化學(xué)工程基礎(chǔ)：第四章 傳質(zhì)過程

1、第四章 傳質(zhì)過程4.1概述傳質(zhì)過程:在含有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分的混合體系中，如果存在濃度梯度，某一組分或某些組分將由高濃度向低濃度移動(dòng)，該移動(dòng)過程稱為傳質(zhì)過程分為兩種形式：兩相中的傳遞，如吸收、蒸餾、萃取、吸附單相中的傳遞，如膜分離傳質(zhì)可分為三個(gè)步驟（1）擴(kuò)散物質(zhì)由一相主體擴(kuò)散到相界面（單相中傳質(zhì)）；（2） 在相界面上的物質(zhì)從一相側(cè)進(jìn)入界面另一相側(cè)（相際傳質(zhì)）（3）自界面另一相側(cè)擴(kuò)散到該相主體（單相中傳質(zhì)） 總傳質(zhì)速率取決于單相傳質(zhì)速率單相中的傳質(zhì)同時(shí)存在著分子擴(kuò)散與對(duì)流擴(kuò)散。4.2 傳質(zhì)過程機(jī)理擴(kuò)散(通量）速率：單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于擴(kuò)散方向的單位截面積上擴(kuò)散的物質(zhì)量，用NA,0表示 mol/(

2、m2s) 分子擴(kuò)散速率與物質(zhì)性質(zhì)、濃度差和擴(kuò)散距離等因素有關(guān)。恒溫恒壓下，組分A相對(duì)于組分B作定常態(tài)分子擴(kuò)散時(shí)，其擴(kuò)散速率可用費(fèi)克定律描述4.2.1單相中的傳質(zhì)分子擴(kuò)散：流體內(nèi)某一組分存在濃度差時(shí)，則因分子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)使該組分由濃度較高處傳遞至濃度較低處的現(xiàn)象ABpp圖1費(fèi)克定律：溫度、總壓一定，組分A在擴(kuò)散方向上任一 點(diǎn)處的擴(kuò)散速率與該處A的濃度梯度成正比 ，其表達(dá)式為： NA,0組分A擴(kuò)散速率（擴(kuò)散通量），kmol/（m2s） 組分A在擴(kuò)散方向z上的濃度梯度（kmol/m3）/m DAB組分A在B組分中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s Z組分A沿?cái)U(kuò)散方向的距離，m負(fù)號(hào)：表示擴(kuò)散方向與濃度梯度方向相反

3、，擴(kuò)散沿著濃度降低的方向進(jìn)行 分子擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程分子擴(kuò)散兩種形式：等物質(zhì)量反向擴(kuò)散，單向擴(kuò)散 1等物質(zhì)量反向擴(kuò)散及傳質(zhì)速率方程TcM（P）cA1(pA1）cB1(pB1)TcM（P）cA2(pA2)cB2(pB2)NANB設(shè)如圖實(shí)驗(yàn)裝置中的兩個(gè)容器為無限大，則抽掉隔板后，有 (1) 由于1、2截面上的物質(zhì)量不隨時(shí)間而變，所以在聯(lián)通管中的分子擴(kuò)散是穩(wěn)定的。 (2) 由于聯(lián)通管中任何一點(diǎn)C=Constant，所以在聯(lián)通管中任何一點(diǎn)的任何方向上有nA=nBcA1(pA1）cB1(pB1)cA2(pA2)cB2(pB2)z1z2z12在聯(lián)通管中除濃度差引起的分子擴(kuò)散外，沒有其他原因引起質(zhì)量的傳遞 聯(lián)

4、通管中的傳質(zhì)速率就等于分子擴(kuò)散通量，根據(jù)費(fèi)克定律定常態(tài)擴(kuò)散條件下，雙組分混合物系各處總濃度相等，即若分子擴(kuò)散發(fā)生在兩組分氣相混合物或兩組分性質(zhì)相似的液相混合物時(shí)等物質(zhì)量的反向分子擴(kuò)散（等摩爾逆向擴(kuò)散）：雙組分混合物系中，當(dāng)總濃度（總壓）不變，兩組分分子擴(kuò)散的物質(zhì)量必然相等，方向相反cM(p）cA1(pA1）cB1(pB1)cA2(pA2)cB2(pB2)z1z2z圖3傳質(zhì)通量：單位時(shí)間通過垂直于傳質(zhì)方向上單位面積的物質(zhì)量稱為傳質(zhì)通量NA，包括分子擴(kuò)散通量和物質(zhì)整體流動(dòng)所帶來的通量對(duì)于單純的等物質(zhì)量反向擴(kuò)散過程，傳質(zhì)通量等于分子擴(kuò)散通量，即積分對(duì)于理想氣體，濃度可用分壓表示（3）同樣，對(duì)于B組分

5、例4-1 兩容器中氨氣（組分A）與氮?dú)猓ńM分B）作等物質(zhì)量反向擴(kuò)散。已知兩容器間距為0.1m，在總壓為1.013105Pa ，溫度為298k時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)為0.2310-4m2/s，氨在兩容器的分壓分別為1.013104Pa 和7.01103Pa ，計(jì)算定常態(tài)下氨氣和氮?dú)獾臄U(kuò)散通量2.單向擴(kuò)散及速率方程 界面總體流動(dòng)：因溶質(zhì)擴(kuò)散到界面溶解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，促使混合氣體向界面流動(dòng),流動(dòng)通量表示為NM 單方向擴(kuò)散：A.B雙組分氣體混合物與液體溶劑接觸，如果組分A溶解于液相，而組分B不溶，那么吸收過程是組分A的單方向擴(kuò)散圖4圖5界面圖5對(duì)于組分B:在整體流動(dòng)時(shí)，使相界面上組分B的濃度

