第四章吸收.

第四章吸收

PM1:亲水性聚偏氟乙烯（PVDF）膜，接触角约50°
HRT：8～10 h

第四章吸收 4.1 概述平衡分离过程平衡分离过程是借助于能量分离剂或物质分离剂的加入使某种组分形成新相或迁移到另外一相的传质过程。例如精馏操作中热量的引入（能量分离剂），吸收或萃取过程中吸收剂或溶剂的加入（物质分离剂），待分离混合物的各组分由于具有不同的分离性能，于是从混合物一相移入另一相中，从而达到分离的目的。

平衡分离过程

平衡分离过程 (1) 吸收与脱吸: 气相中某组分从气相溶解入液相，称作气体的吸收（图4.2(a)），属于气—液两相之间的传质过程。吸收常用于有害气体的净化，如上述含氯化氢气体的净制。脱吸可用于废水中有害气体的脱除。 (2) 吸附: 物质从气相或液相趋附于固体表面的过程称作吸附（图4.2 (b)），反之为脱附。这是气—固相或液—固相之间的传质过程，常用于废气或废水的净化，例如用活性炭除去含铬废水中的铬离子，含苯气体中的苯蒸气等。 (3) 精馏: 不同物质在气—液两相间相互转移，使易挥发组分在气相得到富集，难挥发组分在液相得到富集的过程称作精馏（图4.2 (c)）。例如二元精馏时，易挥发组分A从液相进入气相，难挥发组分B从气相转入液相。 (4) 离子交换: 离子交换树脂中的可交换离子与水中带同种电荷的离子进行交换，从而使离子从水中除去（图4.2 (d)）。离子交换常用于制取软化水、纯水，以及从水中去除某种指定物质，如去除电镀废水中的重金属等。

平衡分离过程 (5) 浸沥（固—液萃取）: 指物质从固相转入液相的过程（图4.2 (e)），是固—液相之间的传质，可用于除去固体废物中的有害物质。因固体混合物常为多相物系，所以浸沥也常是多相物系的分离过程，例如浸泡磷石膏，除去固相中的氟等。 (6) 增湿: 水分从液相进入气相的过程（图4.2 (f)），此为气—液相之间的传质过程。例如使用静电除尘法时，为了改变烟尘的电学性质，便可采用增湿的方法。 (7) 干燥: 通常指固体物料中液体（多为水）经气化转入气相的过程（图4.2 (g)）。此为气—固相之间的传质，可用于环境工程治理中介质或副产品的干燥，如活性污泥的干燥等。 (8) 萃取: 通常指某溶质从一液相（溶剂）进入与该液相互不相溶的另一液相的过程（图4.2 (h)），这是液—液相之间的传质过程。此法可用于废水的净化，如用二甲苯脱除废水中的酚等。

平衡分离过程

4.2 传质机理和传质速率 1. 两相之间的物质传递过程： 1）溶质由气相主体传递到两相界面 2）溶质在界面处由气相溶解于液相
3）溶质由界面传递到液相主体 2. 扩散 1）分子扩散：物质的分子在静止流体或层流中的扩散。 2）涡流扩散：依靠流体质点的运动而引起的扩散称为涡流扩散。 3）对流扩散：分子扩散和涡流扩散的总称。

4.2 传质机理和传质速率 4.2.1 分子扩散如果在静止的流体内部存在某一组分的浓度差时，由于分子的无规则运动，该组分将从高浓度处向低浓度处转移，直至流体内部浓度达到均匀为止，这种物质传递现象称为分子扩散。费克定律费克定律：垂直于传质方向的单位传质面积上的分子扩散速率即扩散通量，与浓度梯度成正比，物质传递的方向沿浓度降低的方向。

4.2 传质机理和传质速率费克定律费克定律：垂直于传质方向的单位传质面积上的分子扩散速率即扩散通量，与浓度梯度成正比，物质传递的方向沿浓度降低的方向。

4.2 传质机理和传质速率费克定律

4.2 传质机理和传质速率 4.2.1.2 稳态分子扩散 1.等分子反向扩散简单的稳态分子扩散分为等分子反向扩散和单向扩散两种。
在等分子反向扩散过程中，易挥发组分从液相向气相传递，难挥发组分则从气相向液相传递，如果两组分的汽化热相等，那么，1mol难挥发组分从气相冷凝传入液相所放出的热量恰好使1mol易挥发组分从液相传入气相的热量。这样，在气、液两相中，这两种组分就形成了等分子反向扩散。在气相中难挥发组分从气相主体向气、液界面扩散，易挥发组分从界面向气相主体扩散，两者扩散通量相等，方向相反。与此类似，在液相中难挥发组分从气、液两相界面向液相主体扩散，易挥发组分则从液相主体向界面扩散。

1.等分子反向扩散

2.单向扩散吸收过程就是单向扩散。在吸收操作中，惰性组分不溶于液体中，即不会穿过两相界面，而组分A则不断地溶入液相。

第四章吸收 4.3 气液相平衡 4.3.1 概述气液相平衡：吸收速度和解吸速度相等，气、液两相达到动态平衡。此时，气相和液相中吸收质的浓度不再变化，溶液的浓度即为平衡浓度，也是吸收质在溶液中的最大溶解度，也称平衡溶解度；溶液上方溶解气体的分压称为平衡分压。气液两相平衡的主要影响因素：温度、压力和浓度。

