(3.1)--9吸收化工原理绪论化工原理.ppt

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1、23:17:061第九章第九章 吸吸 收收一、吸收的概念和应用二、吸收的基本原理三、吸收过程的分类四、吸收过程的基本流程五、吸收操作的基本要求第一节第一节 概概 述述23:17:062一、吸收的概念和应用一、吸收的概念和应用一、吸收的概念和应用一、吸收的概念和应用 2 2、应用：、应用：产品制备：如硝酸、盐酸的制备产品制备：如硝酸、盐酸的制备 回收有用物质：尾气中回收有用物质：尾气中NHNH3 3、SOSO2 2等的回收；等的回收；净化气体：原料气净化；尾气净化；气体产品的精制。净化气体：原料气净化；尾气净化；气体产品的精制。3 3、典型的工业吸收过程、典型的工业吸收过程:以洗油吸收煤气中的粗

2、苯：以洗油吸收煤气中的粗苯：1 1、吸收的概念：、吸收的概念：利利用用不不同同气气体体组组分分在在液液体体中中溶溶解解度度的的不不同同，使使易易溶溶组组分分溶溶解解在在液液相相中中，而而不不溶溶和和难难溶溶组组分分留留在在气气相相中中，从从而而实实现现不同气体组分分离的过程。不同气体组分分离的过程。23:17:063吸收工艺过程吸收工艺过程吸收过程吸收过程 苯吸收塔苯吸收塔解吸过程解吸过程 苯解吸塔苯解吸塔贫油贫油吸收塔吸收塔含苯煤气含苯煤气解吸塔解吸塔过热蒸汽过热蒸汽冷凝器冷凝器粗苯粗苯水水冷却器冷却器换热器换热器补充新补充新鲜洗油鲜洗油富油富油脱苯煤气脱苯煤气吸收剂再生的连续吸收流程吸收剂

3、再生的连续吸收流程23:17:074二、吸收过程的基本原理二、吸收过程的基本原理4、几个名词、几个名词 吸收剂：吸收过程中所用的溶剂；溶质：混合气体中能显著被吸收剂吸收的组分；惰性组分：不能被吸收剂吸收的组分；富液：含有较高浓度溶质的吸收剂；贫液：从富液中将溶质分离出来后得到的吸收剂。依据：依据：气体混合物中各组分在溶剂 中的溶解度的不同。吸收过程：吸收过程：(1)溶质从气相主体传递到相界面；(2)在相界面上溶质溶解到液相表面；(3)溶质从液相表面传递到液相主体。吸收过程解吸过程气相主体液相主体 吸收及解吸传质方向吸收及解吸传质方向23:17:075实质：实质：吸收过程吸收过程 溶质由气相到液

4、相的质量传递过程；溶质由气相到液相的质量传递过程；解吸过程解吸过程 溶质由液相到气相的质量传递过程。溶质由液相到气相的质量传递过程。三、吸收过程的分类三、吸收过程的分类（1）按有无化学反应：）按有无化学反应：物理吸收与化学吸收物理吸收与化学吸收；（2）按吸收组分数：）按吸收组分数：单组分吸收与多组分吸收单组分吸收与多组分吸收；（3）按温度是否变化：）按温度是否变化：等温吸收与非等温吸收等温吸收与非等温吸收；（4）按吸收气体浓度：）按吸收气体浓度：低浓度气体吸收与高浓度气体吸收低浓度气体吸收与高浓度气体吸收23:17:076四、吸收过程的基本流程四、吸收过程的基本流程（1）按吸收剂的种类：）按吸

5、收剂的种类：一步吸收流程和两步吸收流程一步吸收流程和两步吸收流程 一步吸收流程：仅用一种吸收剂一步吸收流程：仅用一种吸收剂 两步吸收流程：使用两种吸收剂两步吸收流程：使用两种吸收剂贫液贫液富液富液混合混合气体气体净化气净化气一步吸收流程一步吸收流程两步吸收流程两步吸收流程吸收剂吸收剂1吸收剂吸收剂2混合气混合气去解吸塔去解吸塔去解吸塔去解吸塔净化气净化气吸吸收收塔塔1吸吸收收塔塔223:17:077（2）按所用的塔设备数：）按所用的塔设备数：单塔流程和多塔流程单塔流程和多塔流程（3）按塔内气液流向：）按塔内气液流向：逆流吸收流程和并流吸收流程逆流吸收流程和并流吸收流程逆流逆流贫液贫液富液富液混

6、合气体混合气体净化气净化气并流并流贫液贫液富液富液混合气体混合气体净化气净化气23:17:078（4）部分溶剂循环流程）部分溶剂循环流程贫液贫液富液富液混合气体混合气体净化气净化气 部分溶剂循环流程部分溶剂循环流程去解吸去解吸23:17:079（5）两段吸收两段解吸流程）两段吸收两段解吸流程:gas ingas outabsorber inabsorber inabsorber outabsorber in23:17:0710 五、吸收操作的基本要求五、吸收操作的基本要求（1 1）吸收剂的选择原则）吸收剂的选择原则 对溶质的溶解度要大；对溶质的溶解度要大；对溶质的选择性要高；对溶质的选择性要高

