分離工程吸收分離工程第七節(jié)復雜精餾塔的計算華東理工大學化工學院分離工程教學組2007年11月分離工程吸收分離工程第七節(jié)復雜精餾塔的計算華東理工1吸收分離工程分離工程第三章吸收吸收分離工程分離工程第三章吸收2吸收分離工程目錄3．1

吸收過程概述1.吸收操作的應用及工藝流程2.吸收操作的分類3.吸收過程的特點及微分接觸理論3．3

氣液相平衡3．3．1．物理溶解時的相平衡3．3．2．伴有化學反應的吸收相平衡3．3．3．相平衡曲線及其比較吸收分離工程目錄3．1吸收過程概述1.吸收操作的應用及3吸收分離工程3．4．傳質理論3．5．傳質速率與傳質系數(shù) 3．5．1．物理吸收傳質速率

3．5．2．化學吸收傳質速率與增強因子 3．5．3．傳質系數(shù)關聯(lián)式3．6．化學吸收與增強因子 1．化學吸收的分類及其判別2．化學吸收中液相傳質速率的研究步驟3．化學吸收增強因子的求取4.化學吸收與物理吸收的比較吸收分離工程3．4．傳質理論3．5．傳質速率與傳質系數(shù) 3．4吸收分離工程3.7吸收過程的設計（A）工藝的確定1.氣量、吸收率（凈化度）吸收量2.最小液體流率，吸收流程的確定（B）工程計算 1.塔徑的計算 2.塔高的計算1.低濃度氣體吸收時的填料高度2.高濃度氣體吸收時的填料高度3.化學吸收時的填料高度的計算4.多組分逆流吸收的填料高度—吸收因子法5.吸收過程的模擬計算吸收分離工程3.7吸收過程的設計1.氣量、吸收率（凈化度5吸收分離工程3．1．吸收過程概述1.吸收過程的應用及典型工藝流程化工生產(chǎn)中吸收過程的應用：1）獲得液相產(chǎn)品2）氣體混合物的分離3）氣體的凈化 ①原料氣的凈化 ②尾氣的凈化4）回收有價值的組分吸收分離工程3．1．吸收過程概述1.吸收過程的應用及典型工6分離工程吸收典型工藝流程（1）吸收劑無需再生的流程使用對象：主要用于制備液相產(chǎn)品。流程特點：吸收劑不再生，循環(huán)操作。應用實例：SO3+H2O（H2SO4）HCHO+H2O

H2SO4（濃硫酸）福爾馬林（NH4）2CO3+CO2+H2O2NH4HCO3原料CA溶劑分離工程吸收使用對象：主要用于制備液相產(chǎn)品。SO3+H2O（7進

吸收（2）吸收再生流程

使用對象：氣體的凈化或回收； 流程特點：至少有兩個塔（吸收塔和再生塔）。再生氣Ⅰ再生氣Ⅱ凈化氣再生氣Ⅲ①減壓冷再生流程原理：通過改變P，改變相平衡，使溶質解吸。實例：以碳酸丙烯酯為溶劑，脫除合成氨氣原料氣中CO2的過程。工藝對氣體凈化度要求是過程經(jīng)濟性的關鍵

分離工程①減壓冷再生②氣提冷再生③間接蒸汽熱再生進 吸收再生氣Ⅰ再生氣Ⅱ凈化氣再生氣Ⅲ①減壓冷再生流程使溶8吸收分離工程②氣提冷再生流程原理：用惰性氣體降低溶質在氣相的分壓促使解吸；適用：溶質不必回收的場合或稀釋溶質在氣相的含量。問題：二次污染，資源的再利用。凈化氣氣體蒸汽廢氣惰性氣體泡沫吸收分離工程②氣提冷再生流程原理：用惰性氣體降低溶質在氣相9吸收分離工程③間接蒸汽熱再生流程原理：利用間接蒸汽升高溫度，改變液面上活性組分的平衡分壓，加速解吸速率；實例：化學吸收（可逆反應）熱鉀堿法吸收CO2；檸檬酸鈉法吸收SO2。過程能耗是考核的關鍵指標。采用化學再生，轉化為其他產(chǎn)品，或與其他工業(yè)過程有機結合是降低能耗的有效方法之一。吸收分離工程③間接蒸汽熱再生流程原理：利用間接蒸汽升高溫度10★物理吸收的特點：吸收

2．吸收操作的分類

物理吸收（水、甲醇-CO2） 依據(jù)吸收的機理可分成化學吸收（K2CO3-CO2）

物理化學吸收（甲醇-有機胺）

極限：溶解平衡=f(T,P)

達到平衡的速率：NA=f(ΔC,KG)

過程是可逆的，且熱效應較小?！锘瘜W吸收的特點： 極限：相平衡=f(T,P,反應組分B)

達到平衡的速率：NA=f(ΔC,KG,Kr)

