化工原理電子教案第六章氣體吸收

1、學(xué)習(xí)必備歡迎下載9.吸收9.1 概述利用不同組分在溶劑中溶解度的差異，分離氣體混合物的過程，稱為吸收；能被溶解的組分溶質(zhì)A ； 不能被溶解的組分惰性組分（載體）B ；所用溶劑吸收劑 S 。吸收液 (S A) 。一工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過程1工業(yè)上的應(yīng)用（ 1） 原料氣的凈化：如煤氣中的H2S 除去。（ 2） 有用組分的回收：如合成氨廠的放空氣中用水回收氨。（3） 某些產(chǎn)品的制?。簩怏w中需要的成份以指定的溶劑吸收出來，成為液態(tài)的產(chǎn)品或半成品，如：從含HC 氣體中鹽酸(4) 廢氣的治理：如含 SO2， NO， NO 2 等廢氣中，要除去這些有害成份。2吸收的分類(1) 按性質(zhì)劃分物理吸收：溶質(zhì)不發(fā)生明

2、顯的化學(xué)反應(yīng)，如水吸收CO2， SO2 等?；瘜W(xué)吸收：溶質(zhì)與溶劑或溶液中其它物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。（如用 NaOH 吸收 CO2）(2)溫度是否變化等溫吸收：當(dāng)溶劑用量很大，溫升不明顯時非等溫吸收：(3)被吸收組分?jǐn)?shù)目分單組分吸收：只吸收一種組分多組分吸收二吸收過程的極限及方向極限：氣液兩相呈平衡狀態(tài)；方向或推動力：一相濃度與同另一相濃度呈平衡的該相濃度之差；比如：溶質(zhì) A 在氣相中的分壓為 PA ，液相中溶質(zhì)濃度為 c A ，與 c A 呈平衡的氣相分壓為 PA ，則推動力為（ PA PA ）。三吸收的流程流程說明：1 氣液流向：逆流（推動力大）2 多塔吸收：單塔所需太高時，可分解成幾個塔串聯(lián)使

3、用。3 加壓吸收：提高總壓，可以提高傳質(zhì)推動力，同時提高溶解度，有利于吸收。4 脫吸（解吸）過程：吸收的逆過程。油（ A）尾氣富液油水（少量 AB ）分離溶劑 S器水吸收塔解吸塔原料氣（ A蒸氣（空氣）B ）學(xué)習(xí)必備歡迎下載四吸收劑選擇及要求具有選擇性：對溶質(zhì)的溶解度應(yīng)盡可能大不易揮發(fā)性：減少溶劑的損失及避免在氣體中引入新的雜質(zhì)腐蝕性?。簻p少設(shè)備費(fèi)和維修費(fèi)粘度低：以利于傳質(zhì)及輸送毒性小，不易燃，以利于保證安全生產(chǎn)6來源豐富，價格低廉，易于再生五本章重點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法本章主要討論單組分、等溫、常壓、物理吸收，以掌握基本原理和方法。本章主要涉及設(shè)計型問題的計算以及操作型問題的分析， 要注意掌握學(xué)習(xí)方法

4、， 活學(xué)活用。9.2 有關(guān)吸收的基本理論一平衡溶解度在一定溫度下氣液兩相長期或充分接觸后， 兩相趨于平衡。 此時溶質(zhì)組分在兩相中的濃度服從某種確定的關(guān)系，即相平衡關(guān)系。氣相溶質(zhì)分壓稱平衡分壓（飽和分壓）PA ；液相溶質(zhì)濃度稱平衡濃度 （飽和濃度） cA ，又稱溶解度或極限濃度。對單組分吸收（A B ），組分?jǐn)?shù) C3，包括 A、 B 和 S，相數(shù)2 ，氣液兩相，故自由度F C2 =3，即平衡時 cAF(T,P,PA)， P不太高時影響小，可以忽略。因此c AF (T , PA ) ， T 一定， cAF ( PA ) 或者 PA f (cA ) 。通常用溶解度曲線表示相平衡關(guān)系。O2cO20CO

5、2SO210PA40NH 3PO2c A從以上溶解度曲線可以看出：在相同壓力PA 下cNH 3 cSO2 cCO2 cO2 ；隨著溫度 T 的升高，氧氣的溶解度下降，由此可見，加壓、降溫有利于吸收；升溫、學(xué)習(xí)必備歡迎下載減壓有利于解析。二亨利定律1當(dāng)總壓不高，在一定溫度下，稀溶液上方溶質(zhì)的平衡分壓與其在液相中的濃度之間存在如下關(guān)系：PA Ex A（ 1）式中： PA 溶質(zhì)氣體在溶液面上方的平衡分壓；單位kpa ；x 溶質(zhì)在液相中的摩爾分率E 亨利系數(shù)；單位 kpaE 越大，說明在相同的液相摩爾分率下，氣相的飽和分壓越大，即氣體的溶解度越小，所以有： 易溶氣體的 E 能溶氣體的 E 難溶氣體的