7、；不易挥发；不易挥发；粘度低，不易起泡；粘度低，不易起泡；解吸性能好，便于再生；解吸性能好，便于再生；良好的化学稳定性、热稳定性、无毒、不易燃易爆等；良好的化学稳定性、热稳定性、无毒、不易燃易爆等；廉价、易得。廉价、易得。23:17:0711（3）吸收设备）吸收设备 设备形式：设备形式：板式塔、填料塔。板式塔、填料塔。设备尺寸：设备尺寸：塔高、塔径；塔高、塔径；塔内构件尺寸。塔内构件尺寸。（2）吸收的操作条件）吸收的操作条件 吸收剂用量；吸收剂用量；操作温度；操作温度；操作压力。操作压力。23:17:0712第九章第九章 吸吸 收收一、一、气液相平衡气液相平衡二、吸收传质速率二、吸收传质速率第

8、二节第二节 吸收的基本理论吸收的基本理论23:17:0713一、气液相平衡一、气液相平衡单组份的物理吸收平衡单组份的物理吸收平衡：f=c-P+2=3-2+2=3。在温度、总压一定时，在温度、总压一定时，f=1，有：，有：p*溶质在气相中的分压溶质在气相中的分压平衡分压。平衡分压。c*溶质在液相中的饱和浓度溶质在液相中的饱和浓度平衡溶解度。平衡溶解度。（1）气液相平衡）气液相平衡液相液相气相气相23:17:0714（2 2）相平衡关系的表示方法）相平衡关系的表示方法）相平衡关系的表示方法）相平衡关系的表示方法 溶解度（相平衡）曲线溶解度（相平衡）曲线溶解度（相平衡）曲线溶解度（相平衡）曲线 分压

9、对溶解度的影响（分压对溶解度的影响（T T 一定）：一定）：p p*增加，增加，x x*增加增加；温度对溶解度的影响（温度对溶解度的影响（p p*一定）：一定）：T T 增加，增加，x x*下降下降；总压对溶解度的影响：在总压对溶解度的影响：在组份分压不变组份分压不变时，若时，若p p变化不大变化不大 （p p 0.5MPa 0.5MPa时），总压时），总压p p变化不影响变化不影响 p p*与与x x*的关系。的关系。a a)p p*x*x*线，线，线，线，(T T、P P 恒定恒定恒定恒定)说明：说明：说明：说明：气相中氨的平衡分压气相中氨的平衡分压气相中氨的平衡分压气相中氨的平衡分压 p

10、 p*/133.32Pa/133.32Pa6006008008000.040.044004002002006060505040403030液相中氨的摩尔分数液相中氨的摩尔分数液相中氨的摩尔分数液相中氨的摩尔分数 x x*0.120.120.080.080.160.16 氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度氨在水中的溶解度23:17:0715b）y*x*曲线曲线注意：注意：p 对对 y*-x*图有影响，因为对于一定的图有影响，因为对于一定的 y*，p变化将导致变化将导致p*的变化，而的变化，而p*是影响溶解度的直接原因。是影响溶解度的直接原因。23:17:0716 气液相平衡方程（亨

11、利定律）气液相平衡方程（亨利定律）气液相平衡方程（亨利定律）气液相平衡方程（亨利定律）在总压不高时（在总压不高时（在总压不高时（在总压不高时（p p小于小于小于小于 0.5MPa 0.5MPa），溶质在稀溶液中的溶），溶质在稀溶液中的溶），溶质在稀溶液中的溶），溶质在稀溶液中的溶解曲线为直线时解曲线为直线时解曲线为直线时解曲线为直线时,相平衡关系可表示为：相平衡关系可表示为：相平衡关系可表示为：相平衡关系可表示为：E E亨利常数，亨利常数，亨利常数，亨利常数，kPakPaa a）若液相为理想溶液，则在全部浓度范围内，上式均成立。）若液相为理想溶液，则在全部浓度范围内，上式均成立。）若液相为理想

12、溶液，则在全部浓度范围内，上式均成立。）若液相为理想溶液，则在全部浓度范围内，上式均成立。此时，亨利定律与拉乌尔定律一致此时，亨利定律与拉乌尔定律一致此时，亨利定律与拉乌尔定律一致此时，亨利定律与拉乌尔定律一致,E E=p p0 0。b b）不同气体：）不同气体：）不同气体：）不同气体：E E 大，难溶；大，难溶；大，难溶；大，难溶；E E 小小小小 ，易溶。，易溶。，易溶。，易溶。c c）同种气体：）同种气体：）同种气体：）同种气体：说明：说明：说明：说明：23:17:0817 亨利定律的其他表示法亨利定律的其他表示法 浓度的表示方法不同，亨利定律的形式不同。浓度的表示方法不同，亨利定律的形