由于有化學反應，過程熱效應較大，必須熱再生。★物理化學吸收的特點

分離工程★物理吸收的特點：吸收 極限：溶解平衡=f(T,P)11氣相(g)???→液相(l)吸收

3.吸收過程的特點及微分接觸理論

吸收與精餾操作的相同點：

☆平衡分離過程

☆熱、質同傳過程，由MESH方程求解 吸收與精餾的不同點： 吸收過程精餾過程進T(G)>TC汽相(V)冷凝進入汽化進入液相（L）T(V)<TC

分離工程氣相(g)???→液相(l)吸收精餾過程進T(12吸收分離工程吸收操作的特點：?溶解平衡過程，相際傳質速率和傳質面積等成為重要的影響因素；?傳質過程同時受到平衡和擴散的控 制，化學吸收過程反應與分離耦合；?氣體熱容小，液體熱容大，溶質濃度 較低，且存在溶劑汽化冷凝，過程的 溫度變化較??；?吸收操作多采用連續(xù)逆流接觸式設備（如填料塔）；?研究的理論和方法不同─微分理論。吸收分離工程吸收操作的特點：?溶解平衡過程，相際傳質速率13∫∫=∫∫分離工程=(Kya)(y?ye)dh吸收

?d(Gy)=d(Lx)=NASdh

=(Kxa)(xe?x)SdhSG,y1L,x1dhL,x2G,y2yy+dy∫

x2x1

h0

d(Lx)KxaS(xe?x)dh=H=∫

y1y2

h0

d(Gy)KyaS(y?ye)dh=H=

x2dx

x1xe?x dyy?ye

L KxaS Ly1KyaSy2H=HOLNOL=HOGNOG=∫∫=∫∫分離工程=(Kya)(y?ye)d14分離工程吸收

3.3吸收相平衡相平衡時ffiiTG=TL,PG=PL

?G=?L(i=1,c)亨利定理變形：或者3.3.1.物理溶解時相平衡1）低濃度理想溶液

Pi=Hixi（Hi為亨利系數(shù)）Pi=PyiHi

Pxi?yi=mixiyi=Hi

Pmi=

HiCMCi?Pi=Hi′CiPi=

HiCMHi′=分離工程吸收相平衡時ffi15分離工程吸收

關于H系數(shù)的幾點說明：一般情況3）化學平衡時，2）低濃度的易溶氣體;難溶氣體；1)4、Hi與溶液的組成、5、Hi的適用范圍：AiAi越?。籭越大，C2、pi一定，HP<0.1MPa。??－稀溶液。↓;3、T↑，H↑，但C未反應的溶質總壓無關；溶質性質）1、Hi=f(T、溶劑性質、分離工程吸收一般情況3）化學平衡時，2）低濃度的易溶氣體16分離工程兩組分溶解的氣液平衡關系可用下列方程：吸收

2）高濃度非理想溶液 當氣液平衡時，

f?iG=Pyi??iG

f?iL=fi0Lxiγi=Hixiγi*yixiHiγi*P??iG=mi=ln

ARTfiLxi(1?x02)=lnHi?分離工程兩組分溶解的氣液平衡關系可用下列方程：吸收yiHi17aA(l)+bB(l)←?→mM+nNaMaNMNγMγNCCKa==?abaAaBABγAγBCC??CA=CA+CMam分離工程化學平衡：K′

nmnmbabCMmCNn

CAaCBbKaKr=K′=溶解平衡：PA=H′ACA物料衡算式：

??CA0=CA+CM

?0(a=m)(a≠m)PX1吸收3.3.2.伴有化學反應時的相平衡

A(g)

↓↑H′A(1)(2)(3)aA(l)+bB(l)←?→mM18CMmCNn1aK′CB)分別幾種情況討論：

分離工程bPA=H′ACA=H′A(吸收

平衡組成由化學平衡和溶解平衡共同確定 （即Ci同時滿足化學平衡和溶解平衡） 由化學平衡式（1、2、3式）求得Ci，帶入Pi=H’Ci， 求得相平衡時PA=f(ci)的關系式：CMmCNn1aK′CB)分別幾種情況討論：b19溶液中A的初始濃度：CA(l)+B(l)←?→M(l)CACBC=1+K′CB分離工程化學平衡：溶解平衡：（3-26）當由此可見：物理吸收：吸收

①產(chǎn)物不離解（NH3—H2O系統(tǒng)）A(g)

↓↑H′AK′

0

ACA0=CA*+CM*CM* **CA0?CA*

CA*CB*=K′=*A

CA01+K′CB*)*CA0=H′A(H′AC*APA=CB>>CA時，CB*≈CB0PA=H′ACA*

H′ACA01+K′CB0化學吸收：PA=溶液中A的初始濃度：CA(l)+B(l20A(l)+B(l)←?→M(l)←?→K離解平衡常數(shù)：K1=化學平衡常數(shù):物料衡算:溶液中A的起始濃度（3-30）++A?吸收

②產(chǎn)物離解（Cl2-H2O，CO2-H2O，SO2-H2O系統(tǒng)）

A(g)

↓↑H′A

K′K1

CK+CA?

