化工原理王志魁第五版-吸收5-5(郑州大学授课讲义)
化工原理吸收教学课件PPT
5.1.1 化工生产中的传质过程
一、均相物系的分离
均相混合物的分离，首先要设法制造另外一个相，
使得物质从一个相转移到另外一相。
根据不同组分
某种过程
均相物系
两相物系
在各相中物性 的差异，使某
组分从一相向
实现均相物系的分离
另一相转移： 相际传质过程
相际传质过程
均相物系分离
相际传质过程的推动力：浓度差
5
分离
均 相 混 合 物 非 均 相 混 合 物
动量传递 三传 热量传递
质量传递
-----在浓度差、温度差、压 力差等推动力作用下，物质从 一处向另一处的转移过程。包 括相内传质和相际传质两类。
利用某种性质差异
方法 加 加入 入能 另量 外一种分 物离 质剂 作为 加场，如浓度场、电 温场 度、磁场
4
13
5.1.7 吸收操作的分类
按被吸收 组分数目
单组分吸收
多组分吸收√ 气体混合物 液体
气体 吸收
按吸收有无 化学反应
按溶质组 成的高低
按吸收的 温度变化
物理吸收
化学吸收√
低浓度吸收
高浓度吸收√
等温吸收
非等温吸√收
溶质A S
惰性组分B 吸收剂
相界面
本章只讨论单组分、低浓度、等温、物理吸收过程 的有关原理和计算。
ExA p*A
y*Ap*A/ pxAE/ p
p*A ExA
∴
mE p
y*A mxA
26
在低浓度气体吸收计算中，通常采用基准不变
的比摩尔分数Y( 或 X)表示组成。
由yA*mxA
得
YA* 1YA*
mX*A 1 X*A
化工原理王志魁第五版习题解答：第五章--吸收
第五章 吸收气液相平衡【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为.101325kPa ，温度为10℃时，31m 水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的溶解度表达式为*.6331310p x =⨯，式中*p 为氧在气相中的平衡分压，单位为kPa x ；为溶液中氧的摩尔分数。
解 总压.101325 p kPa =空气中2O 的压力分数 .021A p p ==／体积分数空气中2O 的分压 *..021101325 A p kPa =⨯亨利系数 .6331310E kPa =⨯(1) 利用亨利定律*A p Ex =计算与气相分压..021101325A p kPa =⨯相平衡的液相组成为 *. ..A p x kmol O kmol E ⨯===⨯⨯-6260．2110132564210 ／331310溶液 此为1kmol 水溶液中最大可能溶解.6264210kmol O -⨯因为溶液很稀，其中溶质很少1kmol 水溶液≈1kmol 水=18 kg 水10℃，水的密度 .39997kg m ρ=／故 1kmol 水溶液≈.3189997m ／水即 .3189997m 水中最大可能溶解.664210kmol -⨯氧 故 31m 水中最大可能溶解的氧量为 (6426421099973571018)kmol O --⨯⨯=⨯ ...4222357103211410O 114O kg g --⨯⨯=⨯=(2) 利用亨利定律*A A c p H =计算 ()...5369997== 167610／33131018ss H kmol m kPa EM ρ-≈⨯⋅⨯⨯ 31m 水中最大可能溶解的氧量为*(..)(.).5432021101325 16761035710A A c p H kmol O m --==⨯⨯=⨯／ 溶液 ...4222357103211410114kg O g O --⨯⨯=⨯=【5-9】CO 2分压力为50kPa 的混合气体，分别与CO 2浓度为./3001kmol m 的水溶液和CO 2浓度为.3005kmol m ／的水溶液接触。
化工原理王志魁第五版-吸收最新版本
5. 吸收
扩散系数的讨论
（3）温度、压力的影响。 气体、液体和固体的扩散系数一般都随温度升高而增大。 气体扩散系数随压力的增加而减少。 液体的扩散系数与压力无关。
气 体 ： DT1.5p1
（4）浓度影响。对理想气体和稀溶液，浓度影响不大；而 非理想气体和一般溶液的D则是浓度的函数。
1/17/2020
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7
5. 吸收
分子扩散
分子扩散基本定律——费克定律
JA
D
dcA dz
jA
D
dA
dz
分子扩散可在单相中进行（如红墨水在水中的扩 散），也可以在气、液、固相间进行（如香水扩 散，气-液相间；活性炭吸异味，气-固间）。
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8