6、增加，導(dǎo)致組分B從相界面向流體主體作反方向擴(kuò)散在定常態(tài)下，分子擴(kuò)散方向與整體移動(dòng)帶入相界面組分B的量，兩者數(shù)值相等，方向相反，使得相界面處B組分的量恒定，即NB=0總體流體是由于系統(tǒng)內(nèi)流體主體與相界面處存在的總壓差引起流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，但其起因還是分子擴(kuò)散在氣相整體移動(dòng)中，組分A的傳遞速率與組分B的傳遞速率的比值等于它們的分壓力之比組分A:分子擴(kuò)散方向與整體移動(dòng)方向相同，傳質(zhì)通量為分子擴(kuò)散通量與整體移動(dòng)中組分A的傳質(zhì)通量之和 單向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程組分B:凈傳質(zhì)通量為零單方向擴(kuò)散組分A傳質(zhì)通量：積分穩(wěn)態(tài)吸收，NA為定值，操作條件一定時(shí)，D、p、T均為常數(shù)氣相組分A單方向擴(kuò)散的傳質(zhì)速率方程引入分壓的

7、對(duì)數(shù)平均值（6）單方向擴(kuò)散的傳質(zhì)速率與溶質(zhì)的分壓差成正比，與溫度、擴(kuò)散距離和惰性組分的對(duì)數(shù)平均分壓成反比一般說來，液相中的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣相中的擴(kuò)散速度。液相中發(fā)生等摩爾反向擴(kuò)散的機(jī)會(huì)很少，發(fā)生單向分子擴(kuò)散則較為多見。 若用組分濃度代替分壓比較等物質(zhì)量反向擴(kuò)散和單方向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程由于混合體系總壓總是大于分壓，所以說明組分A單向擴(kuò)散時(shí)的傳質(zhì)通量比等物質(zhì)量反向擴(kuò)散時(shí)大，由于整體流動(dòng)使組分A的傳質(zhì)通量增大。p/pBm(c/cBm)稱為“漂流因子”，其大小反映了整體流動(dòng)對(duì)傳質(zhì)速率的影響程度例題4-2 在20及101.325kPa下CO2與空氣的混合物緩慢地沿Na2CO3溶液液面流過，空氣不溶于N

8、a2CO3溶液， CO2透過厚1mm的靜止空氣層擴(kuò)散到Na2CO3溶液中。氣體中CO2的摩爾分?jǐn)?shù)為0.2。在Na2CO3溶液面上， CO2被迅速吸收，故相界面上的CO2濃度極小，可忽略不計(jì)， 20及101.325kPa時(shí)， CO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)D為0.18cm2/s. CO2的擴(kuò)散速率是多少？氣相主體空氣(惰性氣體）的分壓力pB1=p- pA1=101.325-20.27=81.06KPa 氣液界面上空氣的分壓力pB2=101.325KPa 空氣在氣相主體和界面上分壓力的對(duì)數(shù)平均值為解：此題屬單方向擴(kuò)散，可用單方向擴(kuò)散傳質(zhì)速率方程計(jì)算 擴(kuò)散系數(shù)D= 0.18cm2/s=1.810-5m2/

9、s 擴(kuò)散距離Z=1mm=0.001m,氣相總壓力p= 101.325kPa 氣相主體中的CO2分壓力pA1=p*yA1=101.3250.2=20.27kPa 氣液界面上的CO2分壓力pA2=0 3 擴(kuò)散系數(shù) 擴(kuò)散系數(shù)是擴(kuò)散物質(zhì)在單位面積、單位濃度梯度下的擴(kuò)散速率，表示物質(zhì)的傳遞特性一、氣相擴(kuò)散系數(shù) 分子擴(kuò)散體積相對(duì)分子質(zhì)量T為絕對(duì)溫度二、液相擴(kuò)散系數(shù) 由上式，得 （非電解質(zhì)稀溶液） 溶劑的締合參數(shù)溶劑的相對(duì)分子質(zhì)量溶液溫度溶液的粘度溶質(zhì)的摩爾體積例4-3 水蒸氣在空氣中擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定將如圖所示的裝置放在328k的恒溫箱內(nèi)，立管中盛水，最初水面離上端管口的距離為0.125m，迅速向上部橫管

10、中通入干燥的空氣（空氣流量達(dá)到足以保證被測(cè)氣體在管口的分壓大致為零）壓力為101.3kPa。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得經(jīng)290h后，管中的水面離上端管口距離增加到0.150m，求水蒸氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)干空氣對(duì)流傳質(zhì) 對(duì)流傳質(zhì)：湍流流體與兩相界面之間的傳質(zhì)。湍流流體中，物質(zhì)傳遞主要是分子擴(kuò)散和渦流擴(kuò)散兩種傳質(zhì)作用之和，即 式中 DE越大，表明流體質(zhì)點(diǎn)在其濃度梯度方向上的脈動(dòng)越劇烈，傳質(zhì)速率越高。與分子擴(kuò)散系數(shù)不同，渦流擴(kuò)散系數(shù)不是流體的物理性質(zhì)，而是雷諾數(shù)的函數(shù)渦流擴(kuò)散：由流體質(zhì)點(diǎn)的宏觀運(yùn)動(dòng)（湍動(dòng)和漩渦）引起的物質(zhì)傳遞過程。（靜止流體內(nèi)部依靠分子擴(kuò)散）對(duì)流傳質(zhì)方式和濃度分布 1層流 分子擴(kuò)散 線性 2湍流 層

