七章氣體吸收概述（Introduction）

利用混合氣體中各組分(component)在液體中溶解度(solubility)的差異而分離氣體混合物的單元操作稱為吸收。吸收操作時(shí)某些易溶組分進(jìn)入液相形成溶液(solution)，不溶或難溶組分仍留在氣相(gasphase)，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。

氣體吸收是混合氣體中某些組分在氣液相界面上溶解、在氣相和液相內(nèi)由濃度差推動(dòng)的傳質(zhì)過程。吸收劑氣體yx界面氣相主體液相主體相界面氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散yixi2023/7/232概述（Introduction）吸收質(zhì)或溶質(zhì)(solute)：混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體(inertgas)或載體：不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑(absorbent)：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。吸收液(strongliquor)：吸收操作后得到的溶液，主要成分為溶劑S和溶質(zhì)A。吸收尾氣(dilutegas)：吸收后排出的氣體，主要成分為惰性氣體B和少量的溶質(zhì)A。吸收過程在吸收塔中進(jìn)行，逆流操作吸收塔示意圖如右所示。

吸收塔混合尾氣(A+B)吸收液(A+S)吸收劑(S)吸收尾氣(A+B)2023/7/233概述（Introduction）一、吸收操作的用途：(1)制取產(chǎn)品用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收甲醛制福爾馬林液，用水吸收氯化氫制鹽酸等

。(2)分離混合氣體吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達(dá)到分離目的。例如石油餾分裂解生產(chǎn)出來的乙烯、丙烯，還與氫、甲烷等混在一起，可用分子量較大的液態(tài)烴把乙烯、丙烯吸收，使與甲烷、氫分離開來。(3)氣體凈化一類是原料氣的凈化，即除去混合氣體中的雜質(zhì)，如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；另一類是尾氣處理和廢氣凈化以保護(hù)環(huán)境，如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2，硝酸尾氣脫除NO2等。2023/7/234概述（Introduction）二、吸收操作的分類物理吸收(physicalabsorption)：吸收過程溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可視為單純的氣體溶解于液相的過程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烴等。化學(xué)吸收(chemicalabsorption)：溶質(zhì)與溶劑有顯著的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。如用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等過程。化學(xué)反應(yīng)能大大提高單位體積液體所能吸收的氣體量并加快吸收速率。但溶液解吸再生較難。單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度甚小其吸收量可忽略不計(jì)。多組分吸收：有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分被吸收。溶解熱：氣體溶解于液體時(shí)所釋放的熱量?；瘜W(xué)吸收時(shí)，還會(huì)有反應(yīng)熱。非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過程。等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過程。2023/7/235本章以分析單組分的等溫物理吸收為重點(diǎn)，以便掌握最基本的原理。

氣體吸收是物質(zhì)自氣相到液相的轉(zhuǎn)移，這是一種傳質(zhì)過程?；旌蠚怏w中某一組分能否進(jìn)入溶液里，既取決于該組分的分壓，也取決于溶液里該組分的平衡蒸汽壓。如果混合氣體中該氣體的分壓大于溶液的平衡蒸汽壓，這個(gè)組分便可自氣相轉(zhuǎn)移至液相，即被吸收。由于轉(zhuǎn)移的結(jié)果，溶液里這個(gè)組分的濃度便增高，它的平衡蒸汽壓也隨著增高，到最后，可以增高到等于它在氣相中的分壓，傳質(zhì)過程于是停止，這時(shí)稱為氣液兩相達(dá)到平衡。反之，如果溶液中的某一組分的平衡蒸汽壓大于混合氣體中該組分的分壓，這個(gè)組分便要從溶液中釋放出來，即從液相轉(zhuǎn)移到氣相，這種情況稱為解吸（或脫吸）。所以根據(jù)兩相的平衡關(guān)系可以判斷傳質(zhì)過程的方向與極限，而且，兩相的濃度距離平衡愈遠(yuǎn)，則傳質(zhì)的推動(dòng)力愈大，傳質(zhì)速率也愈大。吸收操作的分析，應(yīng)該從氣液兩相的平衡關(guān)系與傳質(zhì)速率關(guān)系著手，本章各節(jié)即如此展開討論。2023/7/236氣液兩相的接觸方式連續(xù)接觸(也稱微分接觸)：氣、液兩相的濃度呈連續(xù)變化。如填料塔。級式接觸：氣、液兩相逐級接觸傳質(zhì)，兩相的組成呈階躍變化。如板式塔。散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料規(guī)整填料塑料絲網(wǎng)波紋填料

2023/7/237蒸餾與吸收操作對比

蒸餾改變狀態(tài)參數(shù)產(chǎn)生第二相，吸收從外界引入另一相形成兩相系統(tǒng)；蒸餾直接獲得輕、重組分，吸收混合液經(jīng)脫吸才能得到較純組分；蒸餾中氣相中重組分向液相傳遞，液相中輕組分向氣相傳遞，是雙相傳遞；吸收中溶質(zhì)分子由氣相向液相單相傳遞，惰性組分及溶劑組分處于“停滯”狀態(tài)。2023/7/238第一節(jié)氣—液相平衡

