化工原理第六章吸收

第二章吸收§1氣體吸收的相平衡關(guān)系§2傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率§3吸收塔的計(jì)算§4吸收系數(shù)§5脫吸及其他條件下的吸收概述1、定義吸收：利用混合氣體各組分在液體中溶解度差異，使某些易溶組分進(jìn)入液相形成溶液，不溶或難溶組分仍留在氣相，實(shí)現(xiàn)混合氣體分離。解吸：也稱為脫吸，與吸收相反的過(guò)程，即溶質(zhì)從液相中分離而轉(zhuǎn)移到氣相的過(guò)程?；旌蠚庵心承┙M分在氣液相界面溶解、在氣相和液相內(nèi)由濃度差推動(dòng)的傳質(zhì)過(guò)程。1.定義：氣相液相2.依據(jù)：溶解度不同NH3:氣相液相吸收質(zhì)(溶質(zhì))：A尾氣：B+(A)惰性組分(載體)：B吸收劑：S吸收液：S+A2、吸收分離操作的目的與任務(wù)制取液體產(chǎn)品：如鹽酸、硝酸，碳化氨水吸收CO2制碳酸氫氨等。分離混合氣體吸收獲得某些組分：如用液態(tài)烴吸收裂解氣中的乙烯、丙烯等。氣體凈化除去混合氣體中雜質(zhì)：如合成氨原料氣脫CO2等；尾氣處理和廢氣凈化：脫SO2、NOx等分離基礎(chǔ)：各組分溶解度的差異3、吸收分離操作的分類物理吸收與化學(xué)吸收：H2O吸收CO2NaOH溶液吸收CO2單組分吸收與多組分吸收：H2O吸收乙醇液態(tài)烴吸收氣態(tài)烴等溫吸收與非等溫吸收：H2O吸收丙酮H2O吸收SO3低濃度吸收與高濃度吸收：溶質(zhì)在氣液兩相摩爾分?jǐn)?shù)均<10%4、吸收與蒸餾的差別分離基礎(chǔ)不同：揮發(fā)度與溶解度；引入新相的方式不同：改變狀態(tài)參數(shù)（加熱、冷卻）與外界引入；產(chǎn)品獲得的直接程度不同：精餾可直接獲得較純的組分，而吸收不能直接獲得較純的組分。傳質(zhì)不同：精餾中進(jìn)行雙向傳質(zhì)，而吸收中進(jìn)行單向傳質(zhì)§2

氣體吸收的相平衡關(guān)系吸收過(guò)程與蒸餾一樣，涉及相際傳質(zhì)過(guò)程。平衡問(wèn)題：物質(zhì)傳遞的方向和限度；傳質(zhì)速率問(wèn)題：傳質(zhì)推動(dòng)力和阻力。相平衡：相間傳質(zhì)已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，從宏觀上觀察傳質(zhì)已不再進(jìn)行。吸收中的相平衡關(guān)系描述的是溶解度的影響因素，是處理吸收問(wèn)題的關(guān)鍵。2.1.1氣體的溶解度一定操作溫度和壓力下，平衡狀態(tài)下溶質(zhì)在氣相中的分壓稱為平衡分壓或飽和分壓，相應(yīng)的液相濃度稱為平衡濃度或氣體在液體中的溶解度。定義：氣體在指定液體（溶劑）中的飽和濃度常用單位：kg(A)/kg(S)或kg(A)/m3(S)。它決定了吸收的極限（終點(diǎn)）；推動(dòng)力：偏離平衡狀態(tài)的程度→過(guò)程速率。2.影響因素：溫度、壓力、溶質(zhì)在氣相中的濃度。對(duì)于單組分物理吸收：自由度=3-2+2=3總壓不高（<5atm）→理想氣體→溶解度∝氣相分壓，可以認(rèn)為與總壓無(wú)關(guān)。恒溫：3、溶解度曲線與溶解性：加壓和降溫對(duì)吸收操作有利。吸收劑、溫度T、P一定時(shí)，不同物質(zhì)的溶解度不同。