CM忽略溶液中水的離解:

CK+=CA?CA?=K1CM

CMCBCAK′=CM=K′CACBCA0=CA+CM+C′A?C0A=CA+K′CACB+K1K′CACB

分離工程A(l)+B(l)←?→M(21分離工程吸收

上式整理成CA的一元二次方程，并求解可得：（3-31）式中（3-32）溶解平衡：(2C0A+Ka)?Ka(4C0A+Ka) 2(1+K′CB)C*A=K′K1CB1+K′CBKa=[(2C0A+Ka)?Ka(4C0A+Ka)]

H′A2(1+K′CB)PA=H′AC*A=分離工程吸收（3-31）式中（3-32）溶解平衡：(2C022?CB=CB(1?R)CM*=CB0RA(ag)+B(ag)←?→M(ag)CACBCACB(1?R)分離工程吸收

被吸收組分與溶劑中的活性組分的作用

A(g)↓↑H′AKa′(1)相平衡：(2)設B組分的平衡轉化率為R，有：

?CA*=CA0?CM*

?

*0

? ?化學平衡：*0KCB0RCM* **

RCA*(1?R)==′=PA=H′ACA*?CB=CB(1?R)CM*23C=C=CR=C分離工程令根據(jù)吸收組分在相平衡時的溶解能力為：當物理溶解量可以忽略不計時，*吸收

由（1）式得CA，代入（2）得：

H′ARK′(1?R)PA=AApR=?=

K′H′Aα=

αpA1+αp

Rα(1?R)C0A+CB0R

PAH′A=

αPA1+αPA

0B0B*M0A(3?36)(3?37)C=C=CR=C分離工程令根據(jù)吸收組分在相24相平衡曲線物理吸收：化學吸收：*ApA=H′AC

αp*A1+αp*ACA0=CM*=CB0說明：p*A→∞,CA0→CB0，而不能超過CB0。CB0—代表溶劑B對溶質A的最大吸收能力；p

*A—代表吸收時氣體所能達到的極限凈化度。

分離工程物理吸收化學吸收pCO2pACCCO2CB0吸收

3.3.3.相平衡曲線及其比較相平衡曲線物理吸收：化學吸收：*pA=H′AC25④當pA>pAC分離工程，物理吸收優(yōu)于化學吸收。⑤溶質濃度過高會降低氣體在溶液中的溶解度常數(shù)(H’↑），降 低凈化度吸收

物理吸收與化學吸收的比較

*0

（適宜高壓或高濃度氣體的脫除）

*00

凈化度的吸收過程；

**

mimi0ln=biI?b'Ci④當pA>pAC分離工程，物理吸收優(yōu)于化學吸收。⑤26吸收

3．4．傳質理論

吸收過程，溶質A由氣相傳到液相。傳質理論(較成熟)

雙膜論Whitaman,1923

滲透論Higbie,1935表面更新論Danckwerts,1951

分離工程界面液相氣相NA傳質主體(氣,液相)界面分子擴散對流湍流混合界面湍動界面阻力吸收傳質理論(較成熟) 雙膜論 滲透論表面更新論界面液相氣相27分離工程xixAyi液相主體δlδgyA氣相主體界面吸收

1．雙膜論 特點：是穩(wěn)態(tài)的物理模型，模型直觀，用起來方便。

要點：①流動方式：界面兩側有滯流傳質膜 滯流傳質膜≠滯流邊界層②傳遞方式：膜內(nèi)呈分子擴散傳遞，主體濃度均一，傳質阻力集中在界面兩側的雙膜內(nèi)；模型參數(shù)是膜的厚度δl。y③界面無阻力，i=Kixi。分離工程xixAyi液相主體δlδgyA氣相主體界面吸收①28?(CAi?CAL)DCMδlCBMNA=吸收

由單向擴散速率積分式可得：討論：1.穩(wěn)定的邊界滯流傳質膜？

2.傳質過程是穩(wěn)態(tài)的？

3.界面無阻力？

4.K∝D（大量實測到的K∝D0.5） 雙膜論的弱點：沒有反應出K與D的0.5次方的關系。

分離工程?(CAi?CAL)DCMNA=吸收討論29吸收2．滲透論要點：①傳質方式：膜內(nèi)是非穩(wěn)態(tài)的傳質；由非定態(tài)分子擴散可求得：此結論與實驗相符合，但te無法測定，且表面還是固定膜。

分離工程)ALAiA(CN?C=2

DπteNA=constNA↓t→tNA→maxt=0t→∞dC/dδL=constdC/dδL↓②傳質模型：隨著旋渦的產(chǎn)生，溶質有時在主體，有時在 界面；微元在界面停留時間te是相同的；③界面無阻力，yi=Kixi；界面tte微團CA0（主 體）吸收由非定態(tài)分子擴散可求得：此結論與實驗相符合，但te無法30微團吸收

3．表面更新論

要點：傳質是非穩(wěn)態(tài)的； ①界面上的每一微元具有不同的暴露時間，被另一微元置換的

機會均等；②微元被旋渦攜帶的過程在 氣、液相均會發(fā)生，表面

不斷更新。③微元在界面的停留時間符合壽命分布的規(guī)律；S=f(界面湍動參數(shù)）?(t)=Se?st

NA=DS(CAi?CAL)缺點：表面更新率S無法確定，但該理論最完善。

分離工程界面CA0液相氣相微團吸收 機會均等； 不斷更新。S=f(界面湍動31分離工程可以寫出傳質速率的多種形式（見表3-5）。=kg(pA?pAi)=KG(pA?pAe)