13、式不同。cA*为溶质的体积摩尔浓度为溶质的体积摩尔浓度溶解度系数溶解度系数x为摩尔分率为摩尔分率相平衡常数相平衡常数 E,m 之间的关系之间的关系:若气相为理想气体：若气相为理想气体：23:17:0818 E E，HH 之间的关系之间的关系之间的关系之间的关系 ：对于稀溶液：对于稀溶液：对于稀溶液：对于稀溶液：c cs s 溶剂的摩尔浓度，溶剂的摩尔浓度，溶剂的摩尔浓度，溶剂的摩尔浓度，kmol/mkmol/m3 3。c co o 溶液总浓度（溶质摩尔浓度溶剂摩尔浓度）溶液总浓度（溶质摩尔浓度溶剂摩尔浓度）溶液总浓度（溶质摩尔浓度溶剂摩尔浓度）溶液总浓度（溶质摩尔浓度溶剂摩尔浓度）23:17:

14、0819二、相平衡关系的应用二、相平衡关系的应用（1）判断相际传质方向判断相际传质方向 或或传质方向：传质方向：气气液液 吸收过程吸收过程或或传质方向：传质方向：液液气气 解吸过程解吸过程（2）计算传质过程的推动力计算传质过程的推动力 气相组成为气相组成为 y、液相组成为液相组成为x的两相相接触，的两相相接触，传质推动传质推动力可表示为：力可表示为：或或气相组成为气相组成为 y、液相组成为液相组成为x的两相相接触，传质方向为：的两相相接触，传质方向为：23:17:0820y1x1Ay1*x1*y1x1Ay1*x1*过程的传质方向及传质推动力图示过程的传质方向及传质推动力图示23:17:0821

15、（3）判断过程进行的极限判断过程进行的极限 平衡为过程的极限状态平衡为过程的极限状态23:17:0822 模型要点模型要点 气液相间有稳定的相界面气液相间有稳定的相界面 相界面两侧各有一层气膜和液膜相界面两侧各有一层气膜和液膜，膜内的传质以分子扩，膜内的传质以分子扩散方式进行散方式进行 传质阻力全部集中在气膜和液膜内，膜外流体高度湍动，传质阻力全部集中在气膜和液膜内，膜外流体高度湍动，没有传质阻力。没有传质阻力。相界面上气液处于平衡状态，无传质阻力。相界面上气液处于平衡状态，无传质阻力。三、相际传质的双膜模型三、相际传质的双膜模型 液相主体气相主体pcpicip或c液膜液膜气膜气膜A距离 z

16、相际传质双膜模型23:17:0823对气相：对气相：对液相：对液相：气膜和液膜传质速率方程气膜和液膜传质速率方程(1)传质速率方程传质速率方程 四、相际传质速率方程四、相际传质速率方程23:17:0824 总传质速率方程总传质速率方程总传质速率方程总传质速率方程 根据相际传质的双膜模型：根据相际传质的双膜模型：根据相际传质的双膜模型：根据相际传质的双膜模型：23:17:0925同理，可推出：同理，可推出：其中：其中：23:17:0926(2)相界面浓度的确定相界面浓度的确定-kL/kGOpAipA-pAicAicAc*cAi-cA 界面浓度确定界面浓度确定pA23:17:0927五、相际传质速

17、率分析五、相际传质速率分析阻力为气膜所控制的过程阻力为气膜所控制的过程 溶解度很大（易溶）溶解度很大（易溶）称为气膜控制过程。称为气膜控制过程。23:17:0928 气膜控制过程 说明:气膜控制，增加气相流率，kG提高，吸收过程加快。增加液相流速，效果不明显。23:17:0929阻力为液膜所控制的过程阻力为液膜所控制的过程 溶解度小（难溶）溶解度小（难溶）称为液膜控制过程；称为液膜控制过程；23:17:0930 液膜控制过程液膜控制过程【例例9 94 4】P31P31说明说明:液膜控制，增加液相流率，液膜控制，增加液相流率，k kL L增加，有利吸收。增加，有利吸收。双膜阻力联合控制双膜阻力联

18、合控制 两者阻力均不可忽略两者阻力均不可忽略如：中等溶解度气体的吸收。如：中等溶解度气体的吸收。23:17:0931第九章 吸 收一、物料衡算和操作线方程二、填料层高度的计算（低浓度气体）三、传质单元数的计算及其物理意义四、吸收塔的调节和操作型问题五、塔板数的计算六、脱吸第三节 吸收（脱吸）塔的计算23:17:0932一、吸收塔的物料衡算及操作线方程一、吸收塔的物料衡算及操作线方程(1)物料衡算物料衡算全塔对溶质物料衡算：逆流吸收塔物料衡算逆流吸收塔物料衡算GB：单位塔截面积惰性气体B的摩尔流率LS：单位塔截面积溶剂S的摩尔流率23:17:1033从塔顶到任意塔截面对溶质进行物料衡算有：操作线