第四章吸收 4.3 气液相平衡 4.3.2 气液平衡关系（溶解度曲线）
溶解度曲线：在恒定温度下，将溶质在气液相平衡状态下的组成关系用曲线形式表示，称为溶解度曲线。 p.192 图4-9 NH3在水中的溶解度曲线 p.191 图4-7 SO2在水中的溶解度曲线 p.191 图4-8 O2在水中的溶解度曲线气体在液体中溶解度变化的一般趋势：溶质在水中的溶解度随分压增加而增大；随温度升高而减小。

4.3.2 气液平衡关系（溶解度曲线）

4.3.3 亨利(Henry)定律 1. 亨利定律：实验结果表明，在一定温度下，对于难溶解气体和大多数气体的稀溶液，在气体总压不高（低于506.5 Kpa）的情况下，吸收质在液相中的浓度与其在气相中的平衡分压成正比，这一规律称亨利（henry）定律。 2. 亨利定律的数学表达式为: PA*=ExA （4-19）式中：PA* ——溶质A在气相中的平衡分压，KPa xA ——溶质A在溶液中的摩尔分数，无因次 E ——亨利系数， KPa E的大小表示气体被吸收的难易程度，E值愈大，气体越难于被吸收，反之，则越容易被吸收。对于一定的体系，亨利系数随温度升高而加大。

4.3.3 亨利(Henry)定律

4.3.3 亨利(Henry)定律 3. 亨利定律其它常见形式 1）用摩尔浓度表示：（4-20） 2）用摩尔分数表示: （4-22）
1）用摩尔浓度表示：（4-20） 2）用摩尔分数表示: （4-22） 3）用摩尔比表示： (4-24a） (4-24b）

4.3.3 亨利(Henry)定律 4. 亨利定律常见形式系数之间的关系 1）E和H：（4-21） 2）E和m: （4-23）

4.3.3 亨利(Henry)定律 3. 亨利定律其它常见形式

4.3.3 亨利(Henry)定律

4.3.4 相平衡与吸收过程的关系 4.3.4.1 相平衡可以判断吸收过程的方向 4.3.4.2相平衡可以计算吸收过程的推动力
相平衡可以确定吸收过程的极限

4.3.4 相平衡与吸收过程的关系

4.4 吸收的动力学基础 4.4.1 概述一、基本概念 1）吸收：利用气体混合物的各组分在液体溶剂中的溶解度不同，用适当的液体溶剂吸收（溶解）气体混合物中的有关组分，使气体混合物得以分离的一种单元操作称为吸收。 2）解吸（脱吸）：解吸是使溶解了的溶质由吸收液中释放出来的操作。 3）吸收剂：吸收操作所用的液体称为吸收剂。 4）溶质：能显著溶解的气体组分称为溶质。 5）惰性组分：几乎不溶解的气体组分称为惰性组分。 6）吸收液：吸收后得到溶液称为吸收液。 7）吸收尾气：经吸收后的气体。

第四章吸收 4.1 概述二、吸收的分类 3. 吸收在工程上的应用 1）按是否发生化学反应分
（1）物理吸收：溶质仅溶解在吸收剂中而不与吸收剂发生化学反应。（2）化学吸收：吸收过程中溶质与吸收剂发生化学反应，这种吸收称为化学吸收。 2）按液体温度是否有大的变化分：等温吸收、非等温吸收 3）按组分数目分：单组分吸收、多组分吸收 3. 吸收在工程上的应用

Reuse of an Aerobically Treated Wastewater Effluent for the Removal of SO2 in the Flue Gas
Y. Liu1, L. M. Ma2, Herbert H. P. Fang1, T. Y. Gao2, Z. X. Xu3, Y. C. Wang4, Z. G. Jing5 1 The University of Hong Kong, Hong Kong SAR, P.R. China 2 Tongji University, Shanghai, P.R. China 3 Shanghai Environmental Protection Agency, Shanghai, P.R. China 4 East China University of Science & Technology, Shanghai, P. R. China 5 Shanghai Petrochemical Complex, Shanghai, P.R. China

Objectives: 1. To investigate the efficacy of aerobically treated wastewater effluent (ATWE) for the absorption of SO2 in flue gas 2. To study the equilibrium relation between gas and ATWE 3. To research SO2 absorption kinetics

Methods: 1. Buffering Capacity Tests 2. Equilibrium Tests
3. Absorption Tests

Figure 1 Setup of absorption test
6 5 4 3 2 ATWE or sea water Influent water Effluent water Air Influent gas SO2 Effluent gas 1 Influent water tank 2 Absorption tower 3 SO2 cylinder 4 mixer 5 Alkaline solution 6 Sampling bottle Figure 1 Setup of absorption test

Mechanism: SO2 (g)  SO2 (l) (1) SO2 (l) + H2O  H+ + HSO3- (2)
CO32- + H+  HCO (3) HCO3- + H+  H2CO3 (l) (4) H2CO3 (l)  H2O + CO2 (g) (5) HSO3- + 1/2 O2  SO42- + H+ (6)

Equilibrium PSO2 = H·XSO2 = Hi·CSO2 (7) where
PSO2 = SO2 partial pressure in flue gas, bar H = Henry constant, bar XSO2 = SO2 mole faction in solution Hi = constant, (L·bar)/mol CSO2 = SO2 concentration in solution, mol/L