NA=kx(xi?x)=Kx(xe?x)′

=kl(CAi?CAl)=KL(CAe?CAl)根據(jù)相平衡方程式

y=mx+a或PA=HACA+bCAl

yixiPaiCi液相主體

xAδlδgyAPA氣相主體界面吸收

3.5傳質速率與傳質系數(shù)

3.5.1．物理吸收傳質速率由雙膜論知，A由氣相到液相的傳質速率可表示為：

NA=ky(y?yi)=Ky(y?ye)分離工程可以寫出傳質速率的多種形式（見表3-5）。=kg32②由于pAe是隨由此可得：CAl的增加而增加，∴pAe<pAi

pA?pAe>pA?pAiCAe?CAl>CAi?CAe∴KG<kg∴KL<kl由傳質總系數(shù)與傳質分系數(shù)的關系式可知：H′A

kl+=

1kg

1KG+=

1kgH′A

1kl

1KLKL=H′AKG

分離工程吸收

NA=kg(pA?pAi)=KG(pA?pAe)

NA=kl(CAi?CAl)=KL(CAe?CAl)

①當A從氣相進入液相時，CAi>

CAl;②由于pAe是隨CAl的增加而增加，∴pAe33吸收

當H′A很大，即A是難溶氣體∴屬液膜控制>>>>KL≈kl

klH'AKG≈

1H'Akg

1kL

1kgH′A

kl當H′A很小，即A是易溶氣體時，∴屬氣膜控制>>>>KG≈kg

1kl

1HA'kgH′A

kl

1kg

KL≈HA'kg結論：HA'很小（易溶氣體）

HA'很大（難溶氣體）

分離工程氣膜控制的條件是：KG≈kgkg<<kl液膜控制的條件是：KL≈klkg>>kl吸收∴屬液膜控制>>>>KL≈kl klKG34?x=δ,CA=CAL分離工程即:)dCA

dxNA=?DAL(?x=0,CA=CAi?在圖中CA為DE直線，斜率為濃度梯度。☆有化學反應時A在膜中邊擴散邊反應，CA為曲線DE。在D處(x=0)，擴散速率為：dCA

dxdCA

dx)DD′NA=?DAL(吸收

3.5.2化學吸收的傳質速率與增強因子☆物理吸收

A在液膜中的溶解速率服從費克定律，?x=δ,CA=CAL分離工程即:)dCANA35∴A在膜內(nèi)的反應量=?DAL?()EE′?分離工程吸收

A的擴散量=膜內(nèi)擴散量+膜內(nèi)反應量 在x=δ處，A向液相主體擴散速率為：dCA

dx)EE′NA=?DAL(??dCA

dx?dCA?dx)DD′?(當界面處D相同，LC相同，則 DD’線斜率—對應化學吸收的速率 DE線斜率—對應物理吸收的速率定義增強因子ββ＞1DD′斜率

DE斜率β=∴A在膜內(nèi)的反應量=?DAL?()EE′?分離36吸收

將化學吸收速率看作物理吸收速率的β倍。則有：

NA=kg(PAg?PAi)=βkl(CAi?CAl)

=KG(PAg?PAe)=KL(CAe?CAl)

H′βkl+=

1kg

1KG+=

1kgH′

1KL

1βkl問：１、β對傳質總系數(shù)的影響如何？ ２、化學反應的存在，是否只對液膜傳質有影響， 而對氣膜傳質無影響？

分離工程吸收 H′+= 1 1+= 1 1 1問：１、β對傳質總系37Vlρlnμlh=HOGNOG=HOLNOL=HLNLh=HGNG

GkyaHG=

LkxaHL=

GKyaHOG=

LKxaHOL=液膜傳質系數(shù)關聯(lián)式（Norman）:)()0.5±20%kla Dl

μlρlDl=β(適用于公稱尺寸10-50mm的拉西環(huán)和公稱尺寸13-38mm的鞍型填料。金屬拉西環(huán)填料

分離工程吸收

3.5.3．傳質系數(shù)關聯(lián)式Vlρlnμlh=HOGNOG38吸收

氣膜傳質系數(shù)關聯(lián)式（Charpentier）:適用于公稱尺寸大于15cm的填料。()()?0.5±30%?0.3?1.7=5.3(ad)kgp G

μgρgDgGd

μg

恩田等（3-92～95）的傳質系數(shù)與傳質單元高度關聯(lián)式。 當工業(yè)設備的填料尺寸與文獻值一致，計算可以有一定的精度，否則就有教大的誤差。 對于化學吸收的傳質系數(shù)值，則以物理吸收為基礎，全力求出β值。 可以從商家或計算軟件中獲得常見體系的傳質單元高度，再求取特定體系的傳質單元數(shù)。

分離工程金屬孔板波紋填料吸收適用于公稱尺寸大于15cm的填料。()()?0.5±39吸收分離工程3.6化學吸收與增強因子1．化學吸收的特點、分類及其判別2．化學吸收中液相傳質速率的研究步驟（1）研究思路