11、流底層 分子擴(kuò)散 近似線性 過渡流區(qū) 分子擴(kuò)散和 渦流擴(kuò)散 非線性 湍流主體區(qū) 渦流擴(kuò)散為主 近似水平線有效膜：仿照湍流傳熱處理方法，把全部傳質(zhì)阻力看作集中在有效膜層中，用分子擴(kuò)散速率描述對(duì)流擴(kuò)散速率，有效膜層厚度為zG對(duì)流傳質(zhì)速率方程1氣膜傳質(zhì)速率方程 設(shè)有效膜的流體按層流流動(dòng)，則由氣相主體到界面的擴(kuò)散相當(dāng)于通過有效膜的單方向分子擴(kuò)散，所以令kG為氣膜傳質(zhì)系數(shù), 單位為mol/m2.s.Pa令kL為液膜傳質(zhì)系數(shù)，單位為m/s2液膜傳質(zhì)速率方程 同理可得 傳質(zhì)系數(shù)體現(xiàn)了傳質(zhì)通量的大小，其倒數(shù)表示傳質(zhì)阻力的大小。傳質(zhì)系數(shù)與流體的物理性質(zhì)和流體流動(dòng)狀況等因素有關(guān)?？赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)測(cè)定或由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。雙

12、膜理論雙膜理論的基本點(diǎn) （1）氣液兩相存在一個(gè)穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的氣膜和液膜。膜內(nèi)為層流，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散方式通過氣膜和液膜。膜層的厚度隨流體的流動(dòng)狀態(tài)而變化。（2）相界面處兩相達(dá)平衡，無傳質(zhì)阻力（3）有效膜以外主體中，充分湍動(dòng)，物質(zhì)濃度均勻，濃度梯度為零。溶質(zhì)主要以渦流擴(kuò)散的形式傳質(zhì)。雙膜理論模型示意圖4.2.2 相際間的傳質(zhì)溶質(zhì)滲透理論、表面更新理論、雙膜理論2022/7/2030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 氣相擴(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

13、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。吸收過程則為溶質(zhì)通過氣膜和液膜的分子擴(kuò)散過程。 基于以上模型，將傳質(zhì)阻力全部折算到虛擬膜內(nèi)，傳質(zhì)過程簡化為氣液兩有效膜層的分子擴(kuò)散。則傳質(zhì)速率方程可表示為以分子擴(kuò)散形式表示的傳質(zhì)速率，為吸收速率計(jì)算提供了方便.用雙膜理論解釋具有固定相界面及氣速不高的氣液兩流體間的傳質(zhì)過程如低氣速填料塔，基本能符合實(shí)際結(jié)果第五章 吸收過程本章內(nèi)容第一節(jié) 概述第二節(jié) 氣液相平衡第三節(jié)吸收速率方程第四節(jié)吸收塔的計(jì)算5.1 吸收過程的特點(diǎn)及分類吸收是用液體處理氣體混合物，根據(jù)氣體混合物中各組分在液相中溶解度的不同，使某些易溶組分進(jìn)入液相形成溶

14、液，不溶或難溶組分仍留在氣相，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體的分離。氣體吸收是傳質(zhì)分離過程氣體吸收過程包含有組分從一相到另一相的轉(zhuǎn)移過程的推動(dòng)力為：濃度差C吸收過程在吸收塔中進(jìn)行吸收質(zhì)或溶質(zhì)：混合氣體中的溶解組分，以A表示。惰性氣體或載體：不溶或難溶組分，以B表示。吸收劑：吸收操作中所用的溶劑，以S表示。吸收液：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：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。 吸收塔混合氣(A+B)吸收液(A+S)吸收劑(S)吸收尾氣(A+B)一、吸收過程分類：1.從被吸收的組分?jǐn)?shù)分：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

15、略不計(jì)。多組分吸收：有兩個(gè)或兩個(gè)以上組分被吸收。2. 從過程是否發(fā)生的明顯溫度變化分：等溫吸收：體系溫度變化不顯著的吸收過程。非等溫吸收：體系溫度發(fā)生明顯變化的吸收過程。3. 從過程是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)分：物理吸收：可視為單純的氣體溶解于液相的過程?；瘜W(xué)吸收：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。二、吸收過程的設(shè)備工業(yè)吸收設(shè)備應(yīng)盡可能提供氣、液兩相足夠大的接觸面積，使氣、液兩相接觸充分，盡可能使氣、液兩相的傳質(zhì)推動(dòng)力大（逆流方式）。目前工業(yè)上常用的吸收設(shè)備使塔設(shè)備，按氣、液兩相在塔中的接觸方式不同分為級(jí)式接觸和連續(xù)接觸兩大類。同樣也可用于液體精

16、餾、萃取等其他傳質(zhì)單元操作。本章吸收主要討論填料塔的計(jì)算方法，下章精餾主要討論板式塔的計(jì)算方法。 填料塔塔體：一般為圓筒形，由金屬、塑料或陶瓷制成，金屬筒體內(nèi)壁常襯以防腐材料。 填料：大致可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類，是傳熱和傳質(zhì)的場(chǎng)所塔內(nèi)件：包括填料支承板與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體除沫器等。7653421液體氣體8操作原理：液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下從填料縫隙中流動(dòng)，并與在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過填料空隙的氣體相互接觸，兩相間的傳熱和傳質(zhì)主要在填料表面進(jìn)行，氣液組成則沿填料層高度連續(xù)變化。 7653421液體氣體8填料 填料是填料塔的

