第5章吸收-1、2、3

1、第5章 吸收 5.1概述概述 5.2气液相平衡气液相平衡 5.3吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率 5.4吸收塔的计算吸收塔的计算 5.5填料塔填料塔5.1概述概述1、吸收操作的概念、吸收操作的概念 利用气体混合物中各组分在利用气体混合物中各组分在液体中液体中溶解度的差异溶解度的差异使气体中不使气体中不同组分同组分分离的一种单元操作。分离的一种单元操作。 2、气体吸收过程示意图、气体吸收过程示意图 溶质溶质A ：能溶解的组分能溶解的组分惰性气体惰性气体B ：不被溶解的组分：不被溶解的组分吸收剂吸收剂S ：吸收所用的溶剂：吸收所用的溶剂吸收液：吸收所得的溶液吸收液：吸收所得的溶液尾气：塔顶排出

2、的气体尾气：塔顶排出的气体合适的溶剂合适的溶剂什么是吸收操作的三要素？什么是吸收操作的三要素？ 溶剂的再生溶剂的再生合适的传质设备合适的传质设备3、气体吸收的目的、气体吸收的目的净化原料气和精制气体产品净化原料气和精制气体产品分离气体混合物以获得所需的目的组分分离气体混合物以获得所需的目的组分制取液体产品或半成品制取液体产品或半成品治理有害气体，保护环境治理有害气体，保护环境4吸收与解吸流程吸收与解吸流程 吸收与解吸流程吸收与解吸流程含苯煤气含苯煤气脱苯煤气脱苯煤气洗油洗油苯苯水水过热蒸汽过热蒸汽加热器加热器冷却器冷却器解吸过程：溶质从吸收液中分离出的操作，称为解吸。解吸过程：溶质从吸收液中分

3、离出的操作，称为解吸。解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生循环使用。解吸目的：获得所需较纯的溶质；溶剂再生循环使用。5、吸收的分类、吸收的分类按组分数分按组分数分 单组分吸收单组分吸收 多组分吸收多组分吸收按浓度分按浓度分 低浓度吸收低浓度吸收 高浓度吸收高浓度吸收按温度分按温度分 等温吸收等温吸收非等温吸收非等温吸收 按化学变化分按化学变化分 化学吸收化学吸收 物理吸收物理吸收5.2气液相平衡气液相平衡一、溶解度一、溶解度 1、气体在液体中溶解度的概念、气体在液体中溶解度的概念气体在液相中的溶解度气体在液相中的溶解度 ： 表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。表明一定条件下吸收过程可能

4、达到的极限程度。 2、溶解度曲线、溶解度曲线 气体在液体中的饱和浓度气体在液体中的饱和浓度 *AC对于单组分物理吸收，由相律知对于单组分物理吸收，由相律知 FC 2=32+2=3吸收剂、温度吸收剂、温度T、P 一定时，一定时，不同物质的溶不同物质的溶解度不同解度不同 温度、溶液的浓度一定时，温度、溶液的浓度一定时，溶液上方分压越溶液上方分压越大的物质越难溶大的物质越难溶对于同一种气体，分压一定时，对于同一种气体，分压一定时，温度温度T越高越高，溶解度越小，溶解度越小对于同一种气体，温度对于同一种气体，温度T一定时，一定时，分压分压P越大越大，溶解度越大，溶解度越大加压和降温对吸收操作有利加压和

5、降温对吸收操作有利二、亨利定律二、亨利定律1、亨利定律、亨利定律 Exp * E亨利常数亨利常数，单位与压强单位一致，单位与压强单位一致 E值取决于物系的特性及温度；温度值取决于物系的特性及温度；温度T上升，上升，E值增大值增大 在同一溶剂中，在同一溶剂中，E值越大的气体越难溶值越大的气体越难溶2、亨利定律的其他表示形式、亨利定律的其他表示形式 1）用溶质）用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的亨利定律亨利定律 Hcp *H溶解度系数溶解度系数 ，单位：单位：kmol/m3kPa或或kmol/m3atm H是温度的函数，是温度的函数，H值随温度升高

6、而减小值随温度升高而减小易溶气体易溶气体H值大，难溶气体值大，难溶气体H值小值小H与与E的关系的关系设溶液的密度为设溶液的密度为 3/mkg，浓度为浓度为 3/mkmolC总，则则 MC总SSAAxMxMM对于稀溶液，对于稀溶液， SSMM,ECH总EMss 2) 气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律mxy *m相平衡常数相平衡常数 ，是温度和压强的函数。是温度和压强的函数。 温度升高、总压下降则温度升高、总压下降则m值变大值变大，m值越大，表明气体的溶解度越小。值越大，表明气体的溶解度越小。 m与与E的关系：的关系： yPp由分压定律知由分压定律知 ：Pp

