七章气体吸收.ppt

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1、2023/6/28,projects of Dr.Hao,1,第七章 气体吸收,2023/6/28,projects of Dr.Hao,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。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。,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

2、,xi,2023/6/28,projects of Dr.Hao,3,概述（Introduction）,吸收质或溶质(solute)：混合气体中的溶解组分，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。吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图如右所示。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,4,概述（Intro

3、duction）,一、吸收操作的用途：(1)制取产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸等。(2)分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来。(3)气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。,2023/6/28,projects of D

4、r.Hao,5,概述（Introduction）,二、吸收操作的分类物理吸收(physical absorption)：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收(chemical absorption)：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。单组分吸收：混合气体中只有单一组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分

5、被吸收。溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,6,本章以分析单组分的等温物理吸收为重点，以便掌握最基本的原理。,气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。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

6、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。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，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，本章各节即如此展开讨论。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,7,气液两相的接触方式,连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。,级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相

7、的组成呈阶跃变化。如板式塔。,散装填料塑料鲍尔环填料,规整填料 塑料丝网波纹填料,2023/6/28,projects of Dr.Hao,8,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。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,9,第一节 气液相平衡,211 气体的溶解度气体吸收的平衡关系指气体在液体中的溶解度。如果把氨气和水共同封存在容器中，

8、令体系的压力和温度维持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越两相界面进入水中，但进到水中的氨分子也会有一部分返回气相，只不过刚开始的时候进多出少。水中溶解的氨量越多，浓度越大，氨分子从溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子从气相进入液相的速率便等于它从液相返回气相的速率，氨实际上便不再溶解进水里，溶液的浓度也就不再变化，这种状态称为相际动平衡，简称相平衡或平衡。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,10,气体的溶解度,在温度和压力一定的条件下，平衡时的气、液相组成具有一一对应关系。平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压，与之对应的液相浓度称为平衡浓度或气体在液体

9、中的溶解度。这时溶液已经饱和，即达到了它在一定条件下的溶解度，也就是指气体在液相中的饱和浓度，习惯上以单位质量（或体积）的液体中所含溶质的质量来表示，也表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。在一定温度下达到平衡时，溶液的浓度随气体压力的增加而增加。如果要使一种气体在溶液中里达到某一特定的浓度，必须在溶液上方维持较高的平衡压力。气体的溶解度与温度有关，一般来说，温度下降则气体的溶解度增高。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,11,溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。例：图2-2，2-3，2-4。,溶解度/g(NH3)/1000g(

10、H2O),1000,500,0,20,40,60,80,100,120,pNH3/kPa,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,50 oC,40 oC,30 oC,20 oC,10 oC,0 oC,在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。用水作吸收剂时，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30 和溶质的分压为 40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,12,2 1 2 亨利定律（Henrys law）,当总压不太

11、高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。,式中：p*溶质在气相中的平衡分压，kPa；x 溶质在液相中的摩尔分数；E 亨利系数，kPa。,亨利定律,亨利系数的值随物系的特性及温度而异；物系一定，E 值一般随温度的上升而增大；E 值的大小代表了气体在该溶剂中溶解的难易程度；在同一溶剂中，难溶气体 E 值很大，易溶气体 E 值很小；E 的单位与气相分压的压强单位一致。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,13,亨利定律（Henrys law）,当气、液相溶质浓度用其它组成表示法表示时，通过浓度换算可得其它形式的亨利定律。常

12、用的形式有,y*与组成为 x 的液相呈平衡的气相中溶质的摩尔分数；c 溶质在液相中的摩尔浓度，kmol/m3；m 相平衡常数；H 溶解度系数；kmol/(m3kPa)；,三个比例系数之间的关系：,式中 cm 为溶液的总浓度（kmol/m3）。对于稀溶液，因溶质的浓度很小，因此 cm=/Ms，其中 为溶液的密度，Ms 为溶剂的摩尔质量。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,14,亨利定律（Henrys law）,在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变的摩尔比 Y（或 X）表示组成。,以摩尔比表示组成的相平衡关系,X 溶质在液相中的摩尔比浓度；Y*与X 呈平衡的气相中溶质的

