化工原理吸收

1、化工原理吸收2022/9/41projects of Dr.Hao第1页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao2第一节概 述吸收操作时某些易溶组分进入液相形成溶液不溶或难溶组分仍留在气相，从而实现混合气体的分离。 气体吸收是混合气体中某些组分溶解、由浓度差推动的传质过程。i吸收剂气体yx界面气相主体 液相主体 相界面气相扩散 液相扩散 yi xi 吸收：利用混合气体中各组分在同一种溶剂中溶解度的不同，用液体吸收剂分离气体混合物的单元操作称为吸收。第2页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4pro

2、jects of Dr.Hao3概 念吸收质或溶质混合气体中的溶解组分，以A表示。惰性气体或载体 不溶或难溶组分，以B表示。吸收剂吸收操作中所用的溶剂，以S表示。吸收液 吸收操作后得到的溶液，主要成分为溶剂S和溶质A。吸收尾气吸收后排出的气体，主要成分为惰性气体B和少量的溶质A。 吸收塔混合气体(A+B)吸收液(A+S)吸收剂(S)吸收尾气(A+B)吸收过程在吸收塔中进行，逆流操作吸收塔示意图第3页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao4吸收与解吸流程含苯煤气脱苯煤气洗油苯水过热蒸汽加热器冷却器典型工业吸收操作流程第4页，共5

3、1页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao5吸收操作的用途：(1) 制取液体产品 用吸收剂吸收气体中某些组分而获得产品。如硫酸吸收SO3制浓硫酸，水吸收甲醛制福尔马林液，用水吸收氯化氢制盐酸等 。(2) 分离混合气体 吸收剂选择性地吸收气体中某些组分以达到分离目的。例如石油馏分裂解生产出来的乙烯、丙烯，还与氢、甲烷等混在一起，可用分子量较大的液态烃把乙烯、丙烯吸收，使与甲烷、氢分离开来 。(3) 气体净化 一类是原料气的净化，即除去混合气体中的杂质，如合成氨原料气脱H2S、脱CO2等；另一类是尾气处理和废气净化以保护环境，如燃煤锅炉烟气

4、，冶炼废气等脱除SO2，硝酸尾气脱除NO2等。(4) 保护环境 如用碱液吸收废气中的SO2、H2S、NO、HF等第5页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao6吸收操作的分类物理吸收：吸收过程溶质与溶剂不发生显著的化学反应，可视为单纯的气体溶解于液相的过程。如用水吸收二氧化碳、用水吸收乙醇或丙醇蒸汽、用洗油吸收芳烃等。化学吸收：溶质与溶剂有显著的化学反应发生。如用氢氧化钠或碳酸钠溶液吸收二氧化碳、用稀硫酸吸收氨等过程。化学反应能大大提高单位体积液体所能吸收的气体量并加快吸收速率。但溶液解吸再生较难。单组分吸收：混合气体中只有单一

5、组分被液相吸收，其余组分因溶解度甚小其吸收量可忽略不计。多组分吸收：有两个或两个以上组分被吸收。非等温吸收：体系温度发生明显变化的吸收过程。等温吸收：体系温度变化不显著的吸收过程溶解热：气体溶解于液体时所释放的热量。化学吸收时，还会有反应热。第6页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao7第二节 吸收的基本原理一、气-液相平衡关系两相平衡：在一定温度和压力下，气体和液体接触，气体中的溶质组分便开始在液体中溶解，当吸收进行到一定程度时，溶解和解吸（溶解的气体又返回到气相）的速度相当等，气液相组成不再变化，此时气液两相达到动态平衡。

6、溶解度：平衡时，溶质气体在液相中的浓度称为平衡浓度或溶解度表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。第7页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao8溶解度的表达方式：一般以1000g溶剂中溶解溶质的克数表示，单位：g/1000g溶剂平衡状态下气相中溶质的分压称为平衡分压或饱和分压。影响溶解度的因素：气、液体种类、温度、压力温度溶解度压力溶解度第8页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao9溶解度曲线：在一定温度、压力下，平衡时溶质在气相和液相中的浓度的关系曲线。溶

7、解度/g(NH3)/1000g(H2O)1000500020406080100120pNH3/kPa50 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC120溶解度/g(SO2)/1000g(H2O)250200020406080100pSO2/kPa1501005012050 oC40 oC30 oC20 oC10 oC0 oC在相同条件下，NH3 在水中的溶解度较 SO2 大得多。用水作吸收剂时，称 NH3 为易溶气体，SO2为中等溶解气体，溶解度更小的气体则为难溶气体(如O2 在 30 和溶质的分压为 40kPa 的条件下，1kg 水中溶解的质量仅为 0.014g)。 溶解度曲线第

