浙大化工原理第九章-气体吸收-第五次课
化工原理教学资料-第五章气体吸收
T
T
p
p
pA1 1
JA
2 pA2
pB1
pB2
JB
等摩尔反向扩散：任一截面处两个组分的扩散速率 大小相等，方向相反。
总压一定
JA
DAB RT
dpA dz
JB
DB A RT
dpB dz
ppApB
dpA dz
=
dpB dz
JA=－JB
DAB=DBA=D
2. 等摩尔反向扩散定常态传质速率方程
一、溶解度曲线 饱和浓度：平衡时溶质在液相中的浓度。
平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。
相律分析：组分数C=3，相数=2， 自由度F＝C-+2=3-2+2=3
分别为：温度、总压、气相或液相组成
当压力不太高、温度一定时
气 相
60℃
中
氨
50℃
的
分
压
40℃
30℃
P
* A
f1xA
y
* A
f2xA
P
* A
dz
DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2.s-1。 负号：表明扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿
着浓度降低的方向进行
理想气体：
cA
pA RT
d c A = 1 dpA d z RT d z
JA
DAB RT
dpA dz
分子扩散两种形式：等摩尔反向扩散，单向扩散。 一、等摩尔反向扩散及定常态传质速率方程 1.等摩尔反向扩散
化工原理教学资料-第五章气体吸收
5.1 概述
5.1.1 化工生产中的传质过程 5.1.2 相组成表示法 5.1.3 气体吸收过程
5.1.1 化工生产中的传质过程
化工原理气体吸收共39页文档
化工原理气体吸收
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
化工原理(第三版)习题解(谭天恩)第九章习题解
第九章 吸收9-1 总压为kPa 3.101、含3NH %5（体积分数）的混合气体，在C 25下与浓度为3.71.1-m kmol 的氨水接触，试判别此过程的进行方向，并在c p -图上示意求取传质推动力的方法。
解 氨—水平衡关系列在本章附录二中，需将题中组成化为其中的单位，以便比较。
气相氨分压 kPa p 065.505.03.101=⨯=液相组成换算要用到密度ρ，暂取3.990-=m kg ρ（参考例9-2，温度较高ρ较小）。
对3.71.1-=m kmolc 氨水，每立方米含氨kg 1.291771.1=⨯，含水kg 9.9601.29990=-；故kg 100水中含氨kg 03.3)9.960/1.26(100=⨯。
与附录二比较，氨水组成为kg 3氨.1-100(水）kg ，C 25下的平衡氨分压为kPa 13.3，比题给氨分压低，故知过程方向应为吸收。
（注：虽然氨水密度的估计稍有误差，但不影响过程方向。
作图从略）9-2 含%32CO （体积分数）的2CO —空气混合气，在填料塔中用水进行逆流吸收，操作压力为（绝）为kPa 200、温度为C25，试求出塔的g 100水中最多可溶解多少克2CO ？其浓度又为多少？解 出塔水的最大浓度系与逆流进塔的气体平衡，此时2CO 的分压kPa Py p 603.0200=⨯==，查本章附录一，C 25下2CO 溶于水的亨利系数MPa E 166=。
按式（9-5），液相平衡组成为[]153)(.1061.3101666--*+⨯=⨯==B A mol A mol E p x 而 155max ).(1084.81061.3)1844()()(---**⨯=⨯⨯=≈=gS gA x M M x M M S A L A ω 即 123100.(1084.8--⨯）g gCO浓度 335max .1001.2)1061.3()18/1000()(---**⨯=⨯⨯≈≈=m kmol x M sCx c s ρ9-3 总压kPa 3.101、含%62CO （体积分数）的空气，在C 20下与2CO 浓度为3.3-m kmol 的水溶液接触，试判别其传质方向。
化工原理 第九章 气体吸收
第一节概述一、什么是吸收？吸收是利用气体混合物中各组分在某种溶剂中溶解度的差异，而将气体混合物中组分加以分离的单元操作。
溶质: 气体混合物中能溶解的组分称为溶质，以A表示；惰性组分: 不溶或微溶组分称为惰性组分或载体，以B表示；溶剂: 吸收过程所用的溶剂称为吸收剂，以S表示；吸收液: 所得的溶液称为吸收液。