2––1––1氣體的溶解度氣體吸收的平衡關(guān)系指氣體在液體中的溶解度。如果把氨氣和水共同封存在容器中，令體系的壓力和溫度維持一定，由于氨易溶于水，氨的分子便穿越兩相界面進(jìn)入水中，但進(jìn)到水中的氨分子也會(huì)有一部分返回氣相，只不過剛開始的時(shí)候進(jìn)多出少。水中溶解的氨量越多，濃度越大，氨分子從溶液逸出的速率也就越大，直到最后，氨分子從氣相進(jìn)入液相的速率便等于它從液相返回氣相的速率，氨實(shí)際上便不再溶解進(jìn)水里，溶液的濃度也就不再變化，這種狀態(tài)稱為相際動(dòng)平衡，簡稱相平衡或平衡。2023/7/239氣體的溶解度在溫度和壓力一定的條件下，平衡時(shí)的氣、液相組成具有一一對應(yīng)關(guān)系。平衡狀態(tài)下氣相中溶質(zhì)的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，與之對應(yīng)的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解度。這時(shí)溶液已經(jīng)飽和，即達(dá)到了它在一定條件下的溶解度，也就是指氣體在液相中的飽和濃度，習(xí)慣上以單位質(zhì)量（或體積）的液體中所含溶質(zhì)的質(zhì)量來表示，也表明一定條件下吸收過程可能達(dá)到的極限程度。在一定溫度下達(dá)到平衡時(shí)，溶液的濃度隨氣體壓力的增加而增加。如果要使一種氣體在溶液中里達(dá)到某一特定的濃度，必須在溶液上方維持較高的平衡壓力。氣體的溶解度與溫度有關(guān)，一般來說，溫度下降則氣體的溶解度增高。

2023/7/2310溶解度曲線：在一定溫度、壓力下，平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相和液相中的濃度的關(guān)系曲線。例：圖2-2，2-3，2-4。溶解度/[g(NH3)/1000g(H2O)]1000500020406080100120pNH3/kPa50oC40oC30oC20oC10oC0oC120溶解度/[g(SO2)/1000g(H2O)]250200020406080100pSO2/kPa1501005012050oC40oC30oC20oC10oC0oC在相同條件下，NH3

在水中的溶解度較SO2大得多。用水作吸收劑時(shí)，稱NH3為易溶氣體，SO2為中等溶解氣體，溶解度更小的氣體則為難溶氣體(如O2

在30℃和溶質(zhì)的分壓為40kPa的條件下，1kgg)。2023/7/23112––1––2亨利定律（Henry’slaw）

當(dāng)總壓不太高時(shí)，一定溫度下的稀溶液的溶解度曲線近似為直線，即溶質(zhì)在液相中的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。式中：p*——溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa；x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)；E——亨利系數(shù)，kPa?！嗬珊嗬禂?shù)的值隨物系的特性及溫度而異；物系一定，E值一般隨溫度的上升而增大；E值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度；在同一溶劑中，難溶氣體E值很大，易溶氣體E值很??；E的單位與氣相分壓的壓強(qiáng)單位一致。2023/7/2312亨利定律（Henry’slaw）

當(dāng)氣、液相溶質(zhì)濃度用其它組成表示法表示時(shí)，通過濃度換算可得其它形式的亨利定律。常用的形式有y*——與組成為x的液相呈平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)；c——溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，kmol/m3；m——相平衡常數(shù)；H——溶解度系數(shù)；kmol/(m3kPa)；三個(gè)比例系數(shù)之間的關(guān)系：式中cm為溶液的總濃度（kmol/m3）。對于稀溶液，因溶質(zhì)的濃度很小，因此cm=/Ms，其中為溶液的密度，Ms為溶劑的摩爾質(zhì)量。2023/7/2313亨利定律（Henry’slaw）

在低濃度氣體吸收計(jì)算中，通常采用基準(zhǔn)不變的摩爾比

Y（或X）表示組成。以摩爾比表示組成的相平衡關(guān)系X——溶質(zhì)在液相中的摩爾比濃度；Y*——與X呈平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾比濃度。當(dāng)m趨近1或當(dāng)X很小時(shí)2023/7/23142––1––3吸收劑的選擇吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果是否良好的關(guān)鍵。如果吸收的目的是制取某種溶液作成品，例如用HCl氣生產(chǎn)鹽酸，吸收劑只能用水，自然沒有選擇的余地，但如果目的在于把一部分氣體從混合物中分離出來，便應(yīng)考慮選擇合用的吸收劑問題。溶解度大吸收劑的選擇主要考慮的是溶解度，溶解度大則吸收劑用量少，吸收速率也大，設(shè)備的尺寸便??；選擇性好很顯然，吸收劑對溶質(zhì)氣體的溶解度既要大，對混合氣體中其他組分的溶解度卻要小或基本上不溶，這樣才能進(jìn)行有效的分離，滿足這一要求稱為選擇性好；揮發(fā)度要小吸收劑的揮發(fā)度要小，即在操作溫度下它的蒸汽壓要低，經(jīng)過吸收后的氣體在排出時(shí)，往往為吸收劑蒸汽所飽和，吸收劑的揮發(fā)度高，其損失量便大。此外所選用的溶劑盡可能滿足無腐蝕性，粘度小，無毒，不燃，價(jià)廉易得等條件。

2023/7/2315第二節(jié)傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率

平衡關(guān)系只能回答混合氣體中溶質(zhì)氣體能否進(jìn)入液相這個(gè)問題，至于進(jìn)入液相速率大小，卻無法解決，后者屬于傳質(zhì)的機(jī)理問題。本節(jié)的內(nèi)容是結(jié)合吸收操作來說明傳質(zhì)的基本原理，并導(dǎo)出傳質(zhì)的速率關(guān)系，作為分析吸收操作與計(jì)算吸收設(shè)備的依據(jù)。氣體吸收是溶質(zhì)先從氣相主體擴(kuò)散到氣液界面，再從氣液界面擴(kuò)散到液相主體的傳質(zhì)過程。