7、y*xEp*由亨利定律：由亨利定律： xPEyPEm 即：即：3）用摩尔比）用摩尔比Y和和X分别表示气液两相组成的亨利定律分别表示气液两相组成的亨利定律a) 摩尔比定义：摩尔比定义： 液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数Xxx1数气相中惰性组分的摩尔气相中溶质的摩尔数Yyy1YYyXXx1,1由 ,*得mxy xmxYY11*xmmxY)1 (1*当溶液浓度很低时，当溶液浓度很低时，X0， 上式简化为：上式简化为：mXY*亨利定律的几种表达形式也可改写为亨利定律的几种表达形式也可改写为HPcEPx* ,mYXmyx* , 三、气液相平衡在吸收中的应用三、气液相平衡在吸收中的应用 1、判断过程的

8、方向、判断过程的方向 YY*或或XX*吸收过程吸收过程Y=Y*或或X=X*平衡状态平衡状态YX*解吸过程解吸过程2、计算过程的推动力、计算过程的推动力 3、确定过程的极限、确定过程的极限 2、计算过程的推动力、计算过程的推动力 当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动当气液相的组成均用摩尔分数表示时，吸收的推动力可表示为：力可表示为： ：*yy 以气相组成差表示的吸收推动力；以气相组成差表示的吸收推动力； ：xx *以液相组成差表示的吸收推动力。以液相组成差表示的吸收推动力。 3、确定过程的极限、确定过程的极限 所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的所谓过程的极限是指两相充分接触

9、后，各相组成变化的最大可能性。最大可能性。 组成为组成为y1的混合气的混合气 增加塔高增加塔高 减少吸收剂用量减少吸收剂用量 塔底塔底 x1增加增加 极限极限 myxx1*1max1组成为：组成为：组成为组成为y1的混合气的混合气增加塔高增加塔高 增加吸收剂用量增加吸收剂用量 塔顶塔顶y2降低降低极限极限 组成为：组成为：2*2min2mxyy吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：溶质由气相主体传递到两相界面，即溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递气相内的物质传递；溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即溶质在相界面上的溶解，由气相

10、转入液相，即界面上发生界面上发生的溶解过程；的溶解过程；溶质自界面被传递至液相主体，即溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递液相内的物质传递。单相内物质传递的机理单相内物质传递的机理分子扩散分子扩散 湍流扩散湍流扩散5.3吸收过程的传质速率吸收过程的传质速率 一、分子扩散与费克定律一、分子扩散与费克定律 1、分子扩散：、分子扩散： 一相内部有浓度差异的条件下，由于分子一相内部有浓度差异的条件下，由于分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。的无规则热运动而造成的物质传递现象。AB2费克定律费克定律 1）扩散通量）扩散通量 ：J单位面积上单位时间内扩散传递的物质量单位面积上单位时间内扩散传

11、递的物质量 ，单位：单位：kmol/(m2.s) 。zcDJddAABAJA组分组分A扩散速率（扩散通量），扩散速率（扩散通量）， kmol/（m2s） 组分组分A在扩散方向在扩散方向z上的浓度梯度（上的浓度梯度（kmol/m3）/mzcddA DAB组分组分A在在B组分中的扩散系数，组分中的扩散系数，m2/s负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反，扩散沿负号：表示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着浓度降低的方向进行 2）费克定律）费克定律 二、稳态分子扩散二、稳态分子扩散 1等摩尔反向扩散等摩尔反向扩散1）等摩尔反向扩散）等摩尔反向扩散 等摩尔逆向扩散：等摩尔逆向扩散：

12、任一截任一截面处两个组分的扩散速率面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。 JA=JB zpRTDJddAABAzpRTDJddBBABBpppA总压一定总压一定 zpddA=zpddB JA=JB DAB=DBA=D 2）传递速率）传递速率 在任一固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的在任一固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的A物质量，称为物质量，称为A的传递速率，以的传递速率，以NA表示。表示。 dzdcDJNAAAdzdpRTDA分离变量并进行积分，积分限为：分离变量并进行积分，积分限为： 11 0AAppz22 AAppzz210AAPpAzAdpRTDdz

13、N)(12AAAppRTDzN传质速率为：传质速率为：)(12AAAppzRTDN2、一组分通过另一停滞组分的扩散、一组分通过另一停滞组分的扩散 12JAJBNMcA/cNMcB/cNMNA整体移动：因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，整体移动：因溶质扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。处的流动。气相：气相：)(A2A1BmAppRTzpDpN B1B2B1B2Bmlnppppp S1S2S1S2Smlnccccc )(A2A1SmAcczcDcN液相：液相：BmppSmcc、漂流因子漂流因子，无因次，无因次 漂流因子

14、意义漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速：其大小反映了整体移动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。纯分子扩散增大的倍数。 1Bm pp1Sm cc漂流因子的影响因素：漂流因子的影响因素： 浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大低浓度，漂流因数近似等于低浓度，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小，总体流动的影响小单向扩散体现在吸收过程中单向扩散体现在吸收过程中三、扩散系数三、扩散系数 分子扩散系数简称扩散系数，它是物质的特性常数之分子扩散系数简称扩散系数，它是物质的特性常数之一。