二、吸收在石油化工中的应用(1)回收有用组分(2)制取液态产品(3)净化气体（废气治理）三、吸收的工艺流程四、吸收分类按溶质和溶剂之间是否发生明显的化学反应吸收按溶于溶剂的组分数吸收按吸收过程是否发生明显的温度变化吸收五、吸收剂的选择1．溶解度大；2．选择性好；3．挥发度低；4．粘度低；5．无毒、无腐蚀；6．吸收剂应尽可能不易燃、不易发泡、价廉易得、稳定。
第二节吸收过程的相平衡关系一、气体在液体中的溶解度在一定的温度与压力下、使气体混合物与一定量的溶剂接触，气相中的溶质便向液相中的溶质转移，直至液相中溶质达到饱和为止，这时，我们称之为达到了相平衡状态。
达到了相平衡状态时气相中溶质的分压，成平衡分压；液相中溶质的浓度称为平衡浓度（或溶解度）。
大量实验表明，溶解度和气相中溶质的分压有关。
从图上可以看出：分压高，溶解度大温度高，溶解度小吸收操作应在低温高压下进行，脱吸应在高温、低压下进行二、亨利定律1．亨利定律在一定的温度下，当总压不很高（<500kpa）时，稀溶液上方溶质的平衡分压与该溶质在液相中的摩尔分率成正比，其表达式如下式中------溶质在气相中的平衡分压,KN/m2；------溶质在液相中的摩尔分率；E------亨利系数,。
式(9-1)称为亨利(Henry)定律。
亨利系数E值由实验测定，常见物系的E值可由有关手册查出。
当物系一定时，亨利系数随温度而变化。
一般说来，值随温度升高而增大，这说明气体的溶解度随温度升高而减小，易溶气体值小，难溶气体的值大。
2．用溶解度系数表示的亨利定律若将亨利定律表示成溶质在液相中的摩尔浓度与其在气相中的平衡分压之间的关系，则可写成如下形式(9-2)式中C──液相中溶质的摩尔浓度,kmol/m3H──溶解度系数，溶液中溶质的摩尔浓度和摩尔分率及溶液的总摩尔浓度之间的关系为(9-3)把上式代入式(9-2)可得将上式与式(9-1)比较，可得(9-4)溶液的总摩尔浓度可用1m3溶液为基准来计算，即(9-5)式中──溶液的密度(kg／m3)──溶液的摩尔质量。
化工原理chapter-9--气体吸收自测题
气体吸收单元自测题一、填空题1、吸收操作的依据是,以达到分离气体混合物的目的。
2、Henry定律的表达式为p e=E·x，若某气体在水中的亨利系数E值很大，说明该气体为气体。
3、由于吸收过程中气相中溶质分压总是溶质的平衡分压，因此吸收操作线总是在平衡线的。
4、在1atm、20℃下某低浓度气体混合物被清水吸收，若气膜传质系数为k G=0。
1kmol/（m2.h。
atm)，液膜传质系数k L=0。
25kmol/（m2。
h。
atm),溶质的溶解度系数H=150kmol/（m3。
atm），则该溶质为气体，气相总传质系数K Y= kmol/(m2。
h。
△Y).5、解吸时，溶质由向传递，压力温度将有利于解吸。
6、双膜理论的基本论要点.对气膜控制体系，传质阻力主要集中在相中，对液膜控制体系，传质阻力主要集中在相中。
7、在吸收过程中，若提高吸剂用量，对气膜控制的物系，体积总传质系数K Y a,对液膜控制的物系，体积总传质系数K Y a.8、吸收操作中增加吸收剂用量，操作线的斜率，吸收推动力。
9、当吸收剂用量为最小用量时,则所需填料层高度将为。
10、在常压逆流操作的填料塔中，用纯溶剂吸收混合气中的溶质。
已知进塔气相组成Y1为0.02（摩尔比)，操作液气比为(L/G)=0.9，气液平衡关系为Y=1.0X，则溶质组分的回收率最大可达.11、脱吸因数可表示为，吸收因数可表示为。
12、低浓度逆流吸收操作中，当气体进口含量y1下降，其它条件不变时，则气体出口含量y2，液体出口含量x1，被吸收溶质总量，回收率η，平均推动力△y m，N OL。
（增大、减小、不变、不确定)13、低浓度逆流吸收操作中，其它条件不变而入塔液体含x2下降，则N OL，出塔液体x1，出塔气体y2.(增大、减小、不变、不确定）14、低浓度逆流吸收塔设计中，若气体流量、进出口组成及液体进口组成一定，减小吸收剂用量，传质推动力将,设备费用将。
(增大、减小、不变)二、选择题1、吸收操作的作用是分离( )。
化工原理2012-9 吸收
y+dy x+dx 单位体积填料的有效传质面积a h H dh NAadh=GBdY=LSdX， NA=KY（Y-Y*） y x KYa(Y-Y*) dh= GBdY
四、填料层高度的计算：
