Transcript 6、第五章吸收

第五章 吸收


基本要求：了解工业生产中的吸收过程，掌握有关吸收的基本理
论；掌握低浓度气体吸收的传质单元高度和传质单元数的计算；
掌握确定吸收塔填料层高度的计算；掌握吸收的双膜理论；了解
其它传质理论及传质系数的影响因素；掌握相组成的表示方法；
掌握扩散原理。
重点与难点：气液平衡关系和传质速率方程的理解；吸收设计型
问题（以填料塔为例）的计算；双膜理论的理解；扩散计算的基
本理论：费克定律的应用。
第一节 概述

气体吸收过程
一、什么是吸收：气体吸收是用液体吸收剂吸收气体的单元操作。
二、吸收基本原理：是利用气体混合物中各组分在某一液体吸收剂中溶解度
的不同，从而将其中溶解度最大的组分分离出来。
三、吸收的特点：吸收是一种组分从气相传入夜相的单向扩散传质过程。
四、传质过程：借扩散进行物质传递的过程称为传质过程。除吸收外，蒸馏.
萃取.吸收.干燥等过程，也都属于传质过程。
五、解吸：吸收的逆过程，即从溶液中把吸收质脱出去的过程，称为解吸。

气体吸收的分类
物理吸收 、化学吸收、单组分吸收与多组分吸收、低浓度吸收与高浓度吸
收、等温吸收和非等温吸收
第一节 概述

吸收的方法和流程简述
一、方法
1.喷淋吸收 液体是分散相，气体是连续相。
2.鼓泡吸收 气体是分散相，液体是连续相。
3.膜式吸收 液体是分散相，气体是连续相。
二.流程
单程吸收
循环吸收
均指液体
吸收与解吸结合
净化气
高 压 水 （ 12-30at)
变换气
水洗塔
第二节 传质机理

相组成的表示方法
1、质量分率：这是一相的组分质量对该相的总质量之比 。a
a
'
A
a 1
'
b
i

Gi
G
2、摩尔定律：这是一相的组分摩尔数，对该相的总摩尔数之比。
xi 
'
ni
yi 
n
ni
n
'
3、比摩尔分率：组分的摩尔数与溶剂或载体的摩尔数之比。
4、比质量分率：组分的质量对溶剂或载体的质量之比。 G
a
'
A

'
A
'
GB
5、 质量浓度和摩尔浓度：某单位体积混合物中（液相，气相均可），所含组分的质
量数或摩尔数。
Ci 
Gi
V
Ci 
ni
V
第二节 传质机理
相组成的表示方法
6、它们之间关系式

ai
xi 
ni
M

n
i
ai 
ai

xi M
xM
i
M
摩尔溶质
摩尔溶剂

nA

nS
nA

n  nA
i
i
nA
nA
X 
i
x
n

n  nA
1 x
x 
摩尔溶质
摩尔溶液

nA
n

nA
n A  nS
nS

n A  nS

X
1 X
nS
n
'
nA
Y 
摩尔溶质
摩尔惰性气体

n
'
A
n
'
B

n
'
A
n n
'
'
A

nA
'
y
n

'
1 y
n  nA
'
n
'
y 
摩尔溶质
摩尔混合气体
'

nA
n
'
'
'
nA

n
'
A
n
'
B
nB

n
'
A
n
n
'
B
'
B

y
1 y
第二节 传质机理

传质
1、扩散
（1）分子扩散和涡流扩散
分子扩散：由于分子受热运动造成质量迁移的现象。
根据费克（Fick）定律即单位时间传递的物质量与传质面积和沿传质方向的浓度梯
度成正比，在稳定条件下
N  DA
c
z
JA 
N
A
  D AB
dc A
dz
涡流扩散，由于流体质点湍流、脉动、造成大量漩涡将物质从高浓度传递到低浓度的
扩散。与给热相似。
质点移动与混合
共同点 方向从高到低
阻力小
第二节 传质机理

传质
2、吸收过程的机理
（1）双膜理论
气膜
液膜
传质方向
界面
p
Ci
液相主体
pi
气相主体
C
ZG
ZL
双膜理论示意图
第二节 传质机理

传质
2、吸收过程的机理
（2）吸收质的扩散
推导前提：1.稳定扩散 N  常数 （A的净流率即A的实际吸收速率为常数）
N  N 扩  N 主
2.溶剂吸收A而不吸收B N  （B的净流率为零）即
0
A
B
B
界面
NH3
A
PA
空气
B
N A (扩 ）
N B (扩 ）
气相中心区（气相
主体）
N A (主 ）
PA
PB
N B (主 ）
ZG
吸收质的扩散
i
A
i
液相中心区（液相
主体）
B
B
 0
第二节 传质机理