17、核心，是氣液兩相接觸進(jìn)行質(zhì)、熱傳遞的場(chǎng)所。 填料的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能與填料的材質(zhì)、大小和幾何形狀緊密相關(guān)，材質(zhì)一定時(shí)，表征填料特性的數(shù)據(jù)主要有：比表面積（a）：單位體積填料層所具有的表面積(m2/m3)。被液體潤濕的填料表面就是氣液兩相的接觸面。大的比表面積和良好的潤濕性能有利于傳質(zhì)速率的提高。對(duì)同種填料，填料尺寸越小，比表面積越大，但氣體流動(dòng)的阻力也要增加?？障堵剩ǎ簡挝惑w積填料所具有的空隙體積(m3/m3)。代表的是氣液兩相流動(dòng)的通道,大，氣、液通過的能力大，氣體流動(dòng)的阻力小。= 0.450.95。填料因子（）：填料比表面積與空隙率三次方的比值(1/m)，a/3，表示填料的流體力學(xué)性能，

18、值越小，流動(dòng)阻力越小。填料類型拉西環(huán)：最早使用的一種填料，為高徑比相等的陶瓷和金屬等制成的空心圓環(huán)。優(yōu)點(diǎn)：易于制造，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：高徑比大，堆積時(shí)填料間易形成線接觸，故液體常存在嚴(yán)重的溝流和壁流現(xiàn)象。且拉西環(huán)填料的內(nèi)表面潤濕率較低，因而傳質(zhì)速率也不高。鮑爾環(huán)： 在環(huán)的側(cè)壁上開一層或兩層長方形小孔，小孔的母材并不脫離側(cè)壁而是形成向內(nèi)彎的葉片。上下兩層長方形小孔位置交錯(cuò)。 同尺寸的鮑爾環(huán)與拉西環(huán)雖有相同的比表面積和空隙率，但鮑爾環(huán)在其側(cè)壁上的小孔可供氣液流通，使環(huán)的內(nèi)壁面得以充分利用。 比之拉西環(huán)，鮑爾環(huán)不僅具有較大的生產(chǎn)能力和較低的壓降，且分離效率較高，溝流現(xiàn)象也大大降低一種表面全部展開的具有

19、馬鞍形狀的瓷質(zhì)型填料 (馬鞍填料)。弧鞍填料在塔內(nèi)呈相互搭接狀態(tài)，形成弧形氣體通道優(yōu)點(diǎn)：空隙率高，氣體阻力小，液體分布性能較好，填料性能優(yōu)于拉西環(huán)。矩鞍填料的兩端為矩形，且填料兩面大小不等?？朔嘶“疤盍舷嗷ブ丿B的缺點(diǎn)，填料的均勻性得到改善。液體分布均勻，氣液傳質(zhì)速率得到提高。瓷矩鞍填料是目前采用最多的一種瓷質(zhì)填料。缺點(diǎn)：相鄰填料易相互套疊，使填料有效表面降低，從而影響傳質(zhì)速率。馬鞍填料 在工業(yè)上，兩種形式的塔設(shè)備大多情況均為定態(tài)連續(xù)操作，即設(shè)備內(nèi)的參數(shù)都不隨時(shí)間變化。故后面除特殊說明外，均指連續(xù)定態(tài)操作。 三、工業(yè)吸收流程由吸收流程可見，采用吸收操作實(shí)現(xiàn)氣體混合物的分離必須解決下列問題： 選

20、擇合適的溶劑，使能選擇性地溶解某個(gè)（或某些）被分離組分； 提供適當(dāng)?shù)膫髻|(zhì)設(shè)備（多為填料塔，也有板式塔）以實(shí)現(xiàn)氣液兩相的接觸，使被分離組分得以從氣相轉(zhuǎn)移到液相（吸收）或氣相(解吸)； 溶劑的再生，即脫除溶解于其中的被分離組分以便循環(huán)使用。 四、溶劑的選擇吸收操作的成功與否在很大程度上決定于溶劑的性質(zhì)，特別是溶劑與氣體混合物之間的相平衡關(guān)系。評(píng)價(jià)溶劑優(yōu)劣的主要依據(jù)應(yīng)包括以下幾點(diǎn)溶劑應(yīng)對(duì)被分離組分（溶質(zhì)）有較大的溶解度，或者說在一定的溫度與濃度下，溶質(zhì)的平衡分壓要低。這樣，從平衡角度來說，處理一定量混合氣體所需溶劑量較少，氣體中溶質(zhì)的極限殘余濃度亦可降低；就過程速率而言，溶質(zhì)平衡分壓，過程推動(dòng)力大，

21、傳質(zhì)數(shù)率快，所需設(shè)備尺寸小。 溶劑對(duì)混合氣體中其他組分的溶解度要小，即溶劑應(yīng)具備較高的選擇性。若溶劑的選擇性不高，將同時(shí)吸收混合物中的其他組分，只能實(shí)現(xiàn)組分間某種程度的增濃而不能實(shí)現(xiàn)較為完全的分離。溶劑再生方便。 溶劑的蒸汽壓要低，不易揮發(fā)。一方面是為了減少溶劑在吸收和再生過程的損失，另一方面也是避免在氣體中引入新的雜質(zhì)。 溶劑應(yīng)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，以免使用過程中發(fā)生變質(zhì)； 溶劑應(yīng)有較低的粘度，不易產(chǎn)生泡沫，以實(shí)現(xiàn)吸收塔內(nèi)良好的氣液接觸和塔頂?shù)臍庖悍蛛x。 溶劑應(yīng)盡可能滿足價(jià)廉、易得、無毒、不易燃燒等經(jīng)濟(jì)和安全條件。 2022/7/2052本章以分析單組分的等溫物理吸收為重點(diǎn)本章所作的基本假定