CHSO3- = concentration of HSO3- in solution, mol/L
CSO2 = (CHSO3- ·CH+)/K1 (8) PSO2 = R·CHSO3-·CH (9) where CHSO3- = concentration of HSO3- in solution, mol/L CH+ = concentration of H+ in solution, mol/L K1 = dissociation constant R = Hi/K1

LogR = A- B/T (8) pH = pHs - CHSO3-/ (9) where A = constant
B = constant, K T = temperature pH = pH in solution at equilibrium pHs = initial pH in solution  = buffering capacity in solution, mol/L

Equilibrium equation (13) (14)

Kinetics NSO2 = Kg·(PSO2 - PSO2*) (15)
where NSO2 = absorbing rate of SO2, mol/(m2·S) PSO2* = SO2 equilibrium partial pressure in flue gas, bar Kg = total absorbing coefficient, mol/(m2·S·bar)

(16) Where kg = absorbing coefficient in gas film, mol/(m2sbar)
kl = absorbing coefficient in liquid film, m/s Hi = Henry’s law constant, (m3bar)/mol Fa = strengthening factor, dimensionless

kg = 0.75v0.46 (106L)0.24 (17) kl = 0.17510-3 (106L)0.60 (18)
Fa= 1.09pH1.94 v0.77 (106L) (19) where v = upflow velocity of gas in empty tower (m/s) L = liquid flow in empty tower (kL/s) pH = pH values in influent

Conclusions: 1. ATWE absorbed SO2 in flue gas with high removal efficiencies. 2. The equilibrium relation between gas and ATWE was established. 3. Kinetic equations of absorbing SO2 by ATWE were determined.

宜兴长江冶炼厂氨汽提回收装置

4.4 吸收的动力学基础 4.4.2 双膜理论

4.4 吸收的动力学基础 4.4.2 双膜理论 1. 惠特曼（Whitman）双膜理论的基本论点：
(1) 气、液两流体间存在有稳定的相界面，界面两侧分别有一层虚拟的停滞气膜和停滞液膜。溶质组分以稳态的分子扩散通过这两层膜。 (2) 在相界面处，气、液两相一经接触就达到平衡，即pi＝ci/H，界面上无传质阻力。 (3) 在相界面以外，气、液流体都充分湍动，组成均一。溶质在每一相内的传质阻力都集中于虚拟的停滞膜内。

4.4 吸收的动力学基础 4.4.3 吸收传质速率方程吸收速率可表示为：吸收速率＝传质推动力/传质阻力＝吸收系数×传质推动力

4.4.3 吸收传质速率方程 4.4.3.1 气液平衡通常（一般）条件下
4.4.3 吸收传质速率方程气液平衡通常（一般）条件下

气液平衡符合亨利定律的情况

4.4.3 吸收传质速率方程 4.4.3.1 气液平衡符合亨利定律的情况
4.4.3 吸收传质速率方程气液平衡符合亨利定律的情况

4.4.3 吸收传质速率方程 4.4.3.5 总吸收传质速率方程的分析 4.4.3.6 相界面的组成
4.4.3 吸收传质速率方程总吸收传质速率方程的分析相界面的组成

相界面的组成

4.4.3 吸收传质速率方程 4.4.3.2 用摩尔比差表示推动力的吸收传质速率方程

4.4.3 吸收传质速率方程 4.4.3.3 不同表示方式的吸收传质系数之间的变换关系

4.4.3 吸收传质速率方程 4.4.3.2 用摩尔比差表示推动力的吸收传质速率方程

4.4.3 吸收传质速率方程吸收传质系数的物理意义吸收传质系数(kG，kL，KG，KL，kX，kY，KX，KY)表示，当吸收推动力为相应的—个单位分压差、浓度差或摩尔比差时，单位时间通过单位传质面积，在气相中或液相中或者由气相传递到液相中的扩散物质量(kmol)。常用的吸收传质速率方程式及传质系数列于表4.7，各种形式传质速率是等效的。

表4.7 传质通量方程 (1) 传质通量方程推动力传质系数气、液物质含量的表示方式对应的相平衡方程表达式单位符号 kPa
表传质通量方程 (1) 传质通量方程推动力传质系数气、液物质含量的表示方式对应的相平衡方程表达式单位符号 kPa kmol / (m2·s·kPa) 分压一般式 kmol / m3 m / s 浓度符合 Herry’s Law

表4.7 传质通量方程 (2) 传质通量方程推动力传质系数气、液物质含量的表示方式对应的相平衡方程表达式单位符号无因次
表传质通量方程 (2) 传质通量方程推动力传质系数气、液物质含量的表示方式对应的相平衡方程表达式单位符号无因次 kmol / (m2·s) 摩尔比浓度一般式符合 Herry’s Law

表4.7 传质通量方程 (3) 传质通量方程推动力传质系数气、液物质含量的表示方式对应的相平衡方程表达式单位符号无因次
表4.7 传质通量方程 (3) 传质通量方程推动力传质系数气、液物质含量的表示方式对应的相平衡方程表达式单位符号无因次 kmol / (m2·s) 摩尔分数一般式符合 Herry’s Law