13、摩尔比浓度。当 m 趋近 1 或当 X 很小时,2023/6/28,projects of Dr.Hao,15,213 吸收剂的选择,吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。溶解度大 吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小；选择性好 很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离，满足这一要求称为选择性好

14、；挥发度要小 吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸汽压要低，经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸汽所饱和，吸收剂的挥发度高，其损失量便大。此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉易得等条件。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,16,第二节 传质机理与吸收速率,平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。气体吸收是溶质先从气相主体扩散到气液界面，再从气液界面扩散到液相主体

15、的传质过程。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,17,221 气液相际传质理论,相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(xx*)，故液相有吸收溶质 A 的能力。,相对于液相浓度 x 而言，气相浓度为过饱和(yy*)，溶质 A 由气相向液相转移。,一、传质过程的方向,气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：,y,x,o,y*=f(x),P,y,x,y*,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。,x*,释放溶质,吸收溶质,2023/6/28,projects of Dr.Hao,18,相对于气相浓度而言实际液相浓度过

16、饱和(xx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。,相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(yy*)，溶质 A 由液相向气相转移。,传质过程的方向,气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：,y,x,o,y*=f(x),Q,y,x,y*,结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。,x*,释放溶质,吸收溶质,2023/6/28,projects of Dr.Hao,19,相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质 A。,相对于液相浓度 x 而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)，溶质 A 不发生转移。,传质过程的方向,气

17、、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：,y,x,o,y*=f(x),R,y,x,y*,结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。,x*,2023/6/28,projects of Dr.Hao,20,二、传质过程的限度,对吸收而言：若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最低只能降到与之相平衡的浓度 y*，即 ymin=y*；若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能升高到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmax=x*。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,21,传质过程的限度,对解吸

18、而言：若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最高只能升到与之相平衡的浓度 y*，即 ymax=y*；若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能降到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmin=x*。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,22,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；,三、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

19、表征气液相际传质过程的推动力。,（y-y*）,（x*-x）,2023/6/28,projects of Dr.Hao,23,四、吸收传质理论,吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤：,气相主体,液相主体,相界面,溶解,气相扩散,液相扩散,(1)溶质由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；(2)溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3)溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,24,双膜理论,由W.K.Lewis 和 W.G.Whitman 在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。双膜理论的基本论点

20、是：,(1)相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为 1 和 2）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。,(2)相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。,(3)在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。,气相主体,液相主体,相界面,pi=ci/H,p,1,2,pi,ci,c,气膜,液膜,2023/6/28,projects of Dr.Hao,25,双膜理论,两相相内传质速率可用下面的形式表达为：,DG、DL 溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；P/pBm 气相扩散漂

21、流因子；cm/cBm 液相扩散漂流因子；1、2 界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。,双膜理论将两流体相际传质过程简化为经两膜层的稳定分子扩散的串联过程。对吸收过程则为溶质通过气膜和液膜的分子扩散过程。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,26,双膜理论,按双膜理论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式地结果相差较大；由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 和 2 以及界面上浓度 pi 和 ci 都难以确定；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效膜层以及物质

22、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；本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,27,222 吸收速率方程式,吸收设备中进行的传质过程为吸收过程，其传质速率即为吸收速率，所对应的传质速率方程即为吸收速率方程。气体吸收因过程的复杂性，传质速率(吸收速率)一般难以理论求解，但遵循现象方程所描述的物理量传递的共性规律。根据推动力及阻力可写出速率关系式，单独根据气膜或液膜的推动力及阻

23、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，与传热中的对流传热系数相当。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,28,传质速率方程,气相(气膜)传质速率方程,对于稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程(总传质速率方程)。类似于间壁式对流传热速率方程。由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传质速率方程。,液相(液膜)传质速率方程,2023/6/28,projects of Dr.Hao,29,一、气相传质速率方程,kg 推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(sm2kPa)；ky 推动力为