溫度、溶液的濃度一定時(shí)，溶液上方分壓越大的物質(zhì)越難溶。易溶（NH3）；中等（SO2）；難溶（O2）對(duì)于同一種氣體，分壓一定，溫度T越高，溶解度越小對(duì)于同一種氣體，溫度T一定，分壓P越大，溶解度越大2.1.2亨利定律體系：?jiǎn)谓M分、低濃、恒溫、物理吸收?？倝篜<5×105Pa，一定溫度下溶質(zhì)在液相中的溶解度（平衡）與其在氣相中的分壓成正比。亨利系數(shù)（E）：（單位與分壓?jiǎn)挝灰恢拢倮硐肴芤海篜不高，T恒定，亨利定律與拉烏爾定律一致，即：E=p0②非理想溶液：E≠p0，但在一定濃度范圍內(nèi)（低濃），E=const.E=f(T)。

③一定體系，E=f(T），T↑，E↑；易溶體系E小，難溶體系E大。④數(shù)值取得：實(shí)驗(yàn)測(cè)定，外推x→0（低濃）；查有關(guān)手冊(cè)。亨利定律的其他形式

1）p*~C：H——溶解度系數(shù)，單位：kmol/m3·Pa或kmol/m3·atm。

H是溫度的函數(shù)，H值隨溫度升高而減小。易溶氣體H值大，難溶氣體H值小。2)x~y(溶質(zhì)在氣液兩相中的組成)：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)；m—相平衡常數(shù)（或分配系數(shù)），無(wú)因次總壓P，pA*=PyA*=ExA3)X~Y（摩爾比）吸收過(guò)程中，B、S不參與傳質(zhì)，摩爾流量不變，可分別作為基準(zhǔn)來(lái)表示A的濃度。當(dāng)溶液濃度很低時(shí)，X≈0，上式簡(jiǎn)化為：【例1】已知10℃時(shí)，1atm下氨水的濃度為10gNH3/100gH2O,其平衡氣相分壓,pNH3=5.57kPa氨水密度：ρ≈1000kg/m3求：E、H、m。例2:已知20℃時(shí)，1atm下氨在水中的溶解度數(shù)據(jù)（p85）。繪制p*～x及Y*～X曲線，計(jì)算E、m，并指出服從亨利定律的范圍。2.1.3吸收劑的選擇選擇的原則：①溶解度大：溶解度↑，溶劑用量↓，傳質(zhì)速率↑；隨工藝條件變化大；若有反應(yīng)應(yīng)可逆。②選擇性好：對(duì)溶質(zhì)的溶解度大；③不易揮發(fā)，以減少溶劑損失；④粘度低，改善流動(dòng)狀態(tài)，阻力小，降低能耗。⑤無(wú)毒、腐蝕性小、不易燃、價(jià)廉、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、化學(xué)穩(wěn)定等。2.1.4相平衡關(guān)系在吸收過(guò)程中的應(yīng)用（1）判斷傳質(zhì)進(jìn)行的方向

例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的氣液相平衡關(guān)系為：，若含氨0.094摩爾分?jǐn)?shù)的混合氣和組成的氨水接觸,確定過(guò)程的方向。此外，用氣液相平衡曲線圖也可判斷兩相接觸時(shí)的傳質(zhì)方向具體方法：已知相互接觸的氣液相的實(shí)際組成y和x，在x-y坐標(biāo)圖中確定狀態(tài)點(diǎn)，若點(diǎn)在平衡曲線上方，則發(fā)生吸收過(guò)程；若點(diǎn)在平衡曲線下方，則發(fā)生解吸過(guò)程。

（2）確定傳質(zhì)的推動(dòng)力以氣相組成差表示的吸收推動(dòng)力；以液相組成差表示的吸收推動(dòng)力。

（3）指明傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行的極限所謂過(guò)程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的最大可能性。