6、E 。另外， 因?yàn)闅怏w的溶解度隨溫度的升高而降低，所以 E 隨溫度的升高而升高。2亨利定律還有另一種表達(dá)形式：cAHPAPAc A或者H（ 2）其中： H 溶解度系數(shù)， cA / PA ， kmol / m3 .kpa 。 H 越大，說明在相同的氣相分壓下，液相的飽和濃度越大，即氣體的溶解度越大，所以有：難溶氣體的H 能溶氣體的 H 易溶氣體的 H 。另外，因?yàn)闅怏w的溶解度隨溫度的升高而降低，所以H 隨溫度的升高而降低。PA 和 c A ：氣相溶質(zhì)的分壓和與之平衡的液相飽和濃度；c A 和 PA ：液相溶質(zhì)的摩爾濃度和與之平衡的氣相飽和分壓。x Ac Ac，將其代入（ 2）可以得到：因?yàn)椋?1

7、）式中PAcAxA ccxAHHHc溶液Ecc AcSL所以H式中M 溶液對于稀溶液： M 可以取溶劑 S 的分子量，如對稀NH 3 溶液，1000kg / m3，c18100055.5kmol / m33氣液濃度均用摩爾分率表示18xAy Ay AmxA或者mm 相平衡常數(shù)PAcAExAHP ，可以得到：由等式兩邊同時除以總壓PAE即 y AE令 mEPP x APxAP ，則有 yAmxAy A 和 xA ：氣相溶質(zhì)的摩爾分率和與之平衡的液相飽和摩爾分率； x A 和 y A ：溶質(zhì)的液相摩爾分率和與之平衡的氣相飽和摩爾分率。學(xué)習(xí)必備歡迎下載m 越大，說明在相同的液相摩爾分率下，氣相的飽和

8、摩爾分率越大，即氣體的溶解度越小，所以有：易溶氣體的 m 能溶氣體的 m 難溶氣體的 m 。另外，因?yàn)闅怏w的溶解度隨溫度的升高而降低，所以 m 隨溫度的升高而升高。三 . 相平衡關(guān)系的應(yīng)用：1 判別過程的方向?qū)庀嗟臐舛扰c液相的濃度換算成同一種濃度的表示方法（利用相平衡關(guān)系換算）比較一下大小。若氣相濃度液相的平衡濃度，則發(fā)生解吸；反之，則發(fā)生吸收。，再如比較yA 和y A 、xA 和xA 、cA 和 c A 、 PA 和PA的大小。2指明過程的極限當(dāng)某一相的濃度= 另一相的平衡濃度時，兩相達(dá)到平衡，即為傳質(zhì)過程達(dá)到了極限。在實(shí)際操作中，相平衡限制了溶劑離塔時的最高濃度和氣體離塔時的最低濃度。3

9、計算過程的推動力只有不平衡的兩相接觸后才會發(fā)生傳質(zhì)，過程的推動力可用實(shí)際濃度與平衡濃度的偏離程度來表示（但不是兩相的濃度直接相加減，而要先換算成同一種濃度而后計算），如吸收的推動力可用( yAyA ) 、 (x AxA ) 、 (cAcA ) 、 ( PAPA ) 來表示，而解吸的推動力則用其相反數(shù)來表示。值得注意的是： 濃度在相內(nèi)或相間是連續(xù)變化的，所以不同的起始點(diǎn)， 濃度差值也不同，所以推動力的大小要與傳質(zhì)的距離或范圍 （起始點(diǎn)）一一對應(yīng)，是某相內(nèi)的推動力，還是相內(nèi)某一段的推動力，還是相間的總推動力，要標(biāo)明范圍。四傳質(zhì)速率方程在設(shè)計設(shè)備時， 計算執(zhí)行指定的吸收任務(wù)所需的設(shè)備尺寸，要計算傳質(zhì)

10、速率；在核算混合氣體通過指定設(shè)備所達(dá)到的吸收程度時，也要計算傳質(zhì)速率；所以傳質(zhì)速率的計算對吸收過程是十分重要的。吸收速率： 單位時間、 單位相際傳質(zhì)面積上吸收的溶質(zhì)的量。它反映出吸收 （傳質(zhì)）過程進(jìn)行的快慢或強(qiáng)度。吸收（傳質(zhì)）速率= 推動力 /阻力= 傳質(zhì)系數(shù)×推動力，其中傳質(zhì)系數(shù) = 1/ 阻力，推動力 = 濃度差。要注意的是： 由于濃度的表示方法很多，所以推動力的形式也很多，對應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)（力）的形式也很多； 推動力的大小與起始范圍有關(guān)，一般指相內(nèi)，也有指相際間的；則對應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)（ 1/阻力）也是在對應(yīng)范圍內(nèi)的值，兩者從形式上、范圍上是一一對應(yīng)的。1/阻p 或 c液相主體pGp