表4.7 传质速率方程一览表传质通量方程推动力传质系数气、液物质含量的表示方式对应的相平衡方程表达式单位符号 kPa
kmol / (m2·s·kPa) 分压一般式 kmol / m3 m / s 浓度符合 Herry’s Law 无因次 kmol / (m2·s) 摩尔比符合Herry’s Law 摩尔分数表4.7 传质速率方程一览表

注：任何传质系数的单位都是kmol / (m2·s·kPa )，当推动力以无因次的摩尔分数差或摩尔比差表示时，传质系数的单位可简化为kmol / (m2·s)。对于表中所注明的气、液物质含量的表达方式一栏：分压指吸收质的分压；浓度指吸收质的物质的量浓度；摩尔比浓度中， X指吸收质的物质的量浓度/吸收剂的物质的量浓度， Y指吸收质的物质的量浓度/惰性气体的物质的量浓度。

表4.8 总传质系数表达式及相互换算关系表（1）气、液物质含量的表示方式分压或物质的量浓度摩尔分数或摩尔比浓度相平衡关系式
表4.8 总传质系数表达式及相互换算关系表（1）气、液物质含量的表示方式分压或物质的量浓度摩尔分数或摩尔比浓度相平衡关系式或总传质系数与膜传质分子数之间的关系式符合 Herry’s Law 才适用

表4.8 总传质系数表达式及相互换算关系表（2）气、液物质含量的表示方式分压或物质的量浓度摩尔分数或摩尔比浓度相平衡关系式或各膜传质分子数之间的关系式不符合 Herry’ Law 也适用一般式稀溶液

表4.8 总传质系数表达式及相互换算关系表（3）气、液物质含量的表示方式分压或物质的量浓度摩尔分数或摩尔比浓度相平衡关系式或总传质系数之间的关系式符合 Herry’ Law 才适用一般式稀溶液

表4.8 总传质系数表达式及相互换算关系表气、液物质含量的表示方式分压或物质的量浓度摩尔分数或摩尔比浓度相平衡关系式或
总传质系数与膜传质分子数之间的关系式符合 Herry’s Law 才适用 - 各膜传质分子数之间的关系式不符合 Herry’ Law 也适用一般式稀溶液总传质系数之间的关系式表4.8 总传质系数表达式及相互换算关系表

注：与，与有对应关系，表示液相的传质系数；与，与有对应关系，表示气相的传质系数。公式取决了是液膜、气膜还是双膜联合控制。

公式推导（1）先推导与的关系：同理可得与的关系：又有，

公式推导（2）先推导与的关系：同理可得与的关系：又有

公式推导（3）

公式推导（4）

4.4.3 吸收传质速率方程

例：在110 KPa下操作的氨吸收塔的某截面上，含氨0
例：在110 KPa下操作的氨吸收塔的某截面上，含氨0.03（摩尔分数）的气体与氨浓度为 1 Kmol/m3 的氨水相遇。已知气膜传质系数为 5×10-9 Kmol/(m2·S·Pa)，液膜传质系数为 1.5 ×10-4 m/s，氨水的平衡关系可用亨利定律表示，溶解度系数为 7.3×10-4 Kmol/(m3·Pa)，试计算： 1）气、液两相界面上的两相组成； 2）以分压差和物质的量浓度差表示的总推动力、总传质系数和传质通量； 3）以摩尔比差表示推动力的气相总传质系数； 4）气膜与液膜阻力的相对大小。

(1) 求界面组成根据式(4—46)得 (1) 平衡关系为： (2) 联立(1)，(2)两式得气相界面上氨的分压pi＝1
(1) 求界面组成根据式(4—46)得 (1) 平衡关系为： (2) 联立(1)，(2)两式得气相界面上氨的分压pi＝1.45kPa 液相界面上氨的浓度ci＝1.06kmol/m3

课堂练习：在总压 101. 3 KPa、20oC条件，某水溶液中SO2的摩尔分数为 6. 5×10-4 ，与SO2 的摩尔分数为 0
课堂练习：在总压 KPa、20oC条件，某水溶液中SO2的摩尔分数为 6.5×10-4 ，与SO2 的摩尔分数为 0.03 的空气接触，已知气膜传质系数为 1×10-6 Kmol/(m2·S·KPa)，液膜传质系数为 8 ×10-6 m/s， SO2的平衡关系可用亨利定律表示，亨利系数为 3.55×103 KPa，试计算： 1）气、液两相界面上的两相组成； 2）以分压差和物质的量浓度差表示的总推动力、总传质系数和传质通量； 3）以摩尔分数差表示推动力的气相总传质系数； 4）气膜与液膜阻力的相对大小。 5）用至少四种方式表示传质通量。

已知pT=101.3 KPa，T=273+20=293K xL=xA= 6.5×10-4 ，yL=yA=0.03 kG=1×10-6 Kmol/(m2·S·KPa) kL=8 ×10-6 m/s E=3.55×103 KPa 20oC水的密度ρo=998kg/m3 c溶剂=998/18 Kmol/m3=55.44 Kmol/m3 cT= c溶剂+ c溶质= cT* xA cT=55.44/(1- xA)=55.48 Kmol/m3 =988/(3.55×103*18)=1.56×10-2 Kmol/( KPa·m3) cL= cT* xA =55.44×6.5×10-4=3.6×10-2 Kmol/ m3

