涉及物料衡算、传质速率和相平衡关系。我们前面介绍的所有传质速率方程都适用于稳定操作的吸收塔中的“某一横截面”,而不能用于全塔。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。所以要在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法，然后积分得到填料层的总高
31、度。,108,单位时间，dZ内吸收A的量：,微元填料层内，因气液组成变化极小，可认为吸收速率NA为定值。,109,微元填料层内，吸收速率方程式：,110,积分上两式：,有效传质面积 a 同体积填料的比表面积，a与填料的形状、尺寸及充填状况(整砌、乱堆)有关，还受流体物性(m、s等)及流动状况的影响，很难直接测定，所以和吸收系数合在一起，作为一个完整的物理量看待，其乘积称为体积吸收系数。,111,KYa气相总体积吸收系数，kmol/(m3.s)；KXa液相总体积吸收系数，kmol/(m3.s)。,说明KYa物理意义：单位推动力、单位时间、单位体积填料层内吸收溶质A的物质的量。,112,2.传质单
32、元高度和传质单元数,113,同理：,填料层高度可用下面的通式计算：Z=传质单元高度传质单元数,114,说明,传质单元高度若吸收过程所需填料层高度恰等于一个气相总传质单元高度时，即：Z=NOG，则：整个填料层内，(Y-Y)虽为变量，但总可以找到一个平均值(Y-Y)m，代替积分式中的(Y-Y)，而不改变积分值，即：(Y1-Y2)=(Y-Y)m。,115,HOG的物理意义：气体流经一段填料，溶质组成变化(Y1-Y2)等于该段填料层平均推动力(Y-Ye)m 时，该段填料层高度就是一个气相总传质高度。HOG的指导意义：反映了吸收设备效能的高低。反映了传质阻力的大小、填料性能的优劣及润湿情况的好坏。KY(
33、阻力)，aHOG,116,传质单元数,NOG的指导意义：传质单元数反映吸收过程的难度，任务所要求的气体浓度变化越大，过程的平均推动力越小，则意味着过程难度越大，此时所需的传质单元数越大，即dY，(YYe)NOG（难）,117,3.传质单元数的计算,脱吸因数法适用情况：平衡关系符合线性关系。,118,119,式中：S=mV/L脱吸因数，是平衡线斜率m与操作线斜率L/V的比值，无量纲。,120,以S为参数，在半 对数坐标上标绘NOG(Y1-Y2)/(Y2-Y2)关系。横标(Y1-Y2)/(Y2-Y2)：反映吸收率的大小。,121,122,脱吸因数S不同时对生产过程的指导意义：,希望得到高的吸收率：
34、力图使Y2Y2方法时增大液体量，改变操作线方程，从而使L/Vm，即：在S1时才有可能。,123,希望得到高组成的吸收液：力图使X1X1方法时增大液体量，改变操作线方程，从而使L/V1时才有可能。,一般S=0.70.8时，可兼顾上述两种情况。,124,同理：,此式常用于解吸操作的计算,125,对数平均推动力法,适用情况：吸收的操作线为直线，平衡关系符合线性关系。,126,127,同理：,128,说明,对数平均推动力法适用于平衡线为直线，逆流、并流吸收皆可。平衡线与操作线平行 时，,129,适用情况：平衡关系符合曲线且无具体函数关系步骤：根据已知条件在YX图上作出平衡线和操作线。,图解积分法,13
35、0,在Y1与Y2之间任选若干个Y值，从图中读出相应的Y值，并计算 值。在直角坐标系中以 作图得曲线。曲线与Y=Y1、Y=Y2及恒轴所包围的面积即为NOG。,131,数值积分法,适用情况：平衡关系符合曲线且已知函数关系图解积分法虽为一种理论上严格的方法，但计算起来特别繁琐。可采用数值积分法进行计算，例如采用辛普森(Simpson)数值积分法。其方法是：在Y1和Y2之间作偶数等分，对每一个Yi值计算出对应的f(Yi)，并令Y0=Y2(塔顶气相组成)，Yn=Y1(塔底气相组成)，然后按下式进行求解：,132,此外可采用龙贝格方法、高斯积分法等。,133,梯级图解法,适用情况：平衡关系为直线或弯曲率不