§2傳質(zhì)機(jī)理與吸收速率質(zhì)量傳遞：在具有濃度差的體系中，組分從一處轉(zhuǎn)移到另一處的過(guò)程，簡(jiǎn)稱為傳質(zhì)過(guò)程。吸收過(guò)程：3個(gè)①溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞（單相傳遞）；②溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生的溶解過(guò)程（相間傳遞）；③溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞（單相傳遞）。通常，第②步即界面上發(fā)生的溶解過(guò)程很容易進(jìn)行，其阻力很小，故認(rèn)為相界面上的溶解推動(dòng)力亦很小，這樣總過(guò)程的速率將由兩個(gè)單相即①步氣相和③步液相內(nèi)的傳質(zhì)速率所決定。單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機(jī)理分子擴(kuò)散

渦流擴(kuò)散

1、分子擴(kuò)散

原因：混合物中存在濃度梯度。

方式：分子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)。

方向：沿組成降低的方向。

過(guò)程：不穩(wěn)定過(guò)程（濃度差↓→推動(dòng)力↓→速率↓）

范圍：發(fā)生在靜止或?qū)恿髁黧w里。

終點(diǎn)：濃度均勻，動(dòng)態(tài)平衡。2.2.1分子擴(kuò)散與菲克定律2.菲克定律：擴(kuò)散通量：?jiǎn)挝幻娣e上單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散傳遞的物質(zhì)的量，以J表示，單位：kmol/(m2·s)因此，只要流體內(nèi)部有濃度梯度，就會(huì)產(chǎn)生分子擴(kuò)散，在恒溫恒壓下，一維分子擴(kuò)散通量用菲克定律表達(dá)：對(duì)于雙組分混合物，在總壓不高，各處溫度均勻的前提下，也有2.2.2氣相中的穩(wěn)態(tài)分子擴(kuò)散1、等分子反方向擴(kuò)散(擴(kuò)散通量相等，方向相反)如前圖所設(shè)，且設(shè)如圖實(shí)驗(yàn)裝置中的兩個(gè)容器為無(wú)限大，則抽掉隔板并經(jīng)過(guò)一個(gè)不穩(wěn)定擴(kuò)散后，(1)由于1、2截面上的A、B組分的分壓維持不變，所以在聯(lián)通管中的分子擴(kuò)散是穩(wěn)定的。

(2)由于聯(lián)通管中任一截面上A、B兩組分傳遞的分子數(shù)都相等，所以聯(lián)通管中的分子擴(kuò)散是等分子反向擴(kuò)散。傳質(zhì)速率（傳質(zhì)通量

N

）：任一固定的空間位置上，單位時(shí)間、單位面積上通過(guò)的物質(zhì)量，單位：kmol/(m2·s)。此時(shí)(等分子反方向擴(kuò)散)：

NA=JA=-JB=const.分離變量并進(jìn)行積分，積分限為：

【例3】?jī)扇萜餮b有不同濃度的NH3和N2。連通管長(zhǎng)0.61m，內(nèi)徑24.4mm，系統(tǒng)溫度25℃,壓強(qiáng)101.3kPa，左側(cè)容器NH3分壓20kPa，右側(cè)容器NH3分壓6.67kPa，已知25℃、101.3kPa時(shí)，NH3-N2的擴(kuò)散系數(shù)2.30×10-5

