化工原理（下册）吸收课件.ppt

化工化工 原原 理理夏清陈常贵主编天津大学出版社生物工程专业适用第2章吸收本章主要介绍吸收过程的传质机理和填料吸收塔的计算。传质机理包括气液相平衡、吸收机理和吸收速率。其中重点介绍亨利定律、费克定律、双膜理论的基本论点，导出几种不同形式的吸收速率方程式，以及吸收系数与推动力的对应关系。对于强化吸收过程的途径只作一般论述。对于填料吸收塔的计算主要介绍吸收剂用量和填料层高度的计算。内容提要：即：教学基本要求：1、掌握气液相平衡基本原理、吸收推动力、吸收操作线方程和吸收速率方程式。2、熟悉双膜理论的基本论点以及适宜吸收剂用量和填料层高度计算的基本方法。3、了解强化吸收操作的主要途径和填料吸收塔的基本构造及主要性能。概述吸收吸收：利用气体在液体中溶解度的差异分离气体混合物的操作叫作气体的吸收。在吸收操作中，被吸收的气体组分称为吸收质或溶质，以A表示;不被吸收的气体组分称为惰性组分或载体，以B表示。吸收所用的液体溶剂称为吸收剂或溶剂，以S表示。吸收操作的依据：组分在溶剂中的溶解度差异，通常将吸收视为只有溶质组分A由气相进入液相的单向传递，而气相中惰性组分B和液相中溶剂组分S则处于停滞状态，即惰性组分不进入液相,溶剂不进入气相。即：一气体吸收在化工生产中的应用1、制取化工产品2、分离气体混合物3、从气体中回收有用组分 4、净化气体 5、作为环境保护和职业保健的重要手段6、在生化工程中的应用二吸收和解吸过程解吸操作：是采用惰性解吸气体与吸收液接触，利用吸收液中溶质与溶剂的挥发度不同，而将溶质从吸收液中提取出来的操作，因此又称为气提。解吸是吸收的逆过程：即：溶质的传递方向为：用洗油吸收含苯煤气的吸收解吸联合操作流程三吸收过程分类1、按照吸收过程中吸收质（A）和吸收剂(S)之间的相互作用不同分类：物理吸收：是指吸收质和吸收剂之间不发生显著的化学反应的吸收过程，可以认为是单纯的溶解过程。特点：易解吸 物理吸收是一个物理化学过程。物理吸收是可逆的、热效应较小。影响条件：压强加压有利于吸收，减压则有利于解吸。温度降低温度可以增大吸收质的溶解度，得到浓度较高的溶液，有利于吸收；但温度过低时，吸收质分子的扩散速率减慢，有可能减慢吸收速率。化学吸收：是指吸收质和吸收剂之间发生显著化学反应的过程。特点：吸收速率取决于整个过程中最慢的一步。吸收的限度不仅取决于吸收条件下的气液相平衡，还取决于化学平衡关系。常伴有较大的热效应。当吸收反应不可逆时，解吸就不能发生。2、按被吸收组分数分类：3、按吸收过程有无温度变化分类：4、按溶质组成高低分类：低组成单组分等温物理吸收过程 四吸收剂的选择吸收剂选择的原则：1、吸收剂应具有良好的选择性；2、吸收剂的蒸气压应尽量低；3、尽可能选用无毒、难燃、腐蚀性小的吸收剂；4、化学性质稳定、粘度低；5、易得、价廉且易再生；6、不污染环境。五吸收操作的条件注意 1、采用连续操作，以有利于稳定生产和调节控制操作条件；2、气液间逆流吸收，这样有利于吸收完全并获得较大的吸收推动力；3、由于传递速率与传质接触面积成正比，因此，应尽量增大气液间的有效接触面积，但不应造成对气体或液体过大的流动阻力；4、增大相际的湍动程度以降低传质的阻力。六吸收和蒸馏的差别1、第二物相产生的方式不同2、传质机理不同 蒸馏是通过加热或冷却的方法，使混合物系产生第二个物相；吸收则是从外界引入另一相物质（吸收剂），形成两相系统。蒸馏是进行的等分子反向扩散过程，吸收进行的是单向扩散过程。2.1气体吸收的相平衡关系2.1.1吸收过程的相平衡和气体的溶解度 相际动态平衡（相平衡）p80-81氨、二氧化硫、氧气在水中的溶解度吸收过程进行的方向和限度判据 吸收过程进行的方向和限度取决于吸收质在气液两相间的平衡关系:当气相中吸收质的分压 大于平衡分压 （即 ）时，吸收过程将继续进行下去，直至 ，即达到相平衡状态为止;当气相中吸收质的分压 小于平衡分压 （即 ）时，则液相中的吸收质将向气相扩散，即发生解吸，直至 ，即到达相平衡状态为止。由此可见：是吸收过程的推动力；(相平衡)是吸收过程的极限。影响相平衡的因素影响相平衡的因素:在P、T一定的条件下，气、液相平衡时，气相的组成是液相组成的单值函数。在一个单组分吸收体系中:组分数C=3（溶质A，惰性气体B，吸收剂S）相数P=2(气相、液相)根据相律：其自由度F=C-P+2=3-2+2=32.1.2亨利定律1、亨利定律对于稀溶液或难溶气体，在一定温度和总压下不大（低于506.5kPa）的情况下，溶质在液相中的溶解度（浓度平衡浓度）与其在气相中的平衡分压成正比。