（2）擴散—反應微分方程 （3）物理吸收速率 （4）化學吸收速率3．化學吸收增強因子的求取吸收分離工程3.6化學吸收與增強因子1．化學吸收的特點40分離工程NA=kg(pA?pAi)=βkl(CAi?CAl)=RA吸收

化學吸收的特點

★傳質和反應耦合

★反應發(fā)生在液相，化學反應僅改變液膜傳質阻力！ 傳質速率：Dlk*l

kl2===δlk*l

klδlk*lCAi

klCAi

液膜中最大反應量通過液膜的最大傳遞量M=

化學吸收速率化學吸收無因次準數(shù)M（反應類型判斷的依據(jù)）：分離工程NA=kg(pA?pAi)=41

化學吸收速率純物理吸收速率≈102(或更大)

吸收

引入化學反應對傳質過程產(chǎn)生的影響 （與物理吸收的差異）1．加大了推動力—改變了系統(tǒng)的相平衡，可提高脫除氣的凈化度。

CAl↓，CA*↑；PA*↓2．在低壓、低濃度條件下提高了溶劑的吸收容量，可降低吸收劑的用 量。3.

降低了液相傳質阻力，提高了傳質速率。

kl,化>>kl,物塑料階梯環(huán)

分離工程 化學吸收速率≈102(或更大) 吸收塑料階梯環(huán)42VkCA<<Q(CA?CA0)k1*τ<<1?CA0CA=分離工程1．化學反應可忽略的物理吸收過程 液相中的總反應量<<擴散傳遞量令：當

*1VτQ1CA0=0k1*τ<<1CALCAipAipA界面吸收3.6.1．化學吸收的分類與判別VkCA<<Q(CA?CA0)k1*τ43Dlk1*δlk1*δlk1*CAi吸收

2．液流主體中進行慢反應的吸收過程*CAlCAi<<1?δlk1*

kl液膜中反應的量＜＜通過液膜擴散的量

δlk1CAi<<kl(CAi?CAl)CAlCAi

Dlk1*

kl2<<1?kl

kl2M==

液膜中最大的化學反應量通過液面最大的擴散傳質量=?klCAiM=當M<<1，M<0.2時，

NA=f(膜內(nèi)擴散+主體反應)

分離工程CBlCALCAipAiPA界面Dlk1*δlk1*δlk1*CA44kl吸收

3．在液膜中進行快反應的吸收過程

液膜中可能的最大反應量〉〉通過液膜擴散傳遞的量>>1Dlk1* 2M=

M>9?10

M>3NA=f(膜內(nèi)擴散+膜內(nèi)反應)PACBlCAL=0CAipAi反應在膜內(nèi)完成，屬邊擴散邊反應

分離工程kl吸收>>1Dlk1*M= M>9?10PA45kl吸收

4．中速反應液膜中反應量≈膜內(nèi)擴散量≈1Dlk1* 2M=NA=f(膜內(nèi)反應+膜內(nèi)擴散+主體反應)界面PACBlCAipAi

CAL改性鮑爾環(huán)

分離工程kl吸收液膜中反應量≈膜內(nèi)擴散量≈1Dlk1*M=N46kl分離工程吸收

5．瞬間反應則在膜內(nèi)達到平衡?！轉lk1* 2M=δδLPACBl

反 界應 面面 pAiCAi

A+B→Q①若是不可逆反應， 反應在膜內(nèi)某個面瞬時完成；②若是可逆反應，kl分離工程吸收則在膜內(nèi)達到平衡。→∞Dlk1*M=δ47從擴散反應方程??→膜內(nèi)CA=f(x)??→??→NA'=?DAL??→NA=βkl(CAi?CAl)分離工程吸收

化學吸收中液相傳質速率的研究步驟 （1）研究思路

1)建立液相微元的擴散-反應微分方程； 2)求得液相傳質速率式； 3)根椐所獲得的數(shù)學模型，求取模型參數(shù)β。 方法：dCA

dxdCA

dxx=0x=0理得求求從擴散反應方程??→膜內(nèi)CA=f(x)??48NA==?DAL(?xMx+dx=Mx+=?DAL(?x分離工程Mx+dx：)x=0dCA

dx其中：擴散量服從費克定律：NA=?DAL(Mx：Mx

?CA

)

Fdtx=0FdtMx)x=0?CA

?x=?DAL()Fdtdx?2CA

2

dx)Fdt?DAL(?Mx

?x

?CA

?x吸收

（2）擴散—反應方程

在dt時間內(nèi)，對微元體Fdx作物料衡算： 擴散進入量-擴散流出量-反應量=積累量

Mx?Mx+dx?MR=MaNA==?DAL(?xMx+dx49Ma=(dx吸收MR：Ma：代入MR=rFdxdt（定態(tài)）（非定態(tài)）)FdxdtMa=0