m2/s。求：⑴單位時(shí)間內(nèi)自容器1向容器2傳遞的

NH3量，kmol/s；⑵連通管中與截面1相距0.305m處NH3

分壓，kPa。2.一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散

若截面2（氣液界面）只允許A通過(guò)（B、S不能），A擴(kuò)散后會(huì)留下空位，必須由左側(cè)聯(lián)通管中的氣體（A+B）來(lái)補(bǔ)充，以保證P=const.,此時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)趨向于界面的遞補(bǔ)流動(dòng)——總體流動(dòng)，其方向與A的擴(kuò)散方向一致?？傮w流動(dòng)通量為N，混合氣總濃度為C，則綜合傳質(zhì)效果（擴(kuò)散+總體流動(dòng)）：B的擴(kuò)散方向與總體流動(dòng)相反，而界面上無(wú)B通過(guò)，穩(wěn)定狀態(tài)下聯(lián)通管內(nèi)各界面上NB=0，即擴(kuò)散與總體流動(dòng)相抵——停滯?？傮w流動(dòng)量等于組分A的傳質(zhì)通量等分子反方向擴(kuò)散類似于精餾過(guò)程傳質(zhì)：兩組分潛熱近乎相等，一個(gè)A進(jìn)入汽相，必有一個(gè)B進(jìn)入液相，不會(huì)造成空位而產(chǎn)生總體流動(dòng)；吸收則屬于一組分通過(guò)另一停滯組分的擴(kuò)散：A不斷進(jìn)入液相，而B(niǎo)不能進(jìn)入，溶劑S也不汽化?！纠?】上題中，若截面2只允許NH3通過(guò)，且維持兩截面上的其他條件NH3分壓及系統(tǒng)溫度、壓力不變，再求：⑴單位時(shí)間內(nèi)那自容器1向容器2傳遞的NH3

量，kmol/s

⑵連通管中與截面1相距0.305m處

NH3分壓，kPa。2.2.3液相中的穩(wěn)定分子擴(kuò)散

一般，液相擴(kuò)散系數(shù)比氣相低105倍，但液相ρ大，濃度高，濃度梯度大，故擴(kuò)散通量差不多。由于對(duì)液體的分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律遠(yuǎn)不及對(duì)氣體研究得充分，因此，只能仿效氣相中的分子擴(kuò)散速率方程寫(xiě)出液相中的相應(yīng)方程。（一組分通過(guò)另一停滯組分）2.2.4.擴(kuò)散系數(shù)

D（D′)是物質(zhì)傳遞性質(zhì)的度量參數(shù)，表達(dá)組分?jǐn)U散難易程度。物理意義：?jiǎn)挝粷舛忍荻认碌臄U(kuò)散通量。D=f(介質(zhì)、T、P、C)≈f(介質(zhì)、T、P)D′≈f(介質(zhì)、T、C)物質(zhì)在不同條件下的擴(kuò)散系數(shù)一般需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定。經(jīng)驗(yàn)式

1、物質(zhì)在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)氣體A在氣體B中（或B在A中）的擴(kuò)散系數(shù)，可按馬克斯韋爾—吉利蘭（Maxwell-Gilliland）公式進(jìn)行估算2、物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)與組分的性質(zhì)、溫度、粘度以及濃度有關(guān)。對(duì)于很稀的非電解溶液，物質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)用下式估算：2.2.5.對(duì)流傳質(zhì)1.渦流擴(kuò)散：憑借流體質(zhì)點(diǎn)的湍動(dòng)和旋渦來(lái)傳遞物質(zhì)。湍流主體擴(kuò)散通量：DE——渦流擴(kuò)散系數(shù)，m2/s：不是物性參數(shù)，與湍動(dòng)程度有關(guān)，且隨位置變化。

2、對(duì)流傳質(zhì)對(duì)流傳質(zhì)：流動(dòng)的流體與相界面之間的傳質(zhì)過(guò)程（類似對(duì)流傳熱）1）固定界面氣固兩相或液固兩相間的界面2）流動(dòng)界面氣液兩相和液液兩相間的界面有效層流膜示意圖有效膜：層流底層濃度分布線延線一湍流主體區(qū)濃度分布線延線交點(diǎn)與相界面的距離，zG，zL，m。3)對(duì)流傳質(zhì)速率方程設(shè)有效膜的流體按層流流動(dòng)，則有效膜內(nèi)的傳質(zhì)方式為一組分通過(guò)另一停滯組份的擴(kuò)散，所以2.2.6吸收過(guò)程的機(jī)理1、雙膜理論1)氣液兩相間存在穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一層有效膜，溶質(zhì)以分子擴(kuò)散的傳質(zhì)方式由氣相主體進(jìn)入液相主體。2)在相界面處，氣液兩相達(dá)到平衡。3)在氣液兩相主體中，溶質(zhì)濃度均勻。2.溶質(zhì)滲透理論：