2023/7/23162––2––1氣液相際傳質(zhì)理論相對于氣相濃度y而言，液相濃度欠飽和(x<x*)，故液相有吸收溶質(zhì)A的能力。相對于液相濃度x而言，氣相濃度為過飽和(y>y*)，溶質(zhì)A由氣相向液相轉(zhuǎn)移。一、傳質(zhì)過程的方向

氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方(P點(diǎn))：yxoy*=f(x)Pyxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線上方，則體系將發(fā)生從氣相到液相的傳質(zhì)，即吸收過程。x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)2023/7/2317相對于氣相濃度而言實(shí)際液相濃度過飽和(x>x*)，故液相有釋放溶質(zhì)A的能力。相對于液相濃度x而言氣相濃度為欠飽和(y<y*)，溶質(zhì)A由液相向氣相轉(zhuǎn)移。傳質(zhì)過程的方向氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方(Q點(diǎn))：yxoy*=f(x)Qyxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)在平衡線下方，則體系將發(fā)生從液相到氣相的傳質(zhì)，即解吸過程。x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)2023/7/2318相對于氣相濃度而言液相濃度為平衡濃度(x=x*)，故液相不釋放或吸收溶質(zhì)A。相對于液相濃度x而言氣相濃度為平衡濃度(y=y*)，溶質(zhì)A不發(fā)生轉(zhuǎn)移。傳質(zhì)過程的方向氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上(R點(diǎn))：yxoy*=f(x)Ryxy*結(jié)論：若系統(tǒng)氣、液相濃度(y,x)處于平衡線上，則體系從宏觀上講將不會(huì)發(fā)生相際間的傳質(zhì)，即系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。x*2023/7/2319二、傳質(zhì)過程的限度

對吸收而言：若保持液相濃度x不變，氣相濃度y最低只能降到與之相平衡的濃度y*，即ymin=y*；若保持氣相濃度y不變，則液相濃度x最高也只能升高到與氣相濃度y相平衡的濃度x*，即xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*2023/7/2320傳質(zhì)過程的限度

yxoy*=f(x)Qyxy*x*對解吸而言：若保持液相濃度x不變，氣相濃度y最高只能升到與之相平衡的濃度y*，即ymax=y*；若保持氣相濃度y不變，則液相濃度x最高也只能降到與氣相濃度y相平衡的濃度x*，即xmin=x*。2023/7/2321傳質(zhì)推動(dòng)力的表示方法可以不同，但效果一樣。(x*-x)：以液相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力。對吸收過程：(y-y*)：以氣相摩爾分?jǐn)?shù)差表示的傳質(zhì)推動(dòng)力；三、傳質(zhì)過程的推動(dòng)力未達(dá)平衡的兩相接觸會(huì)發(fā)生相際間傳質(zhì)(吸收或解吸)，離平衡濃度越遠(yuǎn)，過程傳質(zhì)推動(dòng)力越大，傳質(zhì)過程進(jìn)行越快。方法：用氣相或液相濃度遠(yuǎn)離平衡的程度來表征氣液相際傳質(zhì)過程的推動(dòng)力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）2023/7/2322四、吸收傳質(zhì)理論

吸收過程是溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移的相際傳質(zhì)過程，可分為三個(gè)步驟：氣相主體液相主體相界面溶解氣相擴(kuò)散液相擴(kuò)散(1)溶質(zhì)由氣相主體擴(kuò)散至兩相界面氣相側(cè)(氣相內(nèi)傳質(zhì))；(2)溶質(zhì)在界面上溶解(通過界面的傳質(zhì))；(3)溶質(zhì)由相界面液相側(cè)擴(kuò)散至液相主體(液相內(nèi)傳質(zhì))。2023/7/2323雙膜理論

由W.K.Lewis和W.G.Whitman在上世紀(jì)二十年代提出，是最早出現(xiàn)的傳質(zhì)理論。雙膜理論的基本論點(diǎn)是：(1)相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各存在著一個(gè)很?。ǖ刃Ш穸确謩e為1和2）的流體膜層。溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過此兩膜層。(2)相界面沒有傳質(zhì)阻力，即溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。(3)在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動(dòng)劇烈，傳質(zhì)速率高，傳質(zhì)阻力可以忽略不計(jì)，相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個(gè)膜層內(nèi)。氣相主體液相主體相界面pi=ci/Hp12pi

ci

c氣膜液膜2023/7/2324雙膜理論

兩相相內(nèi)傳質(zhì)速率可用下面的形式表達(dá)為：DG、DL——溶質(zhì)組分在氣膜與液膜中的分子擴(kuò)散系數(shù)；P/pBm——?dú)庀鄶U(kuò)散漂流因子；cm/cBm——液相擴(kuò)散漂流因子；1、2——界面兩側(cè)氣液相等效膜層厚度，待定參數(shù)。雙膜理論將兩流體相際傳質(zhì)過程簡化為經(jīng)兩膜層的穩(wěn)定分子擴(kuò)散的串聯(lián)過程。對吸收過程則為溶質(zhì)通過氣膜和液膜的分子擴(kuò)散過程。2023/7/2325雙膜理論