∫0Hdh= ∫YaYb(GB/KYa)dY/(Y-Y*)
yb
xb
23
H=(GB/KYa)∫YaYbdY/(Y-Y*) 同理可推出:H= (LS/Kxa)∫XaXbdX/(X*-X)
G,y
Lx
Gb,yb
G、L、y、x----塔中任一截面处的 Lb,xb 气相、液相kmol/h流量和吸收质 摩尔分率。
GB、LS---气相中惰性气体、液相 中吸收剂的kmol/h流量
20
GB=G(1-y), Ls=L(1-x) Y=y/(1-y), X=x/(1-x) GB(Yb-Ya)=Ls(Xb-Xa) 全塔物料衡算:
8
亨利定律：
稀溶液，气体的溶解平衡关系可以表示成过原点 的直线。其函数表达式为： Henry定律： pA*=ExA 溶解关系：cA*=HpA 拉乌尔定律： pA=pA°xA
相平衡关系：y*=mx
E---亨利系数[Pa]； m---相平衡常数；
H---溶解度系数[kmol/（m3kPa）]。
气体越易溶，H越大，E越小；
(Yb-Ya)/(Xb-Xa)=Ls/GB
对虚线方块作物料衡算: GB(Y-Ya)=Ls(X-Xa) Y=(Ls/GB)X+(Ya-LsXa/GB) -----逆流吸收操作线方程
此方程为一直线,斜率=Ls/GB称为液气比
若并流吸收:Y=-(Ls/GB)X+(Ya+LsXa/GB)
并流吸收操作线方程,(直线)
化工原理课件第五章 吸收
η=
被吸收的溶质量 进塔气体的溶质量
Y1 Y 2 Y1
Y2=Y1(1-η)
qn,v Y1 Y2 条件所规定
X2 一般为吸收工艺
qn ,l ,m qn,v
Y1 Y2 X1* X 2
Y1 Y2
Y1 m
X
2
qn,l=（1.1～1.5）qn,l,m
2020/7/16
16
5-14 填料层高度的计算
溶解度随温度和溶质气体的分压不同而不同，平衡时溶质在 气相中的分压称为平衡分压。溶质组分在两相中的组成服从 相平衡关系。
加压和降温有利于吸收操作，反之，升温和减压对解吸有利。 但加压、减压费用太高一般不采用。
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6
５－２ 亨利定律
亨利定律
当总压不高（一般小于500KPa）时，在一定温度下，稀溶液上 方气相中溶质的平衡分压与其在液相中的浓度之间存在着如下 的关系：
一、 填料层高度的基本计算式
填料层高度计算涉及物料衡算、传质 速率和相平衡关系。我们前面介绍的 所有传质速率方程都适用于稳定操作 的吸收塔中的"某一横截面",而不能用 于全塔。
该微元内，吸收质的传递量dG为：
dG qn,vdY qn,ldX
由吸收速率方程可知，该微元内，气相
和液相吸收质的变化量dG为：
在相内（气相或液相）传质方式包括分子扩散和湍流扩散。
分子扩散：当流体内部某一组分存在浓度差时，因微观的分 子热运动使组分从浓度高处传递到较低处，这种现象称为分 子扩散。
湍流扩散：当流体流动或搅拌时，由于流体质点的宏观运动
（湍流），使组分从浓度高处向低处移动，这种现象称为湍
流扩散。在湍流状态下，流体内部产生旋涡，故又称为涡流
化工原理第九章气体吸收的基本概述
1 11
K x mk y kx
1 1 m Ky ky kx
mK y K x
吸收传质理论与传质速率方程
吸收传质理论与传质速率方程
相平衡关系为曲线
设平衡曲线段 PQ 与 QR 的割线的斜率分别为 mL 和 mG
y
斜率
=-kx/ky y*=f(x)
y A
R
mG
yi
mL
Q
y*
P
o
x
xi x* x
[例题]
气相传质阻力占总阻力的比例
1
1
ky 5.31104 89.3%
1
1
K y 4.74104
液相传质阻力占总阻力的比例
m
1.2
kx 5.33103 10.7%
1
1
K y 4.74104
作业
第56页： 9.4
和比摩尔分数。
吸收传质理论与传质速率方程
注意：气相传质系数虽然单位不同，数值也不同，但可根 据组成表示法的相互关系进行换算。 例：根据 p=Py，有
N A kg ( p pi ) kg P( y yi ) k y ( y yi )
k y Pk g
kY
ky (1 Y )(1 Yi )
X)
Xi 1
X kX
吸收传质理论与传质速率方程
同样，根据各种表示法的相互关系可推得
kX cmkc
kX
(1
kx X )(1 X i )
式中 cm 为液相的总摩尔浓度。 液相浓度很低时：
kX kx kx cmkc
对流传质系数
Sh f (Re,Sc )