工業(yè)設(shè)備，氣、液高度湍動(dòng)，相界面不穩(wěn)定。1935年Higbie認(rèn)為：流體在相界面暴露時(shí)間很短，溶質(zhì)不可能在膜內(nèi)建立起如雙膜理論假設(shè)的那種穩(wěn)定的濃度分布。流體微元暴露→被新單元取代，舊單元返回主體→溶質(zhì)逐漸向主體滲透。θ=0:z≥0，cA=c0θ>0:z=0，cA=cAi；z>0，形成濃度分布；θ↑，界面附近濃度梯度逐漸減??；θ=∝時(shí)，cA=cAi溶質(zhì)滲透速度正比于界面處的濃度梯度，θ↑，梯度↓，速度↓；接觸伊始速度最大。3.表面更新理論：液面由無(wú)數(shù)微元流體組成，但液面上每個(gè)微元與氣相接觸的時(shí)間不同，其服從某個(gè)分布函數(shù)，各種年齡（接觸時(shí)間）的微元被置換下去的機(jī)率與年齡無(wú)關(guān)，而與該年齡的微元數(shù)成正比。s——表面更新率，常數(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定。雖然溶質(zhì)滲透理論和表面更新理論比雙膜理論更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但還不能用于設(shè)計(jì)計(jì)算，所以吸收設(shè)備的設(shè)計(jì)仍以雙膜理論為基礎(chǔ)。2.2.7吸收速率方程確定設(shè)備尺寸及核算吸收程度。吸收速率=推動(dòng)力/阻力=吸收系數(shù)×推動(dòng)力穩(wěn)定操作：兩膜中的傳質(zhì)速率相同，可用任一有效膜中的傳質(zhì)速率代表——?dú)饽せ蛞耗の账俾史匠淌?，相?yīng)的吸收系數(shù)即為膜系數(shù)或分系數(shù)，以k表示。與傳熱中的α相當(dāng)。1.氣膜吸收速率方程：溶質(zhì)由氣相主體到相界面的對(duì)流傳質(zhì)速率①氣相有效滯流膜內(nèi)：以氣相分壓差為推動(dòng)力zG

與流體流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，不易確定，但傳質(zhì)條件（物系、P、T）一定時(shí)可認(rèn)為kG不變。令——?dú)饽の账俾史匠淌健獨(dú)饽の障禂?shù)，kmol/(m2.s.kPa)。

也可寫(xiě)成：

②以氣相摩爾分率為推動(dòng)力：y——主體中A的摩爾分率yi——界面處A的摩爾分率2.液膜吸收速率方程：

界面→液相主體

①液相有效滯流膜內(nèi)：以液相濃度差為推動(dòng)力

令

或

——液膜吸收速率方程②以液相摩爾分率表示：四個(gè)分傳質(zhì)系數(shù)，各有相應(yīng)的阻力和推動(dòng)力。3.界面組成的確定：

氣液平衡+穩(wěn)定傳質(zhì)