22、單組分吸收,其余組分可視為一個(gè)惰性組分。 溶劑的蒸汽壓很低，因此氣相中不含溶劑蒸汽 。氣體吸收是物質(zhì)自氣相到液相轉(zhuǎn)移的一種傳質(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?；旌蠚庵心辰M分氣體的分壓大于溶液的平衡蒸汽壓，該組分便可自氣相轉(zhuǎn)移至液相，即被吸收。轉(zhuǎn)移至氣液兩相達(dá)到平衡，傳質(zhì)過程停止。反之，如果溶液中的某組分的平衡蒸汽壓大于混合氣體中該組分的分壓，該組分便從溶液中釋放出來，即從液相轉(zhuǎn)移到氣相，這種情況稱為解吸（或脫吸）。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，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。因此，吸收

23、操作的分析，從氣液兩相的平衡關(guān)系與傳質(zhì)速率關(guān)系著手。2022/7/20545.2 氣液相平衡 相平衡：在一定的溫度與總壓下，溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移，隨著溶液濃度的逐漸增高，傳質(zhì)速率將逐漸減慢，最后降為零，此時(shí)液相中溶質(zhì)達(dá)到飽和，濃度達(dá)到一最大限度 這時(shí)稱氣液兩相達(dá)到相平衡平衡狀態(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(duì)應(yīng)的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解度。氣體吸收的平衡關(guān)系指氣體在液體中的溶解度。5.2.1 氣體的溶解度對(duì)單組分物理吸收的物系，根據(jù)相律，自由度數(shù)F為： F=C-+2=3-2+2=3 (獨(dú)立組分?jǐn)?shù)C=3,溶質(zhì)A，惰性組分B,溶劑S，2，氣、液兩相)即在溫度，總壓，

24、氣、液相組成共4個(gè)變量中，有3個(gè)自變量（獨(dú)立變量），另1個(gè)是它們的函數(shù)，故可將平衡時(shí)溶質(zhì)在氣相中的分壓表達(dá)為溫度、總壓和溶解度的函數(shù)：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(duì)應(yīng)關(guān)系。 2022/7/20565.2.2 亨利定律當(dāng)總壓不太高（y* 時(shí)yy* 時(shí)解吸A推動(dòng)力（ y* - y)推動(dòng)力用氣相組成表示當(dāng)溶質(zhì)在氣相主體中的摩爾分?jǐn)?shù)大于其平衡狀態(tài)下的摩爾分?jǐn)?shù)時(shí)，或者說溶質(zhì)在液相中的摩爾分?jǐn)?shù)小于平衡狀態(tài)下的摩爾分?jǐn)?shù)，就會(huì)產(chǎn)生溶質(zhì)從氣相向液相傳遞的推動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)吸收過程。（1）根據(jù)氣液相平衡我們可以判斷吸收過程進(jìn)行的方向yxoy*=mxPyxy*x*釋放溶質(zhì)吸收溶質(zhì)相對(duì)于氣相濃

25、度 y 而言，液相濃度欠飽和（xy*），溶質(zhì)由氣相向液相轉(zhuǎn)移。氣、液相濃度（y，x）在平衡線上方（P點(diǎn)）：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。判斷傳質(zhì)過程的方向2022/7/2065相對(duì)于氣相濃度而言，實(shí)際液相濃度過飽和(xx*)，故液相有釋放溶質(zhì) A 的能力。相對(duì)于液相濃度 x 而言，氣相濃度為欠飽和(yy*)，溶質(zhì)A由液相向氣相轉(zhuǎn)移。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)2022/7/20

26、66相對(duì)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(duì)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。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*2022/7/2067（2）確定傳質(zhì)過程的限度 對(duì)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

27、xmax=x*。yxoy*=f(x)Pyxy*x*2022/7/2068傳質(zhì)過程的限度 yxoy*=f(x)Qyxy*x*對(duì)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*。2022/7/2069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(duì)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；（3）根據(jù)傳質(zhì)過程的推動(dòng)力判斷傳質(zhì)過程進(jìn)行的難易未達(dá)平衡的兩相接觸會(huì)發(fā)生相際間傳質(zhì)

28、，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）例5-2 在溫度為20 ，總壓為1.013105Pa 的條件下，稀氨水的氣液相平衡關(guān)系為此時(shí)含氨摩爾分?jǐn)?shù)0.092的混合氣體與組成為0.04 的氨水溶液接觸，試問：（1）發(fā)生吸收還是解吸？（2）分別以氣相分壓差和液相濃度差表示過程的推動(dòng)力（3）若氣體與水溶液做逆流接觸，混合氣中的氨含量最低可將降到多少？（4）若總壓增大一倍，以液相濃度差表示的推動(dòng)力是原來的幾倍？5.3 吸收速率方程基于雙膜理論模型，氣體吸收屬于相際