19、方程操作线方程（2）操作线方程）操作线方程对于低浓度气体的吸收（yb 10%）所以，操作线方程可近似为 逆流吸收塔物料衡算逆流吸收塔物料衡算23:17:1034可见，在低浓度条件下操作线方程（y-x）为一直线，该直线过点（xa，ya），斜率为L/Gxaxbybya斜率斜率L/G23:17:1035(3)吸收塔内的传质推动力吸收塔内的传质推动力 以气相表示:以液相表示:(4)最小液气比和溶剂用量最小液气比和溶剂用量 对于吸收塔的设计，所处理的气体量G、气相入塔组成yb、出塔组成ya及液相的入塔组成xa都都为工艺条件所确定，这时溶剂的用量取决于液气比。xaxbybyaye=mxya*xa*yb*x

20、b*吸收过程的传质推动力吸收过程的传质推动力 23:17:1036最小液气比：最小液气比：L/G对操作线的影响xaybyay*=mxxb*xb斜率斜率L/G23:17:1037注意：平衡线上凸时，应利用切点坐标求取最小液气比。xMxbxaybyaMyM最小溶剂用量：23:17:1038操作液气比：一般取：溶剂用量：说明：对于填料塔，有时实际选取的液气比要更大一些，因为此时的液体流量L不一定能满足填料层最小允许喷淋密度。【例95】P3423:17:1039二、吸收塔填料层高度的计算（1）填料层高度计算的基本方程 操作线方程；传质速率方程；相平衡方程。在 dh 微元段对溶质A做物料衡算：dh微元段

21、的传质速率方程：h 微元填料层物料衡算a单位体积填料层所具有的有效传质面积塔截面积23:17:1040物料衡算式与传质速率式联立填料层高度：同样可以推得以液相传质速率方程表示的计算式：得：23:17:1041（2）传质单元数与传质单元高度 气相总传质单元数，无量纲数。令气相总传质单元高度，m这样若传质通量的表达式NA选用可得23:17:1142类似地：23:17:1143由于是有:令吸收因子;脱吸因子由于是有:23:17:1144三传质单元数的计算及其物理意义三传质单元数的计算及其物理意义在在填填料料层层内内任任取取一一单单元元高高度度填填料料层层HOG=1，气气体体通通过过此此单单元元时时浓

22、浓度度变变化化为为y1-y2。在在整整个个填填料料层层中中，吸吸收收推推动动力力y-y*虽虽是是一一变变量量，但但总总可可以以找找到到某某一一平平均均(y-y*)m，用用来来代替积分中的代替积分中的y-y*，而不改变积分值。，而不改变积分值。23:17:1145当上述积分值=1时，也就是说，气体通过某高度填料层发生的浓度变化等于气相平均传质推动力时，则此单元称为一个传质单元。填料吸收塔可看成是由若干个具有上述特征的填料层单元迭加而成的。有N个这样的传质单元，其传质单元数就为N该传质单元填料层的高度即为传质单元高度HG，也就是说，完成一个传质单元的分离任务所需要的填料层高度称为传质单元高度。23

23、:17:1246 传质单元数反映吸收过程的难易程度。被吸收的气体浓度变化就越大或过程的平均推动力就越小，吸收过程越难进行，所需的传质单元数就越多。(3)传质单元数的计算 平衡线为直线时 对数平均推动力法 吸收因子法 计算方法a）对数平均推动力法23:17:1247若平衡线、操作线均为直线，则 y随 y 成线性变化。所以，y随 y 成线性变化。证明如下：23:17:1248于是，ym以气相组成表示 的对数平均推动力23:17:1249式中类似地：23:17:1350b b）脱吸因子法）脱吸因子法依物料衡算有：代入以上方程并整理得：23:17:1351S=1时积分得：S1时若相平衡关系虽为直线，但

24、不过原点时，即可以用y*=mx+b来表示，这时，经过上述推导可得23:17:1352同理可得:由上两式可得：可见23:17:1353S=23:17:1354分析：横坐标 值的大小，反映了溶质吸收率的高低。因为在气液进口浓度(yb,xa)一定的情况下，吸收率愈高，ya愈小，横坐标的数值愈大，对应于同一S值的NOG愈大。S反映吸收推动力的大小 在气液进出口浓度及溶质吸收率一定的条件下，若增大S值，也就是减小液气比L/G，则溶液出口浓度提高，塔内吸收推动力(x*-x)变小，所需的NOG值增大。23:17:1355对于一固定的吸收塔来说，当NOG已确定时，S值越小，愈大，愈能提高吸收的程度。S减小液气

