1、5.1 5.1 概述概述基本上分為兩大類：基本上分為兩大類： 逐級接觸式逐級接觸式(如板式塔如板式塔) 微分接觸式微分接觸式(如填料塔如填料塔)傳質設備性能要求：傳質設備性能要求：兩相界面積兩相界面積單位體積相接觸面積要大單位體積相接觸面積要大通過能力通過能力生產能力要大生產能力要大壓降壓降板壓降，每板壓降，每m填料壓降，流體阻力要小填料壓降，流體阻力要小操作彈性大操作彈性大汽液通量上、下限汽液通量上、下限結構簡單成本低結構簡單成本低5 傳質過程傳質過程2 擴散和單相傳質擴散和單相傳質2.1分子擴散分子擴散(兩組分兩組分) Fick定律定律壓力、溫度一定壓力、溫度一定, 總濃度總濃度 不變不變

2、dzdCDJAABA RTPCCCBAM 這樣這樣 而而對于雙組分對于雙組分 DAB=DBA=D擴散速率擴散速率 JA=-JB應用條件：雙組分應用條件：雙組分P,T一定一定當存在主體流動時，將如何？當存在主體流動時，將如何？B組分究竟有無擴散？組分究竟有無擴散？ NM 主體流動主體流動 NA、NB 傳遞速率傳遞速率凈物流為凈物流為N=NM+JA+JB JA=-JB N=NM N=NA+NBdzdCdzdCBA dzdCDJBBAB 對于對于A組分，擴散速率方程組分，擴散速率方程2.2 擴散速率方程應用擴散速率方程應用 等分子反向擴散等分子反向擴散NA = - NB濃度線性分布濃度線性分布MAB

3、AAAAACCNNJNxJN)( dzdCDJNAAA )(21AAACCDN 單向擴散單向擴散 NB=0濃度非線性分布濃度非線性分布積分后積分后 , 漂流因子漂流因子 1 , 低濃度吸收低濃度吸收MAAAACCNJN dzdCDCCNAMAA )1( 2110AACCMAAACCdCDdzN )(21AABMMACCCCDN 1212lnBBBBBMCCCCC BMMCC1 BMMCC擴散系數擴散系數氣體氣體 , 量級量級10-5m2/s液體液體 , 量級量級10-9-10m2/sPTD81. 1 TD 2.3 對流傳質對流傳質 類似于傳熱中的牛頓冷卻定律類似于傳熱中的牛頓冷卻定律 NA=k

4、g(p-pi)=kL(Ci -C) =ky(y-yi)=kx(xi-x)注意推動力與傳質注意推動力與傳質(分分)系數一一對應。系數一一對應。傳質分系數的確定傳質分系數的確定 kg=f(,u,d,D)無量綱化無量綱化 , ,可得可得 Sh=AReBScC 關聯式關聯式降膜式吸收器，降膜式吸收器， Sh=0.023Re0.8Sc0.33 Re2100, Sc=0.63000DkdSh du ReDSc 3.4 三傳類似三傳類似動量動量熱量熱量質量質量柯爾本類似律柯爾本類似律dzudv)( dztCdaqp)( dzdCDNAABA 2/fjjHD 23/13/1PrReReuNuScShW 3.5

5、 傳質理論傳質理論有效膜理論有效膜理論(雙膜模型雙膜模型) kD 定態定態 ，溶質滲透理論溶質滲透理論 kD0.5 非定態非定態表面更新理論表面更新理論 kD0.5非定態非定態實際降膜式實際降膜式 k實測實測D0.67BMMACCDk DkA DkA2 DSkA 4 相際傳質相際傳質步驟：步驟：氣相氣相界面界面 界面溶解界面溶解 界面界面液相液相4.1 相際傳質速率方程相際傳質速率方程氣相氣相 NA=ky(y-yi)界面相平衡界面相平衡 yi=mxi液相液相 NA=kx(xi-x)消去消去xi, yixyiixiyiAkmkxxmyykxxkyyN 1)(11總傳質系數總傳質系數同樣同樣NA=

6、KX(xe-x) , 有什么條件？有什么條件？ )(1eyxyeAyyKkmkyyN xyykmkK 11yxyxmKkmkK 111xyykmkK 11bmxy 氣體吸收和解吸氣體吸收和解吸1. 1. 概述概述1 11 1 工業背景工業背景1.2 吸收的目的吸收的目的 1分離氣體混合物分離氣體混合物 2除去氣體中的有害成分除去氣體中的有害成分(氣體凈化氣體凈化)1.3 吸收過程的依據吸收過程的依據(原理原理) 氣體中各組分在溶劑中的溶解度的不同氣體中各組分在溶劑中的溶解度的不同 必須解決的問題：必須解決的問題： 1選合適的溶劑選合適的溶劑選擇性吸收；選擇性吸收； 2提供適當的傳質設備提供適當