?CA

?t整理得擴散-反應微分方程：D定態(tài)傳質過程AL?CA

?t?r=?2CA

?x2=0?C

?tDAL=rd2CA

2

有了擴散反應方程，則在不同的邊界條件，不同的傳質機理，不同的反應特征下求解，得到CA=f(x)。

分離工程Mx?Mx+dx?MR=MaMa=(dx吸收MR：Ma：代入MR=rFdxd50NA=?DAL=(CAi?CAl)吸收分離工程求：代入速率方程，得：=0d2CA

dx2DAL（3）物理吸收時r=0

CA=ax+b解微分方程得代入邊界條件：x=0,CA=CAi

x=δl,CA=CAlxCAl?CAi

δl得CA=CAi+dCA

dxCAl?CAi

δl=x=0

dCADAL

dxx=0δl=kl(CAi?CAl)=kg(pA?pAi)=KL(CA*?CAl)=KG(pA?p*A)多面空心球填料CALCAipAipA界面NA=?DAL=(CAi?CAl)吸51=rdx從擴散反應方程??→膜內(nèi)CA=f(x)??→??→NA'=?DAL??→NA=βkl(CAi?CAl)吸收分離工程（4）化學吸收時由雙膜論)x=0dCA

dxN′A=?DAL(x=0dCA

dx

化學吸收速率：N′A=βkl(CAi?CAl)∴尋求化學吸收速率的問題轉化為求解β的問題。思路：dCA

dxx=0dCA

dxx=0理得尋求求從擴散反應方程出發(fā)DAL

尋求化學吸收的CA=f(x)d2CA

2，進一步求=rdx從擴散反應方程??→膜內(nèi)CA=f(52x=0,CA=CAi,組分A向主體擴散的量=A在主體中反應的量***

k1*DAL=

d2CA

dx2=0

r=k1CA(r=k2CACB≈k1CA)邊界條件

dCB

dx x=δL,CA=CAl,dCA

dx=k1*CA(V?δL)?DALx=δL0CA

δL分離工程CB

界面

PCAiAi吸收

3.6.2．一級不可逆反應β的求取

一、用雙膜論處理一級（擬一級）不可逆反應

A(g)+νB(l)→Q(l)CA(3?133)

P

A(3?137)x=0,CA=CAi,組分A向主體擴散的量53吸收

1．將擴散-反應方程、邊界條件無因次化得:CA=CA/CAi令：x=x/δL=MCAd2CA

dx2x=1dCA

dx?DAL=δL2k1*CA(αL?1))DALk1*

kL2δLk1*

kLδL2k1*

DAL==（M=)

VδL（αL=代入邊界條件：MxMx+C2e?解微分方程，得：CA=C1ex=0,即x=0,CA=CAi,即CA=1x=1,即x=δL,得CA=f(x)的表達式：CA=chM(1?x)+M(αL?1)shM(1?x)

chM+M(αL?1)shM=?x=1dCA

dxk1*CA(αL?1)=MCA(αL?1)（3-139）

δL2DALCA

k1*DALd2CA

dx2=(3?135)(3?141)

分離工程吸收得:CA=CA/CAi令：x=x54)∴β=?dxDALk1*1/2αL=LkL分離工程吸收

2．求單位面積組分A的吸收速率NA(kmol/m2s)得：（3-144）dCA

dxdCA

dxdCA

dx?kLCAi=??=?DALNA=?DALx=0x=0x=0CAi

δL與CAL=0物理吸收速率相比較，則:NA=

kLCAix=0dCA將式（3-141）A對Cx求導，并代入x

=0的邊界條件，=x=0dCA

dxM[M(αL?1)+thM] (αL?1)MthM+1β=?∴β=f(M,αL)2M=(

V

δL∴NA=βkLCAi)∴β=?dxDALk1*1/2αL55M0.010.10.20.512345thM.0099996.0997.1974.4621.7616.9640.9951.9993.99991MthM1.01.00331.01331.08201.31302.07463.01484.00285.00045吸收分離工程1）瞬間反應：2）快反應：3）中速反應：4）慢反應：反應膜<<擴散膜M→∞CAL=0M>3M>>1,M>10或CAL≈00.3<M<3M→1M<0.3CAL→0M<<1,M<0.2或二、各類一級不可逆反應β的求取=x=0dCA

dxM[M(αL?1)+thM] (αL?1)MthM+1β=?M0.010.10.20.512345thM.056吸收M>3thM→1AiALAiADN=k1*?C=βkLC0.3<M<3β=f(αL,M)當αL>>1（在10?104），CAL=0

MthMβ=kLCAithM MNA=βkLCAi=1．快反應2．中速反應δ

r>δLMδr<δLM>10或

∴β=3．慢反應：M<0.3thM→M

M<0.2

αLMαLM?M+1δr>>δL

β=NA=βkLCAi

分離工程吸收M>3thM→1AiALAiADN=k57δLVLδLk1*VLk1*CAi吸收顯示了液相反應速率與液膜傳質速率的相對大小?！唷嗳缥账俾蕦⒂梢合嘀黧w的緩慢化學反應所決定。

分離工程◆如果αL很大，則仍可使CAL→0或很小。kLCAikL?=?DALk1*

kL2VLδL）=（?）αL?M=（β→1AiA=βkLCNβ=0.976αLM=40,如αL=4000,即使M=0.01,◆如果αL也很小，此時屬極慢反應，由反應工程研究。β<1NA=βkLCAiβ<1M=0.01αLM=0.1,αL=10,