按雙膜理論，傳質(zhì)系數(shù)與擴(kuò)散系數(shù)成正比，這與實(shí)驗(yàn)所得的關(guān)聯(lián)式地結(jié)果相差較大；由此理論所得的傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算式形式簡單，但等效膜層厚度1和2以及界面上濃度pi和ci

都難以確定；雙膜理論存在著很大的局限性，例如對具有自由相界面或高度湍動(dòng)的兩流體間的傳質(zhì)體系，相界面是不穩(wěn)定的，因此界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的等效膜層以及物質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過此兩膜層的假設(shè)都難以成立；該理論提出的雙阻力概念，即認(rèn)為傳質(zhì)阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計(jì)的概念，在傳質(zhì)過程的計(jì)算中得到了廣泛承認(rèn)，仍是傳質(zhì)過程及設(shè)備設(shè)計(jì)的依據(jù)；本書后續(xù)部分也將以該理論為討論問題的基礎(chǔ)。2023/7/23262––2––2吸收速率方程式吸收設(shè)備中進(jìn)行的傳質(zhì)過程為吸收過程，其傳質(zhì)速率即為吸收速率，所對應(yīng)的傳質(zhì)速率方程即為吸收速率方程。氣體吸收因過程的復(fù)雜性，傳質(zhì)速率(吸收速率)一般難以理論求解，但遵循現(xiàn)象方程所描述的物理量傳遞的共性規(guī)律。根據(jù)推動(dòng)力及阻力可寫出速率關(guān)系式，單獨(dú)根據(jù)氣膜或液膜的推動(dòng)力及阻力寫出的速率關(guān)系式稱為氣膜或液膜吸收速率方程式，相應(yīng)的吸收系數(shù)稱為膜系數(shù)或分系數(shù)，用k表示，與傳熱中的對流傳熱系數(shù)相當(dāng)。

2023/7/2327傳質(zhì)速率方程

——?dú)庀?氣膜)傳質(zhì)速率方程對于穩(wěn)定吸收過程，可根據(jù)雙膜理論建立相際傳質(zhì)速率方程(總傳質(zhì)速率方程)。類似于間壁式對流傳熱速率方程。由于混合物的組成可用多種方式表示，對應(yīng)于每一種表達(dá)法都有與之相應(yīng)的傳質(zhì)速率方程?！合?液膜)傳質(zhì)速率方程2023/7/2328一、氣相傳質(zhì)速率方程kg—推動(dòng)力為分壓差的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2kPa)；ky—推動(dòng)力為摩爾分率之差的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；kY—推動(dòng)力為摩爾比濃度差的氣相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；p、y、Y—溶質(zhì)A在氣相主體的分壓(kPa)、摩爾分率和摩爾比；pi、yi、Yi—溶質(zhì)A在界面氣相側(cè)的分壓(kPa)、摩爾分率和摩爾比。氣相傳質(zhì)速率方程常用的表達(dá)形式有三種2023/7/2329氣相傳質(zhì)速率方程不同形式的傳質(zhì)速率方程物理意義一樣，都代表單位時(shí)間內(nèi)通過單位界面面積傳遞的溶質(zhì)A的量；傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)推動(dòng)力的表達(dá)方式有關(guān)，其倒數(shù)表達(dá)的是氣相傳質(zhì)阻力；注意：不同單位的傳質(zhì)系數(shù)數(shù)值不同，但可根據(jù)組成表示法的相互關(guān)系進(jìn)行換算。例：當(dāng)氣相總壓不很高時(shí)，根據(jù)道爾頓分壓定律

p=Py，有對

y值較小的低濃度吸收：2023/7/2330二、液相傳質(zhì)速率方程液相傳質(zhì)速率方程常用的表達(dá)形式也有三種kc—推動(dòng)力為摩爾濃度差的液相傳質(zhì)系數(shù)，m/s；kx—推動(dòng)力為摩爾分率之差的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；kX—推動(dòng)力為摩爾比之差的液相傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(sm2)；c、x、X—溶質(zhì)A在液相主體的摩爾濃度、摩爾分率和摩爾比濃度；ci、xi、Xi—溶質(zhì)A在界面液相側(cè)的摩爾濃度、摩爾分率和摩爾比濃度。2023/7/2331液相傳質(zhì)速率方程三個(gè)液相傳質(zhì)系數(shù)的倒數(shù)也分別為傳質(zhì)推動(dòng)力以不同組成表示法表達(dá)時(shí)的液相傳質(zhì)阻力。同樣，根據(jù)各種表示法的相互關(guān)系可推得式中cm為液相的總摩爾濃度。液相濃度很低時(shí)：2023/7/2332三、相界面的濃度

在氣、液兩相內(nèi)傳質(zhì)速率的計(jì)算中，推動(dòng)力項(xiàng)中含有溶質(zhì)在相界面的濃度yi和

xi，可用計(jì)算方法或作圖法得出。計(jì)算法：對穩(wěn)定的吸收過程，氣、液兩相內(nèi)傳質(zhì)速率應(yīng)相等。若兩相濃度均以摩爾分?jǐn)?shù)表示，有當(dāng)kx和ky為定值時(shí)，在直角坐標(biāo)系中yi~xi關(guān)系是一條過定點(diǎn)（x,y）而斜率為-kx/ky的直線。根據(jù)雙膜理論，界面處yi~xi應(yīng)滿足相平衡關(guān)系：若已知相平衡關(guān)系式以及氣、液相傳質(zhì)系數(shù)ky、kx，將上兩式聯(lián)立就可求得當(dāng)氣、液相主體摩爾分率為y、x時(shí)所對應(yīng)的界面處氣、液相摩爾分率yi、xi。2023/7/2333相界面的濃度