5. 吸收
扩散系数的讨论
（1） D的物理意义：浓度梯度数值为1时的扩散通 量。单位：m2/s。其大小表明物质的扩散能力大小 。
Dp( yB2 yB1 ) RTZ yB2 yB1
ln( yB2 / yB1 )
Dp RTZ
1 yBm(yA1
yA2) ↖
传质推动力
即：NARD TpZy1Bm(yA1yA2) ——单项扩散传质速率方程
其中：yBm
yB2 yB1 ln(yB2 / yB1)
（对数平均）
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NM
15
5. 吸收
（3）单项扩散的传质速率方程
1 NA 1 yA JA
JA
D
dcA dz
NARTD pyAddyzA
D p dyA RT dz
分离变量： N A dzR D T pd yy A AR D T pd( yy A A )
大学课件-化工原理-吸收-5
7.9.2 主要塔内件简介
（1） 塔填料 ① 几何特性 ◆ 公称直径 d ，mm ◆ 比表面积 a ，m2/m3 ◆ 空隙率ε ，m3/m3 ◆ 填料因子φ， m-1
② 分类
散堆填料
环形 鞍形 球形
拉西环 鲍尔环
阶梯环 弧鞍（贝鞍） 矩鞍（英特洛克斯） 金属环矩鞍
规整填料
波纹型
丝网波纹 孔板波纹
（3） 球形填料
规整填料 （1） 波纹型规整填料： 苏尔采填料（Sulzer Packing）、网波纹填料、孔板波纹填料 （Mellapak）
(2)格栅型填料
（2） 填料塔附件
支承板
液体
液体分布器
液体体
捕沫器
填料压板 塔壳 填料 填料支承板 液体再分布器 填料压板
填料支承板 气体
液体
(a)莲蓬头式 (c)溢流管式
(b)多孔环管式
液体分布器
液体再分布器
(a)截锥型
(b)“罗赛脱”型
填料支承结构
7.9.3 填料塔的流体力学性能 气体压降
填料塔的流体力学性能
液泛气速 持液量 液、气流体分布
（1）填料层压强降
气体压强降=f（气、液两相流速、物性，填料类型与尺寸等）
隔栅型 格利希隔栅
（1）环形填料 拉西环（Raschig ring） 鲍尔环(Pall ring) 阶梯环(Cascade ring）
（2） 鞍形填料 弧鞍填料，又称贝鞍（Barladdle）填料 矩鞍填料，又称英特洛克斯鞍（Intalox saddle）
金属环矩鞍填料（Intalox Metal Tower Packing）
不同液体喷淋密度L（m3/m2·h）下，单位高度填料层△p~u关系。
化工原理王志魁第五版习题解答：第五章 吸收
第五章吸收气液相平衡【5-5】空气中氧的体积分数为21%，试求总压为.101325kPa ，温度为10℃时，31m 水中最大可能溶解多少克氧？已知10℃时氧在水中的溶解度表达式为*.6331310p x =⨯，式中*p 为氧在气相中的平衡分压，单位为kPa x ；为溶液中氧的摩尔分数。
解总压.101325 p kPa=空气中2O 的压力分数.021A p p ==／体积分数空气中2O 的分压*..021101325 A p kPa =⨯亨利系数 .6331310E kPa=⨯(1)利用亨利定律*A p Ex =计算与气相分压..021101325A p kPa =⨯相平衡的液相组成为*. ..A p x kmol O kmol E ⨯===⨯⨯-6260．2110132564210 ／331310溶液此为1kmol 水溶液中最大可能溶解.6264210kmol O -⨯因为溶液很稀，其中溶质很少1kmol 水溶液≈1kmol 水=18kg 水10℃，水的密度.39997kg m ρ=／故1kmol 水溶液≈.3189997m ／水即.3189997m 水中最大可能溶解.664210kmol -⨯氧故31m 水中最大可能溶解的氧量为 (6426421099973571018)kmol O --⨯⨯=⨯ (4222)357103211410O 114O kg g --⨯⨯=⨯=(2)利用亨利定律*A A c p H =计算()...5369997== 167610／33131018s s H kmol m kPa EM ρ-≈⨯⋅⨯⨯31m 水中最大可能溶解的氧量为*(..)(.).5432021101325 16761035710A A c p H kmol O m --==⨯⨯=⨯／溶液 (4222)357103211410114kg O g O --⨯⨯=⨯=【5-9】CO 2分压力为50kPa 的混合气体，分别与CO 2浓度为./3001kmol m 的水溶液和CO 2浓度为.3005kmol m ／的水溶液接触。
化工原理王志魁第五版-吸收5
第5章 吸 收
.