36、大的曲线。图解步骤：,在YX图上绘出TB线及OE线；,在TB及OE线之间画出若干(Y-Y)的中点联成的曲线MN；,134,从塔顶T出发，作水平线交MN于F，延长TF至F，使TF=FF，从F出发，重复绘制梯级过程，直至达到或超过塔底B点为止；,NOG梯级数(非整数),135,2.3.5 理论板层数的计算,设填料层由N级组成，吸收剂从塔顶进入第I级，逐级向下流动，最后从塔底第N级流出；原料气从塔底进入第N级，逐级向上流动，最后从塔顶第1级排出。在每一级上，气液两相的组成达到平衡，溶质组成由气相向液相转移。若离开某一级时，气液两相的组成达到平衡，则称该级为一个理论级，或称为一层理论板，NT。,136
37、,等板高度：分离效果达到一个理论级所需的填料层高度。Z=HETPNTNT完成分离任务，所需的理论级数；HETP等板高度，由实验测定或经验公式计算。,137,1.梯级图解法求NT,步骤：画平衡线OE，操作线TB；从T点出发画梯级，直到越过B点。梯级数为理论板数NT。,138,解析法,平衡线：Yi=mXi+b操作线：,139,当 A=1时 NT=NOG A1时 NTNOG,140,吸收塔的设计型计算,吸收塔的计算包括设计型和操作型两类。设计型计算通常是在物系、操作条件一定的情况下，计算达到指定分离要求所需的吸收塔塔高。当吸收的目的是除去有害物质时，一般要规定离开吸收塔混合气中溶质的残余浓度Y2；当
38、以回收有用物质为目的时，一般要规定溶质的回收率。吸收塔设计的优劣与吸收流程、吸收剂进口浓度、吸收剂流量等参数密切相关。,141,逆流操作的优点：逆流操作可获得较大的吸收推动力，从而提高吸收过程的传质速率；可得到浓度较高的吸收液；可使出塔气体中溶质的含量降低，提高溶质的吸收率。所以工业上多采用逆流吸收操作。注意：在逆流操作过程中，液体在向下流动时受到上升气体的曳力，这种曳力过大会妨碍液体顺利流下，因而限制了吸收塔的液体流量和气体流量。,142,吸收剂进口组成的选择及其最高允许组成,分析过程：当气、液两相流量及溶质吸收率一定时，若吸收剂进口组成过高，吸收过程的推动力减小，则吸收塔的塔高将增加，使设
39、备投资增加；若吸收剂进口组成太低，吸收剂再生费用增加；所以吸收剂进口浓度的选择是一个总费用的优化问题，通常往往结合解吸过程确定。,143,吸收塔的操作型计算,吸收塔的操作型计算是指吸收塔塔高一定时，吸收操作条件与吸收效果间的分析和计算。例如已知塔高Z，气、液流量，混合气体中溶质进口组成、吸收剂进口组成、体积吸收系数KYa时，核算指定设备能否完成分离任务。又如某一操作条件（L、V、T、p、Y1、X2）之一变化时，计算吸收效果如何变化。,144,1、定性分析定性分析步骤：（1）常根据条件确定HOG、S，然后用Z=HOGNOG确定NOG的变化；（2）用脱吸因数法图2-13(P108)确定Y2的变化趋
40、势；（3）用全塔物料衡算分析X1的变化。2、定量计算在定量计算时，由于传质单元数计算式的非线性，因此，计算需采用试差法及对比法求解。,145,强化吸收过程的措施,强化吸收过程即提高吸收速率。吸收速率为吸收推动力与吸收阻力之比，故强化吸收过程从以下两个方面考虑：提高吸收过程的推动力；）降低吸收过程的阻力。,146,1提高吸收过程的推动力（1）逆流操作（2）提高吸收剂的流量通常混合气体入口条件由前一工序决定，即气体流量V、气体入塔组成一定，如果吸收操作采用的吸收剂流量L提高，即L/V提高，则吸收的操作线上扬，气体出口浓度下降，吸收程度加大，吸收推动力提高，因而提高了吸收速率。,147,（3）降低吸