11、i傳質(zhì)方向ci氣相主體cL學(xué)習(xí)必備歡迎下載1. 吸收過程的簡化描述雙膜理論（膜模型或停滯膜理論）這個理論是惠特曼（ Whiteman ）于 1923 年提出的，是最早的傳質(zhì)模型。它作了以下的簡化：兩相相接觸時，存在有穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一很薄的停滯膜（有效膜），溶質(zhì)A 在兩膜層內(nèi)的傳質(zhì)只能以分子擴(kuò)散的形式進(jìn)行。每相的傳質(zhì)阻力集中在這兩側(cè)假設(shè)的膜層內(nèi)，推動力也集中在其中，湍流主體的阻力相對而言可忽略不計，流體的強(qiáng)烈湍動使各處的濃度趨于一致，也無推動力， 這樣，復(fù)雜的相際間的傳質(zhì)可簡化為兩停滯膜內(nèi)的分子擴(kuò)散。氣液界面的阻力可以忽略，所以界面上的兩相濃度成平衡。根據(jù)以上假設(shè)，等摩爾相互擴(kuò)散時，

12、液相分傳質(zhì)系數(shù)kLD /L ，氣相分傳質(zhì)系數(shù)kGD / RT G ；單向擴(kuò)散時，液相分傳質(zhì)系數(shù)k L(c / cSm )( D /L ) ，氣相分傳質(zhì)系數(shù)kG(P / PBm )( D / RT G ) 。其計算很簡便， 但從式中可得出， kD ，與實(shí)際中 k D 0. 67不符。此模型為傳質(zhì)模型奠定了初步的基礎(chǔ)，描述與有固定相界面的系統(tǒng)及低速的兩流體間的傳質(zhì)大致符合。用此理論確定的傳質(zhì)速率方程，仍是設(shè)計的主要依據(jù)，缺點(diǎn)是過于簡單，與高效高速設(shè)備不符。2. 單相傳質(zhì)速率方程穩(wěn)態(tài)操作時，吸收設(shè)備內(nèi)任一部位上，界面兩側(cè)膜內(nèi)的吸收（傳質(zhì)）速率N A 相等。單獨(dú)根據(jù)氣膜或液膜內(nèi)的阻力及推動力寫出的速率

13、方程式叫氣膜或液膜的吸收（傳質(zhì)） 速率方程，也叫分吸收（傳質(zhì)）速率方程，相應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)叫膜系數(shù)或分傳質(zhì)系數(shù)，用k 表示。以單向擴(kuò)散為例： 氣膜分吸收速率方程推動力 = 氣相主體濃度 界面濃度。當(dāng)濃度用氣相分壓P 表示時：N A(DG / RT G )( P / PBm )( PGPi )N A kG (PGPGPi令 kG(DG / RTPi )G )( P / PBm ) ，則有：(1/ kG )式中： kG 推動力為分壓差時對應(yīng)的氣相分傳質(zhì)系數(shù)，kmol / m2 .s.kpa 。當(dāng)濃度用氣相摩爾分率y 表示時：N AkG ( PG Pi) kG P( PGPi ) kG P( y yi

14、) k y ( y yi )PP式中 k y ：推動力為氣相摩爾分率差時對應(yīng)的氣相分傳質(zhì)系數(shù)，kmol /(m2 .s. y) ，k y kG P 。 液膜分吸收速率方程：推動力 =界面濃度液相主體濃度。當(dāng)濃度用液相摩爾濃度c 表示時：學(xué)習(xí)必備歡迎下載N A ( D / L )(c / cSm)( cicL )令 kL(D L / L )(c / cSm ) ，則有： N AkL (cicL )式中： k L 推動力為液相摩爾濃度差時對應(yīng)的液相分傳質(zhì)系數(shù)，。當(dāng)濃度用液相摩爾分率x 表示時：N Ak L c( cicL ) kL c( xix) kx ( xix)cckmol /( m2 .s.

15、 x) ，式中 k x ：推動力為液相摩爾分率差時對應(yīng)的液相分傳質(zhì)系數(shù)，k xkL c 。3界面濃度的求取在使用分吸收（傳質(zhì)）速率方程時，界面濃度 ( Pi , ci ) ， ( yi , xi ) 難于測定，常可用以下兩種方法求取： 圖解法從實(shí)際濃度 ( PG , cL ) 點(diǎn)出發(fā)，以 (k L / kG ) 為斜率作直線，直線與平衡線的交點(diǎn)為B ，B 點(diǎn)的坐標(biāo)即為 (Pi, ci ) ，這是由于：( PGPi ) /(1/ kG ) N A(ci cL ) /(1/ k L )PPGPEPiQ 計算法OcL cic( y yi ) /( x xi )k x / k y 和當(dāng)平衡關(guān)系可用某種