传质
2、吸收过程的机理
（2）吸收质的扩散
3、总压处处相等，即 P  p
4、假定扩散系数 D=常数
N A 扩   DA
N B扩 
dc A
dz
RT
N A主
N B主

RT
N B主


 p B  p Ai  p Bi
D=f（扩散物质、介质、温度）
A
cA 
dz
nA

V
pA
RT
NB  0
dz

n
n
DA dp
 DA dp B
N B主   N B扩 
N A主
 
A
DA dp B
RT
dz

DA d  P  p A 
RT
yA
pA
yB
pB

 
dz
pA P
pB P
DA dp
RT

yA
yB
A
dz
N A主
N B主

pA
pB
P  pA  pB
第二节 传质机理
传质

2、吸收过程的机理
（2）吸收质的扩散
N A主  N B 主
pA
 DA dp

pB
RT
dp A
DAP
dz  P  p A 
RT
zG 
DAP
RTN
NA 
ln
A
P  p Ai
P  pA
DAP
RTZ
G
p Bm
dz
 DA dp A
N A  N A 扩  N A主 
 
A
RT

dz

pA

DA dp A p A
RT
RTN
 p Ai
dz
dz  P  p A 
DAP
ln
A

p Bi
pB

pB
pB
DAP d  P  p A 
RT
pA
1
pA
 
pB

zG
pA

pB
P

pB
pB
p   DAP dp A 1
DA dp A 
1  A  

RT dz 
p B 
RT
dz p B
dz 
DAP
RTN
0
p Bm 
pB
p Bi  p B
ln
p Bi
pB

A

p Ai
pA
d P  p A 
P 
P 
pA
p Ai    P  p A 
ln
P  p Ai
P  pA

p A  p Ai
ln
P  p Ai
P  pA
第三节 吸收过程的气液相平衡关系

亨利定律
实验结果表明，在一定的温度下，对于多数气体的稀溶液，在气体总压不高（低
于5个[大气压]）的情况，吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比。
1、 亨利定律四种表达式  c  Hp 
2、H、E、P间关系式
p

P

E
P
x  mx
 
 p  Ex
 
 y  mx
Y   mX

H 
c
p


c
Ex

cT
E


EM
S
第四节 吸收速率

以压强差和浓度差表示的吸收速率方程
N
A
DP

RTz
G
p Bm
p 
pi   kG  p  pi  
p  pi
（A） 气膜
1
kG
'
N
A

D CT
z L c Sm
c i
 c   k L c i  c  
ci  c
1
（B） 液膜
kL
设 和 分别为气相主体和液相主体中吸收质的摩尔分率， 和 分别为界面上气
液两相中吸收质的摩尔分率，则在吸收过程中吸收质穿过气膜和液膜的速率分别
为：
界面
双膜扩散速率示意图
第四节 吸收速率

以摩尔分率表示的气液膜吸收速率方程
x 
c  cT  x
c
cT
（B）式
P
（A）式 P
左边= N  1 
N
右边
所以 k y  Pk G 同理
P
（A）式 

P
cT
cT
得：
N
 k y y  yi 
（1）
得：
N A  k x xi  x 
（2）
p 
 p
 P  kG   i   k y  y  yi 
P 
P
k x  cT k x
A
第四节 吸收速率

以摩尔分率表示的气、液相总吸收速率方程
1、

y  mx
NA 
kx
m
y
i
 y


yi  y

N
m
A

y 
1
kx
1

ky
2、
N
A
1

ky
m
N
A
kx


 k y m x  xi

 K


Kx

1
k ym

kx
x

kx

1
 K x x  x 

A
m
 xi  xi  x 
k ym
N


1
1
y  y 

m

ky
kx
y  y 
1
1


y
k ym
1

ky
NA 
x  xi

yi   yi  y

1
kx

1
1
k ym

1
kx
x

 x

第五节 吸收塔的计算

物料衡算与操作线方程
吸收塔的物料衡算（逆流）
V ,Y 2
L ,X 2
Y
X
m
n
V ,Y 1
L ,X 1
逆流吸收塔的物料衡算
第五节 吸收塔的计算
物料衡算与操作线方程