15、同一物质的扩散系数随一。同一物质的扩散系数随介质的种类介质的种类、温度温度、压强压强及及浓浓度度的不同而变化。物质在不同条件下的扩散系数一般需要的不同而变化。物质在不同条件下的扩散系数一般需要通过实验测定。通过实验测定。扩散系数的意义：扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s。四、单相内对流传质四、单相内对流传质 1、涡流扩散、涡流扩散 凭借流体质点的流动和旋涡来传递物质的凭借流体质点的流动和旋涡来传递物质的现象。现象。扩散通量扩散通量 ：dzdc

16、DDJAE)(2、对流传质、对流传质 流动流体与两相界面之间的质量传递。流动流体与两相界面之间的质量传递。TTWtWt热流体热流体冷流体冷流体pAGpAicAicAL气相气相液相液相zTztzGzLE单相内对流传质过程单相内对流传质过程1）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分 子扩散，溶质子扩散，溶质A的浓度梯度较大，的浓度梯度较大，pA随随z的的 变化较陡。变化较陡。 2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散， 溶质浓度均一化，溶质浓度均一化，pA随随z的变化近似为水的变化近似为水 平线。平线。 3）过渡区：分子扩散）

17、过渡区：分子扩散+涡流扩散，涡流扩散，pA随随z的的 变化逐渐平缓。变化逐渐平缓。有效膜模型有效膜模型 单相对流传质的传质单相对流传质的传质阻力阻力全部集中在一层全部集中在一层虚虚拟的膜拟的膜层内，膜层内的传质形式层内，膜层内的传质形式仅为分子扩散仅为分子扩散 。3、气相传质速率方程、气相传质速率方程 有效膜厚有效膜厚zG由层流内层浓度梯度线延长线与流由层流内层浓度梯度线延长线与流体主体浓度线相交于一点体主体浓度线相交于一点E，则厚度，则厚度zG为为E到相界到相界面的垂直距离。面的垂直距离。AAGAiGBmDpN(pp)RTz p )(iAAGGAppkN GGBmDpkRTz p 以分压差表

18、示推动力的以分压差表示推动力的气膜传质系数气膜传质系数， kmol/（m2skPa）。）。 Gk=传质系数传质系数吸收的推动力吸收的推动力 AN气相对流传质速率方程有以下几种形式：气相对流传质速率方程有以下几种形式：)(iAAGGAppkN )(AiyyykN yk以气相摩尔分率表示推动力的气膜传以气相摩尔分率表示推动力的气膜传 质分系数，质分系数，kmol/（m2s）；）； 各气相传质分系数之间的关系：各气相传质分系数之间的关系： pyp AGiipyp AGpkky 带入上式带入上式)(iAAGGAppkN 与与)(AiyyykN 比较比较AAiALLBm()D cNccz c)(ALiA

19、LAcckN LLBmD ckz c 液相传质速率方程有以下几种形式：液相传质速率方程有以下几种形式：)(AxxkNix )(ALiALAcckN 4、液相传质速率方程、液相传质速率方程kL以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜 对流传质系数，对流传质系数，kmol/（m2skmol/m3）；）； xk以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜 对流传质分系数，对流传质分系数，kmol/（m2s）；）； 各液相传质分系数之间的关系：各液相传质分系数之间的关系： Lckkx 注意：注意： 对流传质系数对流传质系数=f (操作条件、流动状态、

20、物性）操作条件、流动状态、物性）五、两相间传质五、两相间传质双膜理论双膜理论 相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，相互接触的气液两相间有一个稳定的界面，界面上界面上没有没有传质阻力，传质阻力，气液两相处于平衡状态气液两相处于平衡状态。界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫界面两侧分别存在着两层膜，气膜和液膜。气相一侧叫气膜，液相一侧叫液膜气膜，液相一侧叫液膜 ，这两层膜均很薄，这两层膜均很薄，膜内的流体是膜内的流体是滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质滞流流动，溶质以分子扩散的方式进行传质。 膜外的气液相主体中，膜外的气液相主体中，流体流动的非常剧烈，溶质的浓流体流动的非常剧烈，

21、溶质的浓度很均匀，度很均匀，传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两传质的阻力可以忽略不计，传质阻力集中在两层膜内。层膜内。 1、气相传质速率方程气相传质速率方程 )(*AAGAppKN )(*AyyKNy GK以气相分压差表示推动力的气相总传质以气相分压差表示推动力的气相总传质 系数，系数，kmol/（m2skPa）；）； yK以气相摩尔分率差表示推动力的气相以气相摩尔分率差表示推动力的气相 总传质系数，总传质系数，kmol/（m2s）；）；)(*AYYKNY YK以气相摩尔比差表示推动力的气相以气相摩尔比差表示推动力的气相 总传质系数，总传质系数，kmol/（m2s）；）；六、总传质速率方程六、总传质速率方程2、液相总传质速率方程、液相总传质速率方程 )(A*