数学表达式:溶质A在气相中的平衡分压 Pa或kPa 溶质A在平衡溶液中的摩尔分数 E亨利系数 Pa或kPaE E的物理意义：的物理意义：斜率E越大（），表示相平衡时，E越大，说明溶质A在气相中越多，在液相中越少，越难溶。难溶气体，由于平衡分压大，E值较大；易溶气体，由于平衡分压小，E值较小。E值随温度的升高而增大。P82表2-12、亨利定律的浓度表达式-溶质A在溶液中的体积摩尔浓度H-溶解度系数溶解度系数H的物理意义：溶解度系数H表示吸收质在气相中的分压为1Pa（或1kPa）时溶液的平衡浓度。易溶气体:平衡分压 很小，故H值很大;难溶气体:平衡分压 很大，故H值很小。亨利系数E与溶解度系数H的关系：由 和 得：假设在某系统中溶质A在溶液中的浓度为 ，溶液的密度为 ，溶剂的密度为 ,溶质和溶剂的摩尔质量分别为 和 ，以 溶液为基准，则溶液中含溶质A的物质的量为:含吸收剂S的物质的量为:则由摩尔分数的定义知:整理得：代入式得即：E-H关系式对于稀溶液而言（），很小,则：3、亨利定律的摩尔分数表达式：相平衡系数与液相组成 相平衡的气相中吸收质的摩尔分数相平衡系数m的物理意义：通过m值可以判断气体组分A溶解度的大小当 一定时，m值愈大，则E值越大，越大，即气体组分A的溶解度愈小；m值愈小，则E值越小，越小，即气体组分A的溶解度愈大。4、亨利定律的摩尔比表示式通常以 表示气相中吸收质A的摩尔比，它是指每摩尔惰性分组B中所带有的吸收质A的物质的量。以 表示液相中吸收质A的摩尔比，它是指每摩尔纯溶剂溶解的吸收质A的物质的量摩尔比与摩尔分数的关系气相：或液相：或将上式代入亨利定律相平衡表达式 得：整理得：-亨利定律的摩尔比表达式对于稀溶液而言：很小，则亦很小。亨利定律为：即气体平衡为直线关系，其斜率为m。注意:1、亨利定律仅适用于低压下、稀溶液中气、液相之间的平衡关系。当压力较高（总压大于506.5kPa）、溶液浓度较大或伴有化学反应时，此定律一般不再适用。例题:p84-86 例2-1、例2-22、亨利定律的各种表达式所描述的是互成平衡的气、液两相组成间的关系，因此也可写成：亨利定律的四种表达式以及各系数之间的关系函数关系亨利定律表达式各符号所表示的物理意义气相液相说明稀溶液中各种亨利系数间的换算为吸收质A在气相中的平衡分压为吸收质A在气相中的平衡摩尔分数m为相平衡系数为吸收质A在惰性组分中的平衡摩尔比为吸收质A在吸收剂中的摩尔比为吸收质A在液相中的体积摩尔浓度为吸收质A在液相中的摩尔分数2.1.3相平衡关系在吸收过程中的应用已知吸收过程解吸过程1、利用相平衡关系判断过程的方向例题1、在101.3kPa,20下，稀氨水的气液相平衡关系为若有含氨0.094（摩尔分数，下同）的混合气和组成为的氨水接触，试确定过程的方向。解：与的液相平衡的气相组成为所以，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。2、计算传质过程的推动力VyA2 L xA2MM/VyA1 L xA1yOx x*xy*y是以气相组成差表示的吸收推动力，是以液相组成差表示的吸收推动力M(x,y)3、确定传递过程的极限平衡是吸收过程的极限状态塔底吸收液中吸收质浓度的最大极限值为与塔底入口处气相组成呈平衡的液相组成塔顶尾气中吸收质的浓度的最小值为与塔顶入口处吸收剂中的溶质A的组成呈平衡的气相组成例2、在总压1000kPa,温度25下，含0.06（摩尔分数）的-空气混合气与含为0.1g/L的水溶液逆流接触，试问：（1）、将发生吸收还是解吸？(2)、以气压差表示的吸收推动力为多少？（3）、尾气中的的含量最低可能降到多少？已知：25时，溶解在水中的亨利系数为 水的相对密度及平均分子量为,解：（1）判断过程方向：气相中 的分压 以1 吸收剂为基准，因为吸收剂中浓度很低，则吸收剂中的摩尔分数为:对应于气相的平衡分压：显然，所以将发生由气相进入液相的吸收过程。(2)、推动力：(3)、吸收过程的极限 对于逆流吸收操作，当液气比大至一定程度（在此，),且塔高无穷高时，则出塔气体中 的含量最低可降到与入口处水溶液呈平衡的气相分压（6.8kPa），所以：向空气排放的尾气中 的最低含量为：2.2传质机理与吸收速率吸收过程机理气体吸收是吸收质借助于扩散作用从气相转移到液相的传质过程。这一传质过程可分为三个基本步骤：如图第一步：溶质由气相主体（该处浓度为）传递到两相界面（该处气相浓度为），属气相内传递。