16、函數(shù)關(guān)系y f ( x) 表示時，根據(jù)y f ( x) ，可聯(lián)立解出界面濃度( yi , xi ) ，因?yàn)榻缑鏉舛葃i 與 xi 成平衡。4. 總吸收（傳質(zhì)）速率方程的建立為了避免界面濃度的不確定性或求解的麻煩，用兩相主體的濃度差來表示總推動力，寫出的速率方程式叫總吸收（傳質(zhì)）速率方程，相應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)叫總傳質(zhì)系數(shù)，用K 表示。但由于氣液組成的表示方法不一樣，所以推動力不能直接相加減，要通過平衡關(guān)系將它們轉(zhuǎn)化為同一種形式的濃度后再相加減，此時有：總推動力 = 任一相的主體濃度另一相的平衡濃度總阻力 = 氣膜阻力+ 液膜阻力= 1/總傳質(zhì)系數(shù)以單向擴(kuò)散為例，當(dāng)系統(tǒng)的平衡關(guān)系可用亨利定律表示時：以氣

17、相分壓差(PGPL ) 表示總推動力時N A(PG( PG( PGPi ) /(1 / kG )(cicL ) /(1/ kL )PiPiPL ) /( 1/ kG )(1/ HkPL ) /(1/ K G)L(HPi )HPL ) /(1/ kL )( PGPL ) /( 1/ kG )(PiPL ) /(1 / Hk(1/ Hk L )L )學(xué)習(xí)必備歡迎下載其中 KG ：以氣相分壓差為推動力時對應(yīng)的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol /( m 2 .s.kpa) ；K G1/( 1/ kG )(1/ Hk L ) 1/( 氣膜阻力液膜阻力）PL ：與液相濃度 cL 相平衡的氣相分壓。 以液相摩爾濃度差(

18、cGcL ) 表示總推動力時N A( PGPi ) /(1/ kG )(cG ci ) /( H / kG )(cicL ) /(1 / kL )(cGcicicL ) /( H / kG ) (1/ kL )(cGcL ) /( H / kG ) (1 / kL )(cGcL ) /(1/ K L )其中 K L ：以液相摩爾濃度差為推動力時對應(yīng)的總傳質(zhì)系數(shù)，m/ s ；K L1/( H / kG ) (1/ k L ) 1/(氣膜阻力液膜阻力）cG ：與氣相分壓 PG 相平衡的液相摩爾濃度。 以氣相摩爾分率差(y y*) 表示總推動力N A( yyi ) /(1 / k y )( xix)

19、 /(1/ kx ) ( yiy) /(m / k x )( yyi yiy) /( 1/ k y ) (m / k x )( yy*) /(1/ K y )其中 K y ：以氣相摩爾分率差為推動力時對應(yīng)的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol /( m2 .s. y) ；K y1/( 1/ k y ) (m / k x ) 1/(氣膜阻力液膜阻力）y ：與液相摩爾分率x 相平衡的氣相摩爾分率。以液相摩爾分率差( x *x) 表示總推動力N A( yyi ) /(1/ k y ) ( x *xi ) /(1/ mky )(xix) /(1/ kx )( x *xi xix) /(1/ mky ) (1/ k x

20、 )( x * x) /(1/ K x )其中 K x ：以液相摩爾分率差為推動力時對應(yīng)的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol /(m 2 .s. x) ，K x1/( 1/ mky )(1/ k x )1/(氣膜阻力液膜阻力）x ：與氣相摩爾分率y 相平衡的液相摩爾分率。此外還有， K G PK y ,K L cK x ,K GHK L,K xmK y若系統(tǒng)的平衡關(guān)系不能用亨利定律表示時，則只能通過求取界面濃度來確定NA 的大小。5. 傳質(zhì)的阻力分析從總傳質(zhì)速率方程可看出，傳質(zhì)的總阻力 =氣相阻力 + 液相阻力，若氣相阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液相阻力，則總阻力約等于氣相阻力， 吸收過程稱為氣膜控制過程； 反之，則總阻力

21、約等于液相阻力，吸收過程稱為液膜控制過程。下面，以 K y1/(1/ ky )( m / kx ) 為例來討論：傳質(zhì)系數(shù)對阻力分布的影響：當(dāng)m 值不太大也不太小時：如 k y kx ，則有氣相阻力液相阻力，此時總阻力約等于液相阻力，吸收過程稱為液膜控制過程。如 k yk x ，則有氣相阻力液相阻力，此時總阻力約等于氣相阻力，吸收過程稱為氣膜控制過程，即過程速率主要由氣相一側(cè)速率決定。學(xué)習(xí)必備歡迎下載溶解度對阻力分布的影響：當(dāng)k y , kx 數(shù)量級相差不大時：如 m 很大，即氣體溶解度很小時，有氣相阻力液相阻力，此時總阻力約等于液相阻力，吸收過程稱為液膜控制過程。如 m 很小，即氣體溶解度很大