例在系统总压为1. 013×105pa，温度为20℃的条件下，稀氨水的气液相平衡关系为y=0. 94x。设此时将含氨0
(1)将发生吸收还是解吸过程? (2)分别以气相分压差和液相浓度差表示过程的推动力。 (3)若气体与水溶液作逆流接触，混合气中的NH3，含量最低可降到多少? (4)若操作总压增大一倍，以液相浓度差表示的推动力是原来的几倍? 解:(1)判断传质方向与呈平衡的气相浓度为: =0.94×0.04=0.0376<0.092 故为吸收过程因为该传质方向也可通过求出与yA=0.092呈平衡的液相浓度X*A来判断 =0.0979>0.04 故为吸收过程

=9.522×10 4 ×0.04 =3.809×103Pa， (2)过程进行的推动力气相中氨的分压为:
= =0.0579 (3) 吸收过程进行的极限是气、液两相达到相平衡。因此，在题目所给条件下，当混合气体与组成为的0.04的稀氨水溶液接触时，混和气体中氨的最低含量为与xA=0.04呈平衡的组成，即为(1)所求值0.0376。 PA=0.092×l.013×105pa =9.320×103Pa E=Pm=1.0133×105Pa×0.94 =9.522×104Pa 平衡分压为: （4）当总压增大一倍时，相平衡常数m'为: =9.522×10 4 ×0.04 =3.809×103Pa，平衡浓度所以，推动力：推动力 =9.320×103Pa ×103Pa =5.511×103Pa

4.4.4 其它传质理论简介 1. 双膜理论 2. 其它传质理论： 1）溶质渗透理论 2）表面更新理论 3）界面动力状态理论
4）无规旋涡模型

4.5 吸收过程的设计与操作计算 4.5.1 概述填料塔、板式塔

4.5 吸收过程的设计与操作计算概述

4.5 吸收过程的设计与操作计算 1. 塔：主要有板式塔、填料塔等 1）板式塔：气、液两相在塔内逐级接触
2）填料塔：气、液两相在塔内连续接触 2. 流动形式：逆流、并流 3. 吸收计算 1）操作型计算：塔设备条件（填料层高度、理论板或实际板数及塔径等）已知的前提下，计算在不同操作条件下分离一定的混合物所能达到的分离效果。

4.5 吸收过程的设计与操作计算 3. 吸收计算 3）设计型计算：在给定条件下，设计出达到一定分离要求所需要的吸收塔（塔径、塔高）。
吸收塔的设计计算一般已知下列条件： (1) 待分离混合气体的处理量和溶质的组成。 (2) 采用的吸收剂种类和操作温度、压强，从而知道吸收的相平衡关系。 (3) 吸收剂中溶质的初始组成或已知吸收剂的再生效果。 (4) 要达到的分离要求，即尾气排放浓度或吸收率。通常需先确定：吸收剂用量L(kmol/h)，或液 /气比（L/V），或最小液 /气比 (L/V)min，然后计算塔的主要工业尺寸，如塔径、塔高

4.5 吸收过程的设计与操作计算 4.5.2 吸收塔的物料衡算及操作线方程
4.5 吸收过程的设计与操作计算吸收塔的物料衡算及操作线方程

4.5 吸收过程的设计与操作计算 4.5.1 吸收塔的物料衡算及操作线方程 1. 吸收塔的操作线方程
V(Y1-Y)=L(X1-X) (4-48) V(Y1-Y2)=L(X1-X2) (4-50) 2. 操作线：式（4-50）是代表通过(X1,Y1)和(X2,Y2)两点，斜率为L/V的一条直线，这条直线叫操作线。操作线上任一点代表吸收塔任一截面上的气、液两相组成X和Y之间的关系。

4.5.2 吸收塔的物料衡算及操作线方程 3. 关于吸收塔的操作线的几点说明
1）操作线上的两个端点之一的F点代表塔底气液组成(X1,Y1) ，相对于全塔而言， X1,Y1的值为最高，称为浓端；而另一端点D浓度最低，称为稀端。 2）操作线上任意一点，代表吸收塔内与之相对应的某一截面上的气液两相的组成，称为操作点。 3）操作线上任意一点与平衡线的垂直距离(EN)为塔内该截面气相推动力(Y-Y*) ,而M点与平衡线的水平距离(EN’)为塔内该截面液相推动力(X*-X)。操作线和平衡线距离越大，表明操作线偏离平衡线的程度越大，传质推动力也越大，吸收速率越高。因此，在确定吸收操作的工艺条件时，采用降低吸收剂温度，选择溶解度大的吸收剂（或改为化学吸收），都是提高吸收速率的有效措施。

4.5.2 吸收塔的物料衡算及操作线方程 3. 关于吸收塔的操作线的几点说明
吸收塔的物料衡算及操作线方程 3. 关于吸收塔的操作线的几点说明 4）吸收塔操作线方程是根据物料衡算得出，它只与气、液两相的流量和组成有关，而与系统的平衡关系、操作温度、压强及填料结构等因素无关。 5）进行吸收操作时，填料层内任一横截面上溶质在气相中的分压总是高于与其接触的液相平衡分压，所以吸收操作线总是位于平衡线的上方。