第二步：溶质在界面处由气相溶于液相（该处浓度为），属相际间传递。第三步：溶质由界面传递到液相主体（该处液相浓度为）属液相内传递。所以，在吸收操作中，吸收质既在单相中扩散，又在相际间扩散。其中，溶质在两相界面处的相际间传递是平衡问题；而溶质在气相或液相内的传递是单相中的扩散问题。质量传递根据传质机理的不同分类：分子扩散（或称分子传质）-是指在单 相内物质的分子依靠分子热运动在静 止流体或层流流体中垂直于质点运动 方向上的扩散。涡(对）流扩散【或涡（对）流传质】-是指依靠流体质点的运动而引起的扩散。2.2.1、分子扩散与菲克定律1、分子扩散定律菲克定律实验表明：在单相物系内，当某物质在介质中发生分子扩散时，其分子扩散速率与扩散面积成正比，与浓度梯度成正比，物质的传递方向为沿浓度降低的方向，这称为菲克（Fick）定律。数学表达式为:式中：-扩散组分的分子扩散速率kmol/s或kmol/hn-扩散物质的量kmol或kmol或：-时间s或hA-相间传质接触面积（即扩散面积）m2Z-扩散距离mcA-扩散组分（即吸收质）的浓度kmol/m3DAB-物质A在介质B中的分子扩散系数m2/scm2/s-扩散层中的浓度梯度负号表示分子扩散沿着扩散物质浓度降低的方向进行,与浓度梯度方向相反。-物质A在z方向上的分子扩散通量,kmol/(m2.s)假设点1与点2处吸收质的浓度分别为 、，点1与点2之间的距离（即扩散层厚度）为 m，对菲克定律表达式积分得：或-扩散通量（单位扩散面积的扩散速率）若扩散组分为理想气体：因此，菲克定律可以用扩散组分的分压表达式为：积分得：或分子扩散系数D是物质的特性常数之一，代表物质在介质中的扩散能力。即：沿扩散方向，当扩散组分的浓度差为1kmol/m3时，在1S的时间内通过1m厚的扩散层，在1m2扩散面积上所扩散传递的物质的量（kmol）。D值一般与扩散组分及扩散介质的种类、系统的温度、压强等因素有关。物理意义：2.2.2流体中的稳定分子扩散1、等分子反向扩散等分子反向扩散（或等分子逆流扩散）-在由A、B组成的双组分物系中，当气相总压或液相总 浓度各处相等时，组分A的分子扩散中必伴有 组分B的分子扩散，两者的扩散通量（）大小 相等，方向相反，这种现象称为等分子逆流扩散 （或等分子反向扩散）。二元混合物气体分子扩散等分子反向（逆流）扩散单向扩散在1、2两截面上，A、B的分压各自保持不变已知：因为两容器中气体总压 相同，所以，单位时间内A、B两组分相互扩散的物质的量 与 一定相等。-等分子逆流扩散两组分的扩散速率相等，但方向相反.规定:组分A的扩散方向（Z）为正，则有在恒温、恒压（总压力 ）下，当组分A产生了分压力梯度 时：或组分B也会相应产生相反方向的分压力梯度其扩散通量表达式为：或组分A在组分B中扩散的分子扩散系数组分B在组分A中扩散的分子扩散系数。两边对扩散距离求导得：可见,在等分子逆流扩散过程中，分压力梯度为一常数 同理两边对扩散距离求导得：且常数即：即:对于双组分混合物，在等分子逆流扩散时，组分A与组分B的分子扩散系数相等。若边界条件：Z=0时,Z=Z时，对积分得：则：若用边界条件 对于 积分得：在双组分混合物的精馏过程中，发生的就是等分子逆流扩散 2、单向扩散（或称组分A通过静止组分B的扩散）在双分组气体混合物与吸收剂接触的吸收操作中：组分A溶解于液相，而组分B不溶于液相，处于“停滞”状态，结果液相中不存在组分B，因此，吸收过程是组分A通过“静止”组分B的单向扩散。吸收操作时，在气、液界面附近的气相中，由于组分A向液相溶解，其浓度降低，分压力减小，因此在气相主体与气、液相界面之间产生分压力梯度。对于组分B而言表观上，组分B的净传递量为零。在此传递过程过程中，可视组分B处于“停滞”状态对组分A而言：（等分子逆流扩散）组分A的扩散方向与气体整体移动方向相同:所以，在气相中，表现为组分A从气相主体向界面扩散。推导其传质速率方程：在气相的整体移动中则：且则：由理想气体分子扩散的费克定律知：则：所以，单向扩散时的扩散通量比等分子逆流扩散时大，为其 倍。以代入上式得：根据上图中的边界条件：Z=0时，Z=Z时，对上式积分：对于稳态吸收过程，为定值，操作条件一定时，R、D、T均为常数，则：积分得：而令惰性组分在气相主体与界面之间分压力的对数平均值则：由于所以，与等分子逆流扩散的扩散通量相比，单向扩散中组分A的扩散速率更大，是其 倍。称为“漂流因子”或“移动因子”，值越大，表明整体移动在传质中所占的分量越大。