8、9页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao10 吸收剂的选择吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果是否良好的关键。如果吸收的目的是制取某种溶液作成品，例如用HCl气生产盐酸，吸收剂只能用水，自然没有选择的余地，但如果目的在于把一部分气体从混合物中分离出来，便应考虑选择合用的吸收剂问题。 溶解度大 吸收剂的选择主要考虑的是溶解度，溶解度大则吸收剂用量少，吸收速率也大，设备的尺寸便小；选择性好 很显然，吸收剂对溶质气体的溶解度既要大，对混合气体中其他组分的溶解度却要小或基本上不溶，这样才能进行有效的分离，满足这一要求称为选择性好；挥

9、发度要小 吸收剂的挥发度要小，即在操作温度下它的蒸汽压要低，经过吸收后的气体在排出时，往往为吸收剂蒸汽所饱和，吸收剂的挥发度高，其损失量便大。此外所选用的溶剂尽可能满足无腐蚀性，粘度小，无毒，不燃，价廉易得等条件。 第10页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao11气液两相的接触方式连续接触(也称微分接触)：气、液两相的浓度呈连续变化。如填料塔。级式接触：气、液两相逐级接触传质，两相的组成呈阶跃变化。 如板式塔。散装填料塑料鲍尔环填料规整填料 塑料丝网波纹填料 第11页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二20

10、22/9/4projects of Dr.Hao12蒸馏与吸收操作对比 蒸馏改变状态参数产生第二相，吸收从外界引入另一相形成两相系统；蒸馏直接获得轻、重组分，吸收混合液经脱吸才能得到较纯组分；蒸馏中气相中重组分向液相传递，液相中轻组分向气相传递，是双相传递；吸收中溶质分子由气相向液相单相传递，惰性组分及溶剂组分处于“停滞”状态。 第12页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao13相组成表示法 1质量分数与摩尔分数质量分数：混合物中某组分的质量占 混合物总质量的比例。摩尔分数：混合物中某组分的摩尔数 占混合物总摩尔数的比例。第1

11、3页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao14气相：液相：质量分数与摩尔分数的关系：摩尔分数：第14页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao152质量比与摩尔比质量比：混合物中组分A的质量与某一特定组分（如惰性组分B）的质量之比。摩尔比：混合物中某组分A的摩尔数与某一特定组分（如惰性组分B）摩尔数之比。气相：液相：第15页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao16气相：液相：质量比与质量分率的

12、关系：摩尔比与摩尔分数的关系：第16页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao173质量浓度与摩尔浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。 摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。第17页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao184理想气体的气体总压与组分的分压总压与某组分的分压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系:摩尔浓度与分压之间的关系:体积分数与摩尔分数的关系第18页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects

13、 of Dr.Hao19当总压不太高时，一定温度下的稀溶液的溶解度曲线近似为直线，即溶质在液相中的溶解度与其在气相中的分压成正比。式中： p* 溶质在气相中的平衡分压，kPa； x 溶质在液相中的摩尔分数； E 亨利系数，kPa。 亨利定律亨利定律适应范围：总压不高（PY*或XP*时，吸收可进行；2、当Y=Y*或X=X*、P=P*时，吸收不能进行；3、当YX*、PP*时，为解吸过程；（三）判断吸收操作的难易程度实际状态偏离平衡状态越远，吸收越易进行。（四）确定吸收推动力1、吸收推动力的定义2、吸收推动力的表示Y=Y-Y*X=X*-X在相平衡图上表示第24页，共51页，2022年，5月20日，0

14、点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao25YXoY*=f(X)YXABY*X*yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）Y=Y-Y*X=X*-X（y-y*）（x*-x）第25页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao26传质机理与吸收速率 平衡关系只能回答混合气体中溶质气体能否进入液相这个问题，至于进入液相速率大小，却无法解决，后者属于传质的机理问题。本节的内容是结合吸收操作来说明传质的基本原理，并导出传质的速率关系，作为分析吸收操作与计算吸收设备的依据。气体吸收是溶质先从气相主体扩

