化工原理吸收

第2章吸收一、吸收及其依据1、吸收：2、吸收依据：分离气体混合物的传质单元操作。各组份在液相中的溶解度不同。二、吸收过程吸收质（溶质）A；惰性组分（载体）B；吸收剂（溶剂）S；吸收液（A＋S）；尾气B＋A。三、应用1、分离气体混合物，获得某一组分；2、净化气体；3、制备溶液。四、吸收分类1、物理吸收；2、化学吸收；3、单组分吸收；4、多组分吸收；5、等温吸收；6、非等温吸收。五、吸收机理1、方向与限度取决于平衡关系气pAA＋B液xASApA>pA*时pA*与xA呈平衡2、与蒸馏比较1）同为分离均相物系的气－液传质操作；2）第二个物系蒸馏：产生气相直接得A、B。吸收：外界引入气相不能直接得A、B，需二次分离。3）蒸馏：双向传质吸收：单相传质B、S停滞组份。六、脱吸：当pA>pA*时，进行着吸收逆过程－脱吸。2.1气体吸收的相平衡关系2.1.1气体的溶解度一、溶解度：A、BSACA*T、P一定，气体在液体中的饱和浓度。表明吸收过程可能达到的极限程度。二、温度对溶解度的影响单组份、组分数C＝3、（A、B、S）、相数Φ＝2。相律：F＝C－Φ＋2＝3－2＋2＝3CA*＝f(t、P总、PA）低压下,t一定CA*＝f(PA）三、不同气体溶解度差异（同一溶剂）举例：NH3、SO2、O2在水中的溶解度与pA*之间关系。溶液浓度一定，易溶气体pA*难溶气体pA*同种溶质，T而溶解度结论：加压、降温对吸收有利。2.1.2亨利定律一、亨利(Henry)定律P总不高，T一定，p*=Ex(2-1)说明：1、p*、x、E（亨利系数，压强单位）xp*实际浓度平衡分压2、适用于t一定，理想溶液。E为该t下纯溶质p°;3、用于难溶、较难溶气体（或易溶稀溶液）；4、难溶气体，E为常数；5、E由实验测定，查手册（P78）；6、E＝f（T），TE（即TCA*),因此,难溶E,而易溶E二、Henry定律的其它形式1、说明：①C为体积摩尔浓度［kmol/m3]；②H为溶解度系数[kmol/kN.m］；③H～E关系：推导：1m3：溶质［kmol/m3]溶剂则④H=f（T）TH易溶H难溶H2、y*=mx(2-5)说明：①m相平衡常数，无因次；②m～E：与y*=mx比较：③m实验值m=f(T)TP总m(x)不利。3、B、S摩尔量不变（基准）代入y*=mx：低浓度：XYp*=Ex(2-1)y*=mx(2-5)2.1.3吸收剂的选择1、溶解度；2、选择性；3、挥发度；4、粘性；5、其它。2.1.4相平衡关系在吸收过程中的应用1、判断传质进行的方向传质方向为：气相液相吸收反之，传质方向为：液相气相脱收总之，溶质传递的方向是趋于平衡的方向。2、确定传质的推动力3、指明传质过程进行的极限2.2吸收机理与吸收速率吸收glA扩散分子扩散涡流扩散:流体分子无规则的热运动而传递物质。（静止或滞流）：靠流体质点的湍动和旋涡而传递物质的。（湍流）2.2.1分子扩散与菲克（Fick）定律一、分子扩散1、概念在单相内部有浓度差的条件下，分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。简称扩散。2、举例AB传递方向：A、B各自沿着浓度降低的方向传递。推动力：浓度差。二、菲克（Fick）定律JA－物质A在Z方向上的扩散通量，kmol/(m2.s);－A的浓度梯度，kmol/m4;DAB－物质A在介质B中的分子扩散系数。负号－表明扩散是沿着物质A浓度降低的方向进行的。A、B在Z方向互为相反值：而且，根据Fick定律：作业：P150－1、22.2.2气相中的稳定分子扩散一、等分子反向扩散pA1

>pA2,pB2