根据气体混合物的浓度c与压力p的关系:将总浓度 ，分浓度 ,代入上式整理得：其中-组分S在界面与气相主体之间浓度的对数平均值。例题：在20及101.325kPa下，含CO2为0.2（摩尔分数）的CO2空气的混合物缓慢地沿Na2CO3溶液面流过。假设空气不溶于Na2CO3溶液。CO2通过厚1mm的静止空气层扩散到Na2CO3溶液中。在Na2CO3溶液面上，CO2被迅速吸收，因此，相界面上CO2的浓度极小，可忽略不计，已知CO2在空气中20时的扩散系数D为0.18cm2/s。问CO2的扩散通量是多少？解：已知：D=0.18cm2/s=Z=1mm=0.001m pT=101.325kPa 气液界面上空气的分压力:空气在气相主体和界面上分压力的对数平均值为：2.2.3、扩散系数D扩散系数是物质的物性常数之一，它表明该物质在均匀介质中的扩散能力。组分A在气体中扩散时，浓度的影响可以忽略；而在液体中扩散时，浓度的影响不可忽略，而这时压力的影响不显著。扩散系数一般由实验测定，在无实验数据的条件下，可借助某些经验或半经验公式进行估算。气体溶质的扩散系数一般在0.11.0cm2/s之间;液体溶质的扩散系数一般比气体小得多。约在 之间。例：测定甲苯蒸汽在空气中的扩散系数。如图，在内径为3mm的垂直玻璃管中，装入约一半高度的液体甲苯，保持恒温。紧贴液面上方的甲苯蒸气分压为该温度下甲苯的饱和蒸气压。上部水平管内有空气快速流过，带走所蒸发的甲苯蒸气。在垂直管管口处空气中，甲苯蒸气的分压接近于零。随着甲苯的气化和扩散，液面降低，扩散距离Z逐渐增大。记录时间与z的关系，即可计算甲苯在空气中的扩散系数。在39.4、101.325kPa下,两次测定的实验结果如下：管上端到液面的距离Z/cm蒸发的时间/s开 始（ZO）终了（Z）实验11.97.9实验22.26.2根据测定数据，可以计算出物系的扩散系数D，假设垂直管内的空气没有对流产生,甲苯蒸汽由垂直管进入水平管的过程可视作组分A通过静止组分B的单向扩散，查表知：39.4时，甲苯的蒸汽压 ，甲苯液体的相对密度 ，甲苯的摩尔质量甲苯蒸汽通过静止空气层的扩散通量，可根据公式 计算。其中：设垂直管截面积为A，在时间 内汽化的甲苯量，应等于甲苯扩散出管口的量，即：则：即：因为在稳态操作中，D、R、T、均为常数，在 时 到 时 之间积分：已知：总压力实验1：实验2：二元混合物气体分子扩散等分子逆流扩散单向扩散2.2.4 对流扩散1、单相内对流传质的有效膜模型a对流传质浓度分布图b在层流膜以内的传质为分子扩散，而层流膜以外为对流扩散。气相主体中，分压线几乎是一条水平线，到靠近层流膜层时才略向下弯曲（减小）。在层流膜层内，溶质只能靠分子扩散而转移，没有涡流的帮助，需要较大的分压差才能克服扩散阻力，因此其分压迅速下降，压力梯度较大。我们可以将层流膜以外的涡流扩散折合为通过一定厚度的静止气体的分子扩散。我们可以认为由气相主体到界面的对流扩散速率等于通过厚度为 的膜层的分子扩散速率。在此厚度为的膜层称为有效层流膜或虚拟膜。2.气相传质速率方程式吸收质在气相中的单向扩散速率方程:将式中扩散距离Z用虚拟膜厚度 代替,、分别用气相主体平均分压 和界面处吸收质分压 代替，即得到气相对流传质速率方程：令：气膜传质系数或气膜传质分系数以 代替 ，以 代替 ，则：或：气相传质速率方程溶质在气相主体与界面间的压力差3、液相传质速率方程令液膜传质系数或液膜传质分系数则：或-液相传质速率方程溶质A在界面与液相主体之间的浓度差2.2.5两相间的传质双膜理论双膜理论认为：当气体与液体相互接触时，即使流体的主体中已呈湍流，但在气液相际两侧仍分别存有稳定的气体滞流层（气膜）和液体滞流层（液膜）。吸收过程是吸收质分子从气相主体运动到气膜面，再以分子扩散的方式通过气膜到达气液两相界面，在界面上吸收质溶入液相，再从液相界面以分子扩散方式通过液膜进入液相主体。双膜理论示意图双膜理论的基础论点（1）、相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的停滞气膜和停滞液膜，吸收质以分子扩散方式通过气膜和液膜。（2）、在相界面处，气液两相一经接触就达到平衡，即即界面上无传质阻力。（3）界面上吸收质的溶解能较快地进行，吸收质在两相界面上处于平衡状态，即液相界面的溶液是气相界面吸收质分压下的饱和溶液；气相界面吸收质的分压等于液相界面溶液吸收质的平衡分压。但在两相主体中，吸收质相互之间并不存在特定的依赖关系。