22、，氣體為易溶氣體時，有氣相阻力液相阻力，此時總阻力約等于氣相阻力，吸收過程稱為氣膜控制過程。 阻力分布對實(shí)際操作的影響：求解界面濃度：某膜控制時，該膜內(nèi)包括了幾乎所有的阻力和推動力，而另一側(cè)的推動力和阻力均可忽略不計，所以界面濃度另一側(cè)的主體濃度。如氣膜控制時，yiy ；液膜控制時，xix 。強(qiáng)化傳質(zhì)過程：設(shè)計時，如為氣膜控制，則降低氣相的傳質(zhì)阻力可有效地強(qiáng)化吸收操作，而繼續(xù)降低液相的傳質(zhì)阻力不能有效地影響吸收操作；同理， 如為液膜控制， 則降低液相的傳質(zhì)阻力可有效地強(qiáng)化吸收操作，而繼續(xù)降低氣相的傳質(zhì)阻力不能有效地影響吸收操作。阻力分布的分析可有利于我們抓住主要矛盾來解決問題。6.小結(jié)傳質(zhì)速率

23、方程按推動力和阻力的范圍可分為分的和總的傳質(zhì)速率方程，對應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)分別用 k , K 表示。推動力表示形式有P、 c、 x、 y 四種形式，對應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)的下標(biāo)分別是G、 L、 x、 y 。吸收操作時，在分傳質(zhì)速率方程中，推動力=氣相濃度界面濃度，或=界面濃度液相濃度；在總傳質(zhì)速率方程中，推動力=氣相濃度液相濃度的平衡濃度，或=氣相濃度的平衡濃度液相濃度。9.3 吸收（或脫吸）塔的計算從傳質(zhì)角度來看，吸收和脫吸原理相同，只是推動力和傳質(zhì)方向相反，所以其計算原理基本相同，只是推動力互為相反數(shù)，如吸收時推動力PPG PL ，而脫吸時推動力則表示為PPL PG 。下面以填料塔吸收為主來討論其計算。

24、原則上氣液兩相并流、逆流皆可，但一般工業(yè)實(shí)踐中采用逆流較多，這是因?yàn)椋?逆流時，全塔的平均推動力最大，可強(qiáng)化傳質(zhì)； 逆流時，出塔的液體是與進(jìn)塔的氣體相接觸，即與濃度最高的氣體相接觸，可使出塔液體的濃度增大，使液相濃度變化增大，從而降低液體溶劑的用量； 逆流時， 出塔的氣體是與進(jìn)塔的濃度最低的液體相接觸，可使出塔氣體的濃度下降，從而增強(qiáng)溶質(zhì)的吸收率。吸收的計算有兩種類型： 設(shè)計型問題給出吸收任務(wù)，根據(jù)任務(wù)選定溶劑，再求：溶劑S 的用量 L；塔的工藝尺寸：如塔徑D、塔高 h0 等（如設(shè)備采用板式塔，則求理論塔板數(shù)NT 、板間距HT）。 操作型問題給出混合氣體初始條件G、yb，給出一定的溶劑條件L

25、、xa，給出塔設(shè)備有關(guān)的尺寸，求塔能否滿足傳質(zhì)要求。一、物料衡算和操作線方程Ga ,YaLa , Xa 表示，塔底的參學(xué)習(xí)必備歡迎下載1.物料衡算用填料塔吸收時，若為逆流的穩(wěn)定操作，則任一截面上氣、液濃度不隨時間變化而變化，只沿塔高（即截面位置）變化而變化。設(shè)塔頂?shù)膮?shù)由下標(biāo)數(shù)由下標(biāo) b 表示。在塔內(nèi)進(jìn)行吸收時，溶質(zhì)不斷地從氣相傳到液相，使氣體流量不斷下降，而液體流量不斷增加，由于 G、L 不斷變化，若以之為計算基準(zhǔn)，會給計算帶來很大麻煩。但若惰性氣體在液相中溶解度很小，溶解量可忽略不計，可認(rèn)為惰性氣體流量GB 在全塔范圍內(nèi)是一常數(shù)；若溶劑S 揮發(fā)量很小，揮發(fā)量也可忽略不計，可認(rèn)為純?nèi)軇┝髁縇

26、S 在全塔范圍內(nèi)是一常數(shù)；所以可以惰性氣體流量GB 和純?nèi)軇┝髁?L S 為計算基準(zhǔn)。則在全塔范圍內(nèi)作物料衡算，有：單位塔截面積，單位時間內(nèi)輸入的溶質(zhì)A 的量Gb ybLa xa G BYbLS X a ；單位塔截面積，單位時間內(nèi)輸出的溶質(zhì)A 的量Ga yaLb xbG B YaL S X b ；塔穩(wěn)定操作時，輸入= 輸出，則有：GB (YbYa ) LS ( X bX a )或者G a ya Lb xbGb yb La xa吸收任務(wù)中一般給出G、 yb (G B、 Yb )， xa ( X a ) 及有關(guān) ya (Ya ) 的數(shù)據(jù)（或直接給出ya ，或給出吸收率，1Ya / Yb ，要求 x

