化工基礎(chǔ)教案

1、第四章 傳質(zhì)分離基礎(chǔ)1. 學(xué)習(xí)目的與要求通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握傳質(zhì)與分離過(guò)程的基本概念和傳質(zhì)過(guò)程的基本計(jì)算方法，為以后各章傳質(zhì)單元操作過(guò)程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。2. 本章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容：（1）傳質(zhì)分離方法 （2）相組成的表示方法 （3）質(zhì)量傳遞的方式與描述 （4）典型的傳質(zhì)設(shè)備 3. 本章的難點(diǎn)：分子傳質(zhì)過(guò)程中“總體流動(dòng)”概念的理解，傳質(zhì)模型的建立和描述。4. 本章教學(xué)時(shí)數(shù)分配 授課學(xué)時(shí)數(shù)6學(xué)時(shí)4.1 概述4.1.1 傳質(zhì)分離過(guò)程一、分離過(guò)程在化工中的應(yīng)用二、相際傳質(zhì)過(guò)程與分離分離過(guò)程：1.非均相物系分離可通過(guò)機(jī)械方法分離，易實(shí)現(xiàn)分離。2.均相物系分離不能通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械方法分離，需通過(guò)某種物理（或化學(xué)

2、）過(guò)程實(shí)現(xiàn)分離，難實(shí)現(xiàn)分離。根據(jù)不同組分在各相中物性的差異，使某組分從一相向另一相轉(zhuǎn)移：相際傳質(zhì)過(guò)程是均相物系分離的依據(jù)。三、傳質(zhì)分離方法1.平衡分離過(guò)程 （1）氣液傳質(zhì)過(guò)程 氣液傳質(zhì)過(guò)程是指物質(zhì)在氣、液兩相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括氣體的吸收（或脫吸）、氣體的增濕（或減濕）等單元操作過(guò)程。 （2）汽液傳質(zhì)過(guò)程 汽液傳質(zhì)過(guò)程是指物質(zhì)在汽、液兩相間的轉(zhuǎn)移，該汽相是由液相經(jīng)過(guò)汽化而得，它主要包括蒸餾（或精餾）單元操作過(guò)程。 （3）液液傳質(zhì)過(guò)程 液液傳質(zhì)過(guò)程是指物質(zhì)在兩個(gè)不互溶的液相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括液體的萃取等單元操作過(guò)程 。 （4）液固傳質(zhì)過(guò)程 液固傳質(zhì)過(guò)程是指物質(zhì)在液、固兩相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括結(jié)

3、晶（或溶解）、液體吸附（或脫附）、浸取等單元操作過(guò)程。 （5）氣固傳質(zhì)過(guò)程 氣固傳質(zhì)過(guò)程是指物質(zhì)在氣、固兩相間的轉(zhuǎn)移，它主要包括氣體吸附（或脫附）、固體干燥等單元操作過(guò)程。 采用平衡分離方法判別的依據(jù)：平衡常數(shù)（分配系數(shù)） 分配因子 通常將K值大的當(dāng)作分子，故一般大于1。當(dāng)偏離1時(shí)，便可采用平衡分離過(guò)程使均相混合物得以分離，越大越容易分離。 2.速率分離過(guò)程 （1）膜分離 膜分離是指在選擇性透過(guò)膜中，利用各組分?jǐn)U散速度的差異，而實(shí)現(xiàn)混合物分離的單元操作過(guò)程。 超濾反滲透滲析電滲析（2）場(chǎng)分離 場(chǎng)分離是指在外場(chǎng)（電場(chǎng)、磁場(chǎng)等）作用下，利用各組分?jǐn)U散速度的差異，而實(shí)現(xiàn)混合物分離的單元操作過(guò)程。 電

4、泳熱擴(kuò)散高梯度磁場(chǎng)分離3.分離方法的選擇 分離方法選擇的原則：被分離物系的相態(tài) 被分離物系的特性 產(chǎn)品的質(zhì)量要求 經(jīng)濟(jì)程度 4.1.2 相組成的表示方法一、質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度1.質(zhì)量濃度2.物質(zhì)的量濃度質(zhì)量濃度與物質(zhì)的量濃度的關(guān)系 二、質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)1.質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.摩爾分?jǐn)?shù) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系 三、質(zhì)量比與摩爾比1.質(zhì)量比質(zhì)量比與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系2.摩爾比摩爾比與摩爾分?jǐn)?shù)的關(guān)系 4.2 質(zhì)量傳遞的方式與描述4.2.1 分子傳質(zhì)（擴(kuò)散）一、分子擴(kuò)散現(xiàn)象與費(fèi)克定律1.分子擴(kuò)散現(xiàn)象由于分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象分子傳質(zhì)。分子傳質(zhì)又稱為分子擴(kuò)散，簡(jiǎn)稱為擴(kuò)散；分子傳質(zhì)在氣相、液相

5、和固相中均能發(fā)生。圖4-1 分子擴(kuò)散現(xiàn)象如圖4-1所示，用一塊隔板將容器分為左右兩室，兩室中分別充入溫度及壓力相同，而濃度不同的A、B兩種氣體。設(shè)在左室中，組分A的濃度高于右室，而組分B的濃度低于右室。當(dāng)隔板抽出后，由于氣體分子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)，左室中的A、B分子會(huì)竄 入右室，同時(shí)，右室中的A、B分子亦會(huì)竄入左室。左右兩室交換的分子數(shù)雖相等，但因左室A的濃度高于右室，故在同一時(shí)間內(nèi)A分子進(jìn)入右室較多而返回左室較少。同理，B 分子進(jìn)入左室較多返回右室較少，其凈結(jié)果必然是物質(zhì)A自左向右傳遞，而物質(zhì)B自右向左傳遞，即兩種物質(zhì)各自沿其濃度降低的方向傳遞。上述擴(kuò)散過(guò)程將一直進(jìn)行到整個(gè)容器中A、B兩種物質(zhì)的

6、濃度完全均勻?yàn)橹?，此時(shí)，通過(guò)任一截面物質(zhì)A、B的凈的擴(kuò)散通量為零，但擴(kuò)散仍在進(jìn)行，只是左、右兩方向物質(zhì)的擴(kuò)散通量相等，系統(tǒng)處于擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)平衡中。2.費(fèi)克(Fick)定律描述分子擴(kuò)散過(guò)程的基本定律費(fèi)克第一定律。DAB 組分A在組分B中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s 3.總體流動(dòng)現(xiàn)象設(shè)由A、B組成的二元?dú)怏w混合物，其中 A為溶質(zhì)，可溶解于液體中，而B(niǎo)不能在液體中溶解。這樣，組分A可以通過(guò)氣液相界面進(jìn)入液相，而組分 B不能進(jìn)入液相。由于 A分子不斷通過(guò)相界面進(jìn)入液相，在相界面的氣相一側(cè)會(huì)留下“空穴”。根據(jù)流體連續(xù)性原則，混合氣體會(huì)自動(dòng)地向界面遞補(bǔ)，這樣就發(fā)生了A、B 兩種分子并行向相界面遞補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)，這種遞補(bǔ)運(yùn)