當(dāng)已知兩相組成的平衡關(guān)系，如

和上式聯(lián)立便可

求出

4.總吸收系數(shù)及相應(yīng)的吸收速率方程：界面濃度難求，與傳熱處理壁溫一樣，可采用總推動(dòng)力避開(kāi)。即采用兩相主體濃度的某種差值為推動(dòng)力，相應(yīng)引入總吸收系數(shù)(K)及總阻力(1/K)。吸收推動(dòng)力形式與傳熱的差別：表示方法不同，不能直接相減，即使轉(zhuǎn)換成同一形式，其差值也并不能代表推動(dòng)力。是否有推動(dòng)力要與平衡濃度比較。相等不一定平衡。推動(dòng)力形式：主體濃度與另一相對(duì)應(yīng)的平衡濃度的差值。①以(p-p*)為總推動(dòng)力——p*與液相主體濃度平衡—以為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.Pa)—與液相主體濃度c成平衡的氣相分壓，Pa。易溶氣體：H很大，若kG、kL數(shù)量級(jí)接近，則對(duì)于氣膜阻力控制的吸收過(guò)程：平衡線斜率小，欲提高傳質(zhì)速率，在選擇設(shè)備形式及確定操作條件時(shí)需設(shè)法提，即減小氣膜阻力，這類似于對(duì)流傳熱時(shí)為提高傳熱傳熱速率需設(shè)法提高小的

易溶氣體溶解度大，其吸收過(guò)程往往是氣膜阻力控制，如用水吸收氨或氯化氫，用濃硫酸吸收水蒸汽等均為氣膜控制。②以(c*-c)為總推動(dòng)力——c*與氣相分壓p平衡KL

——液相總吸收系數(shù)，m/s難溶氣體：H很小，若kG、kL數(shù)量級(jí)接近，————液膜控制對(duì)于液膜阻力控制的吸收過(guò)程：平衡線斜率大，欲提高傳質(zhì)速率，在選擇設(shè)備形式及確定操作條件時(shí)需設(shè)法提高

。

難溶氣體溶解度小，其吸收過(guò)程往往是液膜阻力控制，如用水吸收氧氣，氫氣或二氧化碳等均為液膜控制。用水吸收二氧化硫及丙酮蒸汽，氣膜阻力和液膜阻力各占一定比例，此時(shí)應(yīng)同時(shí)設(shè)法減小氣膜阻力和液膜阻力，傳質(zhì)速率才會(huì)有明顯提高，我們稱這種情況為“雙膜控制”。

③以(Y-Y*)為總推動(dòng)力——Y*與液相組成X平衡據(jù)分壓定律代入

令

—以

為推動(dòng)力的氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)

④以(X*-X)為總推動(dòng)力——X*與氣相組成Y平衡小結(jié)：吸收速率方程

與膜系數(shù)相對(duì)應(yīng)的吸收速率式與總系數(shù)對(duì)應(yīng)的速率式

用一相主體與界面的濃度差表示推動(dòng)力用一相主體的濃度與其平衡濃度之差表示推動(dòng)力【例7】低濃吸收，平衡關(guān)系符合亨利定律，kG=2.74×10-7

kmol/(m2·s·kPa)，kL=6.94×10-5m/s，H=1.5。求KG，并分析吸收過(guò)程的控制因素。2.3吸收塔計(jì)算——填料塔板式塔：逐級(jí)接觸；填料塔：連續(xù)(微分)接觸填料中很大的空隙，提供曲徑→湍動(dòng)↑，表面形成液膜→表面積↑；可逆流或并流操作，但一般采用逆流：提高出塔吸收液濃度和降低尾氣濃度。計(jì)算內(nèi)容：吸收劑用量、塔的工藝尺寸等。吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算，一般的已知條件是：

1）氣體混合物中溶質(zhì)A的組成（mol分率）以及流量kmol/(m2.s)

2）吸收劑的種類及T、P下的相平衡關(guān)系；

3）出塔的氣體組成

需要計(jì)算：1）吸收劑的用量kmol/(m2.s)；2）塔的工藝尺寸，塔徑和填料層高度2.3.1吸收塔的物料衡算及操作線方程1.物料衡算穩(wěn)定、逆流下標(biāo)“1”——塔底（濃端）；下標(biāo)“2”——塔頂（稀端）；V——B的摩爾流率，kmol/s；L——S的摩爾流率，kmol/s；Y——?dú)庀嘀蠥的摩爾比；X——液相中A的摩爾比。V和Y1由吸收任務(wù)規(guī)定，吸收劑流量L和組成X2由工藝條件確定，出塔氣體組成Y2由任務(wù)規(guī)定的吸收率φA