41、收剂入口温度当吸收过程其它条件不变，吸收剂温度降低时，相平衡常数将增加，吸收的操作线远离平衡线，吸收推动力增加，从而导致吸收速率加快。（4）降低吸收剂入口溶质的浓度当吸收剂入口浓度降低时，液相入口处吸收的推动力增加，从而使全塔的吸收推动力增加。,148,2降低吸收过程的传质阻力（1）提高流体流动的湍动程度吸收的总阻力包括：气相与界面的对流传质阻力；溶质组分在界面处的溶解阻力；液相与界面的对流传质阻力。,149,通常界面处溶解阻力很小，故总吸收阻力由两相传质阻力的大小决定。若一相阻力远远大于另一相阻力，则阻力大的一相传质过程为整个吸收过程的控制步骤，只有降低控制步骤的传质阻力，才能有效地降低总阻
42、力。降低吸收过程传质阻力的具体有效措施：1）若气相传质阻力大，提高气相的湍动程度，如加大气体的流速，可有效地降低吸收阻力；,150,2）若液相传质阻力大，提高液相的湍动程度，如加大液体的流速，可有效地降低吸收阻力。（2）改善填料的性能 因吸收总传质阻力可用 表示，所以通过采用新型填料，改善填料性能，提高填料的相际传质面积a，也可降低吸收的总阻力。,151,2.4 吸收系数2.4.1 吸收系数的测定2.4.2 吸收系数的经验公式2.4.3 吸收系数的准数关联式,152,概述,吸收系数是反映吸收过程物系及设备传质动力学特性的参数，是设计计算的基本数据，其大小主要受物系的性质、操作条件及设备结构等三
43、方面的影响。由于影响因素十分复杂，目前还无通用的计算方法和计算公式。一般是针对具体的物系，在一定的操作条件和设备条件下进行实验，将实验数据整理成相应的经验公式或准数关联式，供计算时使用。,153,2.4.1 吸收系数的测定,吸收系数的测定是采用与生产条件相近的吸收塔以及操作条件下进行，这种测定方法依据全塔内的吸收速率方程式进行，因而得到的吸收系数值实际是全塔的平均值。例如当吸收过程在所涉及的浓度范围内平衡关系为直线时，只要测定出气液两相流量及其浓度组成，便可根据填料层高度的计算公式得到平均的总体积吸收系数Kya。,154,2.4.2 吸收系数的经验公式,吸收系数的经验公式是根据特定系统及一定条
44、件下的实验数据整理而来，因而运用范围较窄。某些体积吸收系数经验公式如下。式中符号含义及适用条件见教材。,155,2.4.3 吸收系数的准数关联式,对吸收过程进行理论分析，将影响因素归纳为几个准数。然后进行实验，确定准数之间的函数关系，从而得到相应的准数关联式，使用时注意应用条件和范围。1.传质过程中常用的4个准数施伍德(Sherwood)准数Sh它包含待求的吸收膜系数，为反映吸收过程进行难易程度的准数。,156,施密特(Schmidt)准数Sc它反映物性对吸收过程影响的准数。雷诺(Reynolds)准数Re反映流体流动时湍动程度的准数。,157,伽利略(Gallilio)准数Ga反映液体受重力
45、作用而沿填料表面向下流动时，所受重力与粘滞力相对关系的准数,2.计算气膜吸收系数的准数关联式,158,3.计算液膜吸收系数的准数关联式,159,2.5 脱吸及其他条件下的吸收2.5.1 脱吸2.5.2 高组成气体的吸收2.5.3 非等温吸收2.5.4 多组分吸收2.5.5 化学吸收,160,2.5.1 脱吸,使溶解于液相中的溶质组分释放出来的操作称为解吸(或脱吸)，它是吸收的逆过程。通常解吸操作既可获得较纯净的溶质组分，又可使吸收剂得以再生，循环使用。解吸操作方法一般是在解吸塔底通入某种情性气体或蒸汽，目的在于提供与吸收液不相平衡的气相，使其与由塔顶喷淋而下的吸收液进行逆流接触。这样在解吸推动