7、動(dòng)就形成了混合物的總體流動(dòng)。 二、氣體中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散1.等分子反方向擴(kuò)散設(shè)由A、B兩組分組成的二元混合物中，組分A、B進(jìn)行反方向擴(kuò)散，若二者擴(kuò)散的通量相等，則稱為等分子反方向擴(kuò)散。對(duì)于等分子反方向擴(kuò)散在兩組分?jǐn)U散系統(tǒng)中，組分A與組分B的相互擴(kuò)散系數(shù)相等。應(yīng)予指出，費(fèi)克定律只適用于由于分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)而引起的擴(kuò)散過(guò)程。2.一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散設(shè)由A、B兩組分組成的二元混合物中，組分A為擴(kuò)散組分，組分B為不擴(kuò)散組分（稱為停滯組分），組分A通過(guò)停滯組分B進(jìn)行擴(kuò)散。 通過(guò)氣液相界面組分 A的傳質(zhì)通量應(yīng)等于由于分子擴(kuò)散所形成的擴(kuò)散通量與由于總體流動(dòng)所形成的總體流動(dòng)通量的和。此時(shí)，由于組分B不能

8、通過(guò)相界面，當(dāng)組分B隨總體流動(dòng)運(yùn)動(dòng)到相界面后，又以分子擴(kuò)散形式返回氣相主體中，故組分 B的傳質(zhì)通量為零，該過(guò)程如圖片4-2所示。 圖4-2 擴(kuò)散的同時(shí)伴有混合物的總體流動(dòng)時(shí)各傳質(zhì)通量的關(guān)系如上所述，若在擴(kuò)散的同時(shí)伴有混合物的總體流動(dòng)，則組分A的傳質(zhì)通量為三、液體中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散1.等分子反方向擴(kuò)散2.一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散四、擴(kuò)散系數(shù)1.氣體中的擴(kuò)散系數(shù)通常，擴(kuò)散系數(shù)與系統(tǒng)的溫度、壓力、濃度以及物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于雙組分氣體混合物，組分的擴(kuò)散系數(shù)在低壓下與濃度無(wú)關(guān)，只是溫度及壓力的函數(shù)。氣體擴(kuò)散系數(shù)可從有關(guān)資料中查得，某些雙組分氣體混合物的擴(kuò)散系數(shù)列于附錄一中。氣體中的擴(kuò)散系數(shù)，其值一般

9、在10-410-5m2/s 范圍內(nèi)。估算氣體擴(kuò)散系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式福勒公式由福勒公式可知，氣體擴(kuò)散系數(shù)與T1.75成正比、與P總成反比。根據(jù)該關(guān)系，可得2.液體中的擴(kuò)散系數(shù)液體中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)不僅與物系的種類、溫度有關(guān)，而且隨溶質(zhì)的濃度而變。液體中的擴(kuò)散系數(shù)可從有關(guān)資料中查得，某些低濃度下的二組元液體混合物的擴(kuò)散系數(shù)列于附錄一中。液體中的擴(kuò)散系數(shù)，其值一般在10-910-10m2/s 范圍內(nèi)。威爾基公式4.2.2 對(duì)流傳質(zhì)1.渦流擴(kuò)散由于流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦而形成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。渦流擴(kuò)散在湍流流體中發(fā)生；在渦流擴(kuò)散中時(shí)刻存在分子擴(kuò)散；渦流擴(kuò)散的通量遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散的通量。2.渦流擴(kuò)散通量方程應(yīng)予指出，

10、在湍流流體中，雖然有強(qiáng)烈的渦流擴(kuò)散，但分子擴(kuò)散是時(shí)刻存在的。但渦流擴(kuò)散的通量遠(yuǎn)大于分子擴(kuò)散的通量，一般可忽略分子擴(kuò)散的影響。還應(yīng)指出，分子擴(kuò)散系數(shù)DAB是物質(zhì)的物理性質(zhì)，它僅與溫度、壓力及組成等因素有關(guān)；而渦流擴(kuò)散系數(shù)則與流體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，它與湍動(dòng)的強(qiáng)度、流道中的位置、壁面粗糙度等因素有關(guān)。因此，渦流擴(kuò)散系數(shù)較難確定二、對(duì)流傳質(zhì)1.對(duì)流傳質(zhì)的類型 運(yùn)動(dòng)流體與固體表面之間，或兩個(gè)有限互溶的運(yùn)動(dòng)流體之間的質(zhì)量傳遞過(guò)程統(tǒng)稱為對(duì)流傳質(zhì)。對(duì)流傳質(zhì)的速率不僅與質(zhì)量傳遞的特性因素（如擴(kuò)散系數(shù)）有關(guān)，而且與動(dòng)量傳遞的動(dòng)力學(xué)因素（如流速）等密切相關(guān)。2.對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理所謂對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理是指在傳質(zhì)過(guò)程中，流體以哪種

11、方式進(jìn)行傳質(zhì)。研究對(duì)流傳質(zhì)速率需首先弄清對(duì)流傳質(zhì)的機(jī)理。 3.對(duì)流傳質(zhì)速率方程 描述對(duì)流傳質(zhì)的基本方程，與描述對(duì)流傳熱的基本方程，即牛頓冷卻定律相對(duì)應(yīng)，可采用下式表述上式稱為對(duì)流傳質(zhì)速率方程，其中的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)kL是以濃度差定義的。濃度差還可以采用其它單位，譬如采用摩爾分率、分壓（氣相中）等表示。因此，根據(jù)不同的濃度差表示法，可以定義出相應(yīng)的多種形式的對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)。 對(duì)流傳質(zhì)速率方程既適用于流體作層流運(yùn)動(dòng)的情況，也適用于流體作湍流運(yùn)動(dòng)的情況，只不過(guò)是在兩種情況下kL的數(shù)值不同而已。一般而論，kL與界面的幾何形狀、流體的物性、流型以及濃度差等因素有關(guān)，其中流型的影響最為顯著。kL的確定方法與對(duì)流

12、傳熱系數(shù)的確定方法類似。4.2.3 相際間的傳質(zhì)一、相際間的對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程設(shè)組分 A從氣相傳遞到液相（如吸收），該過(guò)程由以下3步串聯(lián)而成： 組分A從氣相主體擴(kuò)散到相界面； 在相界面上組分A由氣相轉(zhuǎn)入液相； 組分A由相界面擴(kuò)散到液相主體。 一般來(lái)說(shuō)，相界面上組分A從氣相轉(zhuǎn)入液相的過(guò)程很快，相界面?zhèn)髻|(zhì)阻力可以忽略。因此，相際間傳質(zhì)的阻力主要集中在氣相和液相中。若其中一相傳質(zhì)阻力較另一相大得多，則另一相傳質(zhì)阻力可以忽略，此種傳質(zhì)過(guò)程即稱之為“該相控制”。 二、相際間對(duì)流傳質(zhì)模型 對(duì)于相際間的對(duì)流傳質(zhì)問(wèn)題，其傳質(zhì)機(jī)理往往是非常復(fù)雜的。為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，通常對(duì)對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程作一定的假定，即所謂的吸收機(jī)理，亦稱為

13、傳質(zhì)模型。多年來(lái)，一些學(xué)者對(duì)吸收機(jī)理作了大量的研究工作，提出了多種傳質(zhì)模型，其中最具代表性的是雙膜模型，溶質(zhì)滲透模型和表面更新模型。1.雙膜模型(停滯膜模型)惠特曼(Whiteman)于1923年提出，最早提出的一種傳質(zhì)模型。圖4-3 雙膜模型示意圖停滯膜模型的要點(diǎn)： 當(dāng)氣液兩相相互接觸時(shí)，在氣液兩相間存在著穩(wěn)定的相界面，界面的兩側(cè)各有一個(gè)很薄的停滯膜氣膜和液膜，溶質(zhì)A經(jīng)過(guò)兩膜層的傳質(zhì)方式為分子擴(kuò)散。 在氣液相界面處，氣液兩相處于平衡狀態(tài)，無(wú)傳質(zhì)阻力。 在氣膜、液膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體強(qiáng)烈湍動(dòng)，各處濃度均勻一致，無(wú)傳質(zhì)阻力。雙膜模型把復(fù)雜的相際傳質(zhì)過(guò)程歸結(jié)為兩種流體停滯膜層的分子擴(kuò)