27、a 及 L (LS和 X a ) L 的值。2. 操作線方程和操作線在塔內(nèi)任一截面與塔頂之間作物料衡算，可得：GB (Y Ya ) L S ( X X a )即 Y ( LS / GB ) X Ya( LS / G B )X a 或者Y ( LS / G B ) X Yb( LS / GB ) X b 從上式可看出，在逆流穩(wěn)定吸收操作中，任一截面上的氣液組成X、 Y 之間成一一對應(yīng)的直線關(guān)系，直線的斜率LS / GB ，截距Ya( L S / GB )X a 。塔頂?shù)慕M成為 ( X a ,Ya ) ，塔底的組成為( X b ,Yb ) ，所以此直線通過點(diǎn)A( X a ,Ya ) 和點(diǎn)B( X

28、b ,Yb ) 。所以分別以X、Y 為橫、縱坐標(biāo)時， 操作線為一條直線， 其端點(diǎn)為 A、 B 兩點(diǎn)，線段中任一點(diǎn)表示的是塔內(nèi)任一截面上氣、液相的組成X 和 Y 。 B 點(diǎn)的氣、 液組成都較高，稱為“濃端” ， A 點(diǎn)的氣、液組成都較低，稱為“稀端”。YYbABYaYf (XoX aX bX學(xué)習(xí)必備歡迎下載并流時，也可得到相應(yīng)的一條直線操作線，其方程式為：Y(LS / G B ) XYb(LS / G B ) X a 從操作線方程的推導(dǎo)可看出，操作線方程僅為物料衡算的結(jié)果，與系統(tǒng)平衡關(guān)系、系統(tǒng)參數(shù)（溫度、壓力等） 、設(shè)備尺寸結(jié)構(gòu)均無關(guān)。另外，在吸收時，塔內(nèi)任一截面上，氣相的濃度總是高于液相的平衡

29、濃度的，所以操作線永遠(yuǎn)位于平衡線的上方， 極限情況是操作線與平衡線交于一點(diǎn)后停止， 而脫吸時正好相反，操作線位于平衡線的下方。特別在低濃度吸收( yb0.1) 時，由于氣、 液兩相中 A 所占的分率較小， 可認(rèn)為 G、 L在全塔范圍內(nèi)近似為常數(shù)，所以逆流時操作線方程可寫成：y ( L / G) x ya(L / G) xa 并流時y ( L / G) x yb ( L / G ) xa 由于很多情況下，吸收可近似為低濃度吸收，所以上面兩式更常用一些。3 吸收劑（溶劑）的用量L或LS以低濃度的逆流吸收操作為例介紹：操作線方程為 y(L / G )x ya( L / G ) xa 。操作線的斜率為

30、 (L / G ) ，稱為液氣比，根據(jù)一般的設(shè)計任務(wù)，給出G、 yb、 xa 及 ya ，所以可知操作線過點(diǎn)( xa , ya ) ，另一端點(diǎn)在yyb 的軌道上運(yùn)動。為了降低操作費(fèi)用，我們希望在以上參數(shù)確定后，溶劑用量L 越小越好，即希望操作線的斜率盡可能小，即希望操作線盡可能繞 A 點(diǎn)順時針轉(zhuǎn)動。但為進(jìn)行吸收的操作，操作線必須位于平衡線的上方，所以操作線極限位置是與平衡線交于一點(diǎn)。yybByf ( xAyaoxaxxbxyb 線上，所以此點(diǎn)的坐標(biāo)為b當(dāng)平衡線為規(guī)則曲線或直線時，交點(diǎn)一定位于y( xb , yb ) ，此時溶劑的用量最小，對應(yīng)的L 稱為最小溶劑用量Lmin，對應(yīng)的操作費(fèi)用最少；

31、但同時，此點(diǎn)的傳質(zhì)推動力趨近于0 ，所以傳質(zhì)速率也趨近于0 ，要完成相應(yīng)的傳質(zhì)任務(wù)則需無窮大的傳質(zhì)面積，即所需的填料層高度h0 趨近于無窮，設(shè)備費(fèi)用趨近于無窮大。所以，當(dāng) L 增大時，操作費(fèi)用增大，但傳質(zhì)推動力增大，設(shè)備費(fèi)用降低；而L 減少時，操作費(fèi)用減少，但傳質(zhì)推動力減少，設(shè)備費(fèi)用增加。選擇一個經(jīng)濟(jì)合理的溶劑用量L ，盡可能使總費(fèi)用最小化，設(shè)計時，一般選擇L 1.1 2.0Lmin ，或 L / G1.1 2.2( L / G) min 。其中L min ( yb ya )G /( xbxa ) 或 (L / G )min ( ybya ) /( xbxa )在亨利體系中， xbyb / m