吸收塔的物料衡算（逆流）
根据质量守恒原则：入方物料=出方物料
VY 1  LX
V Y1  Y 2   L  X 1  X
2
 VY 2  LX
2

（1） 全塔物料衡算式
吸收塔的操作线方程与操作线
将（1）可整理为：Y  L X   Y 
1
1
V
1
2

（2） 全塔操作线方程

X2
V

L
溶质吸收率或回收率   Y  Y
用（2）式可求得塔底吸收液浓度 X 。
Y
我们可以在塔截面任意高度取一截面 m  n
1
2
1
A
1
VY  LX
2
 LX  VY 2
V Y  Y 2   L  X  X

2
Y 
L
V

X
 X 2   Y2
L


X   Y2 
X2
V
V


L
第五节 吸收塔的计算

物料衡算与操作线方程
吸收塔的物料衡算（逆流）
Y
B
Y1
0
*
Y = f (X)
A
Y
Y2
E
T
X2 X
X1
逆流吸收塔的操作线
X
第五节 吸收塔的计算

吸收剂用量的确定
Y1 
L


X 1   Y2 
X2j
V
V


L
Lm
最小液气比： V
若平衡线用直线
表示，则： L
m
V




X1  X
2
Y2

0
Y1  Y 2
m
B
B
*
Y=f(X)
B'
Y1  Y 2
Y  mX
Y1
B
Y1
*
Y=f(X)
*
Y1
T
Y2
X1
X2
X*1
0
(a)
 X
2
VS 

4
2
D u
D 
4V S
u
X1
X2
(b)
吸收塔的最小液气比
填料塔直径的计算
T
X '1
第五节 吸收塔的计算
填料层高度的计算

V,Y2
1、填料层高度的基本计算式
dG
A
dG
VdY  LdX
dG
A
 N A dA  N
dG A  K Y Y  Y


dY
Y2
Y1
V Y  dY   LX  VY  L  X  dX
  VdY  LdX
Y Y


A

A
a  dZ
K Y a
V
V,Y L,X


Y  Y a  dZ
N A  KY Y  Y
 VdY  K Y
Z


  VdY  LdX
 a  dZ 
dZ

0
dY
Y1
Y2
Y Y


dZ
Z


K Y a
V

Y+dY
V
Z 
K Y a


Y1
Y2
dZ
0
dY
Y Y
Z 
L,X1
微元填料层的物料衡算

 H OG N OG
同理可得
X+dX
L
Z
V,Y1
V
L,X2
V
K X a


dX
X1
X2
X

 X
 H OL N OL
第五节 吸收塔的计算
填料层高度的计算

2、传质单元高度与传质单元数
V
K Y a
Y a  Y b  Y  Y

dY
Ya
Yb
Y Y
同理
N OG 



m
 Ym
Ya  Yb
Y
H OL 

Y


L
K z a

N OG 
dY
Y1
Y2
Y Y
Y1  Y 2
Ym

Yb
3
H OG
H OG 
1
1
2
m
N OL 
X1  X
X
m
Ya
2
3
气相总传质单元高度
N OG= 3
第五节 吸收塔的计算

吸收推动力的计算
1、当平衡线为直线时，可以用塔顶和塔底推动力的算术平均值或对数平均值作为平
均推动力。
Y  Y
当
Y
Y 
Y
1
Y2
 Y1
Y2
 2
 2
1
m
Ym 
2
*
Y=mX (平 衡 线 ）
2
 Y1   Y 2
ln
Y1
 Y1
Y2
ΔY1
Y2
Y 1*
ΔY 2
*
Y2
X2
X1
吸收推动力的计算
X
第五节 吸收塔的计算

吸收推动力的计算
2、平衡线为直线时填料层高度的计算
当吸收塔的平均推动力确定后，就可以根据吸收速率方程式、求算填料层的高度，
若用气相浓度差作推动力、表示全塔的吸收速率方程可写为：
N  K A Y  Y   K A  Y
（1）
根据质量守恒定律：N  V Y  Y   L  X  X 
（2）（全塔操作线方程）
A  a Z
（3）
将（1）、（2）、（3）联立可得： V Y  Y   K a  Z  Y
由此可得： Z  V  Y  Y  H  N

Y
Y
m
m
1
2
1
2
1
1
K Y a
其中：
H OG 
V
K Y a
气相总传质单元高度
2
Ym
OG
N OG 
OG
Y1  Y 2
Ym
气相总传质单元数
2
Y
m
第五节 吸收塔的计算

吸收推动力的计算
3、传质单元数的求法
（1）图解积分法（当平衡线为曲线时，常用这种方法） Y
Y


mX
1  1  m  X
1
B
Y1
Y-Y
*
E
A
Y
Y 1 dY
Y-Y *
Y2
0
*
A
T
X2
X
Y=Y 2
Y*
Y=Y 1
∫Y 2
X1
X
0
Y2
Y1
(b)
(a)
图 解 积 分 法 求 N OG
Y
第五节 吸收塔的计算