24、摩尔分率之差的气相传质系数，kmol/(sm2)；kY 推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/(sm2)；p、y、Y 溶质A在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；pi、yi、Yi 溶质A在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比。,气相传质速率方程常用的表达形式有三种,2023/6/28,projects of Dr.Hao,30,气相传质速率方程,不同形式的传质速率方程物理意义一样，都代表单位时间内通过单位界面面积传递的溶质 A 的量；传质系数与传质推动力的表达方式有关，其倒数表达的是气相传质阻力；注意：不同单位的传质系数数值不同，但可根据组成表示法的相互关系进行换算。例

25、：当气相总压不很高时，根据道尔顿分压定律 p=Py，有,对 y 值较小的低浓度吸收：,2023/6/28,projects of Dr.Hao,31,二、液相传质速率方程,液相传质速率方程常用的表达形式也有三种,kc 推动力为摩尔浓度差的液相传质系数，m/s；kx 推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；kX 推动力为摩尔比之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；c、x、X 溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度；ci、xi、Xi 溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,32,液相传质速率方程

26、,三个液相传质系数的倒数也分别为传质推动力以不同组成表示法表达时的液相传质阻力。同样，根据各种表示法的相互关系可推得,式中 cm 为液相的总摩尔浓度。,液相浓度很低时：,2023/6/28,projects of Dr.Hao,33,三、相界面的浓度,在气、液两相内传质速率的计算中，推动力项中含有溶质在相界面的浓度 yi 和 xi，可用计算方法或作图法得出。计算法：对稳定的吸收过程，气、液两相内传质速率应相等。若两相浓度均以摩尔分数表示，有,当 kx 和 ky 为定值时，在直角坐标系中 yixi 关系是一条过定点（x,y）而斜率为-kx/ky 的直线。,根据双膜理论，界面处 yixi 应满足相

27、平衡关系：,若已知相平衡关系式以及气、液相传质系数 ky、kx，将上两式联立就可求得当气、液相主体摩尔分率为 y、x 时所对应的界面处气、液相摩尔分率 yi、xi。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,34,相界面的浓度,作图法：,y,x,o,y*=f(x),斜率=-kx/ky,y,x,y*,x*,xi,yi,A,yi、xi 为直线 与平衡线 的交点坐标，直线上 A 点坐标为与之对应的气、液主体流的摩尔分数 y、x。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,35,四、总传质速率方程,传递过程的阻力具有加和性。若以双膜理论为依据，则吸收过程的传质总阻力是气

28、相传质阻力与液相传质阻力之和(相界面无阻力)。总传质速率为总传质推动力(y-y*)与总的传质阻力(1/Ky)之比。,相平衡关系为直线,对稀溶液，物系的相平衡关系服从亨利定律 y*=mx。,气相：,液相：,相际：,比较可得：,2023/6/28,projects of Dr.Hao,36,总传质速率方程,以气相为基准的总传质速率方程,Ky 是以(y-y*)为推动力的总传质系数，单位为 kmol/(sm2)，其倒数为气、液两相传质总阻力。,总传质系数 Ky（相际传质系数）与相内传质系数 kx、ky 的关系式，实质表达了总传质阻力 1/Ky 等于气相传质阻力 1/ky 与液相传质阻力 m/kx 之和

29、。因为总阻力 1/Ky 以气相为基准，所以液相阻力 1/kx 需乘以换算系数 m。(yi-y*)项是与液相传质推动力(xi-x)相对应的，可以看作是以气相浓度差的形式等价表示的液相传质推动力。气、液传质总推动力为两相的相内传质推动力之和。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,37,总传质速率方程,如将 yi=mxi 和 y=mx*代入式，可得,气相：,液相：,相际：,比较可得：,以液相为基准的总传质速率方程,Kx 是以(x*-x)为推动力的总传质系数，单位为kmol/(m2s)。1/Kx代表了以液相为基准的吸收传质过程的总传质阻力，是以液相为基准的气、液两相相内传质阻力之