作圖法：yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiA氣相液相相界面yixiyi=fe(xi)yxyi、xi為直線與平衡線的交點(diǎn)坐標(biāo)，直線上A點(diǎn)坐標(biāo)為與之對應(yīng)的氣、液主體流的摩爾分?jǐn)?shù)y、x。2023/7/2334四、總傳質(zhì)速率方程

傳遞過程的阻力具有加和性。若以雙膜理論為依據(jù)，則吸收過程的傳質(zhì)總阻力是氣相傳質(zhì)阻力與液相傳質(zhì)阻力之和(相界面無阻力)?？倐髻|(zhì)速率為總傳質(zhì)推動(dòng)力(y-y*)與總的傳質(zhì)阻力(1/Ky)之比。相平衡關(guān)系為直線對稀溶液，物系的相平衡關(guān)系服從亨利定律y*=mx。氣相：液相：相際：比較可得：2023/7/2335總傳質(zhì)速率方程

以氣相為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)速率方程Ky是以(y-y*)

為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位為kmol/(sm2)，其倒數(shù)為氣、液兩相傳質(zhì)總阻力?？倐髻|(zhì)系數(shù)Ky（相際傳質(zhì)系數(shù)）與相內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)kx、ky的關(guān)系式，實(shí)質(zhì)表達(dá)了總傳質(zhì)阻力1/Ky等于氣相傳質(zhì)阻力1/ky與液相傳質(zhì)阻力m/kx之和。因?yàn)榭傋枇?/Ky以氣相為基準(zhǔn)，所以液相阻力1/kx需乘以換算系數(shù)m。(yi-y*)項(xiàng)是與液相傳質(zhì)推動(dòng)力(xi-x)相對應(yīng)的，可以看作是以氣相濃度差的形式等價(jià)表示的液相傳質(zhì)推動(dòng)力。氣、液傳質(zhì)總推動(dòng)力為兩相的相內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力之和。2023/7/2336總傳質(zhì)速率方程

如將yi=mxi和y=mx*代入式，可得氣相：液相：相際：比較可得：以液相為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)速率方程Kx是以(x*-x)為推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位為kmol/(m2s)。1/Kx代表了以液相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)過程的總傳質(zhì)阻力，是以液相為基準(zhǔn)的氣、液兩相相內(nèi)傳質(zhì)阻力之和。2023/7/2337總傳質(zhì)速率方程

對易溶氣體，平衡常數(shù)m值小，平衡線很平，這時(shí)：傳質(zhì)阻力主要集中在氣相，此類傳質(zhì)過程稱為氣相阻力控制過程，或稱氣膜控制過程。采用總傳質(zhì)速率方程進(jìn)行計(jì)算可避開難以確定的相界面組成xi和yi。這與通過間壁對流傳熱問題中用總傳熱速率方程可避開固體壁面兩側(cè)溫度是相似的?？倐髻|(zhì)阻力取決于氣、液兩相的傳質(zhì)阻力。但對一些吸收過程，氣、液兩相傳質(zhì)阻力在總傳質(zhì)阻力中所占的比例相差甚遠(yuǎn)，可對問題進(jìn)行簡化處理。2023/7/2338總傳質(zhì)速率方程

對難溶氣體，平衡常數(shù)m值大，平衡線很陡，這時(shí)：傳質(zhì)阻力主要集中在液相，此類過程稱為液相阻力控制過程，或液膜控制過程。分析氣、液兩相中傳質(zhì)阻力所占的比例，對于強(qiáng)化傳質(zhì)過程，提高傳質(zhì)速率有重要的指導(dǎo)意義。例如，以氣相阻力為主的吸收操作，增加氣體流速，可減薄界面處氣膜層的厚度，從而降低氣相傳質(zhì)阻力，有效地提高吸收速率；而增加液體流速吸速率則不會(huì)有明顯改變。2023/7/2339五、吸收傳質(zhì)速率方程的幾種形式相平衡方程吸收傳質(zhì)速率方程總傳質(zhì)系數(shù)相內(nèi)或同基準(zhǔn)的傳質(zhì)系數(shù)換算相際或不同基準(zhǔn)傳質(zhì)系數(shù)換算

2023/7/2340第三節(jié)吸收塔的計(jì)算化工單元設(shè)備的計(jì)算，按給定條件、任務(wù)和要求的不同，一般可分為設(shè)計(jì)型計(jì)算和操作型（校核型）計(jì)算兩大類。設(shè)計(jì)型計(jì)算：按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件來設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求的單元設(shè)備。操作型計(jì)算：根據(jù)已知的設(shè)備參數(shù)和工藝條件來求算所能完成的任務(wù)。兩種計(jì)算所遵循的基本原理及所用關(guān)系式都相同，只是具體的計(jì)算方法和步驟有些不同而已。本章著重討論吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算，而操作型計(jì)算則通過習(xí)題加以訓(xùn)練。吸收塔的設(shè)計(jì)型計(jì)算是按給定的生產(chǎn)任務(wù)及條件（已知待分離氣體的處理量與組成，以及要達(dá)到的分離要求），設(shè)計(jì)出能完成此分離任務(wù)所需的吸收塔。2023/7/2341本節(jié)討論的重點(diǎn)是：按連續(xù)接觸原理操作的填料塔，至于板式塔則在上一章的基礎(chǔ)上結(jié)合吸收特點(diǎn)作簡單討論。填料填加在塔內(nèi)形成填料層，填料層有兩個(gè)特點(diǎn)，一是空隙體積所占比例相當(dāng)大，便于氣體在其內(nèi)部迂回曲折通過并提高湍動(dòng)程度，二是單位體積內(nèi)有很大的固體表面積。液體沿固體壁面呈膜狀流下，因而填料塔內(nèi)的氣液接觸面比空塔內(nèi)大得多。塔內(nèi)氣液流動(dòng)方式一般呈逆流，氣體自塔底通入，液體從塔頂灑下，因此溶液從塔底流出前與剛進(jìn)入塔的氣體相接觸，可使溶液的濃度盡量提高。經(jīng)吸收后的氣體從塔頂排出前與剛?cè)胨囊后w接觸，又可使出塔氣體中溶質(zhì)濃度盡量降低。