5. 吸收
本章核心内容提要
※ 概述 (教材5.1)
※ 气液相平衡 (教材5.2)
※ 吸收过程的传质速率 (教材5.3)
※ 吸收塔的计算 (教材5.4)
※ 填料塔 (教材5.5)
5/2/2020
2
投票 最多可选1项
吸收操作中的溶解度系数通常指的是下列哪项？
A p*A = Ex 中的E B p*A = cA/H 中的H C y* = mx 中的 m
JA
D
dcA dz
NARTD pyAddyzA
D p dyA RT dz
分离变量： N A dzR D T pd yy A AR D T pd ( yy A A )
积分：
NA
Z Dp
dz
0
RT
yA2d(yA) yA1 yA
得： N AR D T p Z ln1 1 y yA A 2 1R D T p Z lny yB B 2 1
采用分压差表达推动力时，单项扩散传质速率方程为：
Dp NARTZpBm(pA1pA2) 思考1：在液相一侧，采用浓度差表达推动力时，情况又如何？
思考2：在液相一侧，证明 CBmCxBm
5/2/2020
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5. 吸收
（4）单项扩散的传质系数
Dp NAz RTZpBm(pA1pA2)
定义气相传质系数：kG
5. 吸收
➢ 扩散系数的讨论
（3）温度、压力的影响。 气体、液体和固体的扩散系数一般都随温度升高而增大。 气体扩散系数随压力的增加而减少。 液体的扩散系数与压力无关。
气 体 ： DT1.5p1
（4）浓度影响。对理想气体和稀溶液，浓度影响不大；而 非理想气体和一般溶液的D则是浓度的函数。
化工原理第五章吸收(传质理论之一)超详细讲解
YA* 1 YA*
mX A 1 XA
YA* (1
X A ) mX A (1 YA* ) mX AYA*
mX A
YA* (1
X A) mX
AYA*
mX
A
YA*
mX A 1 (1 m)X A
稀溶液
mX
A
即: YA*=mXA 或: XA*=YA/m
吸收前1：nA1/nB=(nA1/n总1)/(nB/n总1)= yA1/yB1 =YA1
= yA1/(1-yA1) 吸收后2：nA2/nB=(nA2/n总2)/(nB/n总2)= yA2 /yB2 =YA2
= yA2/(1-yA2) 由此提示我们：要求A被吸收的量，要用到A在惰性气体 B中A的含量分率yA/yB，令为YA。 定义： YA –摩尔比/比摩尔分数(率)
4 、 以YA~XA比摩尔分率表示的亨利定律 YA:每mol惰气中所含A的mol数。起始时--YA1,终了时--YA2 XA：每mol吸收剂中所含A的mol数。吸收从XA1→XA2
YA
yA 1 yA
yA
YA 1 YA
XA
xA 1 xA
xA
XA 1 XA
由y*A=mxA得：
对一定的吸收体系(质A，剂S确定)，E和H为常数，都反映A 在S中的溶解度大小。E～H关系？先找CA～xA关系：
p* A
=
CA
=
ρS
xA = ExA
H HMS
即E∝1/ H ，E↑，H↓，气体在该吸收剂中越难溶。
xA～CA关系：
-
3 、 以yA ～ xA表示的亨利定律
∵A的气相摩尔分数 yA=pA/p总 = nA/ n总 ∴ y*A=p*A/P=(ExA)/P=mxA 或 x*A= yA/m 即 x*A∝yA m=E/P——相平衡系数(无因次)，E↑, m↑,气体越难溶。
化工原理王志魁第五版答案
化工原理王志魁第五版答案
《化工原理》王志魁第五版习题答案列表如下：
一、第一章
1.1 什么是化学工程
化学工程是一门研究化学过程及其工艺的学科，主要涉及化学反应、
传热、传质、流动等方面。
1.2 化学反应基础
化学反应是化学工程中最重要的环节之一，包括化学平衡、反应速率、反应热等方面。
1.3 能量和能量平衡
能量是化学工程中最基本的物理量之一，能量平衡是化学工程设计和
运行的基础。
二、第二章
2.1 流体静力学基础
流体静力学是研究静止流体力学性质和流体中的压力分布的学科。