14、散過(guò)程，依此模型，在相界面處及兩相主體中均無(wú)傳質(zhì)阻力存在。這樣，整個(gè)相際傳質(zhì)過(guò)程的阻力便全部集中在兩個(gè)停滯膜層內(nèi)。因此，雙膜模型又稱為雙阻力模型。停滯膜模型的模型參數(shù)：氣膜厚度zG；液膜厚度zL。2.溶質(zhì)滲透模型 希格比(Higbie)于1935年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。圖4-4 溶質(zhì)滲透模型示意圖溶質(zhì)滲透模型的要點(diǎn)： 液面由無(wú)數(shù)微小的液體單元所構(gòu)成，當(dāng)氣液兩相相互接觸時(shí)，液相主體中的某些單元運(yùn)動(dòng)至相界面便停滯下來(lái)。在氣液未接觸前，液體單元中溶質(zhì)的濃度和液相主體的濃度相等，接觸開(kāi)始后，相界面處立即達(dá)到與氣相平衡狀態(tài)。 隨著接觸時(shí)間的延長(zhǎng)，溶質(zhì) A通過(guò)不穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散方式不斷地向液體單元中滲透。 液體單元

15、在界面處暴露的時(shí)間是有限的，經(jīng)過(guò)時(shí)間c后，舊的液體單元即被新的液體單元所置換而回到液相主體中去。在液體單元深處，仍保持原來(lái)的主體濃度不變。 液體單元不斷進(jìn)行交換，每批液體單元在界面暴露的時(shí)間c 都是一樣的。 溶質(zhì)滲透模型的模型參數(shù)：暴露時(shí)間c。應(yīng)予指出，溶質(zhì)滲透模型更能準(zhǔn)確地描述氣液間的對(duì)流傳質(zhì)過(guò)程，但該模型的模型參數(shù)c求算較為困難，使其應(yīng)用受到一定的限制。3.表面更新模型 丹克沃茨(Danckwerts) 于1951年提出，為非穩(wěn)態(tài)模型。表面更新模型的要點(diǎn)： 溶質(zhì)向液相內(nèi)部傳質(zhì)為非穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散過(guò)程。 界面上液體單元有不同的暴露時(shí)間或稱年齡，界面上各種不同年齡的液體單元都存在。 不論界面上液體

16、單元暴露時(shí)間多長(zhǎng)，被置換的概率是均等的。單位時(shí)間內(nèi)表面被置換的分率稱為表面更新率，用符號(hào)S 表示。 表面更新模型的模型參數(shù)：表面更新率S。表面更新模型比溶質(zhì)滲透模型前進(jìn)了一步，首先是沒(méi)有規(guī)定固定不變的停留時(shí)間，另外滲透模型中的模型參數(shù)c難以測(cè)定，而表面更新模型參數(shù)S可通過(guò)一定的方法測(cè)得，它與流體動(dòng)力學(xué)條件及系統(tǒng)的幾何形狀有關(guān)。應(yīng)予指出，傳質(zhì)模型的建立，不僅使對(duì)流傳質(zhì)系數(shù)的確定得以簡(jiǎn)化，還可據(jù)此對(duì)傳質(zhì)過(guò)程及設(shè)備進(jìn)行分析，確定適宜的操作條件，并對(duì)設(shè)備的強(qiáng)化、新型高效設(shè)備的開(kāi)發(fā)等作出指導(dǎo)。但是由于工程上應(yīng)用的傳質(zhì)設(shè)備類型繁多，傳質(zhì)機(jī)理又極其復(fù)雜，所以至今尚未建立一種普遍化的比較完善的傳質(zhì)模型。4.3

17、 典型的傳質(zhì)設(shè)備一、板式塔板式塔為逐級(jí)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它主要由圓柱形殼體、塔板、溢流堰、降液管及受液盤(pán)等部件構(gòu)成。 圖4-5板式塔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-5所示板式塔的結(jié)構(gòu)，其中，1是殼體、2是塔板、3是溢流堰、4是受液盤(pán)、5是降液管。操作時(shí)，塔內(nèi)液體依靠重力作用，由上層塔板的降液管流到下層塔板的受液盤(pán)，然后橫向流過(guò)塔板，從另一側(cè)的降液管流至下一層塔板。溢流堰的作用是使塔板上保持一定厚度的液層。氣體則在壓力差的推動(dòng)下，自下而上穿過(guò)各層塔板的氣體通道（泡罩、篩孔或浮閥等），分散成小股氣流，鼓泡通過(guò)各層塔板的液層。在塔板上，氣液兩相密切接觸，進(jìn)行熱量和質(zhì)量的交換。在板式塔中，氣液兩相逐級(jí)接觸，兩

18、相的組成沿塔高呈階梯式變化，在正常操作下，液相為連續(xù)相，氣相為分散相。 一般而論，板式塔的空塔速度較高，因而生產(chǎn)能力較大，塔板效率穩(wěn)定，操作彈性大，且造價(jià)低，檢修、清洗方便，故工業(yè)上應(yīng)用較為廣泛。二、填料塔填料塔為連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它主要由圓柱形殼體、液體分布器、填料支承板、塔填料、填料壓板及液體再分布裝置等部件構(gòu)成。圖4-6填料塔的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-6所示填料塔的結(jié)構(gòu)，其中，1是塔殼體；2是液體分布器；3是填料壓板；4是填料；5是液體再分布器；6是填料支承板。填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放

19、置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過(guò)填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢(shì)，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集

20、器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。與板式塔相比，填料塔具有以下特點(diǎn)：生產(chǎn)能力大；分離效率高；壓力降小，持液量??；操作彈性大；造價(jià)較高；易堵塞；側(cè)線進(jìn)料和出料較難。第五章 氣體吸收吸收塔操作示意圖洗油脫除煤氣中粗苯流程簡(jiǎn)圖氨在水中的溶解度曲線二氧化硫在水中的溶解度曲線氧在水中的溶解度曲線1. 本章學(xué)習(xí)的目的 通過(guò)本章學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握吸收的基本概念和吸收過(guò)程的平衡關(guān)系與速率關(guān)系；掌握低組成氣體吸收的計(jì)算方法；了解吸收系數(shù)的獲取途徑和解吸過(guò)程的概念與計(jì)算方法；掌握填料塔的結(jié)構(gòu)、填料的類型、填料塔的流體力學(xué)性能與操作特性。2. 本