30、和。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,38,总传质速率方程,对易溶气体，平衡常数 m 值小，平衡线很平，这时：,传质阻力主要集中在气相，此类传质过程称为气相阻力控制过程，或称气膜控制过程。,采用总传质速率方程进行计算可避开难以确定的相界面组成 xi 和 yi。这与通过间壁对流传热问题中用总传热速率方程可避开固体壁面两侧温度是相似的。总传质阻力取决于气、液两相的传质阻力。但对一些吸收过程，气、液两相传质阻力在总传质阻力中所占的比例相差甚远，可对问题进行简化处理。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,39,总传质速率方程,对难溶气体，平衡常数 m 值

31、大，平衡线很陡，这时：,传质阻力主要集中在液相，此类过程称为液相阻力控制过程，或液膜控制过程。,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。例如，以气相阻力为主的吸收操作，增加气体流速，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；而增加液体流速吸速率则不会有明显改变。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,40,五、吸收传质速率方程的几种形式,2023/6/28,projects of Dr.Hao,41,第三节 吸收塔的计算,化工单元设备的计算，按给定条件、任务和要求的不同，一般可分为设计型计算和操作型（校核

32、型）计算两大类。,设计型计算：按给定的生产任务和工艺条件来设计满足任务要求的单元设备。操作型计算：根据已知的设备参数和工艺条件来求算所能完成的任务。,两种计算所遵循的基本原理及所用关系式都相同，只是具体的计算方法和步骤有些不同而已。本章着重讨论吸收塔的设计型计算，而操作型计算则通过习题加以训练。吸收塔的设计型计算是按给定的生产任务及条件（已知待分离气体的处理量与组成，以及要达到的分离要求），设计出能完成此分离任务所需的吸收塔。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,42,本节讨论的重点是：按连续接触原理操作的填料塔，至于板式塔则在上一章的基础上结合吸收特点作简单讨论。填料填

33、加在塔内形成填料层，填料层有两个特点，一是空隙体积所占比例相当大，便于气体在其内部迂回曲折通过并提高湍动程度，二是单位体积内有很大的固体表面积。液体沿固体壁面呈膜状流下，因而填料塔内的气液接触面比空塔内大得多。塔内气液流动方式一般呈逆流，气体自塔底通入，液体从塔顶洒下，因此溶液从塔底流出前与刚进入塔的气体相接触，可使溶液的浓度尽量提高。经吸收后的气体从塔顶排出前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体中溶质浓度尽量降低。,吸收塔的计算,2023/6/28,projects of Dr.Hao,43,吸收塔的设计中，混合气体的处理量V、进口浓度Y1和出口浓度Y2（或溶质的回收率）都是作为设计条件而规定

34、的。设计时首先是选定溶剂（吸收剂），随着就是决定吸收剂的用量。吸收剂用量与气体处理量之比（液、气比）由物料衡算与平衡关系两者结合起来决定，具体方法将于本节讨论。设计的主要内容是算出设备的基本尺寸，对填料塔来说，就是设计塔径与填料层高度。由混合气体的处理量（体积流率V）与合理的气体线速度（u）可以算出塔的截面积，由此可确定塔径（D）。塔径确定后，填料层高度（Z）则取决于所需填料层体积，而所需的填料层体积又取决于所需的有效气液接触面积，这个面积主要是通过传质速率来决定的。,吸收塔的计算,2023/6/28,projects of Dr.Hao,44,设计计算的主要内容与步骤,计算依据：物系的相平衡