2.2 流体动力学基础
流体动力学是研究流体在运动中的力学性质、运动规律及其应用的学科。
2.3 流体动力学基本方程
流体动力学的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
三、第三章
3.1 质量传递基础
质量传递是化工过程中必不可少的环节之一，包括传递过程和传递速率等方面。
3.2 质量传递基本方程
质量传递的基本方程包括扩散方程、对流方程和总质量守恒方程。
3.3 物料平衡
物料平衡是化工过程中必不可少的环节之一，包括原料的进出量、反
应产物的生成量和回收量等方面。
四、第四章
4.1 常见的化工反应
常见的化工反应包括酸碱中和、氧化还原、脱水、加氢等方面。
4.2 燃烧反应
燃烧反应是一种氧化还原反应，是化工过程中常发生的一种反应类型。
4.3 催化剂的应用
催化剂在化学工程中的应用广泛，能够提高反应速率和选择性，降低
反应温度和压力等。
以上是《化工原理》王志魁第五版习题答案列表。
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5.吸收
鞍形填料
弧鞍填料
矩鞍填料
环矩鞍填料 （金属）
改进矩鞍填料
3/4/2019 10
5.吸收
球形填料、花环填料
3/4/2019
11
5.吸收
整装填料
格栅填料
木格栅填料 适用于低压降、大负荷及防堵场合
3/4/2019
12
5.吸收
波纹填料
板波纹填料
3/4/2019
丝网波纹填料
结构紧凑，比表面积大，传质效率高
3/4/2019 25
5.吸收
液体分布器
作用：使液体形成均匀的初始分布 要求：喷淋点足够多、各喷淋点喷淋液量相等
注意不同类型分布器适用的塔径范围。塔径越大，要求越高
3/4/2019
26
5.吸收
液体再分布器
作用：收集液体、重新分布，克服壁流问题 要求： 1. 具有收集液体功能（向中央归拢） 2. 本身也是液体分布器 3. 填料层分段，每隔一定高度设置
ε越大，压降越小，适应负荷越大
3/4/2019
15
5.吸收
5.5.3 填料塔的流体力学性能与操作特性
填料层的持液量
持液量——单位体积填料层中滞留的液体体积 静持液量——与气液负荷无关 总持液量 动持液量——与气液负荷有关 持液量↗ ⇒ 填料层压降↗
3/4/2019 16
5.吸收
填料层的压降
u 代表空塔气速
3/4/2019 22
5.吸收
填料塔操作中返混的原因
• 气液分布不均，各处传质效率差别很大 初始分布不均；壁流；填料层内的沟流
• 气流对液膜有影响，雾沫夹带不可避免 • 湍动剧烈时，轴向混合不可避免 流体力学性能随规模变化明显，直接影响三传一反的效果，
是过程工业放大设计失败的主要原因！
3/4/2019
3/4/2019 5
5.吸收
5.5 填料塔
5.5.1 填料塔的结构
5.5.2 填料的类型及性能 5.5.3 填料塔的流体力学性能与操作特性 5.5.4 填料塔的附件
3/4/2019
6
5.吸收
5.5.1 填料塔的结构
（二维码视频）
塔体、气体/液体进出口 填料：散装/整装
塔顶除沫器 填料支承板、填料压紧装置 液体分布器（仍在探索提高） 液体再分布器（教材图5-27）
注意是对气相而言！
泛点
lg Δp
L3 L2 L1
B3 B 2 B1
• 载点以下： 恒持液量
L=0
载点 A3
• 载点~泛点：
正常操作范围 • 泛点以上： 液泛
3/4/2019
A2
A1
L3 > L2 > L1
lg u
17
5.吸收
液泛的讨论
在液泛区，持液量过大使得：
液相变为连续相，气相变为分散相 填料特性： ϕ越小，泛点气速越高
3/4/2019
27
3/4/2019 7
5.吸收
5.5.2 填料的类型及性能
塔填料的创新仍然属于前沿科技 按材质：陶瓷、金属、塑料
按装填方式：散装、整装Fra bibliotek散装填料
环形、鞍形、球形、花环
3/4/2019
8
5.吸收
环形填料
内部分隔
勒辛环
十字隔 板环