4.5.2 吸收塔的物料衡算及操作线方程选择吸收剂所考虑的因素 1）溶解度 2）选择性 3）挥发性 4）稳定性 5）粘度 6）再生性
7）腐蚀性 8）其它方面

4.5.3 吸收剂用量的计算 1. 吸收剂的用量吸收剂用量是指处理单位流量混合气体所需吸收剂的流量，即吸收剂比用量，也称吸收剂的单位消耗量或称液气比L/V。

4.5.3 吸收剂用量的计算 2） L/V对吸收操作的影响

4.5.3 吸收剂用量的计算相平衡关系符合亨利定律

4.5.3 吸收剂用量的计算平衡线是曲线当平衡线为下凹(或上凸)的曲线时(如图4-16所示)，(L/V)min的计算通过图解法求得。

4.5.3 吸收剂用量的计算平衡线是曲线

4.5.3 吸收剂用量的计算

课堂练习：在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的SO2。气体处理量为1
课堂练习：在一逆流操作的吸收塔中，用清水吸收混合气体中的SO2。气体处理量为1.20 m3/S (标准)，进塔气体中含8％的SO2（体积百分比），要求SO2的吸收率为85％，在该吸收操作条件下的相平衡关系 YA*=26.7XA,用水量为最小用量的1.5倍。试求：（1）用水量为多少？（2）若吸收率提高至90％，用水量又为多少？（用水量用m3/s表示）。

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算 4.5.4.1填料层高度计算的基本方程式
吸收塔填料层高度的计算填料层高度计算的基本方程式

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算 4.5.4.1填料层高度计算的基本方程式
吸收塔填料层高度的计算填料层高度计算的基本方程式 a是单位体积填料内气、液两相的有效接触面积。a不仅与填料的形状、尺寸及填充状况有关，还受流体物性及流动状况的影响。a的数值很难测定，为此常将它与吸收传质系数的乘积视为一体，称为体积传质系数。其物理意义是指在单位推动力下，单位时间、单位体积填料层内吸收的溶质量。

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算 4.5.4.2 传质单元数和传质单元高度
吸收塔填料层高度的计算传质单元数和传质单元高度

传质单元：当吸收塔内两截面间的浓度变化等于这个范围内的吸收推动力时，这一区域就称为传质单元。传质单元数：它只决定于分离前后气、液相的组成和相平衡关系，与设备型式无关，其值大小表示了分离任务的难易。传质单元高度：传质单元高度是完成一个传质单元分离任务所需的填料层高度。它主要决定于塔设备型式（如填料类型和尺寸）、物系特性及操作条件等。其值的大小反映了填料层传质动力学性能的优劣，是吸收设备性能优劣的反映。

吸收塔填料层高度的计算传质单元数和传质单元高度

吸收塔填料层高度的计算传质单元数的求法

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算 4.5.4.3 传质单元数的求法 (1) 对数平均推动力法
吸收塔填料层高度的计算传质单元数的求法 (1) 对数平均推动力法

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算 4.5.4.3 传质单元数的求法 (2) 吸收因数法
吸收塔填料层高度的计算传质单元数的求法 (2) 吸收因数法

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算 4.5.4.3 传质单元数的求法 (3) 数值积分法
吸收塔填料层高度的计算传质单元数的求法 (3) 数值积分法

(3) 数值积分法

吸收塔填料层高度的计算传质单元数的求法

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算例4-5：设计一用水吸收丙酮的填料吸收塔，塔截面积为 1 m2 ，进塔混合气的流量为 70 kmol/h，其中丙酮的组成为0.02。用不含丙酮的清水吸收，要求吸收率为90％，吸收塔的操作压强为 Ka，温度为 293K。在此条件下，丙酮的两相间的平衡关系为 Y=1.18X。取液气比为最小液气比的1.4倍，气相总体积传质系数KYa为2.2×10-3 kmol/(s·m3)，求所需填料层高度。

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算例：在逆流操作的填料塔内用洗油吸收焦炉气中的芳烃。吸收塔的操作压强为 107 Ka，温度为 293K。入塔气体含芳烃0.02（摩尔分数，下同），要求芳烃的吸收率为95％，进入塔顶的洗油含芳烃0.005，若离开吸收塔的液体含芳烃0.106，在操作条件下的平衡关系为YA*=0.125XA/( XA)，试求气相总传质单元数。

4.5.4 吸收塔填料层高度的计算课堂作业1：设计一用水吸收丙酮的填料吸收塔，塔内径为 0.8 m ，每小时处理含丙酮蒸汽1500 m3，操作压强为1.013 ×105 Pa，温度为 293K。进塔气体组成为6％（丙酮的体积百分数），要求吸收率为76％，吸收剂用量为最小用量的1.4倍。在此条件下，丙酮的两相间的平衡关系为 Y=2X，气相总体积传质系数KYa为18.87 mol/(s·m3)，求所需填料层高度。

课堂作业2：某填料塔在常压及293 K下，用清水吸收某混合气中的SO2，处理气量为1 m3·s-1，其中含SO2 9%（体积百分数）。要求SO2的吸收率为95％，吸收用的液气比为最小液气比的1.2倍。求：（1）吸收所得出塔液浓度；（2）气相传质单元数。已知常压、 293 K下， SO2，的YA与XA平衡数据列于下表中：