>pB1两容器T、P相同。精馏传递速率NA：在任意固定的空间位置上，单位时间通过单位面积的物质量A［kmol/m2.s]。NA不涉及传递形式。推导NA计算式：1、现象2、传递速率NA(传质速率）NA＝JA稳定过程，NA为常数。因而也是常数，故pA～Z为直线关系。（2－15）0pA1ZpA2二、一组分通过另一停滞组分的扩散1、过程分析①JA＝－JB（分子扩散）②总体流动：A、B两种物质并行的递补运动。③单向扩散与等分子反向扩散的区别等分子反向扩散：NA＝JA单向扩散：NA＝JA＋总体流动2、NA计算式N－总体流动的通量，［A、B总物质量／m2.s］；其中，A、B的通量各为：若扩扩散散在在气气相相：：积分分:0zpB1pB2解得得：：故则：：式中中：：1、、2两两截截面面上上物物质质B分分压压的的对对数数平平均均值值，，kpa。。－漂流流因数数，无无因次次。说明：：①与(2-16)比比较,多P/PBm,使NA(pB)③(2-16)式式适于于精馏馏；（（2－20））式适适于吸吸收。。pAP≈pBm总体流流动≈0②pA2.2.3液液相相中的的稳定定分子子扩散散2.2.4扩扩散系系数一、D物物理意意义单位浓浓度梯梯度下下的扩扩散通通量。。反映映某组组分在在介质质中扩扩散的的快慢慢。二、复复杂之之处①至至少有有两种种物质质,有有多种种配合合方式式；②随随温度度变化化较大大；③与与总压压（气气体））或浓浓度（（液体体）有有关；；④文文献中中数据据不全全，应应用时时常估估算。。三、扩扩散系系数D（（P90）2.2.5对对流传传质1、涡涡流扩扩散凭籍流流体质质点的的湍动动和旋旋涡来来传递递物质质的现现象。。式中：：D——分分子子扩散散系数数，m2／s；；DE一涡涡流扩扩散系系数，，m2／s；；dcA/dz一一沿沿z方方向的的浓度度梯度度，kmol／／m4；J——扩扩散通通量，，kmol／(m2·s)。DE不是物物性，，与湍湍动程程度有有关。。2、对对流传传质气相：：液相：：作业：：复习习所讲讲。2.2.6吸吸收过过程的的机理理1、双双膜理理论(1)目的的：建建立传传质速速率方方程。。(2)双膜膜理论论①传质过程程②双膜理论论基本论点点：1）相界面面，滞流膜膜层，分子子扩散；2）相界面面处达于平平衡；3）流体主主体为湍流流，膜层内存在在也称双阻力力理论。吸收为通过过两膜层的的传质。2.2.7吸吸收速率方方程式1)吸收收速率NA：单位相际际传质面积积上，单位位时间内吸吸收的溶质质量。2)NA所能解决的的问题：1）一定吸吸收任务，，所需设备备尺寸；2）核算混混合气体通通过指定设设备所能达达到的吸收收程度。3)吸收收速率方程程式：浓度差1／吸收系系数吸收速率＝＝吸收收系数×推动力4)膜吸吸收速率（（指单一相相）N气膜N液膜稳定操作：：N气膜＝N液膜气膜吸收速速率N气膜＝气膜吸收收系数（ｋｋ）×推动力液膜吸收速速率N液膜＝液膜吸收收系数（ｋｋ）×推动力1、气膜吸吸收速率方方程式气相主体相界面一定条件下下：故令：(1)kG—气膜吸收收系数，kmol/(m2.s.kpa)1／kG为气膜阻力力，＊1／kG与（p-pi)相对应。。(2)气相相组成以摩摩尔分率表表示时：y-溶质A在气相主主体中的摩摩尔分率；；yi-溶质A在在相界面处处的摩尔分分率。(3)kG～ky关系P总压不高时，p=Py及及pi=Pyiky=PkG(2-35)ky-气膜吸收收系数［［kmol/(m2.s)]1／ky为气膜阻力力，＊1／ky与（y-yi)相对应。。2、液膜吸吸收速率方方程式令kL—液膜吸收收系数，kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。1／kL为液膜阻力力，＊1／kL与（ci-c)相对对应。(1)(2)液相相组成以摩摩尔分率表表示时：(3)kL～kx关系因为kx—液膜吸收收系数，kmol/(m2.s)1／kx为液膜阻力力，＊1／kx与（xi-x)相对对应。