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yAi
xB=0 xA=0
中等反应速率，不可 逆反应的化学吸收
化学吸收 (Chemical absorption) 化学吸收历程 （2）反应速率快、不可逆
气液 界面
yA xAi
气液 界面
yA
xB
xB
yAi
xB=0 xA=0
yAi =0
快速反应的化学吸收
液 相 中 xB 足够高、
传递速率
又快时
化学吸收 (Chemical absorption) 化学吸收历程
适用范围: ReG = 2×103~3.5×104,ScG = 0.6~2.5,P = 101~303 kPa(绝压)
模型参数:
应用场合
湿壁塔
0.023
0.83
0.44
填料塔
0.066
0.8
0.33
传质系数
D — 溶质在气相中的分子扩散系数 m2/s； P/pm— 气相漂流因子； kg — 气相传质系数 kmol/(m2skPa) ； R — 通用气体常数 kJ/ (kmolK ) ； l — 特征尺寸 m ；
同），溶质在界面上溶解，溶质A在液相中传递并与
液相中组分
相界面
B发生反应。 吸收剂
pA 气相主体
液相主体
pA
界面
cA
pAi cAi
cA 物理吸收
气体
气相扩散
化学吸收 液相扩散
化学吸收 (Chemical absorption) 化学吸收历程 （1）反应速率中等、不可逆
气液
界面
PQ
yA
反应区
xAi
xB
DAB
cAi cA
气速 m/s）；
传质系数
计算液相传质系数的准数关联式
Sh L 0.000595 Re L 0.67 Sc L 0.33 Ga 0.33
液相修伍 德准数
液相施密 液体通过填料 液相的伽利略 特准数 层的雷诺数 （Callilio）准数
ShL
kc
cSm c
l D
Sc L
L L D
Re L
（3）反应速率慢、不可逆
气液 界面 yA
xAi
反应区扩大 至全部液相
yAi
xA
慢速反应的化学吸收
化学反应改变了溶质在等效膜中的浓 度分布使之更加有利于液相传质。
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收速率与增强因子
吸收过程液相中溶质的浓度分布服从传质微分方程
DcA Dt
DAB2cA
用水吸收二氧化硫
kga 9.81104G0.7W 0.25 kca W 0.82
适用条件： （1）气体的空塔质量流速 G 为 320~4150kg/(m2h)，液体
的空塔质量流速 W 为 4400~58500 kg/(m2h)； （2）直径为25mm的环形填料。
传质系数
用水吸收氨
用水吸收氨属易溶气体的吸收，吸收阻力主要在气膜侧。 用填充 12.5mm 陶瓷环形填料塔实测数据得出的计算气相 传质系数经验公式为
液相中组分A的总浓度为
C CA CAB CAB C CA
CA
1
C KeCB
当溶质组分A与纯溶剂的物理相平衡服从亨利定律时，
pA CA H
pA
1 H
1
C KeCB
气相平衡分压pA与液相中组 分A的总浓度C之间的关系
化学吸收 (Chemical absorption)
pA
1 H
1
C KeCB
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收：溶质与液相中组分具有显著化学反应的吸 收过程。
主要特点：选择性高，吸收速率高，吸收较彻底。如 用磷酸吸收空气中的氨。
反应对平衡的影响
设溶质 A 与液相中组分 B 发生如下可逆反应
A B AB
反应平衡常数
Ke
CAB CACB
化学吸收 (Chemical absorption)
传质系数的获取途径：（1）实验测定；（2）针对特定 体系的经验公式；（3）适用范围更广的准数关联式。
传质系数
传质系数的实验测定
对实际操作的物系，若相平衡关系为直线，则填料层高度
计算式为
Z
V
Y1 Y2
KY a Ym
上式也可写为高度为 Z 的填料段的平均传质速率方程
GA V Y1 Y2 KY FYm GA V Y1 Y2 KY aVp Ym
4W
a L
Ga
gl
3
3 L
2 L
a —填料比表面积m2/m3 ；kc — 液膜传质系数，m/s； cSm/c —液相漂流因子； l — 特征尺寸，取填料直径m；
G —重力加速度，m/s2； L — 液体的粘度，N·s/m2； L —液体的密度 kg/m3；