（4）在膜层以外，气液两相主体中，流体都充分湍动，组成均一，浓度梯度几乎为零。溶质在每一相内的传质阻力都集中于虚拟的停滞膜内。即吸收过程的全部阻力集中在这两层滞流膜内。2.2.6 吸收传质速率方程令则：以分压差（）表示吸收推动力的总传质速率方程以气相分压差（）表示吸收推动力的总传质系数与液相主体浓度 相平衡的气相中吸收质的平衡分压（）令：则：以液相浓度差（）表示推动力的总传质速率方程以液相浓度差（）表示吸收推动力的总传质系数（m/s）与气相主体中吸收质分压 相平衡的液相中吸收质 的平衡浓度。对于易溶气体：由于其溶解度系数H值很大，液膜阻力 很小，可忽略，或即：吸收过程的总阻力主要集中在气膜上，称为气膜控制。说明:气膜控制时，液相界面浓度 ，气膜推动力 (吸收总推动力)（2）溶解系数H很大时，平衡线（）斜率很小（如图）此时较小的气相分压 （或浓度 ）能与较大的液相浓度 相平衡。（3）气膜控制时，要提高总传质系数，应加大气相湍动程度。对于难溶气体：溶解度系数H很小，则 很小，可忽略，即吸收过程的总阻力主要集中在液膜上，称为液膜控制。所以，对于难溶气体，若要提高总传质系数，应增大液相的湍动程度。对于中等溶解度的气体吸收，气、液膜的传质阻力相差不大，两者均不可忽略。此时，总传质速率由气膜和液膜联合控制。讨论：总传质速率方程与气、液平衡曲线的关系1、总传质速率方程的分析OE为符合亨利定律的气、液相平衡线为吸收设备某一界面处的气液相组成，与吸收质在气相主体中的分压 成平衡的液相组成位于B点，为 ，（）。与吸收质在液相主体中的浓度 成平衡的气相分压 （）在A点。-以气相分压差表示的吸收过程的总推动力-以液相浓度差表示的吸收过程的总推动力实际操作状态与平衡状态偏离越大，则M点离平衡线越远，传质推动力（或 ）就越大。当M点落在平衡线OE下方时，则表示 或，过程将变为解吸过程。2、相界面的组成相界面的组成当气、液两相的组成不符合亨利定律时，平衡线为一曲线。此时由于H不能确定，只能通过求出界面组成（,）后，利用气相传质速率方程：及液相传质速率方程：得：即：所以，通过图解法可求出界面组成对流传质的推动力为：气膜推动力：液膜推动力：相际传质的总推动力为：是斜率为，且通过点的直线。3、吸收速率方程的各种表示形式则以分压表示的吸收传质总速率方程为：令则-以气相摩尔比差表示推动力的总吸收速率方程吸收质A在气相中的摩尔比与液相主体中吸收质摩尔比成平衡的气相吸收质摩尔比-吸收质跨过气、液两膜的总阻力令得:-以液相摩尔比差表示推动力的总速率方程-吸收过程的总阻力。-以气膜摩尔比差()为通过气膜推动力的气相吸收速率方程-以气膜摩尔比差 为推动力的气膜吸收分系数，简称气膜吸收系数。-以液膜摩尔比差 为通过液膜推动力的液相吸收速率方程-以液膜摩尔比差 为吸收推动力的液膜吸收分系数,简称气膜吸收系数在稳态吸收过程中，吸收传质速率方程有以下几种形式：推导示例令则各传质系数之间的关系为：浓度低时，对于气液平衡关系服从亨利定律的系统，传质总阻力与双膜传质阻力的关系为：总阻力气膜阻力液膜阻力气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体-气膜传质系数-液膜传质系数-气相总传质系数液相总传质系数例3、在总压为100kPa、温度为30时，用清水吸收混合气体中的氨，气相传质系数 =3.8410-6 kmol/（m2skPa），液相传质系数 =1.8310-4 m/s，假设此操作条件下的平衡关系服从亨利定律，测得液相溶质摩尔分率为0.05，其气相平衡分压为6.7kPa。求当塔内某截面上气、液组成分别为y=0.05，x=0.01时（1）以 、表示的传质总推动力及相应的传质速率、总传质系数；（2）分析该过程的控制因素。相平衡常数解：溶解度常数=1000.05-1340.01=3.66kPakmol/（m2skPa）=3.9410-63.66=1.4410-5 kmol/（m2s）kmol/m3=9.510-61.513=1.43810-5 kmol/（m2s）（2）与 表示的传质总推动力相应的传质阻力 为253797（m2skPa）/kmol；其中液膜阻力为m2skPa/kmol气膜阻力m2skPa/kmol气膜阻力占总阻力的百分数为故该传质过程为气膜控制过程。