吸收塔的計(jì)算2023/7/2342吸收塔的設(shè)計(jì)中，混合氣體的處理量V、進(jìn)口濃度Y1和出口濃度Y2（或溶質(zhì)的回收率）都是作為設(shè)計(jì)條件而規(guī)定的。設(shè)計(jì)時(shí)首先是選定溶劑（吸收劑），隨著就是決定吸收劑的用量。吸收劑用量與氣體處理量之比（液、氣比）由物料衡算與平衡關(guān)系兩者結(jié)合起來決定，具體方法將于本節(jié)討論。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是算出設(shè)備的基本尺寸，對填料塔來說，就是設(shè)計(jì)塔徑與填料層高度。由混合氣體的處理量（體積流率V）與合理的氣體線速度（u）可以算出塔的截面積，由此可確定塔徑（D）。塔徑確定后，填料層高度（Z）則取決于所需填料層體積，而所需的填料層體積又取決于所需的有效氣液接觸面積，這個(gè)面積主要是通過傳質(zhì)速率來決定的。

吸收塔的計(jì)算2023/7/2343設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容與步驟計(jì)算依據(jù)：物系的相平衡關(guān)系和傳質(zhì)速率(1)吸收劑的選擇及用量的計(jì)算；(2)設(shè)備類型的選擇；(3)塔徑計(jì)算；(4)填料層高度或塔板數(shù)的計(jì)算；(5)確定塔的高度；(6)塔的流體力學(xué)計(jì)算及校核；(7)塔的附件設(shè)計(jì)。吸收塔的計(jì)算2023/7/23442––3––1吸收塔的物料衡算與操作線方程

一、物料衡算目的：計(jì)算給定吸收任務(wù)下所需的吸收劑用量L或吸收劑出口濃度X1?；旌蠚怏w通過吸收塔的過程中，可溶組分不斷被吸收，故氣體的總量沿塔高而變，液體也因其中不斷溶入可溶組分，其量也沿塔高而變。但是，通過塔的惰性氣體量和溶劑量是不變的。

2023/7/2345以逆流操作的填料塔為例：對穩(wěn)定吸收過程，單位時(shí)間內(nèi)氣相在塔內(nèi)被吸收的溶質(zhì)A的量必須等于液相吸收的量。通過對全塔A物質(zhì)量作物料衡算，可得：下標(biāo)“1”代表塔內(nèi)填料層下底截面，下標(biāo)“2”代表填料層上頂截面。V——單位時(shí)間通過塔的惰性氣體量；kmol(B)/s

；L——單位時(shí)間通過吸收塔的溶劑量；kmol(S)/s

；Y——任一截面的混合氣體中溶質(zhì)與惰性氣體的摩爾比；kmol(A)/kmol(B)

；

X——任一截面的溶液中溶質(zhì)與溶劑的摩爾比；kmol(A)/kmol(S)

。V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X2023/7/2346物料衡算若GA為吸收塔的傳質(zhì)負(fù)荷，即氣體通過填料塔時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)溶質(zhì)被吸收劑吸收的量kmol/s，則進(jìn)塔氣量V和組成Y1是吸收任務(wù)規(guī)定的，進(jìn)塔吸收劑溫度和組成X2一般由工藝條件所確定，出塔氣體組成Y2則由任務(wù)給定的吸收率求出V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X在填料塔內(nèi)，對氣體流量與液體流量一定的穩(wěn)定的吸收操作，氣、液組成沿塔高連續(xù)變化；在塔的任一截面接觸的氣、液兩相組成是相互制約的；全塔物料衡算式就代表L、V一定，塔內(nèi)具有最高氣、液濃度的截面“1”（濃端），或具有最低氣、液濃度的截面“2”（稀端）的氣、液濃度關(guān)系。2023/7/2347二、操作線方程與操作線同理，若在任一截面與塔頂端面間作溶質(zhì)A的物料衡算，有V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X上兩式均稱為吸收操作線方程，代表逆流操作時(shí)塔內(nèi)任一截面上的氣、液兩相組成Y和X之間的關(guān)系。（L/V）稱為吸收塔操作的液氣比。若取填料層任一截面與塔的塔底端面之間的填料層為物料衡算的控制體，則所得溶質(zhì)A的物料衡算式為V,Y2V,Y1L,X1L,X2V,YL,X2023/7/2348操作線方程與操作線當(dāng)L/V一定，操作線方程在Y-X圖上為以液氣比L/V為斜率，過塔進(jìn)、出口的氣、液兩相組成點(diǎn)(Y1，X1)和(Y2，X2)的直線，稱為吸收操作線。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*P線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)(Y，X)代表了塔內(nèi)該截面上氣、液兩相的組成。操作線上任一點(diǎn)P與平衡線間的垂直距離(Y-Y*)為塔內(nèi)該截面上以氣相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力；與平衡線的水平距離(X*-X)為該截面上以液相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力。兩線間垂直距離（Y-Y*）或水平距離（X*-X）的變化顯示了吸收過程推動(dòng)力沿塔高的變化規(guī)律。Y-Y*X*-X2023/7/2349操作線方程與操作線并流操作線方程V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X對氣、液兩相并流操作的吸收塔，取塔內(nèi)填料層任一截面與塔頂（濃端）構(gòu)成的控制體作物料衡算，可得并流時(shí)的操作線方程，其斜率為（-L/V）。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X2023/7/2350三、吸收塔內(nèi)流向的選擇