32、 ，而在非亨利體系中，xb 則需用圖解法求。當(dāng)平衡線不為規(guī)則曲線，有一個或多個突起的拐點(diǎn)時，交點(diǎn)若仍在( xb , yb ) 點(diǎn)，可逆使學(xué)習(xí)必備歡迎下載操作線的一部分位于平衡線的下方，這是操作中不可能實(shí)現(xiàn)的，此時的Lmin 或 ( L / G) min 的求取方法是過 A 點(diǎn)作平衡線的切線，切線對應(yīng)的斜率為( L / G) min 。另外在使用填料塔作傳質(zhì)設(shè)備時，L 的值還應(yīng)保證填料表面能被充分地潤濕，所以還需對 L （或噴淋密度）進(jìn)行校核，而板式塔設(shè)計時則不用。二 .低濃度氣體吸收時填料層高度的計算1. 過程的簡化當(dāng)氣體混合物中溶質(zhì)A 的濃度小于 10% 時，可認(rèn)為吸收是低濃度吸收。此時可假

33、定：在全塔范圍內(nèi)，氣、液流量G、 L 是常數(shù)，變化不大。溶解熱效應(yīng)可忽略不計，所以可認(rèn)為是等溫吸收，物體的物性常數(shù)可視為不變。因?yàn)?G、L 和溫度可視為不變，所以全塔內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)k x、 k y 可視為不變。平衡關(guān)系可用或近似用亨利定律來表示。過程簡化后，計算方法如下：對過程作物料和熱量的衡算列出傳質(zhì)速率方程求算設(shè)備相關(guān)尺寸。其中等溫操作時，熱量的衡算可不作。2. 物料衡算微分方程設(shè)塔截面為 A ，單位體積填料層所提供的有效傳質(zhì)表面積為am2 / m3 ，氣、液流量分別為 G、 Lkmol / m2 .s 。在填料塔內(nèi)任取一段微元高度dh ，則此段中兩相的傳質(zhì)有效表面積為 aAdh 。設(shè)傳質(zhì)速率

34、為N A ，穩(wěn)定傳質(zhì)時， N A 為常數(shù)，所以有：yaxayxhdhh0y dyx dx單位時間內(nèi)，微元段中溶質(zhì)的傳遞量單位時間內(nèi)，氣體中溶質(zhì)遷出的量單位時間內(nèi)，液體中溶質(zhì)遷入的量三者在數(shù)值上是相等的，所以有：N A (aAdh) ；GAdy ；yxLAdxb ；bGAdyLAdxN A (aAdh)即：GdyLdxN A (adh)其中 N A k y ( y yi )kx (xix)K y ( yy )K x ( xx) ，代入上式，可得：Gdyk y a( y yi )dhK ya( yy )dh及 Ldxkx a(xix) dhK x a(xx) dh而后，在全塔范圍內(nèi)積分，可得出填料

35、層高度h0 ， h 的上下限分別為0, h0 ； y 的上下限分別為 yb , ya ； x 的上下限分別為xa , xb 。學(xué)習(xí)必備歡迎下載填料層高度h0 =所需填料體積 /塔截面積，其中，所需填料體積取決于完成規(guī)定任務(wù)所需的總傳質(zhì)面積和單位體積填料能提供的有效傳質(zhì)面積， 這涉及到物料衡算、 相平衡和傳質(zhì)速率三方面的應(yīng)用。3. 物料衡算積分式將以上四式變量分離后，代入積分，根據(jù)假設(shè)，G、 L 、 K 、 k 為常數(shù)，所以有：h0GybK y ayadyG yb dyL xby y * k ya ya y yiK xa xadxLxbdxx *xkx a xa xix其中， k y a、 K

36、ya、 k xa和 K x a 可看作一個整體，稱為體積傳質(zhì)系數(shù)， kmol / m3 .s ，測定時作為一個物理量來對待。4.傳質(zhì)單元數(shù)和傳質(zhì)單元高度G / K y aH OG ，氣相的總傳質(zhì)單元高度；G / k yaH G ，氣相的分傳質(zhì)單元高度；L / K x aH OL ，稱為液相的總傳質(zhì)單元高度；L / kx aH L ，稱為液相分傳質(zhì)單元高度。H 表示過程條件所決定的某種單元高度，m ，它與設(shè)備形式、操作條件等有關(guān)，數(shù)值上等于完成一個傳質(zhì)單元所需的填料層高度，反映出設(shè)備性能的高低，傳質(zhì)阻力的大小， 填料性能優(yōu)劣及潤濕情況等，可作為設(shè)備是否需改善的依據(jù)。若傳質(zhì)阻力(1/ k、1/ K