21、章重點(diǎn)掌握的內(nèi)容 （1）氣體吸收過(guò)程的平衡關(guān)系 （2）氣體吸收過(guò)程的速率關(guān)系 （3）低濃度氣體吸收過(guò)程的計(jì)算 3. 本章學(xué)習(xí)應(yīng)注意的問(wèn)題 （1）表示吸收過(guò)程的平衡關(guān)系為亨利定律，亨利定律有不同的表達(dá)形式，學(xué)習(xí)中應(yīng)注意把握它們之間的聯(lián)系。 （2）表示吸收過(guò)程的速率關(guān)系為吸收速率方程，吸收速率方程有不同的表達(dá)形式，學(xué)習(xí)中應(yīng)注意把握它們之間的聯(lián)系。 （3）學(xué)習(xí)中應(yīng)注意把握傳質(zhì)機(jī)理和吸收過(guò)程機(jī)理之間的聯(lián)系，注意體會(huì)講述傳質(zhì)機(jī)理和吸收過(guò)程機(jī)理的目的和意義。 4. 本章教學(xué)時(shí)數(shù)分配 授課學(xué)時(shí)數(shù)8學(xué)時(shí)5-1 吸收過(guò)程概述與氣液平衡關(guān)系 1. 學(xué)習(xí)目的通過(guò)本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握氣體吸收的基本原理、吸收塔流程和

22、氣液平衡關(guān)系。2. 本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn)吸收過(guò)程的氣液平衡關(guān)系。一、吸收過(guò)程概述1. 氣體吸收的原理與流程 氣體吸收是典型的化工單元操作過(guò)程。氣體吸收的原理是，根據(jù)混合氣體中各組分在某液體溶劑中的溶解度不同而將氣體混合物進(jìn)行分離。吸收操作所用的液體溶劑稱為吸收劑，以S表示；混合氣體中，能夠顯著溶解于吸收劑的組分稱為吸收物質(zhì)或溶質(zhì)，以A表示；而幾乎不被溶解的組分統(tǒng)稱為惰性組分或載體，以B表示；吸收操作所得到的溶液稱為吸收液或溶液，它是溶質(zhì)A在溶劑S中的溶液；被吸收后排出的氣體稱為吸收尾氣，其主要成分為惰性氣體B，但仍含有少量未被吸收的溶質(zhì)A。 圖5-1 吸收塔操作示意圖吸收過(guò)程通常在吸收塔中進(jìn)行。根據(jù)

23、氣、液兩相的流動(dòng)方向，分為逆流操作和并流操作兩類，工業(yè)生產(chǎn)中以逆流操作為主。吸收塔操作示意圖如圖片5-1所示。應(yīng)予指出，吸收過(guò)程使混合氣中的溶質(zhì)溶解于吸收劑中而得到一種溶液，但就溶質(zhì)的存在形態(tài)而言，仍然是一種混合物，并沒(méi)有得到純度較高的氣體溶質(zhì)。在工業(yè)生產(chǎn)中，除以制取溶液產(chǎn)品為目的的吸收(如用水吸收HCl氣制取鹽酸等)之外，大都要將吸收液進(jìn)行解吸，以便得到純凈的溶質(zhì)或使吸收劑再生后循環(huán)使用。解吸也稱為脫吸，它是使溶質(zhì)從吸收液中釋放出來(lái)的過(guò)程，解吸通常在解吸塔中進(jìn)行。圖片8-2所示為洗油脫除煤氣中粗苯的流程簡(jiǎn)圖。圖中虛線左側(cè)為吸收部分，在吸收塔中，苯系化合物蒸汽溶解于洗油中，吸收了粗苯的洗油(又

24、稱富油)由吸收塔底排出，被吸收后的煤氣由吸收塔頂排出。圖中虛線右側(cè)為解吸部分，在解收塔中，粗苯由液相釋放出來(lái)，并為水蒸汽帶出，經(jīng)冷凝分層后即可獲得粗苯產(chǎn)品，解吸出粗苯的洗油(也稱為貧油)經(jīng)冷卻后再送回吸收塔循環(huán)使用。 圖5-2 洗油脫除煤氣中粗苯流程簡(jiǎn)圖2. 氣體吸收的工業(yè)應(yīng)用 氣體吸收在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用大致有以下幾種。 (1) 凈化或精制氣體。 混合氣的凈化或精制常采用吸收的方法。如在合成氨工藝中，采用碳酸丙烯酯(或碳酸鉀水溶液)脫除合成氣中的二氧化碳等。 (2) 制取某種氣體的液態(tài)產(chǎn)品。氣體的液態(tài)產(chǎn)品的制取常采用吸收的方法。如用水吸收氯化氫氣體制取鹽酸等。(3) 回收混合氣體中所需的組分。

25、回收混合氣體中的某組分通常亦采用吸收的方法。如用洗油處理焦?fàn)t氣以回收其中的芳烴等。 (4) 工業(yè)廢氣的治理。 在工業(yè)生產(chǎn)所排放的廢氣中常含有少量的SO2、H2S、HF等有害氣體成分，若直接排入大氣，則對(duì)環(huán)境造成污染。因此，在排放之前必須加以治理，工業(yè)生產(chǎn)中通常采用吸收的方法，選用堿性吸收劑除去這些有害的酸性氣體。3. 氣體吸收的分類 氣體吸收過(guò)程通常按以下方法分類。 (1) 單組分吸收與多組分吸收吸收過(guò)程按被吸收組分?jǐn)?shù)目的不同，可分為單組分吸收和多組分吸收。若混合氣體中只有一個(gè)組分進(jìn)入液相，其余組分不溶（或微溶）于吸收劑，這種吸收過(guò)程稱為單組分吸收。反之，若在吸收過(guò)程中，混合氣中進(jìn)入液相的氣體

26、溶質(zhì)不止一個(gè)，這樣的吸收稱為多組分吸收。 (2) 物理吸收與化學(xué)吸收 在吸收過(guò)程中，如果溶質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可以把吸收過(guò)程看成是氣體溶質(zhì)單純地溶解于液相溶劑的物理過(guò)程，則稱為物理吸收。相反，如果在吸收過(guò)程中氣體溶質(zhì)與溶劑(或其中的活潑組分)發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，則稱為化學(xué)吸收。 (3) 低濃度吸收與高濃度吸收 在吸收過(guò)程中，若溶質(zhì)在氣液兩相中的摩爾分率均較低（通常不超過(guò)0.1），這種吸收稱為低濃度吸收；反之，則稱為高濃度吸收。對(duì)于低濃度吸收過(guò)程，由于氣相中溶質(zhì)濃度較低，傳遞到液相中的溶質(zhì)量相對(duì)于氣、液相流率也較小，因此流經(jīng)吸收塔的氣、液相流率均可視為常數(shù)。 (4) 等溫吸收與非等

27、溫吸收 氣體溶質(zhì)溶解于液體時(shí)，常由于溶解熱或化學(xué)反應(yīng)熱，而產(chǎn)生熱效應(yīng)，熱效應(yīng)使液相的溫度逐漸升高，這種吸收稱為非等溫吸收。若吸收過(guò)程的熱效應(yīng)很小，或雖然熱效應(yīng)較大，但吸收設(shè)備的散熱效果很好，能及時(shí)移出吸收過(guò)程所產(chǎn)生的熱量，此時(shí)液相的溫度變化并不顯著，這種吸收稱為等溫吸收。 工業(yè)生產(chǎn)中的吸收過(guò)程以低濃度吸收為主。本章討論單組分低濃度的等溫物理吸收過(guò)程，對(duì)于其它條件下的吸收過(guò)程，可參考有關(guān)書(shū)籍。 4. 吸收劑的選擇 吸收是氣體溶質(zhì)在吸收劑中溶解的過(guò)程。因此，吸收劑性能的優(yōu)劣往往是決定吸收效果的關(guān)鍵。選擇吸收劑應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 (1) 溶解度 吸收劑對(duì)溶質(zhì)組分的溶解度越大，則傳質(zhì)推動(dòng)力越大，吸收速率