25、比增大吸收剂用量增大，能耗加大，吸收液浓度降低 适宜的S值：23:17:1356 平衡关系为曲线时a）图解积分法AB0ybyayxaxbybyaya*yb*ybyayyy*xAB023:17:1457b）近似梯级图解法两点假定：l 每一小段平衡线视为直线；代替yml 每一小段内，用0 xaxby1yby2AACCFFM1DM如果AF可视为直线23:17:1458例：某吸收塔在101.3 kPa，293K下用清水逆流吸收丙酮空气混合物中的丙酮，操作液气比为2.1时，丙酮回收率可达95%。已知物系的浓度较低，丙酮在两相间的平衡关系为y=1.18x，吸收过程为气膜控制，总传质系数Kya与气体流率的0

26、.8次方成正比，1）若气体流率增加20%，而液体及气液进出口组成不变，试求：a）丙酮的回收率有何变化？四、吸收的操作型计算四、吸收的操作型计算 23:17:1459b）单位时间内被吸收的丙酮量增加多少？2）若气体流率，气液进出口组成，吸收塔的操作温度和压强皆不变，欲将丙酮回收率由原来95%的提高至98%，吸收剂用量应增加到原用量的多少倍？思路：1)已知L/G、m、吸收率脱吸因数法 求NOGG改变HOG变塔高不变求NOG脱吸因数法求气体流量改变后的吸收率2）G不变脱吸因数法求吸收率改变后的S求LHOG不变h不变，NOG也不变23:17:1460解：求原有条件下的传质单元数 NOG其中：23:17

27、:1461当 时，1）当气体流量增加20%时，因为KyaG0.8，所以HOG G0.223:17:146223:17:1563在单位时间内，气量提高后的丙酮回收量之比为：2）当吸收率由95%提高至98%，由于气体流率没变，因此对于气膜控制的吸收过程HOG不变，塔高是一定的，故NOG仍为5.097 23:17:1564采用迭代法，以S”(0)=0.5代入上式，解得：故液气比应提高到：吸收剂用量应增至：23:17:1565五、板式吸收塔理论板数的计算五、板式吸收塔理论板数的计算 1、图解法、图解法 理论板？理论板？G Ga a(Y Ya a)L La a(X Xa a)L Lb b(X Xb b)

28、G Gb b(Y Yb b)(Y YN N+1+1)23:17:15662、解析法求理论板层数、解析法求理论板层数 1）理论板数的解析表达式）理论板数的解析表达式 当吸收涉及的浓度区间内平衡关系为直线时当吸收涉及的浓度区间内平衡关系为直线时 在在 层板间任一截面到塔顶范围内层板间任一截面到塔顶范围内对组分对组分A进行物料衡算进行物料衡算 若相平衡关系可采用若相平衡关系可采用 表示表示 G Ga a(y ya a=y=y1 1)x x0 0=x=xa aL La a(x xa a)L Lb b(x xb b)G Gb b(y yb b)y yN N+1+1=y=yb b23:17:156723:

29、17:1568在在板间任一截面到塔顶范围内作组分板间任一截面到塔顶范围内作组分A的衡算的衡算 G Ga a(y ya a=y=y1 1)x x0 0=x=xa aL La a(x xa a)L Lb b(x xb b)G Gb b(y yb b)y yN N+1+1=y=yb b23:17:1569将将 代入，得：代入，得：同同理理，可可以以推推到到第第N与与N+1板板与与塔塔顶顶，即即塔塔顶顶与与塔塔底底间间组组分分A的物料衡算式：的物料衡算式：两端同减两端同减 23:17:1570克列姆塞方程克列姆塞方程G Ga a(y ya a=y=y1 1)x x0 0=x=xa aL La a(x

30、xa a)L Lb b(x xb b)G Gb b(y yb b)y yN N+1+1=y=yb b23:17:16712）NT与与NOG的关系的关系 23:17:1672当当 时，时，当当 时，时，当当 时，时，实际塔板数实际塔板数23:17:1673脱吸是吸收的逆过程，吸收中的所有方法对于脱吸都适用，脱吸是吸收的逆过程，吸收中的所有方法对于脱吸都适用，二者的区别在于：二者的区别在于：1、溶质从液相传递到气相，气相物质不进入液相；六、脱吸六、脱吸脱吸脱吸：使溶质从液相中释放出来的操作；使溶质从液相中释放出来的操作；目的：目的：得到较纯净的溶质或回收溶剂。得到较纯净的溶质或回收溶剂。2、逆流操

31、作时,塔顶为浓端,塔底为稀端；3、以回收溶剂为目的时，可用惰性气体，但不易得到纯溶质；以得到纯溶质为目的时，若溶质不溶于水，则可用水蒸气，最后冷凝分层分离；23:17:16744.脱吸计算时，；5.操作线位于平衡线下方；6.解吸过程的推动力与吸收过程大小相等，方向相反，所以推动力的表示方法需要将浓度项前后颠倒一下。7.如计算惰性气体的用量，需首先计算惰性气体的最小用量。yxxaxbyaybxa*yb*23:17:1675 通常取：填料层高度的计算 传质单元高度计算与吸收过程相同；传质单元数的计算可以采用平均推动力法和吸收因子法。平衡关系符合亨利定律，且操作线为直线时：23:17:1676脱吸所