37、 ) 大或填料性能差（ a ?。?，會使 H 增大，常用的吸收設(shè)備H OG 、 H OL 約為 0.151.5m ，具體值由實(shí)驗(yàn)測定。通常 K 隨著流量 G 或 L 的增大而增大，所以氣、液流量增大會使H 降低。ybdyybdyy a yN OG 氣相總傳質(zhì) 單元數(shù)，ya yNG 氣相分傳質(zhì)單元數(shù)，y *yixbx adx液相總傳質(zhì)單元數(shù)，xbdx液相分傳質(zhì)單元數(shù)N OGxa xiN Lx * xxN ，傳質(zhì)單元數(shù)， 無因次， 代表 h0 / H 的倍數(shù)。 傳質(zhì)單元數(shù)僅與物質(zhì)相平衡關(guān)系及氣液進(jìn)、出口濃度有關(guān)， 而與設(shè)備形式和操作條件無關(guān)，所以在選擇設(shè)備之前即可計算出N 的值來，它反映出分離任務(wù)的

38、難易程度，N 過高，說明溶劑性能差，需另選溶劑種類，或說明分離要求過高，所以N 可起到預(yù)警的作用，可溶劑種類和ya 的選擇是否合理。 N 1，則表示這段填料層中，濃度的變化=此段內(nèi)的平均推動力。5. 傳質(zhì)單元數(shù)的求解從上式可看出，傳質(zhì)單元高度的求取是比較容易的，填料層高度h0 計算的難點(diǎn)在于傳質(zhì)單元數(shù)的求解，下面以N OG 的計算為例介紹傳質(zhì)單元數(shù)的計算。 解析法（數(shù)學(xué)計算法）對數(shù)平均推動力法當(dāng)平衡線為直線，或在計算范圍內(nèi)成直線時，可用此法。此時，推動力用yyy 表示，必須找出y 隨 y 變化的規(guī)律來。ybyadyN OGy y *y 隨 y 也成線性地變化（因?yàn)椋鶕?jù)平衡關(guān)，當(dāng)平衡線為直線時

39、，系， y 與 x 成直線關(guān)系；根據(jù)操作關(guān)系，x 與 y 也成直線關(guān)系；所以y 與 y 成直線關(guān)系；學(xué)習(xí)必備歡迎下載所以 yy y 隨 y 也成線性地變化，所以d (y) / dy常數(shù)。在吸收塔濃端ybybyb ，在吸收塔稀端yayayad ( y) / dy ( ybya ) /( ybya )N OGybdy /( yy )yby)ybyayb d(y)ybyalnybyady /(ybyayayybyayayaymybyaln(yb /ya )令（對數(shù)平均推動力）N OGybyahoH OG NOGGybyaymK y a.ym同理，可推導(dǎo)出其它三種形式：LxbxaH OL NOL( x

40、mxbxaxbxbxbxaxaxa )ho.xmln( xb /xa )K x aLxbxaH LNL( xmxibxiaxibxibxbxiaxiaxa )ho.ximln(xib /xia )kx aGybyaHGNG( yimyibyiayibybyibyiayayia )ho.yimln(yib /yia )k ya當(dāng)已知 yb、 ya 、 xb和 xa 時，就用此法計算。 吸收因數(shù)法xxa(G / L)( y ya )ymxmG ( yya )mxa又Ldy（平衡線是過原點(diǎn)的直線）N OGybybdyyayyyamG( yya )mxayLL令 AmG 操作線與平衡線斜率之比，吸收因

41、數(shù)1mGSA L 脫吸因數(shù)A1ybmxa1N OGln( 1)yamxaA1AAN OGf (S,ybmxa )可見：yamxa與對數(shù)平均推動力法相比，吸收因數(shù)法減少了變量數(shù)，在不知道xb 大小的情況下也可求出N OG 的值，適于解決操作型問題。從上式還可看出，A 越大，說明平衡線與操作線間的距離越大，傳質(zhì)推動力越大，在yb、 ya 相等的情況下，A 增大會使 N OG 下降，有利于吸收操作，故而得名。學(xué)習(xí)必備歡迎下載( ybmxa ) /( ya mxa ) 反映出溶質(zhì)吸收率的高低，ya 降低，其值升高，要求吸收率增大， N OG 升高。將三者的關(guān)系繪成圖，如書：p39：圖 9 13，工程計

42、算時，常用查圖的方法代替計算，雖然精確度有所降低，但快捷方便。注意： .當(dāng)平衡線不過原點(diǎn)時，設(shè) y*=mx+b ，則代入直接計算，可得 .若 m= L/G ，即操作線平衡線時， S=A=1 ，此時 N OG 只能用求極限的方法來求取，此時全塔各截面上 y 相同，所以 N OG= (y b ya)/( y)a。 .S1 或 A 1 時，操作線斜率平衡線斜率，塔頂處推動力較小，ya 較小，吸收較完全，有利于吸收；S 1 或 A 1 時，操作線斜率平衡線斜率，塔底處推動力較小， xb 較大，可獲得較高濃度的吸收液，相應(yīng)要求用較少的L 。 .S1 時，若兩線有交點(diǎn)，應(yīng)在塔的頂部；S 1 或 A 1 時，若兩線有交點(diǎn)，應(yīng)在塔的底部。 .降低 S，一般需增大液氣比L/G