7、的傳質設備氣氣液；液； 3溶劑的再生溶劑的再生往往要解吸、精餾往往要解吸、精餾 解吸方法：升溫、吹氣、減壓解吸方法：升溫、吹氣、減壓1.4工程措施工程措施 調節吸收劑的用量、濃度、操作溫度、壓力調節吸收劑的用量、濃度、操作溫度、壓力1.5 吸收的分類吸收的分類 1物理吸收與化學吸收物理吸收與化學吸收 2單組分吸收與多組分吸收單組分吸收與多組分吸收 按被吸收組分數目不同分按被吸收組分數目不同分 3. 等溫吸收與非等溫吸收等溫吸收與非等溫吸收 4. 低濃度吸收與高濃度吸收低濃度吸收與高濃度吸收1.6 吸收溶劑的選擇：吸收溶劑的選擇： 1對溶質的溶解度要大；對溶質的溶解度要大； 2選擇性要高；選擇性

8、要高； 3再生方便；再生方便； 4蒸汽壓低，揮發少；蒸汽壓低，揮發少； 5安全安全1.7 吸收操作的經濟性吸收操作的經濟性(費用費用)設備費、操作費設備費、操作費 1.兩相流動的能耗兩相流動的能耗 2.溶劑的損失溶劑的損失 3.溶劑的再生溶劑的再生1.8 吸收設備吸收設備2 氣液相平衡氣液相平衡2.1 溶解度曲線溶解度曲線物化中所學相平衡物化中所學相平衡 fV=fl , 分壓與溫度、濃度有關分壓與溫度、濃度有關 0iiiiiPrxPy iiiiiPrxPy 0 低濃度時，近似為直線，服從亨利定律：低濃度時，近似為直線，服從亨利定律： pe=Ex x為摩爾分率為摩爾分率 pe=C/H C為摩爾濃

9、度為摩爾濃度ye=mx y為氣相摩爾分率為氣相摩爾分率 , 溫度上升，溫度上升，E, H, m如何？如何？總壓上升，總壓上升，E, H, m如何？如何？ PEm SSEMH 12.2 過程進行的方向、極限和推動力過程進行的方向、極限和推動力由由ye=0.940.05=0.047y=0.1yex, 氣氣液液05. 0106. 094. 01 . 0 xmyxe由由ye=0.94 y=0.05 液液氣，解吸氣，解吸或或 x=0.1 液液氣，解吸氣，解吸053. 094. 005. 0 myxe推動力：推動力：以氣相濃度差表示以氣相濃度差表示 y-ye以液相濃度差表示以液相濃度差表示 xe-x 過程

10、極限過程極限: 氣量小，液量大氣量小，液量大 氣量大，液量小氣量大，液量小2min,2mxy myx1max, 1 2.3 阻力控制阻力控制總阻力總阻力當當 時，氣相阻力控制時，氣相阻力控制 Kyky， Kxmky ，yiye例如，水吸收例如，水吸收NH3,HCl當當 時，液相阻力控制時，液相阻力控制 Kykx/m， Kxkx ，xixe 例如，水吸收例如，水吸收H2,CO2,O2xyykmkK 11xykmk 1xykmk 1由由NA=ky(y-yi)=kx(xi-x)得得由已知點由已知點(x,y)和和 斜率作直線與平衡線相交，斜率作直線與平衡線相交，得得(xi,yi)yxiikkxxyy

11、yxkk 例例1：已知濕壁塔某一塔截面上氣相：已知濕壁塔某一塔截面上氣相主體的溶質濃度主體的溶質濃度y=0.05, 液相溶質濃度液相溶質濃度x=0.01, 氣相與液相傳質系數分別為氣相與液相傳質系數分別為ky=510-4kmol/m2s, kx=810-4kmol/m2s, 亨利常數亨利常數m=2, 總壓為總壓為101.3kPa。試求：試求：推動力推動力y-ye, xe-x 總傳質系數總傳質系數Ky, Kx 傳質速率傳質速率NA將操作總壓改為將操作總壓改為162kPa，單位塔截面上的氣體，單位塔截面上的氣體質量流速不變，總壓對氣體粘度影響可忽略，計質量流速不變，總壓對氣體粘度影響可忽略，計算傳