32、需理论板数为：说明：解吸因子取值范围为 1.2S2.0 一般S=1.4【例9-12】P54；【例9-13】P5523:17:1677（1）气提法 惰性气体气提 如空气、氮气、CO2；水蒸气作载气；吸收剂蒸汽作载气。常见的脱吸方法：（2）减压再生（闪蒸）（3）加热再生用于加压吸收，不需外加能量。适用于在较低温度下进行的吸收过程，一般采用水蒸气作为加热介质。23:17:1678思考题思考题在填料塔中用清水吸收混合气中的氨，用水量减少时，气相总传质单元数NOG将（）（A）增加 （B）减小（C）基本不变 （D）不能确定Right?？23:17:1779how？L减减小小，液液膜膜阻阻力力增增大大，总总

33、传传质系数质系数Kya减小，而减小，而G不变，不变，Right?？23:17:1780第九章第九章 吸吸 收收一、传质系数关联式一、传质系数关联式二、传质理论二、传质理论第四节第四节 传质系数和传质理论传质系数和传质理论23:17:1781一、传质系数一、传质系数 传传质质系系数数包包含含了了传传质质速速率率计计算算中中一一切切复复杂杂的的、不不易易确确定定的的影影响响因因素素，其其数数值值的的大大小小主主要要取取决决于于物物系系的的性性质质、操操作作条条件件及及设设备备的的性性能能(填填料料特特性性)三三个个方方面面。由由于于影影响响因因素素十十分分复复杂杂，传传质质系系数数的的计计算算难难

34、以以通通过过理理论论模模型型求求解解，迄迄今今为为止止也也尚尚无通用的计算方法可用。无通用的计算方法可用。传传质质系系数数的的获获取取途途径径：(1)实实验验测测定定；(2)针针对对特特定定体体系系的的经经验公式验公式；(3)适用范围更广的准数关联式适用范围更广的准数关联式。对对气气、液液传传质质过过程程，可可将将各传质速率表达式概括为各传质速率表达式概括为 23:17:17821、传质系数的实验测定 对对实实际际操操作作的的物物系系，若若相相平平衡衡关关系系为直线，则填料层高度计算式为为直线，则填料层高度计算式为 上式也可写为高度为上式也可写为高度为 h 的填料段的平均传质速率方程的填料段的

35、平均传质速率方程 式中式中 Vp=h 为填料装填体积。为填料装填体积。当当填填料料和和填填料料装装填填方方式式一一定定，测测量量稳稳定定操操作作时时进进、出出塔塔气气、液液流流量量和和测测量量进进出出塔塔气气、液液相相溶溶质质浓浓度度，由由物物料料衡衡算算及及平平衡关系可得出衡关系可得出GA 和和 ym，进而得出，进而得出 Kya。注注意意：实实验验测测定定的的传传质质系系数数用用于于吸吸收收或或解解吸吸塔塔计计算算时时，体体系系的的物物性性、操操作作条条件件及及设设备备性性能能应应与与实实验验时时的的情情况况相相同同或或相近。相近。23:17:17832、传质系数的经验公式 实实际际上上很很

36、难难对对每每一一具具体体条条件件下下的的传传质质系系数数都都直直接接进进行行实实验验测测定定。为为此此，不不少少研研究究者者针针对对某某些些典典型型的的系系统统和和条条件件进进行行研研究究，在在所所测测定定的的大大量量数数据据基基础础上上得得出出了了针针对对一一定定物物系系在在一定操作条件范围内的传质系数经验公式。一定操作条件范围内的传质系数经验公式。(1)(1)用水吸收二氧化硫用水吸收二氧化硫 用用水水吸吸收收 SO2 属属中中等等溶溶解解度度的的气气体体吸吸收收。计计算算气气、液液相相体体积传质系数的经验公式分别为积传质系数的经验公式分别为 式中：式中：kya 气相传质系数，气相传质系数，

37、kmol/(m3hkPa)；kxa 液相传质系数，液相传质系数，kmol/(m3hkmol/m3)；G 气相空塔质量流速，气相空塔质量流速，kg/(m2h)；W 液相空塔质量流速，液相空塔质量流速，kg/(m2h)；23:17:1784(2)(2)用水吸收氨用水吸收氨 用用水水吸吸收收氨氨属属易易溶溶气气体体的的吸吸收收，吸吸收收阻阻力力主主要要在在气气膜膜侧侧。用用填填充充 12.5mm 陶陶瓷瓷环环形形填填料料塔塔实实测测数数据据得得出出的的气气相相传传质质系数经验公式为系数经验公式为 t 1015202530 0.00930.01020.01160.01280.0143适用条件：适用条件