15、散到气液界面，再从气液界面扩散到液相主体的传质过程。 第26页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao27气液相际传质理论相对于气相浓度 y 而言，液相浓度欠饱和(xy*)，溶质 A 由气相向液相转移。一、传质过程的方向 气、液相浓度(y,x)在平衡线上方(P点)：yxoy*=f(x)Pyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线上方，则体系将发生从气相到液相的传质，即吸收过程。x*释放溶质吸收溶质第27页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao28相对于气

16、相浓度而言实际液相浓度过饱和(xx*)，故液相有释放溶质 A 的能力。相对于液相浓度 x 而言气相浓度为欠饱和(yy*)，溶质 A 由液相向气相转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)在平衡线下方(Q点)：yxoy*=f(x)Qyxy*结论：若系统气、液相浓度(y,x)在平衡线下方，则体系将发生从液相到气相的传质，即解吸过程。x*释放溶质吸收溶质第28页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao29相对于气相浓度而言液相浓度为平衡浓度(x=x*)，故液相不释放或吸收溶质 A。相对于液相浓度 x 而言气相浓度为平衡浓度(y=y*)

17、，溶质 A 不发生转移。传质过程的方向气、液相浓度(y,x)处于平衡线上(R点)：结论：若系统气、液相浓度(y,x)处于平衡线上，则体系从宏观上讲将不会发生相际间的传质，即系统处于平衡状态。yxoy*=f(x)Ryxy*x*第29页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao30二、传质过程的限度 对吸收而言：若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最低只能降到与之相平衡的浓度 y*，即 ymin=y*；若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能升高到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmax=x*。yxoy*=f(

18、x)Pyxy*x*第30页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao31传质过程的限度 yxoy*=f(x)Qyxy*x*对解吸而言：若保持液相浓度 x 不变，气相浓度 y 最高只能升到与之相平衡的浓度 y*，即 ymax=y*；若保持气相浓度 y 不变，则液相浓度 x 最高也只能降到与气相浓度 y 相平衡的浓度 x*，即 xmin=x*。第31页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao32传质推动力的表示方法可以不同，但效果一样。 (x*-x)：以液相摩尔分数差表

19、示的传质推动力。 对吸收过程：(y-y*)：以气相摩尔分数差表示的传质推动力；三、传质过程的推动力未达平衡的两相接触会发生相际间传质(吸收或解吸)，离平衡浓度越远，过程传质推动力越大，传质过程进行越快。方法：用气相或液相浓度远离平衡的程度来表征气液相际传质过程的推动力。yxoy*=f(x)Pyxy*x*（y-y*）（x*-x）第32页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao33吸收过程是溶质由气相向液相转移的相际传质过程，可分为三个步骤： 气相主体 液相主体 相界面溶解气相扩散 液相扩散 (1) 溶质由气相主体扩散至两相界面气相

20、侧(气相内传质)；(2) 溶质在界面上溶解(通过界面的传质)；(3) 溶质由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。 吸收速率第33页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao34分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存 在浓度差，则因分子无规则的热运动使 该组分由浓度较高处传递至浓度较低处， 这种现象称为分子扩散。(如糖轻轻放水中)分子扩散速率,菲克第一定律(略)因为气体的密度比液体小得多,分子间距大,因此分子在气体中的扩散速率比液体大得多.传质基本方式扩散:因为浓度差而造成的物质传递现象称为扩散.按扩散的原因可分为分子扩

21、散和涡流扩散(如空气中飘来的香味)第34页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao35涡流扩散：流体作湍流运动，依靠流体质点的相对无规则运动由高浓度向低浓度转移的物质传递现象称为涡流扩散（如喷清新剂后用风扇吹）对流扩散：实际生产中， 传质多发生在湍流情况下，既有分子扩散又有涡流扩散，通常把相主体与界面间发生的传质成为对流扩散吸收速率：单位时间单位相际传质面积上传递的溶质的量成为吸收速率第35页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao36双膜理论 由W.K.刘易斯和

22、 W.惠特曼在上世纪二十年代提出，是最早出现的传质理论。(1) 相互接触的两流体间存在着稳定的相界面，界面两侧各存在着一个很薄（等效厚度分别为 1 和 2 ）的流体膜层。溶质以分子扩散方式通过此两膜层。(2) 相界面没有传质阻力，即溶质在相界面处的浓度处于相平衡状态。(3) 在膜层以外的两相主流区由于流体湍动剧烈，传质速率高，传质阻力可以忽略不计，相际的传质阻力集中在两个膜层内。 气相主体 液相主体 相界面pi = ci / Hp 12pi ci c 气膜液膜第36页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao37双膜理论 按双膜理