12、質速率算傳質速率NA 。解：解：推動力推動力y-ye=y-mx=0.05-20.01=0.03總傳質系數總傳質系數傳質速率傳質速率015. 001. 0205. 0 xmyxxe4410821051111 xyykmkKsmkmol24/102 . 2 441081105211111 xyxkmkKsmkmol24/104 . 4 03. 0102 . 2)(4 eyAyyKNsmkmol26/106 . 6 總壓增加后，由總壓增加后，由 可知可知壓強對液相壓強對液相D, 無影響，所以對無影響，所以對kx無影響無影響.對對ky如何？如何？ m3/m2s , 與與P無關無關smkmolxxKNe

13、xA264/106 . 6015. 0104 . 4)( PEm 25. 121623 .101 mPPm3/183. 0)()(023. 0DdGdDk PD1 P 03/13/2PDPRTPkky 操作壓強增加對吸收是否有利？操作壓強增加對吸收是否有利？0375. 001. 025. 105. 0 eyy4410825. 11051111 xyykmkKsmkmol24/108 . 2 64105 .100375. 0108 . 2)( eyAyyKNsmkmol26/105 .10 5 低濃度氣體吸收低濃度氣體吸收當氣體濃度當氣體濃度Lmin 最小液氣比最小液氣比通常，取通常，取 為設計

14、型計算專有，實際操作時，為設計型計算專有，實際操作時，若若 ，則，則Y2達不到要求達不到要求2121min)(XXYYGLe min)(21 . 1GLGL min)(GLmin)(GLGL 例例1. 用清水吸收氨和空氣混合氣中的氨，在填料用清水吸收氨和空氣混合氣中的氨，在填料塔中逆流操作，已知：塔中逆流操作，已知：G/A=0.0318kmol/m2s,Y1=0.02, Y2=0.001, 相平衡服從亨利定律，相平衡服從亨利定律，L=1.2Lmin, Kya=0.0522kmol/m3s,求求:所需塔高所需塔高H解：清水解：清水X2=0，X2=0時時95. 002. 0001. 01112 Y

15、Y mmYYYGL 0/121min mGLGL2 . 12 . 1min 877. 095. 02 . 112 . 11 LmG11)1ln(11LmGLmGLmGNOG 8 . 9877. 095. 011)877. 01ln(877. 011 H=HOGNOG=0.619.8=6.0mmaKAGHyOG61. 00522. 00318. 0/ 解吸塔計算解吸塔計算 原則與吸收塔計算相同原則與吸收塔計算相同特點：特點：操作線在平衡線下方操作線在平衡線下方 有有Gmin的問題的問題實際實際GGmin為免符號混亂，用為免符號混亂，用 較好較好2121minXXYmXGL mOGYYYN 21易

16、犯錯誤：易犯錯誤： 不管吸收和解吸，死套公式不管吸收和解吸，死套公式Y1, Y2, X1, X2符號意義不一符號意義不一推動力表達不同推動力表達不同 Y1-mX1與與mX1-Y1)1ln(112221LmGmXYmXYLmGLmGNOG 例例2：過熱水蒸汽吹出洗油中的苯：過熱水蒸汽吹出洗油中的苯已知：已知：HOG=0.5m, 相平衡相平衡Y=3X, G=1.2Gmin求：求：H解：解： H=HOGNOG=0.56.38=3.19m33. 3005. 005. 005. 032121min XXYmXGL78. 22 . 133. 32 . 1min GLGL125. 0)005. 005. 0

17、(78. 20)(2121 XXGLYY025. 0125. 005. 03111 YmXY015. 0005. 03222 YmXY0196. 0015. 0025. 0ln015. 0025. 0ln2121 YYYYYm38. 60196. 0125. 021 mOGYYYN計算技巧：計算技巧：(y=mx) ,吸收時吸收時解吸時解吸時2121XXYYGL OGOGmyNHYYYaAKGH 212211221121ln)()(mXYmXYmXYmXYYYNOG 2211ln11mXYmXYLmGNOG 2211221121ln)()(YmXYmXYmXYmXYYNOG 2211ln11Ym

18、XYmXLmGNOG 5.7 吸收塔的操作型計算吸收塔的操作型計算第一類：已知第一類：已知:H, G, L, y1, x2, m, KyaA求：求：y2, x1(二元一次方程組二元一次方程組)第二類：已知第二類：已知:H, G, y1, y2, x2, m, KyaA求：求：L, x1(需試差需試差)由由得得物料衡算：物料衡算： G(Y1-Y2)=L(X1-X2)1ln(112221LmGmXYmXYLmGLmGaAKGHy )1exp(112221LmGGaAHKLmGLmGmXYmXYy 例例3 一逆流操作吸收塔，相平衡一逆流操作吸收塔，相平衡Y=2X，Y1=0.10，X2=0.003,