拉西环
表面重构
鲍尔环
阶梯环
扁环
思考：阶梯环锥形翻边的作用？
3/4/2019 9
13
5.吸收
填料的性能评价
性能评价参数 （1）比表面积 a （2）空隙率 ε
（3）干填料因子 a/ε3 （4）(湿)填料因子 ϕ
（5）堆积密度 ρb
3/4/2019
反映填料几何特性 反映填料流体力学性能
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5.吸收
填料性能评价的核心要素 （1）传质效率 （2）压降（流动阻力）
a 越大，传质效率越高
L, X1
3/4/2019
X2
X X′ Xr X1
X
21
5.吸收
设计和操作时考虑返混的思路
Y Y1 设计型问题 Y = f (X) Y Y1 操作型问题 Y = f (X)
Y2 X2 X X′ Xr X1 X
Y 2′ Y2
X2 X X′ Xr
X1
X
设计型问题：为保持操作效果不变，应加高填料层高度或用更好的填料 操作型问题 ：返混发生，操作效果必将变差，Y2将增大
液体密度↗ ⇒ 泛点气速↗
影响因素
流体物性 气体密度↗ ⇒ 泛点气速 ↘
液体粘度↗ ⇒ 泛点气速↘
操作液气比： L/G ↗ ⇒ 泛点气速↘
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5.吸收
空塔气速的设计
例：Eckert算图
（1）找泛点气速 （2）确定适宜操作 气速：通常是泛点气 速的0.5~0.8倍
（3）估计压降、计 算塔径（P249）
C
D
提交
3
5.吸收
本章核心内容提要
※ 概述 (教材5.1)
※ 气液相平衡 (教材5.2)
※ 吸收过程的传质速率 (教材5.3)
※ 吸收塔的计算 (教材5.4)
※ 填料塔 (教材5.5)
3/4/2019 4
5.吸收
5.5 填料塔
注意：吸收不只可用填料塔，也可用板式塔！ 传质单元数法计算塔高只适用于填料塔。 (板式塔第6章介绍)
（4）权衡操作费与 设备费 课后思考：结合算图 理解液泛的影响因素
3/4/2019 19
5.吸收
填料表面的润湿
填料表面的润湿状况是其传质效率的另一重要因素 被润湿形成液膜的填料表面才是有效的传质面
填料表面的润湿状况取决于： • 填料的材质和表面性质 • 液体喷淋密度（单位时间、单位塔截面积的液体喷淋体积）
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5.吸收
5.5.4 填料塔的附件
填料支承板
作用：支承填料 要求：机械强度、自由面积
3/4/2019
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5.吸收
填料压紧装置（填料压板）
作用：防止填料层的松动和跳动。 • 可自由放置于填料层上端
适用于陶瓷、石墨等制成的易发 生破碎的散装填料。 • 也可固定在塔壁上 适用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有 规整填料。
最小喷淋密度Umin：为保证填料充分润湿，液体喷淋密度的最小值
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5.吸收
填料塔的返混
返混——局部出现浓度差，使组分发生自下游到上游的扩散 G, Y2 * 以侧线抽出返塔为例 Y L, X L+Lr , X′ Lr , Xr G, Y1 Y1 Y = f (X)
L, X2
Y2
全塔平均推动力 下降！
化工原理
第 5章 吸 收
单选题
2分
作业题5-16和5-22分别属于（
A
）
设计型计算，操作型计算
B
操作型计算，设计型计算
设计型计算，设计型计算 操作型计算，操作型计算
C
D
提交
2
单选题
2分
下列哪种情况，必须通过试差才能求解（
A
）
改变液量，求完成任务所需塔高
B
改变气量，求出塔气体组成
改变操作压力，求吸收液组成 改变操作温度，求完成任务所需液量