29、間傳質(zhì)，將傳質(zhì)阻力全部折算到虛擬膜內(nèi)，吸收過程簡化為氣液兩膜層的分子擴(kuò)散，則吸收過程的傳質(zhì)速率方程可表示為以分子擴(kuò)散形式表示的傳質(zhì)速率.各傳質(zhì)速率方程分別可表示為：吸收速率= 吸收推動(dòng)力/吸收阻力 =吸收系數(shù)吸收推動(dòng)力5.3.1氣膜吸收速率方程kG: 氣膜傳質(zhì)系數(shù)，單位mol/m2.s.pa ,在物系、操作條件、流動(dòng)狀態(tài)一定時(shí)為常數(shù)。 氣膜阻力- 1/ kG 氣體吸收是溶質(zhì)A的單方向擴(kuò)散，仿照分子擴(kuò)散速率方程，可得到氣膜傳質(zhì)速率溶質(zhì)在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s氣膜厚度，m以組成表示的吸收速率： ky: 以摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)，單位 kmol/m2.s ,當(dāng)氣相總壓不很高時(shí)， ky=

30、 PkG yA-溶質(zhì)A在氣相主體中的摩爾分?jǐn)?shù)yAi-溶質(zhì)A在界面上摩爾分?jǐn)?shù) kY: 以摩爾比差為推動(dòng)力的氣膜吸收系數(shù)，單位 kmol/m2.s , 2、液膜吸收速率方程kL:稱液膜傳質(zhì)系數(shù)，單位m/s 液膜厚度，m溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，單位m2/s 2022/7/2075液相吸收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

31、爾分率和摩爾比濃度。 2022/7/2076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。對(duì)于低濃度氣體吸收，液相濃度很低時(shí)： 2022/7/2077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(duì)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 yixi 關(guān)系是一條過定點(diǎn)（xi,yi）而斜率為 -kx/ky 的直線。 根據(jù)雙膜理論，界面處 yixi 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

32、，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(duì)應(yīng)的界面處氣、液相摩爾分率 yi、xi。結(jié)合2022/7/2079作圖法：yxoy*=f(x)斜率=-kx/kyyxy*x*xiyiAyi、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(duì)應(yīng)的氣、液主體流的摩爾分?jǐn)?shù) y、x。 3. 總吸收速率方程 由于（1）以（p-p*）表示推動(dòng)力的吸收速率方程：由氣膜傳質(zhì)速率方程可得出在穩(wěn)態(tài)的傳質(zhì)過程中，溶質(zhì)通過氣相的傳質(zhì)速率與通過液相的傳質(zhì)速率相等，則有即：速率=總吸收系數(shù)總傳質(zhì)推動(dòng)力（指實(shí)際濃度與平衡濃度之差 ） 總吸收速率方程：應(yīng)用加比定律，消去總阻力 = 氣膜阻力 + 液膜阻

33、力 以（c*-c）表示推動(dòng)力的吸收速率方程：溶解度很大的氣體，H很大，由 可知，1/KG=1/kG, KG=kG, 此時(shí)氣膜阻力占很大部分，液膜阻力可以忽略，稱氣膜控制吸收過程。 溶解度很小的氣體，H很小，由 可知，H/kG很小，KL=kL, 此時(shí)液膜阻力占很大部分，氣膜阻力可以忽略，稱液膜控制吸收過程。 總吸收速率方程式及其對(duì)應(yīng)的總吸收系數(shù) NAKG（pApA*）NAKY (YAYA*) 以YAYA*)表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 1、以氣相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式以pApA*表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 2、以液相組成表示總推動(dòng)力的吸收速率方程式 NAKL（c*c） 以X*X表示總

34、推動(dòng)力的吸收速率方程式 以c*c為總推動(dòng)力的吸收速率方程式 NAKX（X*X） 例題5-3：已知某低濃度氣體溶質(zhì)被吸收時(shí)，平衡關(guān)系服從亨利定律，氣膜吸收系數(shù)kG=2.7310-7 kmol/m2.s. kpa，液膜吸收系數(shù)kL=6.9410-3m/s，溶解度系數(shù)H=1.5 kmol/m3.kpa。試求氣相吸收總系數(shù)KGkmol/m2.s.kpa，并分析該吸收過程的控制因素。解：（1） KG=2.7310-7 kmol/m2.s. kpa(2) 氣膜阻力及液膜阻力m2.s. kpa / kmol 1/kG=1/2.7310-7=3.65106 ； 1/HkL=1/1.56.9410-3=9.61

35、03該氣體為易溶氣體，吸收過程為氣膜控制 2022/7/20865.4 吸收塔的計(jì)算設(shè)計(jì)型計(jì)算：按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件（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），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。2022/7/20875.4.1 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 或吸收劑出口濃度 ?；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

36、塔高而變。但是，通過塔的惰性氣體量和溶劑量是不變的。 2022/7/20以逆流操作的填料塔為例：對(duì)通過對(duì)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。qn,B單位時(shí)間通過塔的惰性氣體量；kmol/s ；qn,C單位時(shí)間通過吸收塔的溶劑量；kmol/s ；YA 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) ； XA 任一截面的溶液中溶質(zhì)與溶劑的摩爾比；kmol(A)/kmol(S) 。物料衡算qn,B, Y2qn,B, Y1qn,C, X1qn,C, X2V, YL, X2022/7/2089 若 qn,A 為吸收塔的