=0.41461000.05=0.41461000.050.56=1.513 kmol/m0.56=1.513 kmol/m3 3 2.2.7强化吸收过程的途径 1、提高吸收总系数（）2、增大气液两相接触面积A（1）、增大气体在液体中的分散程度，使之以小气泡 的形式分散于液体中。（2）、增大液体在气体中的分散程度，使之成为液体薄膜或细小液滴（或雾）分散与气体中。3、增大吸收推动力（）2.3 吸收塔的设计及计算2.3.1吸收塔的物料衡算与操作线方程单位时间内通过吸收塔的惰性组分摩尔流量（）单位时间内通过吸收塔的吸收剂摩尔流量 （）分别为塔底、塔顶和塔内任一截面上气相中吸收质的摩尔比。分别为塔底、塔顶和塔内任一截面上液相中吸收剂的摩尔比。假设在1-1截面上，气、液两相组成为Y和X，在相距距离的2-2截面上，气、液两相组成为（）和（）。在稳态操作中整理得：在此截面和塔顶之间积分得：即在此截面和塔底之间积分得即由,得,全塔物料衡算式为：即：吸收操作线方程或：讨论：(1)、吸收操作线方程是由物料衡算得到的关系式，它仅由液气比（）及塔一端气液相浓度决定的，而与气液相平衡关系、吸收速率、操作温度，压力、塔型等均无关。（2）、此操作线方程是指逆流吸收操作而言的，若为并流吸收，同样可由物料衡算得到并流吸收操作线方程。（3）（吸收），代表了E点所在截面处以气相浓度差表示的总吸收推动力；(吸收)代表E点所在截面处以液相浓度差表示的总吸收推动力。（4）、最小液气比在吸收操作中，每摩尔惰性气体所用吸收剂的量称为吸收的液气比（L/V)-最小液气比在此条件下，完成给定的分离任务需无穷大的传质面积，即要求塔高为无穷大。2.3.2吸收剂用量和的计算1、相平衡关系服从亨利定律时：当吸收率为纯溶剂时，溶质的吸收率（或回收率）则，当时，当平衡线为下凹曲线时，2、平衡线是曲线的情况先求得的水平线与平衡线OE的交点C，继而求得，然后代入，求得最小液气比。当平衡线为上凸曲线时，如图：过A点作平衡线OE的切线AC交平衡线于T点,显然，在切点T处，,则 吸 收液的最高浓度是切线AC和水平线 的交点C所对应的浓度 ，然后代入 ，即可求得 。2.3.3 塔径的确定例4用清水吸收丙酮，吸收塔的操作压强为101.32kPa，温度为293K。进吸收塔的气体中丙酮含量为0.026（摩尔分数），要求吸收率为80。在操作条件下，丙酮在两相间的平衡关系为：Y=1.18X（摩尔比）。求最小液气比。如果要求吸收率为90，则最小液气比又为多少？解：（1）吸收率为80%时的最小液气比进塔气中丙酮的摩尔比为出塔气中丙酮的组成为由题意知：m=1.18则：（2）求吸收率为90%时的最小液气比可见，在其他条件相同时，吸收率不同，最小液气比也不同；吸收率越高，最小液气比越大。例5、某逆流吸收塔，用纯溶剂吸收混合气中的易溶组分，设备高为无穷大，入塔气体浓度，平衡关系为Y=2X。试问：（1）若液气比为2.5时，求吸收率为多少？（2）若液气比为1.5时，求吸收率为多少？解：（1）、因为操作线与平衡线的斜率比所以，操作线只能在塔顶（下端）与平衡线相交，又因为塔高为无穷大，出塔气体总能与吸收剂达到平衡，此时，由于则所以吸收率为：（2）、因为操作线与平衡线的斜率比所以，操作线只能在塔底（上端）与平衡线相交，又因为塔高为无穷大，出塔吸收液总能与入塔气体达到平衡，出塔液浓度为最大，对应的液气比为最小液气比。所以，2.3.4吸收塔填料层高度的计算1、计算填料层高度的基本方程式在填料层中取一微元高度在此微元填料塔层中对吸收质进行物料衡算得：则：高度为 的微元填料层中，单位时间内吸收质由气相转入液相的量 在此微元填料层中，气相和液相吸收速率方程分别为：微元填料层内的传质面积（）在稳定操作条件下，由以上三式可得:若填料塔的填料层高度为Hm，空塔截面积为 ,则在高度为 的微元填料层中，微元体积为：若以a代表每 填料的有效气液传质面积（）,则气液两相流经 段，单位时间内，通过接触面积 从气相向液相传递的溶质A的量为：代入以上二式中得：同理也可得：对上式中各项从塔顶（）到塔底（）积分得：计算填料层高度的基本方程气相总体积传质系数，液相总体积传质系数，气相体积传质系数液相体积传质系数2 2、传质单元数和传质单元高度、传质单元数和传质单元高度假设在此单元内浓度变化不大，其平均推动力 可看作常数，则在此单元内气相浓度变化的积分数值为：当 1时，传质单元传质单元：气体通过某单元填料层而发生的浓度变化等于该单元内气相平均推动力时，则此单元称为一个 传质单元传质单元。传质单元高度：传质单元高度：完成一个传质单元的分离任务所需要的填料层高度称为传质单元高度传质单元高度。