4.5.5 理论级数与塔高的计算引入理论级数和效率的概念来简化计算，求取所需的塔高。
1. 理论板（理论级数）：是指气、液两相在这种塔板上相遇时，接触良好，时间充分（传质充分），使两相在离开塔板时达到平衡。离开各塔板的气液两相的组成应在平衡线上。 2. 理论板当量高度(HETP)：完成一个理论板的分离任务所需的填料层高度。 HETP=H/Np 3. 对板式塔：求理论板数，求传质单元高度，选总板效率，选板间距，有效塔高 4. 对填料塔：求理论板数，求理论板当量高度，选总板效率，选板间距，有效塔高

4.5.5 理论级数与塔高的计算填料塔、板式塔

4.5.5 理论级数与塔高的计算

4.5.5 理论级数与塔高的计算理论板计算时应用的两个基本关系式： 1）溶质在气、液间的平衡关系（平衡线） 2）操作线方程
进塔气体组成YN+1，出塔气体组成为Y1, 进塔吸收液组成为Xo（均为摩尔比）。惰性气体流量为 V kmol/h，吸收剂流量为 L kmol/h。

4.5.5 理论级数与塔高的计算

4.5.6 塔径的确定

4.5.7 吸收过程的计算 1. 设计型计算：在给定条件下，设计出达到一定分离要求所需要的吸收塔（塔径、塔高）。
2. 操作型计算：塔设备条件（填料层高度、理论板或实际板数及塔径等）已知的前提下，计算在不同操作条件下分离一定的混合物所能达到的分离效果。 3. 设计型计算和操作型计算采用相同的计算公式 1）物料衡算式：(4-49) 或（4-50） 2）相平衡关系、填料层高度和理论板或实际板数式： (4-63)、(4-64)、(4-85)等 4.操作型计算采用: 试差法（麻烦，编程计算）、作图法（简便，准确性不高，估算） 5. 例4-11 (p.228)

4.5.7 吸收过程的计算 1. 设计型计算：在给定条件下，设计出达到一定分离要求所需要的吸收塔（塔径、塔高）。
2. 操作型计算：塔设备条件（填料层高度、理论板或实际板数及塔径等）已知的前提下，计算在不同操作条件下分离一定的混合物所能达到的分离效果。 3. 设计型计算和操作型计算采用相同的计算公式 1）物料衡算式：(4-48) 、(4-49)、（4-50）等 2）相平衡关系、填料层高度和理论板或实际板数式： (4-63)、(4-64)、(4-85)等 4.操作型计算采用: 试差法（麻烦，编程计算）、作图法（简便，准确性不高，估算） 5. 例4-11 (p.228)

4.5.7 吸收过程的计算

4.6 解吸 4.6.1 概述 1. 解吸：解吸是吸收的逆过程，是使溶解于吸收液中的溶质释放出来的传质操作。
2. 解吸的应用：1）化工：（1）获得较纯净的气体溶质，（2）吸收剂再生 2）环境：NH3, H2S 3. 解吸方法 1）减压解吸 2）升温解吸 3）升温- 减压解吸 4）气提解吸: （1）吹脱：惰性气体用空气、氮气等（2）汽提：惰性气体用蒸汽

4.5.7 解吸

污泥酸化液氨吹脱装置

宜兴长江冶炼厂氨汽提回收装置

4.6.2 气提解吸 1. 解吸原理：同吸收原理，只是推动力符号相反，如推动力由p－p*变成p*－p 。 2. 解吸计算
在图解计算时，操作线位置改在平衡线下方。出塔的塔顶气变成浓的，而出塔的液体变成稀的，所得解吸操作线方程与吸收操作线方程完全相同，如图4-23所示。所以，只需将吸收速率式中推动力(浓度差)的前后调换，所得计算公式便可用于解吸。 1）物料衡算式： 2）相平衡关系、填料层高度和理论板或实际板数式： 3）一般已知：解吸液流速L，解吸前后的浓度X1、X2，入塔载气中溶质浓度Y2, 求：载气量和填料层高度等。 4）最小气液比(V/L)min和载气用量V的确定 5）传质单元数和理论级数的计算

4.6.2 气提解吸 4.6.2.1最小气液比(V／L)min和载气用量V的确定

4.6.2 气提解吸传质单元数和理论级数的计算

4.6.2 气提解吸

4.7 多组分吸收和化学吸收 4.7.1 多组分吸收 1.单组分吸收：混合气体里仅有一个组分在溶剂中有显著溶解度。
2. 多组分吸收：混合气体里有多个组分在溶剂中有显著溶解度。 3.多组分吸收的计算对稀溶液，其平衡关系仍服从亨利定律，且互不影响 1）气液平衡关系式 Yj* =mjXj 式中：Xj：液相中j组分的摩尔比 Yj*：与液相成平衡的气相中j组分的摩尔比 Mj：溶质组分j的相平衡常数

4.7 多组分吸收和化学吸收 4.7.1 多组分吸收 3.多组分吸收的计算对稀溶液，其平衡关系仍服从亨利定律，且互不影响
2）任一组分J的操作线方程 Yj* = L/V(Xj-Xj2)+ Yj2 (4-72) 式中： Yj 、Xj ：在塔内某一横截面相接触的气、液两相中j组分的摩尔比 Yj2 、Xj2 ：塔顶截面处气、液两相中j组分的摩尔比