35、关系和传质速率,(1)吸收剂的选择及用量的计算；(2)设备类型的选择；(3)塔径计算；(4)填料层高度或塔板数的计算；(5)确定塔的高度；(6)塔的流体力学计算及校核；(7)塔的附件设计。,吸收塔的计算,2023/6/28,projects of Dr.Hao,45,2 31 吸收塔的物料衡算与操作线方程,一、物料衡算,目的：计算给定吸收任务下所需的吸收剂用量 L 或吸收剂出口浓度 X1。混合气体通过吸收塔的过程中，可溶组分不断被吸收，故气体的总量沿塔高而变，液体也因其中不断溶入可溶组分，其量也沿塔高而变。但是，通过塔的惰性气体量和溶剂量是不变的。,2023/6/28,projects of

36、Dr.Hao,46,以逆流操作的填料塔为例：,对稳定吸收过程，单位时间内气相在塔内被吸收的溶质 A 的量必须等于液相吸收的量。通过对全塔A物质量作物料衡算，可得：,下标“1”代表塔内填料层下底截面，下标“2”代表填料层上顶截面。V 单位时间通过塔的惰性气体量；kmol(B)/s；L 单位时间通过吸收塔的溶剂量；kmol(S)/s；Y 任一截面的混合气体中溶质与惰性气体的摩尔比；kmol(A)/kmol(B)；X 任一截面的溶液中溶质与溶剂的摩尔比；kmol(A)/kmol(S)。,V,Y2,V,Y1,L,X1,L,X2,V,Y,L,X,2023/6/28,projects of Dr.Hao,

37、47,物料衡算,若 GA 为吸收塔的传质负荷，即气体通过填料塔时，单位时间内溶质被吸收剂吸收的量 kmol/s，则,进塔气量 V 和组成 Y1 是吸收任务规定的，进塔吸收剂温度和组成 X2 一般由工艺条件所确定，出塔气体组成 Y2 则由任务给定的吸收率 求出,在填料塔内，对气体流量与液体流量一定的稳定的吸收操作，气、液组成沿塔高连续变化；在塔的任一截面接触的气、液两相组成是相互制约的；全塔物料衡算式就代表L、V一定，塔内具有最高气、液浓度的截面“1”（浓端），或具有最低气、液浓度的截面“2”（稀端）的气、液浓度关系。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,48,二、操作线方

38、程与操作线,同理，若在任一截面与塔顶端面间作溶质A的物料衡算，有,上两式均称为吸收操作线方程，代表逆流操作时塔内任一截面上的气、液两相组成 Y 和 X 之间的关系。（L/V）称为吸收塔操作的液气比。,若取填料层任一截面与塔的塔底端面之间的填料层为物料衡算的控制体，则所得溶质 A 的物料衡算式为,2023/6/28,projects of Dr.Hao,49,操作线方程与操作线,当 L/V 一定，操作线方程在 Y-X 图上为以液气比 L/V 为斜率，过塔进、出口的气、液两相组成点(Y1，X1)和(Y2，X2)的直线，称为吸收操作线。,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,Y

39、,X,X*,Y*,P,线上任一点的坐标(Y，X)代表了塔内该截面上气、液两相的组成。,操作线上任一点 P 与平衡线间的垂直距离(Y-Y*)为塔内该截面上以气相为基准的吸收传质推动力；与平衡线的水平距离(X*-X)为该截面上以液相为基准的吸收传质推动力。,两线间垂直距离（Y-Y*）或水平距离（X*-X）的变化显示了吸收过程推动力沿塔高的变化规律。,Y-Y*,X*-X,2023/6/28,projects of Dr.Hao,50,操作线方程与操作线,并流操作线方程,V,Y1,V,Y2,L,X2,L,X1,V,Y,L,X,对气、液两相并流操作的吸收塔，取塔内填料层任一截面与塔顶（浓端）构成的控制体