37、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)塔氣量和組成YA,1 是吸收任務(wù)規(guī)定的，進(jìn)塔吸收劑溫度和組成 XA,2 一般由工藝條件所確定，出塔氣體組成 YA,2 則由任務(wù)給定的吸收率 求出 qn,B, Y2qn,B, Y1qn,C, X1qn,C X2V, YL, X確定吸收劑量后，由5-48式可確定出塔液體組成XA,1（5-48）2022/7/2090二、操作線方程與操作線同理，若在任一截面與塔底端面間作溶質(zhì)A的物料衡算，有 qn,B, Y2qn,B, Y1qn,C, X1qn,C, X2qn,B, Yqn,C, X兩式均稱為吸收操作線方程，代表逆流操作

38、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。（ qn,C/ qn,B ）稱為吸收塔操作的液氣比。取填料層任一截面與塔頂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 2022/7/2091操作線當(dāng) qn,C/ qn,B一定，操作線方程在 Y-X 圖上為以液氣比 qn,C/ qn,B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操作線兩端點(diǎn)A(XA1,YA1)和B(XA2,YA2)分別代表塔底和塔頂組成，為汽液組成的最高點(diǎn)（濃端）和最低點(diǎn)（稀端）。操作線上任一點(diǎn)

39、P的坐標(biāo)(X，Y)代表了塔內(nèi)該截面上氣、液兩相的組成。 (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； (X*-X) 為該截面上以液相為基準(zhǔn)的吸收傳質(zhì)推動(dòng)力。Y- Y*X*-X 說明： (1)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。 (2)在進(jìn)行實(shí)際吸收操作時(shí)，在塔內(nèi)任一截面上，溶質(zhì)在氣相中的實(shí)際分壓總高于與其接觸的液相平衡分壓，故吸收操作線總位于平衡線上方；若在下方，則為脫吸。 (3) 吸收操作線方程是從溶質(zhì)的物料平衡關(guān)系出發(fā)而推得的關(guān)系式，它取決于氣液兩相流量和組成，而與相平衡關(guān)系、塔的類型、相際接觸情況及操作條件無關(guān)。此式應(yīng)

40、用的唯一必要條件是穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)逆流操作。 2022/7/20935.4.2 吸收劑用量的決定 吸收劑用量 或液氣比 qn,C/ qn,B 在塔設(shè)計(jì)計(jì)算和操作調(diào)節(jié)中是一個(gè)很重要的參數(shù)。設(shè)計(jì)中，氣體處理量，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，因此操作線的出塔端點(diǎn)一定?？芍談┏鏊舛?XA,1 與吸收劑用量 qn,C 是相互制約的。由全塔物料衡算式 氣體量一定，吸收劑量增加，吸收劑出塔濃度 XA,1 ，操作線斜率qn,C/ qn,B ，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 ；2022/7/2095吸

41、收劑用量的確定 YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2Bqn,C/ qn,BY- Y*AX1(qn,C/ qn,B )X1,max(qn,C/ qn,B )minC當(dāng) qn,C/ qn,B 下降到某一值時(shí)，操作線將與平衡線相交，此時(shí)出塔液體組成和氣體組成達(dá)到平衡，傳質(zhì)推動(dòng)力為0，對(duì)應(yīng)的 qn,C/ qn,B稱為最小液氣比，用(qn,C/ qn,B )min表示，而排出液體濃度達(dá)到最大，對(duì)應(yīng)的 X1 則用 X1,max 表示。2022/7/2096最小液氣比(qn,C/ qn,B )min隨 qn,C/ qn,B 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)Y1X

42、2Y2BX1,max=X1*(qn,C/ qn,B )minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(qn,C/ qn,B )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)， XA，1X1* 。 最小液氣比可用圖解法求出。如果平衡曲線符合吸收塔最小氣液比圖中所示的一般情況，則要找到水平線YY1與平衡線的交點(diǎn)C*，從而讀出X*的數(shù)值，然后用下式計(jì)算最小液氣比，即： 若平衡關(guān)系符合亨利定律，可用X*Ym表示，則可直接用下式算出最小液氣比，即：若操作線與平衡線相切：2022/7/2098實(shí)際吸收劑用量的確定 在最小液氣比下操作時(shí)，在塔的某截面上（塔底或

43、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。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：1.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。2.從流體力學(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。 例5-5 在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合氣體中的SO2。氣體處理量為1.20m3(標(biāo)準(zhǔn))s-1，進(jìn)塔氣體中含SO2 8

44、%（體積百分?jǐn)?shù)），要求SO2的吸收率為85%，在該吸收操作條件下的相平衡關(guān)系Ye=26.7X，用水量為最小用量的1.5倍。試求： （1）用水量為多少？ （2）若吸收率提高至90%，用水量又為多少？解：惰性氣體量為 例題（1）當(dāng)吸收率為85%時(shí) 實(shí)際液氣比 最小液氣比 Y2=Y1（1-A）=0.087(1-0.85)=0.0131 Xe1=Y1/26.7=0.087/26.7=3.258 10-3 X2=0（清水）L=34.02V=34.02 49.29=1677mols-1=0.03m3 s-1L/V=1.5(L/V)min =1.5 22.68=34.02實(shí)際用水量 （2）若吸收率提高至90

45、%，出塔氣體濃度為Y2，則最小液氣比 實(shí)際液氣比L =36.05V=36.05 49.29=1777mols-1=0.032m3 s-1 從計(jì)算結(jié)果可知，在其他條件相同時(shí)，吸收率提高，最小液氣比增大，所需的吸收劑用量也增大。(L/V)=1.5(L/V) min =1.5 24.03=36.05 實(shí)際用水量 2022/7/201045.4.3 塔徑的計(jì)算 塔徑的大小由生產(chǎn)能力與氣體的空塔氣速?zèng)Q定 qV=D2u/4 q V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。實(shí)際塔徑：求出塔徑后，根據(jù)我國壓力容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。2022/7