4.7 多组分吸收和化学吸收 4.7.1 多组分吸收

4.7 多组分吸收和化学吸收 4.7.1 多组分吸收 3）A组分：溶解度最小，难溶，称为轻组分。吸收主要在塔顶附近进行，且吸收不完全，回收率低。 C组分：溶解度最大，易溶，称为重组分。吸收主要在塔底附近进行，且吸收完全，回收率高。 B组分：溶解度居中，称为关键组分

4.7 多组分吸收和化学吸收 4.7.1 多组分吸收 3.多组分吸收的计算对稀溶液，其平衡关系仍服从亨利定律，且互不影响
4）设计原则：按其中一个组分的吸收要求定出所需的理论板数（或传质单元数），然后核算用这么多理论板能同时把其它组分吸收多少，从而根据进塔的气、液组成计算出塔的气、液组成。

4.7 多组分吸收和化学吸收 4.7.2 化学吸收 4.7.2.1 化学吸收的特点
化学吸收：在吸收过程中，溶质气体与溶剂中某一个（或多个）组分发生化学反应，这种伴有化学反应的吸收过程称为化学吸收。化学吸收的特点 (1) 传质推动力大。 (2) 液相传质系数大。大大降低了溶质在液膜内扩散需要克服的阻力，甚至可以降到零，使总传质系数增大，吸收速率增加。 (3) 有效传质面积大。

4.7 多组分吸收和化学吸收化学吸收机理化学吸收大致分为五个连续步骤，其中任一步骤都可能起决定作用，如图4—25所示。这五个步骤如下： (1) 溶质A从气相主体扩散到气液界面，这一步与物理吸收无异； (2) 溶质A在液相中扩散到反应区； (3) 溶剂中能与A反应的活性组分B在液相中扩散到反应区； (4) 在反应区A和B发生化学反应； (5) 反应产物从反应区扩散到液相主体。

4.7 多组分吸收和化学吸收化学吸收机理

化学吸收分类

4. 化学吸收分类、判据及模型图像表化学吸收分类、判据及模型图像类型判据物理意义反应进行情况双膜模型图像
表化学吸收分类、判据及模型图像类型判据物理意义反应进行情况双膜模型图像极慢反应的化学吸收（视为物理吸收） M0 溶质在液相中总反应量远小于扩散传递总量化学反应可忽略不计，按物理吸收处理慢速反应的化学吸收 M«1 溶质在液膜中的反应量远小于通过液膜的扩散传递量反应在液相主体中进行中速反应的化学吸收 M值在1左右溶质在液膜中的反应量与通过液膜的扩散传递量相当反应既在液膜内进行，又在液相主体中进行 YA YAi 相界面 XAi XAL 距离浓度 YA YAi 相界面距离浓度 XAi XBL YA YAi 相界面距离浓度 XAi XBL XAL

注：M=溶质气体在液膜内进行反应的量/未反应而通过液膜扩散进入液相主体的溶质量
4. 化学吸收分类、判据及模型图像续表化学吸收分类、判据及模型图像类型判据物理意义反应进行情况双膜模型图像快速反应的化学吸收 M»1 溶质在液膜内的扩散中全部反应反应在液膜内进行完瞬时反应的化学吸收 M 溶质在气液界面可完成全部反应反应在气液界面上进行相界面 XAi YA YAi 距离浓度 XAL XBL 相界面 XBL YA YAi 距离浓度注：M=溶质气体在液膜内进行反应的量/未反应而通过液膜扩散进入液相主体的溶质量

类型判据物理意义反应进行情况双膜模型图像见下图
极慢反应的化学吸收（视为物理吸收） M0 溶质在液相中总反应量远小于扩散传递总量化学反应可忽略不计，按物理吸收处理见下图相界面 XAi YA XAL 距离浓度 YAi

慢速反应的化学吸收 M«1 溶质在液膜中的反应量远小于通过液膜的传递量反应在液相主体中进行见下图相界面 XAi YA 距离浓度 YAi XBL

中速反应的化学吸收 M值在1左右溶质在液膜中的反应量与通过液膜的传递量相当反应既在液膜内进行，又在液相主体中进行见下图相界面 XAi YA XAL 距离浓度 YAi XBL

极慢反应的化学吸收（视为物理吸收） M0 溶质在液相中总反应量远小于扩散传递总量化学反应可忽略不计，按物理吸收处理见下图相界面 YA XAi 距离浓度 XBL YAi XAL

类型判据物理意义反应进行情况双膜模型图像瞬时反应的化学吸收 M 溶质在气液界面可完成全部反应反应在气液界面上进行见下图
相界面 YA 距离浓度 XBL YAi

4.7 多组分吸收和化学吸收 4.7.2 化学吸收 5. 影响吸收速率的因素 1）影响物理吸收的因素：物性和流动状况等
2）影响化学吸收的因素：化学反应速率常数，参与反应的物质浓度等

4.7 多组分吸收和化学吸收

4.典型气体吸收装置表典型气体吸收装置装置名称气液接触方式气液分散方式气液流动形式填料塔微分接触液体分散逆流、并流
表典型气体吸收装置装置名称气液接触方式气液分散方式气液流动形式填料塔微分接触液体分散逆流、并流板式塔逐级接触气体分散逆流喷淋塔逆流、并流、错流洗涤塔湿壁塔鼓泡塔气泡搅拌槽

第四章吸收.

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