28、越快，且吸收劑的耗用量越少。 (2) 選擇性 吸收劑應(yīng)對(duì)溶質(zhì)組分有較大的溶解度，而對(duì)混合氣體中的其它組分溶解度甚微，否則不能實(shí)現(xiàn)有效的分離。 (3) 揮發(fā)度 在吸收過(guò)程中，吸收尾氣往往為吸收劑蒸汽所飽和。故在操作溫度下，吸收劑的蒸汽壓要低，即揮發(fā)度要小，以減少吸收劑的損失量。 (4) 粘度 吸收劑在操作溫度下的粘度越低，其在塔內(nèi)的流動(dòng)阻力越小，擴(kuò)散系數(shù)越大，這有助于傳質(zhì)速率的提高。 (5) 其它 所選用的吸收劑應(yīng)盡可能無(wú)毒性、無(wú)腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。 二、吸收過(guò)程的氣液平衡關(guān)系吸收過(guò)程的氣液平衡關(guān)系是研究氣體吸收過(guò)程的基礎(chǔ)，該關(guān)系通常用氣體在液體中的溶解

29、度及亨利定律表示。 1. 氣體在液體中的溶解度 在一定的溫度和壓力下，使一定量的吸收劑與混合氣體接觸，氣相中的溶質(zhì)便向液相溶劑中轉(zhuǎn)移，直至液相中溶質(zhì)組成達(dá)到飽和為止。此時(shí)并非沒(méi)有溶質(zhì)分子進(jìn)入液相，只是在任何時(shí)刻進(jìn)入液相中的溶質(zhì)分子數(shù)與從液相逸出的溶質(zhì)分子數(shù)恰好相等，這種狀態(tài)稱為相際動(dòng)平衡，簡(jiǎn)稱相平衡或平衡。平衡狀態(tài)下氣相中的溶質(zhì)分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，液相中的溶質(zhì)組成稱為平衡組成或飽和組成。氣體在液體中的溶解度，就是指氣體在液體中的飽和組成。 氣體在液體中的溶解度可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪成的曲線稱為溶解度曲線，某些氣體在液體中的溶解度曲線可從有關(guān)書(shū)籍、手冊(cè)中查得。 圖5-3 氨在水中的

30、溶解度曲線 圖5-4 二氧化硫在水中的溶解度曲線圖5-5 氧在水中的溶解度曲線圖5-3、圖5-4和圖5-5分別為總壓不很高時(shí)氨、二氧化硫和氧在水中的溶解度曲線。從圖分析可知： （1）在同一溶劑（水）中，相同的溫度和溶質(zhì)分壓下，不同氣體的溶解度差別很大，其中氨在水中的溶解度最大，氧在水中的溶解度最小。這表明氨易溶于水，氧難溶于水，而二氧化硫則居中。 （2）對(duì)同一溶質(zhì)，在相同的氣相分壓下，溶解度隨溫度的升高而減小。 （3）對(duì)同一溶質(zhì)，在相同的溫度下，溶解度隨氣相分壓的升高而增大。 由溶解度曲線所顯示的上述規(guī)律性可看出，加壓和降溫有利于吸收操作，因?yàn)榧訅汉徒禍乜商岣邭怏w溶質(zhì)的溶解度。反之，減壓和升溫

31、則有利于解吸操作。2. 亨利定律 對(duì)于稀溶液或難溶氣體，在一定溫度下，當(dāng)總壓不很高(通常不超過(guò)500kPa)時(shí)，互成平衡的氣液兩相組成間的關(guān)系用亨利（Henry）定律來(lái)描述。因組成的表示方法不同，故亨利定律亦有不同的表達(dá)形式。 (1)px 關(guān)系 若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾分率x表示，則亨利定律可寫(xiě)成如下的形式，即 (5-1)式5-1稱為亨利定律。該式表明：稀溶液上方的溶質(zhì)分壓與該溶質(zhì)在液相中的摩爾分率成正比，其比例系數(shù)即為亨利系數(shù)。 對(duì)于理想溶液，在壓力不高及溫度恒定的條件下，p*x關(guān)系在整個(gè)組成范圍內(nèi)都符合亨利定律，而亨利系數(shù)即為該溫度下純?nèi)苜|(zhì)的飽和蒸汽壓，此時(shí)亨利定律與拉烏

32、爾定律是一致的。但實(shí)際的吸收操作所涉及的系統(tǒng)多為非理想溶液，此時(shí)亨利系數(shù)不等于純?nèi)苜|(zhì)的飽和蒸汽壓，且只在液相溶質(zhì)組成很低時(shí)才是常數(shù)。因此，亨利定律適用范圍是溶解度曲線直線部分。 亨利系數(shù)可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，亦可從有關(guān)手冊(cè)中查得對(duì)于一定的氣體溶質(zhì)和溶劑，亨利系數(shù)隨溫度而變化。一般說(shuō)來(lái)，溫度升高則E增大，這體現(xiàn)了氣體的溶解度隨溫度升高而減小的變化趨勢(shì)。在同一溶劑中，難溶氣體的E值很大，而易溶氣體的E值則很小。 (2)pc關(guān)系 若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以分壓p、摩爾濃度c表示，則亨利定律可寫(xiě)成如下的形式，即 (5-2)溶解度系數(shù)H也是溫度的函數(shù)。對(duì)于一定的溶質(zhì)和溶劑，H值隨溫度升高而減小。易溶氣體的H

33、 值很大，而難溶氣體的H值則很小。 溶解度系數(shù)H與亨利系數(shù)E的關(guān)系為 (5-3)(3yx關(guān)系 若溶質(zhì)在氣、液相中的組成分別以摩爾分率y、x表示，則亨利定律可寫(xiě)成如下的形式，即 (5-4)對(duì)于一定的物系，相平衡常數(shù)m是溫度和壓力的函數(shù)，其數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。由m 值同樣可以比較不同氣體溶解度的大小，m 值越大，則表明該氣體的溶解度越小；反之，則溶解度越大。若系統(tǒng)總壓為P，則相平衡常數(shù)m與亨利系數(shù)E的關(guān)系為(5-5)將式8-5代入式8-3，即可得Hm的關(guān)系為 (5-6)(4) YX關(guān)系 式5-4是以摩爾分率表示的亨利定律。摩爾分率是指混合物中某組分的摩爾數(shù)占混合物總摩爾數(shù)的分率，但在吸收過(guò)程中，混合

34、物的總摩爾數(shù)是變化的。如用水吸收混于空氣中氨的過(guò)程，氨作為溶質(zhì)可溶于水中，而空氣與水不能互溶（稱為惰性組分）。隨著吸收過(guò)程的進(jìn)行，混合氣體及混合液體的摩爾數(shù)是變化的，而混合氣體及混合液體中的惰性組分的摩爾數(shù)是不變的。此時(shí)，若用摩爾分率表示氣、液相組成，計(jì)算很不方便。為此引入以惰性組分為基準(zhǔn)的摩爾比來(lái)表示氣、液相的組成。 當(dāng)溶液組成很低時(shí)，則 (5-7) 式5-7表明當(dāng)液相中溶質(zhì)組成足夠低時(shí)，平衡關(guān)系在YX圖中可近似地表示成一條通過(guò)原點(diǎn)的直線，其斜率為m。 應(yīng)予指出，亨利定律的各種表達(dá)式所描述的都是互成平衡的氣液兩相組成之間的關(guān)系，它們既可用來(lái)根據(jù)液相組成計(jì)算與之平衡的氣相組成，也可用來(lái)根據(jù)氣相