求出：可算出吸收液的濃度X12.操作線方程：塔內(nèi)任意截面上的物料衡算關(guān)系在m—n截面與塔底截面之間作組分A的衡算——逆流吸收塔操作線方程L/V：塔操作的液氣比表明：塔內(nèi)任一截面的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關(guān)系，直線的斜率為L(zhǎng)/V。

操作線：在Y-X圖上為以L/V為斜率，過(guò)塔進(jìn)、出口氣、液兩相組成點(diǎn)B(X1，Y1)和T(X2，Y2)的直線逆流：濃、稀端；操作線與平衡關(guān)系、操作條件及設(shè)備結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)；吸收：Y>Y*，操作線在平衡線上方。并流操作線方程：吸收操作線總是位于平衡線的上方，操作線位于平衡線下方，則應(yīng)進(jìn)行脫吸過(guò)程。

吸收塔內(nèi)流向的選擇1、逆流沿塔高能保持較大推動(dòng)力；并流從頂?shù)降籽厮咄苿?dòng)力漸小，塔頂、底推動(dòng)力相差大。2、若兩相進(jìn)、出塔濃度相同，逆流平均推動(dòng)力大于并流，對(duì)傳質(zhì)速率有利。與傳熱時(shí)一樣。3、工業(yè)吸收一般多用逆流，后面討論中若無(wú)說(shuō)明，均為逆流吸收。4、逆流時(shí)上升的氣體將阻礙借重力往下流動(dòng)的液體，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。2.3.2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，V、Y1、Y2由設(shè)計(jì)任務(wù)給定，X2則是由工藝條件決定或設(shè)計(jì)人員選定?？梢?jiàn)，X1與吸收劑用量L相互制約！操作線的一個(gè)端點(diǎn)(X2,Y2)已定，另一端點(diǎn)隨L不同→液氣比L/V不同，而在Y=Y1水平線上移動(dòng)。L↑→L/V↑→推動(dòng)力↑→X1↓；設(shè)備費(fèi)↓，操作費(fèi)用↑；L↓→L/V↓→X1↑→推動(dòng)力↓→設(shè)備費(fèi)用↑，操作費(fèi)用↓。到C點(diǎn)X1=X*，X1與Y1平衡，推動(dòng)力=0，X1=X1,max，傳質(zhì)面積無(wú)限大，設(shè)備費(fèi)用無(wú)窮→Lmin,→(L/V)min。一般：L=(1.1～2.0)Lmin(L/V)min的確定：確定操作線與平衡線的交點(diǎn)或切點(diǎn)。例：空氣與氨的混合氣體，總壓101.33kPa，其中氨的分壓為1333Pa，用20℃的水吸收混合氣中的氨，要求氨的回收率為99%，每小時(shí)的處理量為1000kg空氣。物系的平衡關(guān)系列于本例附表中，若吸收劑用量取最小用量的2倍，試求每小時(shí)送入塔內(nèi)的水量。溶液濃度(gNH3/100gH2O)22.53分壓Pa160020002427解：1）平衡關(guān)系

2）最小吸收劑用量：其中：其中：3）每小時(shí)用水量

【例】用洗油吸收焦?fàn)t氣中的芳烴。塔溫度27℃、壓強(qiáng)為106.7kPa，焦?fàn)t氣流量850m3/h，芳烴的摩爾分率為0.02，回收率不低于95%。洗油中芳烴的摩爾分率0.005。溶劑用量為最小用量的1.5倍，求洗油流量及X1。2.3.3塔徑的計(jì)算Vs——混合氣體積流量，m3/s；按塔底為準(zhǔn)；u——混合氣空塔氣速，m/s；流體力學(xué)問(wèn)題。2.3.4填料層高度的計(jì)算1.基本方法與計(jì)算式②計(jì)算式—各截面濃度變→傳質(zhì)速率變對(duì)組分A作物料衡算單位時(shí)間內(nèi)由氣相轉(zhuǎn)入液相的A的物質(zhì)量為：微元填料層內(nèi)的吸收速率方程式為：

a:有效比表面，受填料形狀、尺寸、裝填方式、流體物性及流動(dòng)狀態(tài)影響，難以確定，將之與傳質(zhì)系數(shù)合二為一：KYa、KXa

——總體積吸收系數(shù)或總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(s.m3)。低濃度氣體吸收時(shí)填料層的基本關(guān)系式為