23、论，传质系数与扩散系数成正比，这与实验所得的关联式地结果相差较大；由此理论所得的传质系数计算式形式简单，但等效膜层厚度 1 和 2 以及界面上浓度 pi 和 ci 都难以确定；双膜理论存在着很大的局限性，例如对具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难以成立；该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在相接触的两流体相中，而界面阻力可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，仍是传质过程及设备设计的依据；本书后续部分也将以该理论为讨论问题的基础。 第37页，共51页，2022年，5月20日，

24、0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao38吸收速率方程式吸收设备中进行的传质过程为吸收过程，其传质速率即为吸收速率，所对应的传质速率方程即为吸收速率方程。气体吸收因过程的复杂性，传质速率(吸收速率)一般难以理论求解，但遵循现象方程所描述的物理量传递的共性规律。根据推动力及阻力可写出速率关系式，单独根据气膜或液膜的推动力及阻力写出的速率关系式称为气膜或液膜吸收速率方程式，相应的吸收系数称为膜系数或分系数，用k表示，与传热中的对流传热系数相当。 第38页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao39一、

25、气相传质速率方程kg 推动力为分压差的气相传质系数，kmol/(sm2kPa)；ky 推动力为摩尔分率之差的气相传质系数，kmol/(sm2)；kY 推动力为摩尔比浓度差的气相传质系数，kmol/(sm2)；p、y、Y 溶质A在气相主体的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比；pi 、yi、Yi 溶质A在界面气相侧的分压(kPa)、摩尔分率和摩尔比。 气相传质速率方程常用的表达形式有三种 第39页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao40二、液相传质速率方程液相传质速率方程常用的表达形式也有三种 kc 推动力为摩尔浓度差的液相传质系

26、数，m/s；kx 推动力为摩尔分率之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；kX 推动力为摩尔比之差的液相传质系数，kmol/(sm2)；c、x、X 溶质A在液相主体的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度；ci、xi、Xi 溶质A在界面液相侧的摩尔浓度、摩尔分率和摩尔比浓度。 第40页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao41传质速率方程 气相(气膜)传质速率方程对于稳定吸收过程，可根据双膜理论建立相际传质速率方程(总传质速率方程)。类似于间壁式对流传热速率方程。 由于混合物的组成可用多种方式表示，对应于每一种表达法都有与之相应的传

27、质速率方程。 液相(液膜)传质速率方程 气相(气膜)传质总速率方程 液相(液膜)传质总速率方程第41页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao426.3.3.5 各吸收系数的关系1、气相吸收总系数与各分系数的关系2、液相吸收总系数与各分系数的关系第42页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao43吸收传质速率方程的几种形式相平衡方程 吸收传质速率方程 总传质系数 相内或同基准的传质系数换算 相际或不同基准传质系数换算 第43页，共51页，2022年，5月20日，0

28、点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao44总传质速率方程 对易溶气体，平衡常数 m 值小，平衡线很平，这时：传质阻力主要集中在气相，此类传质过程称为气相阻力控制过程，或称气膜控制过程。 总传质阻力取决于气、液两相的传质阻力。但对一些吸收过程，气、液两相传质阻力在总传质阻力中所占的比例相差甚远，可对问题进行简化处理。第44页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao45总传质速率方程 对难溶气体，平衡常数 m 值大，平衡线很陡，这时： 传质阻力主要集中在液相，此类过程称为液相阻力控制过程，或液膜控制过程

29、。 分析气、液两相中传质阻力所占的比例，对于强化传质过程，提高传质速率有重要的指导意义。例如，以气相阻力为主的吸收操作，增加气体流速，可减薄界面处气膜层的厚度，从而降低气相传质阻力，有效地提高吸收速率；而增加液体流速吸速率则不会有明显改变。 第45页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao46Thanks!2005-5-12Department of Chemical Engineering第46页，共51页，2022年，5月20日，0点35分，星期二2022/9/4projects of Dr.Hao47三、相界面的浓度 在气、液两相内传质速率的计算中，推动力项中含有溶质在相界面的浓度 yi 和 xi ，可用计算方法或作图法得出。计算法：对稳定的吸收过程，气、液两相内传质速率应相等。若两相浓度均以摩尔分数表示，有 当 kx 和 ky 为定值时，在直角坐标系中 yixi 关系是一条过定点（x,y）而斜率为 -kx/ky 的直线。 根据双膜