就整个填料层而言，项就代表了气相传质单元数，用 表示，它是一个无因次数群。项代表了气相传质单元高度，用 表示。类似的计算公式还有：气相传质单质高度气相传质单元数液相传质单元高度液相传质单元数气相总传质单元高度气相总传质单元数液相总传质单元高度液相总传质单元数说明：（1）、由吸收工艺条件决定；则主要反映设备的特性。（2）、传质单元数因此传质单元数 的大小反映了传质的难易程度传质的难易程度，当 时，（3）传质单元高度可以把可以把 视为传质阻力视为传质阻力越小，则表示传质阻力越小，所需填料层高度就越小。（4）各传质单元高度之间的关系当气液平衡线的斜率为m时，-吸收因数3、传质单元数的求法(1)、图解积分法（数值积分法）适用于平衡线不是直线（即不符合亨利定律）的情况。(2)(2)、解析法（对数平均推动力法）、解析法（对数平均推动力法）适用于气液平衡关系符合亨利定律()的情况由于气液平衡关系为一直线，操作线也为直线，所以塔内任一截面上的推动力 与气相浓度Y也成直线关系，由该直线的斜率可得：其中：则：-气相总传质单元数计算公式气相对数平均推动力液相总传质单元数的计算公式为：液相对数平均推动力:其中：当 或 时，(3)、吸收因数法适用于气液平衡关系符合亨利定律的情况在塔内任一截面（X,Y）与塔顶 之间进行物料衡算,由 得：令：-吸收因子（数）则：吸收因子A的几何意义：操作线斜率 与平衡线斜率m之比。A愈大，操作线、平衡线相距越远，吸收推动力越大，愈易吸收。-解析因子液相总传质单元数的计算式：例6、设计一用水吸收丙酮的填料吸收塔，塔截面积为，进塔混合气的流量为70mol/h,其中丙酮的组成为0.02，用清水吸收，要求吸收率为90，吸收塔的操作压强为101.3kPa,温度为293K。在此条件下，丙酮在两相间的平衡关系为：Y=1.18X。取液气比为最小液气比的1.4倍，气相总体积传质系数为，求所需填料层高度？解：出塔气组成：由得因为平衡线为直线，可以用对数平均推动力法求传质单元数所以，填料层高度为：也可以用吸收因素法求传质单元数：则：填料层高度为：4、传质单元高度的计算5、吸收塔的操作型计算操作线方程、气、液平衡关系式（对于稀溶液，用亨利定律表达式）和传质速率方程（=传质系数 传质推动力），以及它们联立求得的填料层高度计算式：2.4 解吸解吸的推动力是（）或（）或（），在Y-X图中，解吸操作线AB位于平衡线的下方，与吸收相反。1、解吸用气量与最小气液比2、解吸塔填料层高度计算（1）对数平均推动力法（2）解吸因数法小结一、吸收与解吸吸收吸收：利用气体在液体中溶解度的差异分离气体混合物的操作叫作气体的吸收。解吸操作：是采用惰性解吸气体与吸收液接触，利用吸收液中溶质与溶剂的挥发度不同，而将溶质从吸收液中提取出来的操作，因此又称为气提。解吸是吸收的逆过程：即：溶质的传递方向为：二、吸收操作中的相平衡关系-亨利定律1、定义：对于稀溶液或难溶气体，在一定温度和总压下不大（低于506.5kPa）的情况下，溶质在液相中的溶解度（浓度平衡浓度）与其在气相中的平衡分压成正比。数学表达式:2、表达式：定义式：浓度式：摩尔分数式：摩尔比式：H-溶解度系数E亨利系数 Pa或kPa相平衡系数关系：分析：易溶气体，值小，E值小，m值小，H值大，气膜控制；难溶气体，值大，E值大，m值大，H值小，液膜控制；3、应用（1）、过程方向判据吸收过程解吸过程（2）、吸收过程推动力以气相推动力表示：以液相推动力表示：（3）、吸收操作过程的极限三、吸收操作的传质机理-双膜理论1、双膜理论要点（1）、相互接触的气、液两相流体间存在着稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的停滞气膜和停滞液膜，吸收质以分子扩散方式通过气膜和液膜。（2）、在相界面处，气液两相一经接触就达到平衡，即即界面上无传质阻力。（3）界面上吸收质的溶解能较快地进行，吸收质在两相界面上处于平衡状态，即液相界面的溶液是气相界面吸收质分压下的饱和溶液；气相界面吸收质的分压等于液相界面溶液吸收质的平衡分压。但在两相主体中，吸收质相互之间并不存在特定的依赖关系。（4）在膜层以外，气液两相主体中，流体都充分湍动，组成均一，浓度梯度几乎为零。溶质在每一相内的传质阻力都集中于虚拟的停滞膜内。即吸收过程的全部阻力集中在这两层滞流膜内。2、分子扩散定律-费克定律在单相物系内，当某物质在介质中发生分子扩散时，其分子扩散速率与扩散面积成正比，与浓度梯度成正比，物质的传递方向为沿浓度降低的方向，这称为费克（Fick）定律。