40、作物料衡算，可得并流时的操作线方程，其斜率为（-L/V）。,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,Y,X,X*,Y*,P,Y-Y*,X*-X,2023/6/28,projects of Dr.Hao,51,三、吸收塔内流向的选择,在 Y1 至 Y2 范围内，两相逆流时沿塔高均能保持较大的传质推动力，而两相并流时从塔顶到塔底沿塔高传质推动力逐渐减小，进、出塔两截面推动力相差较大。在气、液两相进、出塔浓度相同的情况下，逆流操作的平均推动力大于并流，从提高吸收传质速率出发，逆流优于并流。这与间壁式对流传热的并流与逆流流向选择分析结果是一致的。工业吸收一般多采用逆流，本章后面的讨

41、论中如无特殊说明，均为逆流吸收。与并流相比，逆流操作时上升的气体将对借重力往下流动的液体产生一曳力，阻碍液体向下流动，因而限制了吸收塔所允许的液体流率和气体流率，这是逆流操作不利的一面。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,52,232 吸收剂用量的决定,吸收剂用量 L 或液气比 L/V 在吸收塔的设计计算和塔的操作调节中是一个很重要的参数。吸收塔的设计计算中，气体处理量 V，以及进、出塔组成 Y1、Y2 由设计任务给定，吸收剂入塔组成 X2 则是由工艺条件决定或设计人员选定。,可知吸收剂出塔浓度 X1 与吸收剂用量 L 是相互制约的。,由全塔物料衡算式,选取的 L/V，

42、操作线斜率，操作线与平衡线的距离，塔内传质推动力，完成一定分离任务所需塔高；L/V，吸收剂用量，吸收剂出塔浓度 X1，循环和再生费用；若L/V，吸收剂出塔浓度 X1，塔内传质推动力，完成相同任务所需塔高，设备费用。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,53,吸收剂用量的确定,不同液气比 L/V 下的操作线图直观反映了这一关系。,Y,X,o,Y*=f(X),A,Y1,X1,X2,Y2,B,L/V,Y-Y*,A,X1,(L/V),X1,max,(L/V)min,C,最小液气比(L/V)min,要达到规定的分离要求，或完成必需的传质负荷量 GA=V(Y1-Y2)，L/V 的减小

43、是有限的。当 L/V 下降到某一值时，操作线将与平衡线相交或者相切，此时对应的 L/V 称为最小液气比，用(L/V)min表示，而对应的 X1 则用 X1,max 表示。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,54,最小液气比(L/V)min,随 L/V 的减小，操作线与平衡线是相交还是相切取决于平衡线的形状。,Y,X,o,Y*=f(X),Y1,X2,Y2,B,X1,max=X1*,(L/V)min,C,Y,X,o,Y*=f(X),Y1,X2,Y2,B,X1*,(L/V)min,C,X1,max,两线在 Y1 处相交时，X1,max=X1*；两线在中间某个浓度处相切时，X1

44、,maxX1*。,最小液气比的计算式：,2023/6/28,projects of Dr.Hao,55,吸收剂用量的确定,在最小液气比下操作时，在塔的某截面上（塔底或塔内）气、液两相达平衡，传质推动力为零，完成规定传质任务所需的塔高为无穷大。对一定高度的塔而言，在最小液气比下操作则不能达到分离要求。实际液气比应在大于最小液气比的基础上，兼顾设备费用和操作费用两方面因素，按总费用最低的原则来选取。根据生产实践经验，一般取,注意：以上由最小液气比确定吸收剂用量是以热力学平衡为出发点的。从两相流体力学角度出发，还必须使填料表面能被液体充分润湿以保证两相均匀分散并有足够的传质面积，因此所取吸收剂用量

45、L 值还应不小于所选填料的最低润湿率，即单位塔截面上、单位时间内的液体流量不得小于某一最低允许值。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,56,233 塔径的计算,VS=D2u/4 D=（4VS/u）1/2VS 操作条件下混合气体的体积流量，m3/s；u 空塔气速，m/s；计算时以塔底气量为依据，因塔底气量大于塔顶。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,57,234 填料层高度的计算,一、填料层高度的基本计算式,计算填料层高度，应根据混合气体中溶质的高低而采用不同的方法。在工业生产中有很多吸收操作是从混合气体中把少量可溶组分洗涤下来，属于低浓度气体的吸