αLMαLM?M+1慢反應又可分成兩種情況：β=液相化學反應速率液膜物理傳質速率＝(CAl>0)δLVLδLk1*VLk1*C58一級中速反應：一級慢反應：k1*↑,（活性劑，T↑）CBL↑,（∵k1*=k1CBL)k1*↑,VL↑，kg↑,kl↑都是有利的；T↑，改善化學反應條件VL↑，提高積液量采用鼓泡塔才是有效的。

分離工程AiALAiAD一級快反應：N=k1*?C=βkLCAiAiAkLCthM MN==βkLC

αLMαLM?M+1β=AiLACN=βk吸收

討論：（如何強化傳質過程？）一級中速反應：一級慢反應：k1*↑,（活性劑，T59αLMαLM分離工程吸收

考察不同的M取值對β的影響：（P.137,圖3-16）M>10β=M0.3<M<3β=f(M,αL)M<0.2β=

αLM?M+1β→1M<0.2β=

αLM?M+1β<1αLMαLM分離工程吸收M>100.3<60d2CAA：dx2B：d2CBdx20<x<δ1分離工程反應計量關系：反應面上：CA=0,CB=0瞬間反應：rA=0

DAL

DBL

（1）δ1<x<δL（2）=0=0x=0,CA=CAi,CB=0（3）x=δ1,CA=CB=0

（4）x=δL,CA=0,CB=CBL（5）BANN1b=?ABC=bC界面反應面ApCBLiApiACδLδ1吸收

3.6.3．不可逆瞬時化學反應β的求取

A(g)+bB(l)→Q(l)d2CAA：dx2B：d2CBdx20<61吸收∴解：由（1）得：CA=ax+b

δ1代入速率方程：CAi（6）dCA

dxDAL

δ1=N′A=?DALx=0?kLCAiCAi=N′A=δL

δ1δLDAL

δ1δLNA,物=kL(CAi?CAL)∵CAL=0∴(CAi?CAL)=CAiδL

δ1β=1（但如何確定δ？）

分離工程吸收∴解：由（1）得：CA=ax+b δ1C62?整理得：吸收

由（2）得：CB=a′x+b′(x?δ1)

CBLδL?δ1將邊界條件（4和5）代入上式得：CB=x=0

CBLδL?δ1=?DBLdCB

dxNB′=?DBLNB1b再利用NA=?δL

δ1

CBLδL?δ1DBL

bCAi=DAL

δ1?kLCAi=DBLCBLDALbCAi=1+δL

δ1βi=βi=1+d?c

(但如何求CAi

？)

分離工程(7)?整理得：吸收(x?δ1) CBL將邊界條件（463?CBL2．當CBL=C，δ1=0，CBL≥CBL吸收

DBLCBLbDALCAi=1+δL

δ1βi=▲討論1：1．若CBL↑,

→βi↑,→δ1↓

C BL

CAi=0,pAi=0

C3．當 液膜無阻力，屬氣膜控制。

NA=kg(pA?pAi)=kgpA氣膜界面反應面液膜

CpA

CBLpAi,CAiδ1δL

δL

分離工程?CBL2．當CBL=C，δ1=0，CB64CBL≥CBL則CBL<CBL分離工程利用（3-184）若則若吸收

C

當CBL>CcBL反應面與界面重合：BAkLCBLDBLDALDALDALNN=?=?=kgpA(CBL?CBi)?

DBLδL?δ1BANN1b=?CBLpAbkgDAL

klDBL解得：C=CNA=kgpA氣膜控制CNA=βiklCAi雙膜控制CBL≥CBL則CBL<CB65kl/H′A?NHA=βiklC=βiklp利用NNA=k?p)?=p?pHA1式①+②得：NA

H′A+N吸收分離工程①②∴③又∵∴由此得Ai=βip若雙膜控制，CAi未知，則NA的求解方法：

A AAiAi

NAg(pAAiAAi

kgAklkg=βipAi+(pA?pAi)=pA+(βi?1)pAiGAN=K=[pA+(βi?1)pAi]pA+(βi?1)pAi

+

klkgCBLCAi

DBLbDAL?βi=1+ApAi]CBLCAi

DBLbDALN?=KG[pA+]DBLH′ACBL

bDALNA=KG[pA+(3?187)kl/H′A?NHA=β66?CBL≥CBL，A↑，加強氣相的湍動，k↑。pCBL<CBL，CBL↑,kg↑,kl↑吸收

討論2：（瞬間反應如何強化傳質？）1．2．若3．若均可強化傳質。

分離工程

DBLCBLbDALCAiβi=1+βi與k*1,n（反應速度，反應級數(shù)）無關；

C

gC?CBL≥CBL，A↑，加強氣相的湍動，k67dx=(V?δL)kCALCBL?DALdx分離工程DALd2CA

2=kΙΙ*CACB=0dCB

dxx=0,CA=CAi,ΙΙx=δl,CA=CAL,CB=CBL

dCA*

x=δlxCBiCAiCALCBL界面液膜擴散－反應微分方程：邊界條件：δ吸收3.6.4．二級不可逆反應β的求取

kΙΙdx=(V?δL)kCALCBL?DALd68?吸收（3-190）當CBL很大，可作擬一級反應處理；當CBL有限，在CAL=0的情況下，可求得β近似解：))β∞?β β∞?1β∞?β β∞?1β=thM(M(DALkΙΙ*CBL