D’ —溶质在液相中的分子扩散系数 m2/s； W —液体的空塔质量速度，kg/(m2·s)。
G — 混合气体的密度 kg/m3；
T — 温度 K；
G — 混合气体的粘度 Ns/m2 ；
G — 气体的空塔质量速度；
de — 填料层中流体通道的当量直径，de=4a/，（a 为填 料的比表面 m2/m3， 为填料层的空隙率 m3/m3）；
u0 — 气体在填料空隙中的实际流速，u0=u/（u为空塔
前述的气液传质理论和 吸收过程的计算方法均可 用于解吸过程，相对应的 计算式形式也类似。
浓端
V, Y1 L, X1
传质方向
V, Y
L, X
V, Y2 L, X2
稀端
逆流解吸塔
解吸塔的计算
解吸塔的最小气液比
Y
L V
X
X 2 Y2
解吸的操作线方程与吸收操作线方程在形式完全相同，
只是解吸塔的稀端（X2、Y2）在塔底。 当溶液的处理量L、进出塔浓度X1、X2以及解吸气进塔
第九章 气体吸收 Gas Absorption
解吸塔的计算
气、液相浓度（y,x） y 在平衡线下方（Q点）：
y*
y y*
吸收溶质
y*=f(x)
x x*
y
使溶解于液相中的气 体释放出来的操作称为 o 解吸或脱吸。
Q 释放溶质 x* x x
解吸是吸收的逆过程，相际传质推动力为 (y*-y) 或 (x-x*)。
kg
PD RTp Bm
Re G B ScG
气相修伍德准数
ShG
kg
RTpBm P
l D
传质系数
气体通过填料层的雷诺数
Re G
deu0 G
4G
aG
气相施密特准数
Sc G
G G D
上式是由湿壁塔中汽液传质的实验数据关联得到，除了用 于湿壁塔（l 为湿壁塔塔径）外，也可用于拉西环填料塔 （l 为拉西环填料的外径）。
注意：实验测定的传质系数用于吸收或解吸塔设计计算时，设计体系的 物性、操作条件及设备性能应与实验测定时的情况相同或相近。
传质系数
传质系数的经验公式
实际上很难对每一具体设计条件下的传质系数都直接进 行实验测定。为此，不少研究者针对某些典型的系统和条 件进行研究，在所测定的大量数据基础上提出了对一定的 物系在一定条件范围内的传质系数经验公式。
kc
八田数代表溶质在等效膜中的反应速率与扩散传质速 率的特征比，反应速率愈快其值愈大，在膜中消耗的 溶质越多；Ha=0则为物理吸收。
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收速率与增强因子
在液相主体浓度为零 (cA= 0) 的条件下对比下列两式
NA
DAB
dcA dZ
Z 0
kga 6.07104G0.9W 0.39
kga —— 气相传质系数，kmol/(m3.h.kPa)； kca —— 液相传质系数， kmol/(m3.h.kmol/m3)； G —— 气相空塔质量流速，kg/(m2.h)； W —— 液相空塔质量流速，kg/(m2.h)；
—— 与温度有关的常数，其值列于下表。
式中 F=Za 为传质面积，Vp= Z 为填料装填体积。
当填料和填料装填方式一定，对一定塔径的吸收或解吸塔，在稳定操作 状况下测得进、出塔气、液流量和测量段 Z 两端处的气、液浓度后，根据 物料衡算及平衡关系即可算出传质负荷 GA 和平均传质推动力。
填料的几何特征和测试设备的尺寸已知，由上两式可计算出以气相为基 准的总传质系数 KY 或总体积传质系数 KYa。
1
A
X1 X2
X
* 2
X
* 2
A
A=L/(MV) 为吸收因子。
传质系数
任何一个化工单元操作，过程进行的速率是决定该单元 设备大小的关键因素。
吸收塔填料层高度计算式中的传质系数（如 ky，KY 等）
在吸收计算中具有十分重要的意义。
传质系数包含了传质过程速率计算中一切复杂的、不易 确定的影响因素，其数值的大小主要取决于物系的性质、 操作条件及设备的性能（填料特性）三个方面。由于影响 因素十分复杂，传质系数的计算难以通过理论模型解决， 迄今为止也尚无通用的计算方法可循。
pA CA H
反应平衡常数 Ke越大，气相平衡分压 pA越低。 当化学反应为不可逆时，气相平衡分压为零或者说
相平衡常数m=0。
因此，可以说化学反应的存在，增加了可容组分的 溶解度。传质推动力增大。
化学吸收 (Chemical absorption)
化学吸收历程
气相中可溶组分向气液界面传递（此与物理吸收相
组成Y2确定后，气体出塔浓度Y1与气体用量V直接相关。
Y Y1max=Y1*
Y1
Y*=f(X)
C
(L/V)max A