3、界面浓浓度(1)界面面处气液浓浓度符合平平衡关系；；(2)稳定定情况下：：液相浓度气相分压oEpcA斜率Icipi4、总吸收收系数及其其相应的吸吸收速率方方程式(3)求出出界面浓度度(1）为避避开界面浓浓度，仿效效间壁传热热的处理方方法。用主体浓度度差表示推推动力。(2）与传传热不同点点：p与x不能相减减，即使y与x也不不能相减。。(3）吸收收过程的总总推动力＝＝任一相主主体浓度与与平衡浓度度差。1)以(p-p*)表示示总推动力力的吸收速速率方程式式p*与c成成平衡，，p为气相主主体分压。。若系统服从从亨利定律律：根据双膜理理论：气相速率方方程式改写成两式相加，，得：令则说明：①KG气相总吸收收系数[kmol/m2.s.kpa];②(p-p*)为总总推动力；；③1/KG为总阻力,由1/kL、1／kG两部分；④易溶气体体H当kL≈kG时则KG≈kG气膜控制气膜控制(看图)：：气膜控制液膜控制2)以（（c*-c）表示总总推动力的的吸收速率率方程式c*与p成成平衡，若系统服从从亨利定律律：将上两式代代入则说明：①KL液相总吸收收系数[kmol/m2.s.kmol/m3];②(p-p*)为总总推动力；；也称液相总吸收收速率方程程式；③1/KL为总阻力,由1/kL、H／kG两部分；④难溶气体体H当kL≈kG时则KL≈kL⑤液膜控制制，（看图图）中等溶解度度的气体吸吸收过程，，气膜阻力力与液膜阻阻力均不可可忽略。3)以（（Y-Y＊）表示总总推动力力的吸收收速率方方程式若操作总总压P，则p=Py又知故同理（Y＊与X成平平衡）简化：令则说明：①KY气相总吸吸收系数数[kmol/m2.s]；；②(Y-Y*)为总推推动力；；也称气相总吸吸收速率率方程式式；③1/KY为总阻力力,为两两膜总阻阻力；④当溶质质在气相相中浓度度很小时时，Y和Y＊都很小，，于是KY≈KGP4)以以（X＊-X）表表示总推推动力的的吸收速速率方程程式（X＊与Y成平平衡）又知故同理代入简化：令则说明：①KX液相总吸吸收系数数[kmol/m2.s]；；②(X*－X）为为总推动动力；也也称液相总吸吸收速率率方程式式；③1/KX为总阻力力,为两两膜总阻阻力；④当溶质质在液相相中浓度度很小时时，X＊和X都都很小小，于是KX≈KLC5、小小结1、两类类吸收速速率方程程式膜系数相相对应的的速率式式总系数相相对应的的速率式式膜吸收速速率方程程式方程式吸收系数数膜系数：：kG［kmol/(m2.s.kpa)］推动力kL［kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。］］ky［kmol/(m2.s)]Kx［kmol/(m2.s)］］总吸收速速率方程程式总系数：：KG[kmol/m2.s.kpa]KL[kmol/m2.s.kmol/m3];KY[kmol/m2.s]KX[kmol/m2.s]2、任何何系数的的单位都都是［kmol/(m2.s.单位推动动力］；3、推动动力与阻阻力对应应关系：：例：表示总推推动力时时，1／kG为气膜阻阻力，1/HkL为液膜阻阻力。表示总推推动力时时，1/kL为液膜阻阻力。H／kG为气膜阻阻力，4、膜系系数与总总系数之之间关系系5、吸收收速率方方程式适适用于，，稳定吸吸收的吸吸收塔内内任意截截面上（（不是全全塔）。。在整个吸吸收过程程所涉及及的浓度度范围内内，平衡衡关系为为直线。。作业：P151－7、82.3吸吸收塔塔的计算算实现传质质过程板式塔填料塔：气液逐逐级接触触；：气液连连续接触触。一、填料料塔二、填料料1、拉西西环2、槽鞍鞍填料3、金属属鲍耳环环4、塑料料鲍耳环环5、金属属环聚鞍鞍6、规整整填料三、塔内内流体流流动方式式：1、逆流流2、并流流四、吸收收塔工艺艺计算内内容吸收剂用用量；塔径；塔塔有效段段高度（（填料层层高度））。