kl2M=DBLCBLDALbCAiβ∞=1+M圖，圖（3-21），以β∞為參數(shù)，作β?若已知M和β∞值就可直接求取β值。

分離工程→β→→AAALNdC dx=?DNx=0'A擴散反應方程CA=f(x)x=0dCA

dx?吸收（3-190）當CBL很大，可作擬一級反應處理；))69吸收AiA=βklC圖（3-21）的規(guī)律：N；M=1．當β

∞>2M,M>3時，β

二級反應可處理為擬一級快反應；說明：B在液膜中的擴散量〉〉反應消耗量

*

2．當M>10β

∞時：β=β∞

二級反應增強因子與瞬間反應增強因 子相等；

*

傳質系數(shù)kl較小。

分離工程吸收AiA=βklC圖（3-21）的規(guī)律：N；M70?由β∞,M??→β分離工程吸收

3．在其它區(qū)域：β應查圖求取。 先計算：方法：

但CAi不知道，計算中先假定：

pAipA

HAHA以后再迭代校正?！洹?/p>

查NA=βklCAi=kg(pA?pAi)

pAi=H′ACAiDALkΙΙ*CBL

kl2M=DBLCBLDALbCAiβ∞=1+?由β∞,M??→β分離工程吸收方法： 但C71吸收分離工程化學吸收的優(yōu)缺點：優(yōu)點：Ⅰ.吸收速度快、選擇性好；（速率角度）Ⅱ.氣相平衡分壓低、可得高凈化度； 溶解量大、吸收能力強；（平衡角度）Ⅲ.化學吸收的開發(fā)余地很大。不足處:Ⅰ.能耗大（可通過過程耦合降低能耗）；Ⅱ.對設備有腐蝕性（采用非金屬材料）；Ⅲ.溶液的穩(wěn)定性問題。吸收分離工程化學吸收的優(yōu)缺點：優(yōu)點：Ⅰ.吸收速度快、選擇性好72吸收分離工程吸收過程的設計計算（A）工藝的確定1.氣量、吸收率（凈化度）吸收量2.最小液體流率，吸收流程的確定（B）工程計算 1.塔徑的計算 2.塔高的計算①低濃度氣體吸收時的填料高度②高濃度氣體吸收時的填料高度③化學吸收時的填料高度的計算④多組分逆流吸收的填料高度—吸收因子法⑤吸收過程的模擬計算吸收分離工程吸收過程的設計計算（A）工藝的確定1.氣量、73吸收一.設計工藝參數(shù)：1.氣量Q(m3/h)、氣濃y1(v/v%,ppm)、凈化度（y2，吸收率）2.操作壓力P、溫度T（取決于工藝條件）最小吸收液流量的估算（平衡分壓）β12sQ＝Qy);G'=Q(1?y1)

y21?y?

y11?y1=G'（L,C1G,y1

分離工程L,C2G,y2)=L'(C1?C2)

y21?y2?

y11?y1G'（3.吸收液的性質（ρl,μl)、吸收容量(C1,C2)和范圍（反應轉化率） 吸收量的計算吸收最小吸收液流量的估算（平衡分壓）β12sQ＝Qy);74????uφψ????????吸收

3.9.塔徑的計算

對于逆流操作吸收塔，以液泛速度為基準，采用

Eckort關聯(lián)圖(圖3-40）計算。橫坐標A：縱坐標B：0.5??

Gl?ρgGg?ρl0.22OG

g??μl???μw??ρg?ρl塔徑計算：

D=

4Vsπ?u不同填料液泛線ABu=(0.6?0.8)uf一般情況：填料尺寸↑，填料因子↓，uOG↑。

分離工程????uφψ????????吸收橫坐標A：縱坐標B：75LρG0.5GρL3640×6×0.878995.7分離工程吸收

例題1某合成氨廠，每小時生產(chǎn)6噸合成氨，用水洗法脫除變換氣中的CO2。 現(xiàn)水洗塔采用填料塔，充填50×50×4.5瓷質鮑爾環(huán)填料。進氣量為3640m3

（STP）/（tNH3），用水量為2580m3/h，操作壓強為1.9MPa，操作溫度為 30℃。外推法查得縱坐標為已知操作條件下ρG=15.03kg.m,ρL=995.7kg.m?3,μL=0.805Pas?3?3?1解：由表3-12查得Dg50的鮑爾環(huán)瓷質填料φ=130m應用Eckert圖（圖3-40），橫坐標為()()=16.462580×995715.030.5=)()(u(2OG

g)0.2=0.0003μLμwρGρLφψLρG0.5GρL3640×676吸收uuOG2OG=0.04m./s=1.57×10

0.0003×9.81×995.7130×15.03×(0.805)0.2=?3液泛速度取操作速度（設計空塔速度）操作條件下塔直徑圓整取塔徑4米。

分離工程OG=0