数学表达式为:（1）、等分子逆流扩散（2）、单向 扩散四、吸收传质速率方程主要传质系数的换算关系：主要传质系数的换算关系：总阻力气膜阻力液膜阻力气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体气膜控制时易溶气体液膜控制时难溶气体五、吸收塔的计算1、吸收塔的物料衡算式-操作线方程最小液气比：液气比：溶质的吸收率（或回收率）2、吸收塔填料层高度的计算（1）、传质单元数传质单元传质单元：气体通过某单元填料层而发生的浓度变化等于该单元内气相平均推动力时，则此单元称为一个传质单元传质单元。-反映了传质的难易程度传质单元数的计算方法：图解积分法（数值积分法）-适用于平衡线不是直线的情况先作出平衡线和操作线，在 之间选取若干个Y值，找出对应的各个 值，计算 值，作 图，求曲面积分值：、解析法（对数平均推动力法）适用于气液平衡关系符合亨利定律()的情况、吸收因素法适用于气液平衡关系符合亨利定律的情况-吸收因子（数）(2)、传质单元高度（、）传质单元高度：传质单元高度：完成一个传质单元的分离任务所需要的填料层高度称为传质单元高度传质单元高度。习题课1、吸收是利用气体在液体中的差异分离气体混合物的操作，它是吸收质分子由相到相的单向扩散过程。2、当吸收质在吸收剂中的溶解度很小时，吸收速率主要受_膜一方的吸收阻力控制，称为_，此时液相吸收总系数KL。3、某吸收操作中，已知原料混合气中吸收质A的浓度为0.3（摩尔分率，下同），以清水为吸收剂从塔顶向下喷淋，气液相平衡关系为：y=3x，则塔底吸收液的最大浓度为。塔顶尾气中吸收质的最低浓度为。4、在气体流量、气体进出口组成和液相进出口组成不变时，若减少吸收剂用量，则传质推动力将，吸收操作线将平衡线，设备费用将。溶解度气液液液膜控制kL0.10减小靠近增加5、等分子逆流扩散通量方程为。6、下述说法中错误的是().A.溶解度系数H值很大，为易溶气体；B.享利系数E值很大，为难溶气体；C.亨利系数E值很大，为易溶气体；D.平衡常数m值很大，为难溶气体。7、吸收操作中，温度不变，压力增大，可使相平衡常数（），传质推动力（）。A.增大；B.不变；C.减小。8、101.325KPa压力下，在某填料塔中，从塔底送入吸收质组成为0.2（摩尔分率，下同）的混合气，以含吸收质浓度为0.02的吸收剂从塔顶向下喷淋，已知平衡关系为y=2x，则尾气中吸收质的最低浓度为（）A、0.02B、0.04C、0.06D、0.01CCAB9、在化工生产中，要提高吸收的效果，可以设法提高吸收总传质系数，必须采取（）A.降低气膜和液膜厚度B.提高气膜和液膜厚度C.减少流体流动速度10、吸收过程的方向和限度取决于吸收质在气液两相中的平衡关系，若要进行吸收操作，则应控制（）。AB.C11、根据双膜理论，当被吸收组分在液相中溶解度很小时，以液相浓度表示的总传质系数（）。A大于液相传质分系数B近似等于液相传质分系数C小于气相传质分系数D近似等于气相传质分系数AAB12、在101.325Kpa、20下，稀氨水的气液相平衡关系为y*=0.94x，若有含氨0.08（摩尔分率，下同）的混合气体与组成为x=0.05的氨水接触时，将发生（）A、吸收过程B、解吸过程C、氨由液相转入气相D、氨不发生转移13、根据双膜理论，当被吸收组分在液相中溶解度很小时，以液相浓度表示的总传质系数近似等于气相传质分系数。（）14、一般来说，两组份的等分子反向扩散体现在精馏单元操作中，而A组份通过B组份的单相扩散体现在吸收操作中。（）A15、某低浓度气体吸收过程，已知相平衡常数m=1，气膜和液膜体积吸收系数分别为kya=210-4kmol/m3.s,kxa=0.4kmol/m3.s,则该吸收过程为液膜控制；该气体为易溶气体。（）16、组分A通过另一停滞组分B进行扩散，若总压为101.5kPa，扩散两端组分A的分压分别为23.2kPa和6.5kPa。实验测得其扩散通量为0.2355mol/(m2.s)。若在相同的操作条件和组分浓度下，组分A和B进行等分子扩散，试求其扩散通量.解：pA1=23.2KPapA2=6.5kPapB1=PpA1=101.5-23.278.3kPapB2=101.5-6.595kPa17、在一逆流吸收塔中，用清水吸收混合气体中的CO2，气相流量为300m3/h（标准状况），进塔气体中含CO26.0%（体积），要求条件下的平衡关系，操作液气比为最小液