在Y1至Y2范圍內(nèi)，兩相逆流時(shí)沿塔高均能保持較大的傳質(zhì)推動(dòng)力，而兩相并流時(shí)從塔頂?shù)剿籽厮邆髻|(zhì)推動(dòng)力逐漸減小，進(jìn)、出塔兩截面推動(dòng)力相差較大。在氣、液兩相進(jìn)、出塔濃度相同的情況下，逆流操作的平均推動(dòng)力大于并流，從提高吸收傳質(zhì)速率出發(fā)，逆流優(yōu)于并流。這與間壁式對流傳熱的并流與逆流流向選擇分析結(jié)果是一致的。工業(yè)吸收一般多采用逆流，本章后面的討論中如無特殊說明，均為逆流吸收。與并流相比，逆流操作時(shí)上升的氣體將對借重力往下流動(dòng)的液體產(chǎn)生一曳力，阻礙液體向下流動(dòng)，因而限制了吸收塔所允許的液體流率和氣體流率，這是逆流操作不利的一面。2023/7/23512––3––2吸收劑用量的決定吸收劑用量L或液氣比L/V在吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算和塔的操作調(diào)節(jié)中是一個(gè)很重要的參數(shù)。吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算中，氣體處理量V，以及進(jìn)、出塔組成Y1、Y2由設(shè)計(jì)任務(wù)給定，吸收劑入塔組成X2則是由工藝條件決定或設(shè)計(jì)人員選定?？芍談┏鏊舛萖1與吸收劑用量L是相互制約的。由全塔物料衡算式選取的L/V，操作線斜率

，操作線與平衡線的距離

，塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力

，完成一定分離任務(wù)所需塔高；L/V，吸收劑用量

，吸收劑出塔濃度X1，循環(huán)和再生費(fèi)用

；若L/V，吸收劑出塔濃度X1

，塔內(nèi)傳質(zhì)推動(dòng)力，完成相同任務(wù)所需塔高

，設(shè)備費(fèi)用

。2023/7/2352吸收劑用量的確定

不同液氣比L/V下的操作線圖直觀反映了這一關(guān)系。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BL/VY-Y*A’X1’(L/V)’X1,max(L/V)minC最小液氣比(L/V)min要達(dá)到規(guī)定的分離要求，或完成必需的傳質(zhì)負(fù)荷量GA=V(Y1-Y2)，L/V的減小是有限的。當(dāng)L/V下降到某一值時(shí)，操作線將與平衡線相交或者相切，此時(shí)對應(yīng)的L/V稱為最小液氣比，用(L/V)min表示，而對應(yīng)的X1則用X1,max表示。2023/7/2353最小液氣比(L/V)min隨L/V的減小，操作線與平衡線是相交還是相切取決于平衡線的形狀。YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max兩線在Y1處相交時(shí)，X1,max=X1*；兩線在中間某個(gè)濃度處相切時(shí)，X1,max<X1*。最小液氣比的計(jì)算式：2023/7/2354吸收劑用量的確定

在最小液氣比下操作時(shí)，在塔的某截面上（塔底或塔內(nèi)）氣、液兩相達(dá)平衡，傳質(zhì)推動(dòng)力為零，完成規(guī)定傳質(zhì)任務(wù)所需的塔高為無窮大。對一定高度的塔而言，在最小液氣比下操作則不能達(dá)到分離要求。實(shí)際液氣比應(yīng)在大于最小液氣比的基礎(chǔ)上，兼顧設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用兩方面因素，按總費(fèi)用最低的原則來選取。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般取注意：以上由最小液氣比確定吸收劑用量是以熱力學(xué)平衡為出發(fā)點(diǎn)的。從兩相流體力學(xué)角度出發(fā)，還必須使填料表面能被液體充分潤濕以保證兩相均勻分散并有足夠的傳質(zhì)面積，因此所取吸收劑用量L值還應(yīng)不小于所選填料的最低潤濕率，即單位塔截面上、單位時(shí)間內(nèi)的液體流量不得小于某一最低允許值。2023/7/23552––3––3塔徑的計(jì)算

VS=πD2u/4D=（4VS/πu）1/2VS––––操作條件下混合氣體的體積流量，m3/s；u––––空塔氣速，m/s；計(jì)算時(shí)以塔底氣量為依據(jù)，因塔底氣量大于塔頂。2023/7/23562––3––4填料層高度的計(jì)算