46、/201055.4.4 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。本節(jié)重點(diǎn)討論低濃度吸收中填料層高度的計(jì)算。 惰性氣體量、吸收劑量可視為常量由于被吸收溶質(zhì)含量低，溶質(zhì)的溶解熱不能使塔內(nèi)物料溫度顯著升高，吸收過程可看做等溫（不必進(jìn)行熱衡算）氣液流動(dòng)狀態(tài)變化不大，傳質(zhì)系數(shù)可視為常量低含量氣體吸收的上述特點(diǎn)將使計(jì)算過程大為簡化。 低含量氣體吸收的特點(diǎn)填料層高度的計(jì)算依據(jù)：1）物料衡算，2）傳質(zhì)速率方程，3）相平衡關(guān)系。因?yàn)樘盍蠈痈叨菻取決于填料層體積與塔截面積，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

47、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)總傳質(zhì)面積=塔吸收負(fù)荷(kmol/s)/傳質(zhì)速率(kmol/m2s)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。2022/7/20107對(duì)填料層中高度為 dH 的微分段作物料衡算，定常態(tài)吸收時(shí)，氣液兩相流過dH段填料層后，氣體中溶質(zhì)的減少量與液體中溶質(zhì)的增加量相等，并等于被吸收的溶質(zhì)量，可得溶質(zhì) A 在單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的量 dqn,A 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

48、率也不相同。V, Y2V, Y1L, X1L, X2YXHY+dYdHX+dX若 dH 微元段內(nèi)傳質(zhì)速率為NA，（由于氣液兩相中溶質(zhì)的組成變化較小，NA可看做定值）。 填料提供的有效傳質(zhì)面積為 dA=aSdH，則溶質(zhì) A通過傳質(zhì)面積 dA 的傳遞量為 a為1m3填料中的有效傳質(zhì)面積（稱為有效比表面積）此傳遞量也就是在 dH 段內(nèi)溶質(zhì) A 由氣相轉(zhuǎn)入液相的量。因此 將以比摩爾分?jǐn)?shù)表示的總的傳質(zhì)速率方程代入，則有 2022/7/20110對(duì)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 H 的計(jì)算式。若采用 NA=kY(Y-Yi) 和 NA=k

49、X(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 H 的計(jì)算式。 填料層高度的基本計(jì)算式 2022/7/20111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（y110%），塔內(nèi)溫度和流動(dòng)狀況的改變小，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 H 的計(jì)算式： 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 kmol/(s.m3) 。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

50、積填料層內(nèi)吸收的溶質(zhì)摩爾量。 二、傳質(zhì)單元數(shù)與傳質(zhì)單元高度對(duì)氣相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力：HOG 氣相總傳質(zhì)單元高度，m；NOG 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，無因次。 若令 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。 對(duì)液相總傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力：若令 2022/7/20114傳質(zhì)單元高度 傳質(zhì)單元高度 HOG 或 HOL 則表示完成一個(gè)傳質(zhì)單元分離任務(wù)所需的填料層高度，代表了吸收塔傳質(zhì)性能的高低，主要與填料的性能和塔中氣、液兩相的流動(dòng)狀況有關(guān)。HOG 或 HOL 值小，表示設(shè)備的性能高，完成相同傳質(zhì)單元數(shù)的吸收任務(wù)所需塔的高度小。 對(duì)于易溶氣體，選擇常規(guī)填料（拉西環(huán)），其傳質(zhì)單元高度值大

51、約0.30.8m，對(duì)于難溶氣體，傳質(zhì)單元高度大約在0.51.0m 范圍內(nèi)。若傳質(zhì)單元高度過大，可采用分離能力強(qiáng)的高效填料，以降低填料層高度2022/7/20116傳質(zhì)單元數(shù)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 反映了工藝方法和條件對(duì)吸收過程的影響，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

52、，就應(yīng)重新考慮所選溶劑或液氣比是否合理。 2022/7/20118三、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算對(duì)于低濃度的氣體吸收，若平衡線為直線或在所涉及的濃度范圍內(nèi)為直線段，直接積分就可得 NOG 或 NOL 的解析式，其求解方式主要有對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法和吸收因子法。1.對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法 設(shè)平衡線段方程為 逆流吸收操作線方程為 操作線AB為直線，平衡線亦為直線，則操作線與平衡線在任一截面上的垂直距離 或水平距離隨Y和X呈線性變化，其變化率為常數(shù)，可用塔底和塔頂?shù)亩酥当硎?，即：分別為塔底和塔頂?shù)臍庀嗫偼苿?dòng)力以氣相為基準(zhǔn)的全塔的對(duì)數(shù)平均傳質(zhì)推動(dòng)力2022/7/20121上式說明了 NOG 的含意：對(duì)低濃度氣體吸收是以全塔的對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力 Ym 作為度量單位，衡量完成分離任務(wù)（YA1-YA2）所需的傳質(zhì)單元高度的數(shù)目。若分離程度（YA1-YA2）大或平均推動(dòng)力 Ym 小，NOG 值就大，所需的填料層就高。 同理可得出以液相平均推動(dòng)力表示的傳質(zhì)單元數(shù)2022/7/201232.吸收因子法將操作線方程寫為 代入相平衡方程 令A(yù)=qn,C/mqn,B，即吸收因子代入NOG 定義式并積分2022/7/2