吸收推动力的计算
3、传质单元数的求法
（1）图解积分法

根据已知条件在 Y  X 坐标系上作出平衡线与操作线。

在 Y 与 Y 范围内任选若干个 Y 值，从图上读出相应的 Y  Y  如 A  A
1
并计算出
值。
1
Y Y
1

在 Y Y 与
的坐标系中标绘和相应
的值（方格纸上
Y
Y Y
绘图）。
1

算出 Y  Y
、 Y  Y 及 Y Y  0
三条直线与函数曲线间所包围的面积即。（小方格数乘以方格面积，二个
不全的方格凑成完整方格）。
（2）解析法（适合平衡线为直线）
脱吸因数法：

1
2



1
2


第五节 吸收塔的计算
脱吸因数法：
若平衡关系可用直线方程
N OG 

Y1
Y2
 可写为 X 
dY
Y Y
V
L
Y


Y
Y1
dY
Y2
Y   mX  b 

 Y2   X 2
Y 

令
L
式中
 S
S
m
表示
L


X   Y2 
X2
V
V


L
Y1
dY
Y2
V

Y  m  (Y  Y 2 )  X 2   b
L


dY
Y1
Y2
mV
 mX  b
N OG 

S 

mV 

 mV
Y 2   mX
1 
Y  
L 

 L
2
L

 b 

：实测
即平衡线的斜率 m 与操作线斜率
V
—脱吸因数
则上式可写为
N OG 
Y1
dY
 1  S Y  SY
Y2
2
 Y2


 L
 
V 
的比值。
第五节 吸收塔的计算


1
1 S
1
1 S
ln SY



 Y 2  1  S Y1  ln SY 2  Y 2  1  S Y 2

2
ln 1  S Y

1







 Y 2  S Y 2  Y 2  ln Y 2  Y 2





Y1  Y 2

ln  1  S 

S


1 S 
Y2  Y2

1
对数平均推动力法：操作线为 Y
Ym 
Y
1
Y
ln
同理
N OL 

  Y

 Y2
2
Y1  Y1


Y2  Y2
X1  X
X
m

 aX  b
平衡线 Y

 mX
 Y1   Y 2
ln
 Y1
Y2
2
X
m

X

1
 
 X1  X
ln

2
X

1
 X1
X

2
 X
2
 X
2

X 1  X
ln
X 1
X
2
2
第五节 吸收塔的计算
d

dY

1
d
2





1
2

Y1
Y2
1   2
Y1  Y 2
d  dY


dY
dY
m  Y Y


Y Y
 1  Y  Y

 


1


m
d

1   2
Y1  Y 2

1

d  dY
dY

Y1
dY
Y2



1   2

Y1  Y 2
dY
Y1
Y2
Y Y

d
  Y1  Y 2  Y1  Y 2
1   2
1   2
m

Y1  Y 2
ln 1
2
2
 Y1  Y1
 2  Y  Y

 Ym 
Y
1
 Y1
ln

  Y


 Y2
2
Y1  Y1


Y2  Y2


2
 Y2  Y2

对数平均推动力推导示意图
 Y1   Y 2
ln
 Y1
Y2
第五节 吸收塔的计算
梯级图解法 N
（贝克法）
梯级解图法是直接根据总传值单元的物理意义引出的一种近似的方法，也称贝
克法。这种方法适用于在所涉及的浓度范围内平衡关系为弯曲程度不大的曲线
情况。
OG
B
Y1
M
E
D
S'
A
S
H
T
Y2
F
N
0
B*
H*
T*
F'
A*
X2
梯 级 图 解 法 求 NOG
X1
X
第五节 吸收塔的计算

理论板层数的计算
填料层高度的计算，除前述的传质单元法外还可采用“等板高度法”即
填料层高度
 理论板层数
板式吸收塔高度

理论板层数
全塔效率
 等板高度
 板间距
理论板：离开该板的气液两相互相成平衡，而且塔板上的液相组成是均匀的。
等板高度：与一层理论板传质作用相当的填料层高度以 HETP 表示。
V Y
L X
方法：梯级图解法和解析法
,
2
,
2
x 0= x 2
Y
X
Y
X
N -1
N
Y N+1= Y 1
V ,Y 1
YN
X N -1
Y N+1
X N X N= X 1
L ,X 1
梯级图解法求理论板层数示意图