46、力的作用下，溶质将不断由液相传递至气相，塔底得到较纯净的溶剂，塔顶则得到溶质组分与惰性气体或者蒸汽的混合物。,161,采用惰性气体(空气、N2、CO2等)的解吸过程，适用于脱除少量溶质以回收溶剂，一般难以同时得到纯净的溶质组分。采用蒸汽的解吸过程，若溶质不溶于水，则可用冷凝的方法将塔顶混合气体冷凝而分离出水层的办法，得到纯净的溶质组分。,162,吸收操作的设备同样适用于解吸操作，而且吸收过程的理论与计算方法亦适用于解吸。在解吸过程，由于溶质在液相中的实际浓度总是大于与气相成平衡的浓度，因而解吸的操作线位于平衡线的下方，即其推动力为吸收过程推动力的相反值。所以需将吸收速率的方程式中推动力的前后项
47、调换，计算公式便可用于解吸。,163,2.5.2 高组成气体的吸收,当混合气体中溶质含量大于10%以上时，而且被吸收的数量又较多，称为高组成气体的吸收。与低组成气体相比具有以下特点：气液两相流量沿塔高显著发生变化，因而操作线方程式和吸收速率方程式中的组成采用摩尔分率表示。吸收过程伴有显著的热效应，使液体温度升高，为非等温吸收过程。液体的升温使溶质溶解度降低，将直接影响气液平衡关系。,164,传质系数受气速和漂流因数的影响较大，不能再视为常量。因而高组成气体吸收的计算相当复杂，必须同时联立物料衡算式、热量衡算式、传质速率方程式和相平衡方程式，通过数值计算方法求解。,165,2.5.3 非等温吸收
48、,气体吸收过程中，因溶解热、反应热得存在，使得液相温度随组成得升高而升高，称为非等温吸收。对吸收过程得影响：气体的溶解度减小吸收的推动力减小故需较高的填料层或较多的理论板层数。,166,非等温吸收采用近似处理方法：假定所有释放出得热量均被液体吸收，即忽略气体得温度变化及其它热损失。据此推算出液体浓度与温度的对应关系，从而得到非等温吸收下的平衡曲线。当吸收得热效应很大，必须设法排除热量，以控制吸收过程得温度。,167,通常采取的措施有：在吸收塔内装置冷却元件。如板式塔可以在塔板上安全冷却蛇管或在板间设置冷却器；引出吸收剂到外部进行冷却；采用边吸收边冷却得吸收装置；采用大得喷淋密度。,168,2.
49、5.4 多组分吸收,气体混合物中若有两个或两个以上的组分同时被吸收的操作，称为多组分吸收。如用液态烃吸收石油裂解气中的C2、C3、C4等烃类使之与H2、CH4分离；用洗油吸收焦炉气中的苯、甲苯、二甲苯蒸汽回收粗苯都为典型的多组分吸收。,169,多组分吸收中，由于其它组分的存在使得各溶质在气液两相中的平衡关系、扩散系数等有所改变，因而其计算较单组分复杂。但是，对于某些溶剂用量很大的低组成气体吸收，所得稀溶液的平衡关系可认为服从亨利定律，而且各组分的平衡关系互不影响，因而可分别对各溶质组分予以单独考虑。在进出吸收塔的气体中，各组分组成都不相同，因而每一溶质组分都有自己的操作线方程式及相应的操作线，
50、但因液气比L/V为常数，所以各操作线相互平行。,170,2.5.5 化学吸收,化学吸收通常指溶质气体A溶于溶液后，即与溶液中不挥发的反应剂B组分进行化学反应的过程：这是一种传质与反应同时进行的过程。由于在吸收的同时液相伴有化学变化，使其中的溶质转化为反应产物。,171,具有下述几个主要的优点：化学反应提高了吸收的选择性；加快吸收速率，设备容积，设备投资费；反应增加了溶质在液相中的溶解度，吸收剂用量；反应降低了溶质在气相中的平衡分压，可较彻底地除去气相中很少量的有害气体。缺点：解吸困难，解吸能耗。若反应为不可逆，反应剂不能循环使用，用途就大受限制。,172,指导操作,吸收塔经常和解吸塔联用。吸收