38、：(1)气气体体的的空空塔塔质质量量流流速速 G 为为3204150kg/(m2 h)，液液体体的的空塔质量流速空塔质量流速 W 为为 440058500 kg/(m2 h)；(2)直径为直径为25mm的环形填料。的环形填料。与温度有关的常数，其值列于下表。与温度有关的常数，其值列于下表。23:17:1785(3)(3)常压下用水吸收二氧化碳常压下用水吸收二氧化碳U 液液相相喷喷淋淋密密度度，m3/(m2 h)。单单位位时间喷淋在单位塔截面上的液相体积，时间喷淋在单位塔截面上的液相体积，用用水水吸吸收收二二氧氧化化碳碳属属难难溶溶气气体体吸吸收收，吸吸收收阻阻力力主主要要在在液液膜膜侧。计算液

39、相体积传质系数的经验公式为侧。计算液相体积传质系数的经验公式为 适用条件：适用条件：(1)直径为直径为1032mm 陶瓷环填料塔；陶瓷环填料塔；(2)喷淋密度喷淋密度 U 为为 320 m3/(m2 h)；(3)气体的空塔质量速度气体的空塔质量速度 G 为为 130580 kg/(m2 h)；(4)操作温度为操作温度为2127。kxa 的的大大小小主主要要取取决决于于液液相相的的喷喷淋淋密密度度，而而气气体体的的质质量量流流速速 G 基本无影响。基本无影响。23:17:17863、传质系数的准数关联式 在在其其它它情情况况下下，传传质质系系数数的的可可以以根根据据传传递递现现象象的的相相似似性

40、性原原理理，通过实验确定模型参数的准数方程来表达。通过实验确定模型参数的准数方程来表达。气相修伍德准数气相修伍德准数 气体通过填料层的雷诺数气体通过填料层的雷诺数 气相施密特准数气相施密特准数 气相传质常用准数：气相传质常用准数：23:17:1787上述准数中：上述准数中：D 溶质在气相中的分子扩散系数 m2/s；p/pBm 气相漂流因子；ky 气相传质系数 kmol/(m2skPa)；R 通用气体常数 kJ/(kmolK)；l 特征尺寸 m；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/，（

41、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为空塔气速 m/s）；23:17:1788适用范围适用范围:ReG=21033.5104ScG=0.62.5p=101303 kPa(绝压绝压)应用场合应用场合 湿壁塔湿壁塔0.0230.830.44填料塔填料塔0.0660.80.33上上式式是是由由湿湿壁壁塔塔中中汽汽液液传传质质的的实实验验数数据据关关联联得得到到，除除了了用用于于湿湿壁壁塔塔（l 为为湿湿壁壁塔塔塔塔径径）外外，也也可可用用于于拉拉西西环环填填料料塔塔（l 为拉西环填料的外径）。为拉西环填料的外径）。模型参数模型

42、参数:（1 1）气相传质系数的准数关联式）气相传质系数的准数关联式 23:17:1889液液相相修修伍伍德德准数准数 液相雷诺数液相雷诺数 液液相相施施密密特特准数准数 液液相相的的伽伽利利略略(Callilio)准数准数 液相传质用到的准数：液相传质用到的准数：23:17:1890上述准数中：上述准数中：a 填料比表面积填料比表面积m2/m3；kl 液膜传质系数，液膜传质系数，m/s；cSm/c 液相漂流因子；液相漂流因子；l 特征尺寸，取填料直径特征尺寸，取填料直径m；g 重力加速度，重力加速度，m/s2；L 液体的粘度，液体的粘度，Pas；L 液体的密度液体的密度,kg/m3；D 溶质在

43、液相中的分子扩散系数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，液体的空塔质量速度，kg/(m2s)。（2 2）液相传质系数的准数关联式）液相传质系数的准数关联式 23:17:18911、双膜理论、双膜理论(1)相相互互接接触触的的两两流流体体间间存存在在着着稳稳定定的的相相界界面面，界界面面两两侧侧各各存存在在着着一一个个很很薄薄的的流流体体薄薄膜膜（等等效效厚厚度度分分别别为为 1和和 2）。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。）。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2)相相界界面面没没有有传传质质阻阻力力，溶溶质质在在相相界界面面处处的的浓浓度度处于相平衡状态。处于相平衡状态

44、。(3)膜膜层层以以外外的的两两相相主主流流区区由由于于流流体体剧剧烈烈湍湍动动，传传质质速速率率高高，传传质质阻阻力力可可以以忽忽略略不不计计，相相际际的的传传质质阻阻力力全全部集中在两层流体膜内。部集中在两层流体膜内。气相主体 液相主体 相界面相界面pi=ci/Hp 12pi ci c 气膜液膜二、吸收传质理论 基本论点：基本论点：23:17:1892两相相内传质速率可用下面的形式表达为：两相相内传质速率可用下面的形式表达为：DG、DL 溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；溶质组分在气膜与液膜中的分子扩散系数；P/pBm 气相扩散漂流因子；气相扩散漂流因子；cm/cBm 液相扩散漂流因子