35、組成計(jì)算與之平衡的液相組成。二、 吸收速率方程式描述吸收速率與吸收推動(dòng)力之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式即為吸收速率方程式。與傳熱等其它傳遞過(guò)程一樣，吸收過(guò)程的速率關(guān)系也遵循“過(guò)程速率過(guò)程推動(dòng)力/過(guò)程阻力”的一般關(guān)系式，其中的推動(dòng)力是指濃度差，吸收阻力的倒數(shù)稱為吸收系數(shù)。因此，吸收速率關(guān)系又可表示成“吸收速率吸收系數(shù)×推動(dòng)力”的形式。 1. 膜吸收速率方程式 對(duì)于穩(wěn)態(tài)吸收操作，在吸收設(shè)備內(nèi)的任一部位上，相界面兩側(cè)的氣、液膜層中的傳質(zhì)速率應(yīng)是相等的(否則會(huì)在相界面處有溶質(zhì)積累)。因此，其中任何一側(cè)停滯膜中的傳質(zhì)速率都能代表該部位上的吸收速率。單獨(dú)根據(jù)氣膜或液膜的推動(dòng)力及阻力寫(xiě)出的速率關(guān)系式稱為氣膜

36、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)。 (1) 氣膜吸收速率方程式 (5-8)當(dāng)氣相組成以摩爾分率表示時(shí)，相應(yīng)的氣膜吸收速率方程式為 (5-9) 由式8-8與式8-9比較可得 (5-10) (2) 液膜吸收速率方程式 (5-11) 當(dāng)液相組成以摩爾分率表示時(shí)，相應(yīng)的液膜吸收速率方程式為 (5-12) 由式5-11與式5-12比較可得 (5-13) (3) 界面濃度 在以上各膜吸收速率方程式中，都含有界面濃度。因此，要使用膜吸收速率方程式，就必須解決如何確定界面濃度的問(wèn)題。 由雙膜理論的要點(diǎn)可知，界面處的氣液組成符合平衡關(guān)系。且在穩(wěn)態(tài)下，氣、液兩膜中的傳質(zhì)速率相等。由此可得 所

37、以 (5-14) 式5-14表明，在直角坐標(biāo)系中，pici關(guān)系是一條通過(guò)定點(diǎn)A (c，p)而斜率為 -kL / kG的直線，該直線與平衡線OE交點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)便分別是界面上的液相摩爾濃度ci、氣相分壓pi，如圖片5-6所示。 圖5-6 界面濃度的確定2. 總吸收速率方程式 一般而言，界面濃度是難以測(cè)定的，為避開(kāi)這一難題，可以采用類似于間壁傳熱中的處理方法。在研究間壁傳熱的速率時(shí)，為了避開(kāi)難以測(cè)定的壁面溫度，引入了總傳熱速率、總傳熱系數(shù)、總傳熱推動(dòng)力等概念。對(duì)于吸收過(guò)程，同樣可以采用兩相主體組成的某種差值來(lái)表示總推動(dòng)力，從而寫(xiě)出相應(yīng)的總吸收速率方程式。 吸收過(guò)程之所以能自發(fā)地進(jìn)行，就是因?yàn)閮上嘀?/p>

38、體組成尚未達(dá)到平衡，一旦任何一相主體組成與另一相主體組成達(dá)到了平衡，推動(dòng)力便等于零。因此，吸收過(guò)程的總推動(dòng)力應(yīng)該用任何一相的主體組成與其平衡組成的差值來(lái)表示。 （1）以(pp*)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 若吸收系統(tǒng)服從亨利定律或平衡關(guān)系在過(guò)程所涉及的組成范圍內(nèi)為直線，則 根據(jù)雙膜模型，相界面上兩相互成平衡，則將以上兩式代入式5-14，并整理得由氣膜吸收速率方程式可得上兩式相加可得令 (8-15) 則 (8-16) 式5-16即為以(pp*)為總推動(dòng)力的吸收速率方程式，也稱為氣相總吸收速率方程式?？偽障禂?shù)的倒數(shù)1/KG 為兩膜總阻力。由式8-16可以看出，此總阻力是由氣膜阻力1/kG和液膜

39、阻力1/HkL兩部分組成的。 對(duì)于易溶氣體，H值很大，在kG與kL數(shù)量級(jí)相同或接近的情況下存在如下的關(guān)系，即 此時(shí)傳質(zhì)總阻力的絕大部分存在于氣膜之中，液膜阻力可忽略，式5-15可簡(jiǎn)化為 該式表明氣膜阻力控制著整個(gè)吸收過(guò)程的速率，吸收的總推動(dòng)力主要用來(lái)克服氣膜阻力，這種情況稱為“氣膜控制”。用水吸收氨、氯化氫等過(guò)程，通常都被視為氣膜控制的吸收過(guò)程。 圖5-7 氣膜控制示意圖氣膜控制如圖5-7所示。由圖片5-7可看出，對(duì)于氣膜控制過(guò)程，以下關(guān)系成立，即（2）以(c*c)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 同理，可導(dǎo)出以(c*c)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式為 (5-17) 其中 (5-18) 總吸收系數(shù)

40、的倒數(shù)1/KL為兩膜總阻力。由式5-18可看出，此總阻力是由氣膜阻力H/kG和液膜阻力1/kG兩部分構(gòu)成的。 對(duì)于難溶氣體，H值很小，在kG與kL數(shù)量級(jí)相同或接近的情況下存在如下的關(guān)系，即 此時(shí)傳質(zhì)阻力的絕大部分存在于液膜之中，氣膜阻力可以忽略，式5-18可簡(jiǎn)化為 該式表明液膜阻力控制著整個(gè)吸收過(guò)程的速率，吸收總推動(dòng)力的絕大部分用于克服液膜阻力，這種情況稱為“液膜控制”。用水吸收氧、二氧化碳等過(guò)程，通常都被視為液膜控制的吸收過(guò)程。圖5-8 液膜控制示意圖液膜控制如圖片5-8所示。由圖片5-8可看出，對(duì)于液膜控制過(guò)程，以下關(guān)系成立，即 一般情況下，對(duì)于具有中等溶解度的氣體吸收過(guò)程，氣膜和液膜共同

41、控制著整個(gè)吸收過(guò)程，氣膜阻力和液膜阻力均不可忽略，該過(guò)程稱為雙膜控制，用水吸收二氧化硫等過(guò)程既屬于雙膜控制的吸收過(guò)程。 （3）以(yy*)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 同理可導(dǎo)出(5-19)  式5-19即為以(yy*)為總推動(dòng)力的吸收速率方程式，它是氣相總吸收速率方程式的另一種表示形式。 （4）以(x*x)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 同理可導(dǎo)出 (5-20) （5）以(YY*)、(X*X)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 在吸收計(jì)算中，當(dāng)溶質(zhì)含量較低時(shí)，通常采用摩爾比表示組成較為方便，故常用到以(YY*)或(X*X)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式。 同理可導(dǎo)出(5-21) 當(dāng)吸收質(zhì)在氣