19、得回收率得回收率=0.80。試求：試求： (1)因解吸不良，因解吸不良，X2=0.0075, =? (2)若若 ，則，則X1和和X1各為多少？各為多少？2 GL解：解：(1)兩工況比較，其他均不變兩工況比較，其他均不變Y1=0.1, Y2=Y1(1-)=0.1(1-0.8)=0.02得得 Y2=0.0244)1ln(112221LmGmXYmXYLmGLmGaKGHy 22212221mXYmXYmXYmXY 0075. 020075. 021 . 0003. 0202. 0003. 021 . 02 Y756. 0112 YY (2) 用圖表示結果用圖表示結果)(2121YYLGXX 043

20、. 0)02. 01 . 0(5 . 0003. 0 )(2121YYLGXX 0453. 0)0244. 01 . 0(5 . 00075. 0 5.8 吸收塔的操作和調節吸收塔的操作和調節極限問題：極限問題：H時，時，Y2=?, X1=? 技術上兩點限制技術上兩點限制 a. 相平衡相平衡 b.物料衡算物料衡算 Ym0 Y2=mX1 由由 得得mOGYYYHH 212111XXmXYGL GLmYGLYX 211逆流：當逆流：當 或或 時時 Y1=mX1 得得當當 或或 時時 Y2=mX2 得得當當mG=L時將如何？時將如何？ mGL 1 mGLmYX11 )(2112XXGLYY mGL

21、1 mGLmYX22 )(2121YYLGXX 逆流操作，且逆流操作，且H時，時，Y2與與 的關系如何？的關系如何？ 時，時， 時，時， Y2=mX2 GLmGL )(2112XmYGLYY mGL 吸收劑進塔條件對吸收操作結果的影響吸收劑進塔條件對吸收操作結果的影響A. L,Y2 ,X1 .塔高不變，塔高不變，HOG不變，不變，所以所以 不變不變若若Y2不變，則不變，則Ym 若若X1不變，則不變，則Ym Y1-Y2不變，不成立不變，不成立 而而Y1-Y2 ，不成立，不成立mOGYYYN 21B. t, m , Y2 , X1 .C. Y1,m ,Y2 ,X1 .P,結果如何結果如何? G,結

22、果如何結果如何要降低要降低Y2，用什么手段最有效？，用什么手段最有效？ L , X2 , t , PA.當當 時，時，L較有效較有效B.當當 時，時，X2,t, P較有效較有效mGL mGL 例例4 某填料吸收塔用清水逆流吸收空氣混合氣中某填料吸收塔用清水逆流吸收空氣混合氣中的丙酮。原工況下，進塔氣體的丙酮。原工況下，進塔氣體y1=0.015(摩爾分率，摩爾分率，下同下同)，操作液氣比為最小液氣比的，操作液氣比為最小液氣比的1.5倍，丙酮倍，丙酮回收率可達回收率可達0.99，現氣體入塔濃度降為，現氣體入塔濃度降為y1=0.010，進塔氣體量提高進塔氣體量提高20%，吸收劑用量、入塔濃度、，吸收

23、劑用量、入塔濃度、溫度等操作條件均不變。已知操作條件下平衡關溫度等操作條件均不變。已知操作條件下平衡關系滿足亨利定律，總傳質系數系滿足亨利定律，總傳質系數KyaG0.8。試求：。試求：(1)新工況下丙酮的回收率；新工況下丙酮的回收率；(2)若仍將回收率維持在若仍將回收率維持在0.99，則新工況下所需，則新工況下所需 填料層高度為原工況的多少倍？填料層高度為原工況的多少倍？解：解：y1=0.015, X2=0, =0.99原工況原工況新工況下，新工況下，H不變不變 mGL min)( mGLGL5 . 1)(5 . 1min 673. 099. 05 . 11 LmG11)1ln(11LmGLm

24、GLmGNOG 7 .10673. 099. 011)673. 01ln(673. 011 0152. 0015. 01015. 01111 yyY ,得得 =0.972 . 0GaKGHyOG 037. 12 . 1)(2 . 02 . 0 GGHHOGOGOGOGOGOGHHNN 35.10037. 17 .10 OGN808. 02 . 1)( LmGLmG808. 011)808. 01ln(808. 01135.10 6 .15808. 099. 011)808. 01ln(808. 011 OGN51. 1037. 17 .106 .15 OGOGOGOGHHNNHH塔高計算塔高計算1） H=HOGNOG2） H=NTHETPNT-理論板數理論板數HETP-等板高