45、；液相扩散漂流因子；1、2 界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。界面两侧气液相等效膜层厚度，待定参数。双双膜膜理理论论将将两两流流体体相相际际传传质质过过程程简简化化为为经经两两膜膜层层的的稳稳定定分分子子扩扩散散的的串串联联过过程程。对对吸吸收收过过程程则则为为溶溶质质通通过过气气膜膜和和液液膜膜的分子扩散过程。的分子扩散过程。23:17:1893按按双双膜膜理理论论，传传质质系系数数与与扩扩散散系系数数成成正正比比，这这与与实实验验结结果相差较大；果相差较大；由由此此理理论论所所得得的的传传质质系系数数计计算算式式形形式式简简单单，但但等等效效膜膜层层厚度厚度 1 和和 2 以及界面上浓

46、度以及界面上浓度 pi 和和 ci 都难以确定；都难以确定；双双膜膜理理论论存存在在着着很很大大的的局局限限性性，例例如如对对具具有有自自由由相相界界面面或或高高度度湍湍动动的的两两流流体体间间的的传传质质体体系系，相相界界面面是是不不稳稳定定的的，因因此此界界面面两两侧侧存存在在稳稳定定的的等等效效膜膜层层以以及及物物质质以以分分子子扩扩散散方式通过此两膜层的假设都难以成立；方式通过此两膜层的假设都难以成立；该该理理论论提提出出的的双双膜膜阻阻力力概概念念，即即认认为为传传质质阻阻力力集集中中在在相相接接触触的的两两流流体体相相中中，而而界界面面阻阻力力可可忽忽略略不不计计，这这在在传传质质

47、过过程程的的计计算算中中得得到到了了验验证证，成成为为传传质质过过程程及及设设备备设设计计的的依据；依据；23:17:1894二、溶质渗透理论二、溶质渗透理论 工工业业设设备备中中进进行行的的气气液液传传质质过过程程，相相界界面面上上的的流流体体总总是是不不断断地地与与主主流流混混合合而而暴暴露露出出新新的的接接触触表表面面。赫赫格格比比（HigbieHigbie）认认为为流流体体在在相相界界面面上上暴暴露露的的时时间间很很短短，溶溶质质不不可可能能在在膜膜内内建建立立起稳定的浓度分布。起稳定的浓度分布。溶溶质质通通过过分分子子扩扩散散由由表表面面不不断断地地向向主主体体渗渗透透，每每一一瞬瞬

48、时时均均有有不不同同的的瞬瞬时时浓浓度度分分布布和和与与之之对对应应的的界界面面瞬瞬时时扩扩散散速速率率（与与界界面面上上的的浓浓度度梯梯度度成成正比）。正比）。流流体体表表面面暴暴露露的的时时间间越越长长，膜膜内内浓浓度度分分布布曲曲线线就就越越平平缓缓，界界面面上上溶溶质质扩扩散散速速率率随随之之下下降。降。界面cAicA0距相界面的距离液相浓度cA 增加 气相气相液相液相23:17:1895该该理理论论认认为为所所有有的的流流体体质质点点在在相相界界面面上上的的停停留留时时间间都都是是 c，经经过过 c时时间间后后，膜膜内内流流体体与与主主流流发发生生一一次次完完全全混混合合而而使浓度均

49、匀后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。使浓度均匀后发生下一轮的表面暴露和膜内扩散。c 称称为为汽汽、液液接接触触时时间间或或溶溶质质渗渗透透时时间间，是是溶溶质质渗渗透透理理论论的的模模型型参参数数，气气、液液界界面面上上的的传传质质速速率率应应是是该该时时段段内内的平均值。的平均值。由该理论解析求得液相传质系数由该理论解析求得液相传质系数 该该理理论论指指出出传传质质系系数数与与扩扩散散系系数数 DAB 的的 0.5 次次方方成成正正比比，比比双双膜膜理理论论更更加加接接近近于于实实验验值值，表表明明其其对对传传质质机机理理分分析析更更加接近实际。加接近实际。23:17:1896三、表面更新理

50、论三、表面更新理论 丹丹克克瓦瓦茨茨（Danckwerts）认认为为不不同同的的流流体体质质点点在在相相界界面面上上的的停停留留时时间间是是不不同同的的，处处于于界界面面上上的的流流体体质质点点随随时时都都有有可可能能被被更新，并且被更新的机率是相等的。更新，并且被更新的机率是相等的。引引入入一一个个模模型型参参数数S(更更新新频频率率)来来表表达达界界面面上上任任何何停停留留时时间间的流体单元被的流体单元被更新的机率更新的机率。由由于于不不同同停停留留时时间间的的流流体体单单元元其其表表面面瞬瞬时时传传质质速速率率不不一一样样，将将龄龄期期为为 0 的的全全部部单单元元的的瞬瞬时时传传质质速