一、填料層高度的基本計(jì)算式計(jì)算填料層高度，應(yīng)根據(jù)混合氣體中溶質(zhì)的高低而采用不同的方法。在工業(yè)生產(chǎn)中有很多吸收操作是從混合氣體中把少量可溶組分洗滌下來，屬于低濃度氣體的吸收。本節(jié)重點(diǎn)討論低濃度吸收中填料層高度的計(jì)算。填料層高度的計(jì)算仍然離不開物料衡算，另外還與傳質(zhì)速率方程和相平衡關(guān)系有關(guān)。因?yàn)樘盍蠈痈叨葄取決于填料層體積與塔截面積（填料層體積/塔截面積），而填料層體積又取決于完成規(guī)定任務(wù)所需的總傳質(zhì)面積和每立方米填料所提供的氣液有效接觸面積（填料體積=總傳質(zhì)面積/有效接觸面積/每米3填料），而總傳質(zhì)面積=塔吸收負(fù)荷（kmol/s）/傳質(zhì)速率（kmol/m2·s）。塔的吸收負(fù)荷依據(jù)物料衡算關(guān)系，傳質(zhì)速率依據(jù)吸收速率方程，而吸收速率中的推動(dòng)力總是實(shí)際濃度與某種平衡濃度之差額，因此須知相平衡關(guān)系。下面具體來分析填料層高度之計(jì)算方法。2023/7/2357此傳質(zhì)量也就是在dZ段內(nèi)溶質(zhì)A由氣相轉(zhuǎn)入液相的量。因此若dZ微元段內(nèi)傳質(zhì)速率為NA，填料提供的傳質(zhì)面積為dF=adZ，則通過傳質(zhì)面積dF溶質(zhì)A的傳遞量為對填料層中高度為dZ的微分段作物料衡算可得溶質(zhì)A在單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的量dGA

填料層高度的基本計(jì)算式

填料塔內(nèi)氣、液組成Y、X和傳質(zhì)推動(dòng)力Y（或X）均隨塔高變化，故塔內(nèi)各截面上的吸收速率也不相同。V,Y2V,Y1L,X1L,X2YXZY+dYdZX+dX2023/7/2358將以比摩爾分?jǐn)?shù)表示的總的傳質(zhì)速率方程代入，則有對上兩式沿塔高積分得在上述推導(dǎo)中，用相內(nèi)傳質(zhì)速率方程替代總的傳質(zhì)速率方程可得形式完全相同的填料層高度Z的計(jì)算式。若采用NA=kY(Y-Yi)和NA=kX(Xi

-X)可得：用其它組成表示法的傳質(zhì)速率方程，可推得以相應(yīng)相組成表示的填料層高度Z的計(jì)算式。填料層高度的基本計(jì)算式

2023/7/2359低濃度氣體吸收填料層高度的計(jì)算

特點(diǎn)：低濃度氣體吸收（y1<10%）因吸收量小，由此引起的塔內(nèi)溫度和流動(dòng)狀況的改變相應(yīng)也小，吸收過程可視為等溫過程，傳質(zhì)系數(shù)kY、kX、KY、KX沿塔高變化小，可取塔頂和塔底條件下的平均值。填料層高度Z的計(jì)算式：對高濃度氣體，若在塔內(nèi)吸收的量并不大（如高濃度難溶氣體吸收），吸收過程具有低濃度氣體吸收的特點(diǎn)，也可按低濃度吸收處理。體積傳質(zhì)系數(shù)：實(shí)際應(yīng)用中，常將傳質(zhì)系數(shù)與比表面積a的乘積（Kya及KXa）作為一個(gè)完整的物理量看待，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)或體積吸收系數(shù)，單位為3)。體積傳質(zhì)系數(shù)的物理意義：傳質(zhì)推動(dòng)力為一個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間，單位體積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)摩爾量。2023/7/2360二、傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度對氣相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力：HOG——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度，m；NOG——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元數(shù)，無因次。HOL

——液相總傳質(zhì)單元高度，m；NOL——液相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。若令對液相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力：若令2023/7/2361傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度

定義傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)來表達(dá)填料層高度Z，從計(jì)算角度而言，并無簡便之利，但卻有利于對Z的計(jì)算式進(jìn)行分析和理解。下面以NOG和HOG為例給予說明。NOG中的dY表示氣體通過一微分填料段的氣相濃度變化，(Y-Y*）為該微分段的相際傳質(zhì)推動(dòng)力。如果用(Y-Y*)m表示在某一高度填料層內(nèi)的傳質(zhì)平均推動(dòng)力，且氣體通過該段填料層的濃度變化(Ya-Yb)恰好等于(Y-Y*)m，即有由Z=HOGNOG可知，這段填料層的高度就等于一個(gè)氣相總傳質(zhì)單元高度HOG。因此，可將NOG看作所需填料層高度Z相當(dāng)于多少個(gè)傳質(zhì)單元高度HOG。2023/7/2362傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度

傳質(zhì)單元數(shù)NOG或NOL反映吸收過程的難易程度，其大小取決于分離任務(wù)和整個(gè)填料層平均推動(dòng)力大小兩個(gè)方面。NOG與氣相或液相進(jìn)、出塔的濃度，液氣比以及物系的平衡關(guān)系有關(guān)，而與設(shè)備形式和設(shè)備中氣、液兩相的流動(dòng)狀況等因素?zé)o關(guān)。在設(shè)備選型前可先計(jì)算出過程所需的NOG或NOL。NOG或NOL值大，分離任務(wù)艱巨，為避免塔過高應(yīng)選用傳質(zhì)性能優(yōu)良的填料。若NOG或NOL值過大，就應(yīng)重新考慮所選溶劑或液氣比L/V是否合理。2023/7/2363傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度

總傳