2、傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)稱為“氣相總傳質(zhì)單元高度”，用

表示

——?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元數(shù)

HOG的物理意義：

HOG

或HOL

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，是由過(guò)程條件決定的：吸收過(guò)程的傳質(zhì)阻力越大，填料層的有效比面積越小，每個(gè)傳質(zhì)單元所相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨仍酱?。雖然(Y-Y*)為一變量，但積分值一定，總可找到一個(gè)(Y-Y*)m

（常量）使積分值不變。此時(shí)填料層高度就是一個(gè)總傳質(zhì)單元高度。傳質(zhì)單元數(shù)反映吸收過(guò)程的難度，任務(wù)所要求的氣體濃度變化越大，過(guò)程的平均推動(dòng)力越小，則意味著過(guò)程難度越大，此時(shí)所需的傳質(zhì)單元數(shù)越大。3、傳質(zhì)單元數(shù)的求法1）平衡線為直線時(shí)a）脫吸因數(shù)法

平衡關(guān)系用直線

表示時(shí)，將代入——脫吸因數(shù)。平衡線斜率和操作線斜率的比值無(wú)因次。S愈大，脫吸愈易進(jìn)行?！找驍?shù)

分析：橫坐標(biāo)

值的大小，反映了溶質(zhì)吸收率的高低。

在氣液進(jìn)口濃度一定的情況下，吸收率愈高，Y2愈小，橫坐標(biāo)的數(shù)值愈大，對(duì)應(yīng)于同一S值的NOG愈大。S反映吸收推動(dòng)力的大小

在氣液進(jìn)出口濃度及溶質(zhì)吸收率已知的條件下，若增大S值，也就是減小液氣比L/V，則溶液出口濃度提高，塔內(nèi)吸收推動(dòng)力變小，NOG值增大。

對(duì)于一固定的吸收塔來(lái)說(shuō)，當(dāng)NOG已確定時(shí)，S值越小，愈大，愈能提高吸收的程度。

減小S增大液氣比

吸收劑用量增大，能耗加大，吸收液濃度降低。適宜的S值：

ii)對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法：——平衡關(guān)系：Y*=mX+b

例：某生產(chǎn)車間使用一填料塔，用清水逆流吸收混合氣中有害組分A，已知操作條件下，氣相總傳質(zhì)單元高度為1.5m，進(jìn)料混合氣組成為0.04（組分的Amol分率，下同），出塔尾氣組成為0.0053，出塔水溶液濃度為0.0128，操作條件下的平衡關(guān)系為Y=2.5X（X、Y均為摩爾比），試求：1）L/V為(L/V)min的多少倍？2）所需填料層高度。3）若氣液流量和初始組成均不變，要求最終的尾氣排放濃度降至0.0033，求此時(shí)所需填料層高度為若干米？解：

1）L/V為(L/V)min的倍數(shù)2）所需填料層高度脫吸因數(shù)法

對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法

3）尾氣濃度下降后所需的填料層高度

尾氣濃度

例：某吸收塔在101.3kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空氣混合物中的丙酮，操作液氣比為2.1時(shí)，丙酮回收率可達(dá)95%。已知物系的濃度較低，丙酮在兩相間的平衡關(guān)系為y=1.18x，吸收過(guò)程為氣膜控制，總傳質(zhì)系數(shù)Kya與氣體流率的0.8次方成正比，1）今氣體流率增加20%，而流體及氣液進(jìn)出口組成不變，試求：a）丙酮的回收率有何變化？b）單位時(shí)間內(nèi)