42、相中的組成很低時(shí)，Y和Y*都很小，則(5-22) 同理可導(dǎo)出以(X*X)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式為 (5-23) 當(dāng)溶質(zhì)在液相中的組成很低時(shí)，X*和X都很小，則(5-24) 3. 吸收速率方程式小結(jié) 前已述及，基于不同形式的推動(dòng)力，可以寫(xiě)出相應(yīng)的吸收速率方程式。使用吸收速率方程式應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。 （1）上述的各種吸收速率方程式是等效的。采用任何吸收速率方程式均可計(jì)算吸收過(guò)程的速率。 （2）任何吸收系數(shù)的單位都是kmol/(m2·s·單位推動(dòng)力)。當(dāng)推動(dòng)力以無(wú)因次的摩爾分率或摩爾比表示時(shí)，吸收系數(shù)的單位簡(jiǎn)化為kmol/(m2·s)，即與吸收速率的單位相同。 （3

43、）必須注意各吸收速率方程式中的吸收系數(shù)與吸收推動(dòng)力的正確搭配及其單位的一致性。吸收系數(shù)的倒數(shù)即表示吸收過(guò)程的阻力，阻力的表達(dá)形式也必須與推動(dòng)力的表達(dá)形式相對(duì)應(yīng)。 （4）上述各吸收速率方程式，都是以氣液組成保持不變?yōu)榍疤岬?，因此只適合于描述穩(wěn)態(tài)操作的吸收塔內(nèi)任一橫截面上的速率關(guān)系，而不能直接用來(lái)描述全塔的吸收速率。在塔內(nèi)不同橫截面上的氣液組成各不相同，其吸收速率也不相同。 （5）在使用與總吸收系數(shù)相對(duì)應(yīng)的吸收速率方程式時(shí)，在整個(gè)過(guò)程所涉及的組成范圍內(nèi)，平衡關(guān)系須為直線。2-4 低濃度氣體吸收的計(jì)算逆流吸收塔的物料衡算示意圖 逆流吸收塔的操作線吸收塔的最小液氣比微元填料層的物料衡算氣相總傳質(zhì)單元高

44、度NOG關(guān)系圖梯級(jí)圖解法求NOG吸收塔的理論級(jí)數(shù)克列姆塞爾算圖NT 關(guān)系圖 1. 學(xué)習(xí)目的 通過(guò)本知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，應(yīng)掌握低濃度氣體吸收過(guò)程的計(jì)算方法。2. 本知識(shí)點(diǎn)的重點(diǎn) (1) 物料衡算與操作線方程。 (2) 最小液氣比與適宜液氣比。 (3) 用傳質(zhì)單元數(shù)法計(jì)算填料層高度。 3. 本知識(shí)點(diǎn)的難點(diǎn) 傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)概念的理解。 一、物料衡算與操作線方程在工業(yè)中，吸收操作多采用塔式設(shè)備，既可采用氣液兩相在塔內(nèi)逐級(jí)接觸的板式塔，也可采用氣液兩相在塔內(nèi)連續(xù)接觸的填料塔。工業(yè)中以采用填料塔為主，故本節(jié)對(duì)于吸收過(guò)程計(jì)算的討論結(jié)合填料塔進(jìn)行。1. 物料衡算 圖5-9逆流吸收塔物料衡算示意圖圖5-9所

45、示為一個(gè)處于穩(wěn)態(tài)操作下的逆流接觸吸收塔。下標(biāo)“1”表示塔底截面，下標(biāo)“2”表示塔頂截面，m-n代表塔內(nèi)的任一截面。 在吸收塔的兩端面間，對(duì)溶質(zhì)A作物料衡算，可得 或(5-25) 通常，進(jìn)塔混合氣的組成與流量是由吸收任務(wù)規(guī)定的，而吸收劑的初始組成和流量往往根據(jù)生產(chǎn)工藝要求確定。如果吸收任務(wù)又規(guī)定了溶質(zhì)回收率A則氣體出塔時(shí)的組成Y2為 (5-26) 由此，qn,V、Y1、qn,L、X2及Y2均為已知，再通過(guò)全塔物料衡算式8-25便可求得塔底排出吸收液的組成X1。 2. 吸收塔的操作線方程 吸收塔內(nèi)任一橫截面上，氣液組成Y與X之間的關(guān)系稱為操作關(guān)系，描述該關(guān)系的方程即為操作線方程。在穩(wěn)態(tài)操作的情況下

46、，操作線方程可通過(guò)對(duì)組分A進(jìn)行物料衡算獲得。在m-n截面與塔底端面之間對(duì)組分A進(jìn)行衡算，可得 或(5-27) 同理，在m-n截面與塔頂端面之間作組分A的衡算，得 (5-28) 式5-27與式5-28是等效的，皆稱為逆流吸收塔的操作線方程。圖5-10逆流吸收塔的操作線由操作線方程可知，塔內(nèi)任一橫截面上的氣相組成Y與液相組成X成線性關(guān)系，直線的斜率為qn,L/qn,V，該直線通過(guò)點(diǎn)B(X1，Y1)及點(diǎn)T(X2，Y2)。圖片5-10中的直線BT即為逆流吸收塔的操作線。操作線BT上任一點(diǎn)A的坐標(biāo)(X，Y)代表塔內(nèi)相應(yīng)截面上液、氣組成X、Y，端點(diǎn)B代表填料層底部端面，即塔底的情況，該處具有最大的氣液組成

47、，故稱之為“濃端”；端點(diǎn)T代表填料層頂部端面，即塔頂?shù)那闆r，該處具有最小的氣液組成，故稱之為“稀端”。圖片8-10中的曲線OE為相平衡曲線。當(dāng)進(jìn)行吸收操作時(shí)，在塔內(nèi)任一截面上，溶質(zhì)在氣相中的實(shí)際組成Y總是高于與其相接觸的液相平衡組成Y*，所以吸收操作線BT總是位于平衡線OE的上方。反之，如果操作線位于相平衡曲線的下方，則應(yīng)進(jìn)行脫吸過(guò)程。 應(yīng)予指出，以上的討論都是針對(duì)逆流操作而言的。對(duì)于氣、液并流操作的情況，吸收塔的操作線方程及操作線可采用同樣的辦法求得。無(wú)論是逆流操作還是并流操作的吸收塔，其操作線方程及操作線都是由物料衡算求得的，與吸收系統(tǒng)的平衡關(guān)系、操作條件以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)型式等均無(wú)任何牽連。

48、二、吸收劑用量的確定在吸收塔的計(jì)算中，通常氣體處理量是已知的，而吸收劑的用量需要通過(guò)工藝計(jì)算來(lái)確定。在氣量qn,V一定的情況下，確定吸收劑的用量也即確定液氣比qn,L/qn,V。仿照精餾中適宜（操作）回流比的確定方法，可先求出吸收過(guò)程的最小液氣比，然后再根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，確定適宜（操作）液氣比。 最小液氣比 圖5-11吸收塔的最小液氣比操作線斜率qn,L/qn,V稱為液氣比，它反映了單位氣體處理量的溶劑消耗量的大小。如圖片5-11(a)所示，在Y1、Y2及X2已知的情況下，操作線的端點(diǎn)T已固定，另一端點(diǎn)B則可在YY1的水平線上移動(dòng)。B點(diǎn)的橫坐標(biāo)將取決于操作線的斜率qn,L/qn,V，若qn,V值一