46、收。本节重点讨论低浓度吸收中填料层高度的计算。填料层高度的计算仍然离不开物料衡算，另外还与传质速率方程和相平衡关系有关。因为填料层高度z取决于填料层体积与塔截面积（填料层体积/塔截面积），而填料层体积又取决于完成规定任务所需的总传质面积和每立方米填料所提供的气液有效接触面积（填料体积=总传质面积/有效接触面积/每米3填料），而总传质面积=塔吸收负荷（kmol/s）/传质速率（kmol/m2s）。塔的吸收负荷依据物料衡算关系，传质速率依据吸收速率方程，而吸收速率中的推动力总是实际浓度与某种平衡浓度之差额，因此须知相平衡关系。下面具体来分析填料层高度之计算方法。,2023/6/28,project

47、s of Dr.Hao,58,此传质量也就是在 dZ 段内溶质 A 由气相转入液相的量。因此,若 dZ 微元段内传质速率为NA，填料提供的传质面积为 dF=adZ，则通过传质面积 dF 溶质 A 的传递量为,对填料层中高度为 dZ 的微分段作物料衡算可得溶质 A 在单位时间内由气相转入液相的量 dGA,填料层高度的基本计算式,填料塔内气、液组成 Y、X 和传质推动力Y（或X）均随塔高变化，故塔内各截面上的吸收速率也不相同。,V,Y2,V,Y1,L,X1,L,X2,Y,X,Z,Y+dY,dZ,X+dX,2023/6/28,projects of Dr.Hao,59,将以比摩尔分数表示的总的传质速

48、率方程代入，则有,对上两式沿塔高积分得,在上述推导中，用相内传质速率方程替代总的传质速率方程可得形式完全相同的填料层高度 Z 的计算式。若采用 NA=kY(Y-Yi)和 NA=kX(Xi-X)可得：,用其它组成表示法的传质速率方程，可推得以相应相组成表示的填料层高度 Z 的计算式。,填料层高度的基本计算式,2023/6/28,projects of Dr.Hao,60,低浓度气体吸收填料层高度的计算,特点：低浓度气体吸收（y110%）因吸收量小，由此引起的塔内温度和流动状况的改变相应也小，吸收过程可视为等温过程，传质系数 kY、kX、KY、KX 沿塔高变化小，可取塔顶和塔底条件下的平均值。填料

49、层高度 Z 的计算式：,对高浓度气体，若在塔内吸收的量并不大（如高浓度难溶气体吸收），吸收过程具有低浓度气体吸收的特点，也可按低浓度吸收处理。体积传质系数：实际应用中，常将传质系数与比表面积 a 的乘积（Kya 及 KXa）作为一个完整的物理量看待，称为体积传质系数或体积吸收系数，单位为 kmol/(s.m3)。体积传质系数的物理意义：传质推动力为一个单位时，单位时间，单位体积填料层内吸收的溶质摩尔量。,2023/6/28,projects of Dr.Hao,61,二、传质单元数与传质单元高度,对气相总传质系数和推动力：,HOG 气相总传质单元高度，m；NOG 气相总传质单元数，无因次。,H

50、OL 液相总传质单元高度，m；NOL 液相总传质单元数，无因次。,若令,对液相总传质系数和推动力：,若令,2023/6/28,projects of Dr.Hao,62,传质单元数与传质单元高度,定义传质单元高度和传质单元数来表达填料层高度 Z，从计算角度而言，并无简便之利，但却有利于对 Z 的计算式进行分析和理解。下面以NOG 和 HOG 为例给予说明。,NOG 中的 dY 表示气体通过一微分填料段的气相浓度变化，(Y-Y*）为该微分段的相际传质推动力。如果用(Y-Y*)m 表示在某一高度填料层内的传质平均推动力，且气体通过该段填料层的浓度变化(Ya-Yb)恰好等于(Y-Y*)m，即有,由