49、定，則取決于吸收劑用量qn,L的大小。 在qn,V值一定的情況下，吸收劑用量qn,L減小，操作線斜率也將變小，點(diǎn)B便沿水平線YY1向右移動(dòng)，其結(jié)果是使出塔吸收液的組成增大，但此時(shí)吸收推動(dòng)力也相應(yīng)減小。當(dāng)吸收劑用量減小到恰使點(diǎn)B移至水平線YY1與平衡線OE的交點(diǎn)B*時(shí)， X1=X1*，即塔底流出液組成與剛進(jìn)塔的混合氣組成達(dá)到平衡。這是理論上吸收液所能達(dá)到的最高組成，但此時(shí)吸收過(guò)程的推動(dòng)力已變?yōu)榱?，因而需要無(wú)限大的相際接觸面積，即吸收塔需要無(wú)限高的填料層。這在工程上是不能實(shí)現(xiàn)的，只能用來(lái)表示一種極限的情況。此種狀況下吸收操作線TB*的斜率稱為最小液氣比，以(qn,L/qn,V)min表示；相應(yīng)的吸

50、收劑用量即為最小吸收劑用量，以qn,Lmin表示。 最小液氣比可用圖解法求得。由圖片5-11(a)可得 (5-29)或(5-29a)如果平衡曲線呈現(xiàn)如圖片5-11(b)所示的形狀，則應(yīng)過(guò)點(diǎn)T作平衡曲線的切線，找到水平線YY1與此切線的交點(diǎn)B，從而讀出點(diǎn)B的橫坐標(biāo)X1 的數(shù)值，然后按下式計(jì)算最小液氣比，即 (5-30) 2. 適宜的液氣比 在吸收任務(wù)一定的情況下，吸收劑用量越小，溶劑的消耗、輸送及回收等操作費(fèi)用減少，但吸收過(guò)程的推動(dòng)力減小，所需的填料層高度及塔高增大，設(shè)備費(fèi)用增加。反之，若增大吸收劑用量，吸收過(guò)程的推動(dòng)力增大，所需的填料層高度及塔高降低，設(shè)備費(fèi)減少，但溶劑的消耗、輸送及回收等操作

51、費(fèi)用增加。由以上分析可見(jiàn)，吸收劑用量的大小，應(yīng)從設(shè)備費(fèi)用與操作費(fèi)用兩方面綜合考慮，選擇適宜的液氣比，使兩種費(fèi)用之和最小。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般情況下取吸收劑用量為最小用量的1.12.0倍是比較適宜的，即 (5-31) 或(5-31a) 應(yīng)予指出，在填料吸收塔中，填料表面必須被液體潤(rùn)濕，才能起到傳質(zhì)作用。為了保證填料表面能被液體充分地潤(rùn)濕，液體量不得小于某一最低允許值。如果按式5-31算出的吸收劑用量不能滿足充分潤(rùn)濕填料的起碼要求，則應(yīng)采用較大的液氣比。 三、塔徑的計(jì)算工業(yè)上的吸收塔通常為圓柱形，故吸收塔的直徑可根據(jù)圓形管道內(nèi)的流量公式計(jì)算，即 (5-32)應(yīng)予指出，在吸收過(guò)程中，由于溶質(zhì)不斷進(jìn)

52、入液相，故混合氣體流量由塔底至塔頂逐漸減小。在計(jì)算塔徑時(shí)，一般應(yīng)以塔底的氣量為依據(jù)。 由式5-32可知，計(jì)算塔徑的關(guān)鍵在于確定適宜的空塔氣速u。適宜的空塔氣速u的確定方法可參考有關(guān)書(shū)籍。四、吸收塔有效高度的計(jì)算吸收塔的有效高度是指塔內(nèi)進(jìn)行氣液傳質(zhì)部分的高度，也即填料層的高度。填料層高度的計(jì)算可分為傳質(zhì)單元數(shù)法和等板高度法，現(xiàn)分別予以介紹。（一）傳質(zhì)單元數(shù)法傳質(zhì)單元數(shù)法是依據(jù)傳質(zhì)速率方程來(lái)計(jì)算填料層高度，故又稱為傳質(zhì)速率模型法。1. 基本計(jì)算式采用傳質(zhì)單元數(shù)法計(jì)算填料層高度，將涉及到物料衡算、傳質(zhì)速率與相平衡這三種關(guān)系式的應(yīng)用?，F(xiàn)以連續(xù)逆流操作的填料吸收塔為例，推導(dǎo)填料層高度的基本計(jì)算公式。 填

53、料塔是一種連續(xù)接觸式設(shè)備，隨著吸收的進(jìn)行，沿填料層高度氣液兩相的組成均不斷變化，傳質(zhì)推動(dòng)力也相應(yīng)地改變，塔內(nèi)各截面上的吸收速率并不相同。因此，前面所講的吸收速率方程式，都只適用于塔內(nèi)任一截面，而不能直接應(yīng)用于全塔。為解決填料層高度的計(jì)算問(wèn)題，需要對(duì)微元填料層進(jìn)行物料衡算。 圖5-12 微元填料層的物料衡算如圖5-12所示，在填料吸收塔內(nèi)任意位置上選取微元填料層高度dZ，在此微元填料層內(nèi)對(duì)組分A作物料衡算，可得(5-33)在微元填料層內(nèi)，因氣、液組成變化很小，故可認(rèn)為吸收速率NA為定值，則 (5-34)由吸收速率方程式將此式代入式5-34可得及再將式5-33代入以上二式，整理可得 (5-35)

54、  及(5-36) 在穩(wěn)態(tài)操作條件下，對(duì)于低組成吸收過(guò)程，qn,L、qn,V以及a皆不隨時(shí)間而變化，且不隨截面位置而改變，KY 及KX 也可視為常數(shù)。于是，對(duì)式5-35和式5-36在全塔范圍內(nèi)積分可得 (5-37) (5-38) 式5-37、式5-38即為填料層高度的基本計(jì)算公式。應(yīng)予指出，上述二式中的有效比表面積a總要小于填料的比表面積at（單位體積填料層中填料的總面積）。這是因?yàn)橹挥心切┍涣鲃?dòng)的液體膜層所潤(rùn)濕的填料表面，才能提供氣液接觸的有效面積。因此，a 值不僅與填料的形狀、尺寸及填充狀況有關(guān)，而且受流體物性及流動(dòng)狀況的影響。一般a的數(shù)值很難直接測(cè)量，通常將其與吸收系數(shù)的乘積視

55、為一體，作為一個(gè)完整的物理量來(lái)看待，稱為“體積吸收系數(shù)”。式5-37、式5-38中的KYa及KXa分別稱為氣相總體積吸收系數(shù)及液相總體積吸收系數(shù)，其單位均為kmol/(m3·s)。體積吸收系數(shù)的物理意義為：在推動(dòng)力為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間單位體積填料層內(nèi)所吸收溶質(zhì)的量。 2. 傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù) (1) 傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的定義 與傳熱計(jì)算中的傳熱單元長(zhǎng)度和傳熱單元數(shù)的概念類似，在吸收計(jì)算中可引入傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)的概念。 對(duì)式5-37分析可知，等號(hào)右端的因式 具有高度的單位，定義為“氣相總傳質(zhì)單元高度”，以HOG表示，即 (5-39) 等號(hào)右端的積分項(xiàng)中的分子與分母具有相同的單位，因而整個(gè)積分為無(wú)因次的數(shù)值，它代表所需填料層總高度Z相當(dāng)于氣相總傳質(zhì)單元高度HOG的倍數(shù)，定義為“氣相總傳質(zhì)單元數(shù)”，以NOG表示，即 (5-40) 于是，式5-37可