2.3.1吸吸收塔塔的物料料衡算和和操作线线方程1、物料料衡算V—惰性性气体量量，kmol(B)／／s；L—溶剂剂量，kmol(S)／s；；Y1、Y2—溶质组组分的摩摩尔比，，kmol(A)／kmol(B)；X1、X2—液相溶溶质组分分的摩尔尔比，kmol(A)/kmol(S)；；注意：下下标“1”为塔塔底，下下标“2”为塔塔顶。一般情况况下，吸吸收任务务规定：：V、Y1；如果已知知L、、X2、溶质回回收率（（吸收率率）则：因此，可可求得吸吸收液浓浓度X1。2、吸收收塔的操操作线方方程与操操作线m-n截截面与塔塔底端作作A物料料衡算：：m-n截截面与塔塔顶端作作A物料料衡算：：以上两式式称为逆逆流吸收收塔的操操作线方方程式。。OY2YY1TBAYXXX2X12、并流流也用同同样方法法推导；；3、因p>p*,所所以BT线在在OE线线上方。。脱吸在在下方。。说明：1、B称称之为““浓端端”，，T称称之为““稀端端”；；4、操作作线方程程是由物物料衡算算而来，，与平衡衡关系无无关，与与操作条条件以及及设备结结构无关关。E2.3.2吸吸收剂用量量的决定工艺给定：V、Y1、Y2。X2由工艺条件决决定（或设计计者选定）。。L由设计者决决定。一、液气比操作线斜率称为“液气气比”。L／V反映单单位气体处理理量的溶剂消消耗量的大小小。LB点右移，X1推动力LB点左移，X1推动力B1二、最小液气气比但操作费用增增大。TB*线斜率率为因V一定，Lmin1、2、非正常曲曲线3、符合亨利利定律Y*＝＝mX三、实际液气气比指出：须保证证填料表面充充分润湿，有时可加大倍倍数。2.3.3塔塔径径的计计算u－空塔气速速m/s；；Vs－操作条件下下，混合气体体的体积流量量，m3/s。（以塔塔底为准）。。2.3.4填填料料层高度度的计计算1、填料层高高度的基本计计算式(1)分析吸收负荷平衡关系物料衡算传质速率三式的应用。。(2)推导导Z取微元高度dZ：微元体dY(dX)很很小，可认为为NA为定值。式中：dA——微元填料层层的传质面积积，m2；a—单位体积积填料层所提提供的有效传传质面积，m2／m3；Ω—塔截面积，，m2。微元填料层的的吸收速率方方程式可写为为：及对于稳定操作作的吸收塔，，当Y、X很很小时，L、、V、a皆不不随时间及位位置而改变。。KY、KX为常数。0Y2ZY10ZX2X1由此得到低浓浓度气体吸收收计算填料层层高度的基本本关系式，即即：说明：a称称有效比表面面积。a＝f(填填料形状、尺尺寸、充填状状况、流体物物性、流动状状况等）∴a难难于直接测定定。KYa－气相总体体积吸收系数数kmol/m3s；KXa－液相总体体积吸收系数数kmol/m3s。物理意义：推推动力为一个个单位时，单单位时间单位位体积吸收的的溶质量。2、传质单元元高度和传质质单元数(1)传质质单元高度kmol/skmol/m3s·m2=mHOG称气相总传质质单元高度HOGZ表示吸收的难难易程度。(2)传传质单元数数值（倍数））。认为它代表所所需填料层高高度Z相当于于气相总传质质单元高度HOG的倍数。NOG气相总传质单单元数。NOG＝HOG越大（dY大大），越难吸吸收；(3)填料料层高度ZZ＝HOGNOG或Z＝HOLNOL还可用膜系数数与相应推动动力表示：Z＝HGNGZ＝HLNL(4)HOG、NOG意义填料层高度＝＝传质单元高高度×传质单元数数若NOG＝1则Z＝HOGX2X1YY＊是过程条件件决定的。。KYa反映传质质阻力的大大小、填料料性能的优优劣、润湿湿性能的好好坏等。3、传质单单元数的求求法1)图解解积分法适用于平衡衡关系的各各种情况。。图解步骤：：（1）（2）找出出若干（（Y－Y*）；（3）计算算出1／（（Y－Y*）；（4）标绘绘1／（Y－Y*））；（5）积分分值（计算算面积）。。YY2Y12)解解析法（1）脱吸吸因数法：：适用于Y*＝mX+b令则：积分并整理理：说明：1、S为为脱吸因素素；2、右图1）单对数数坐标；2）吸收程度Y1一定，要求求吸收率高高（Y2）小，S一定，NOG3）参数，反应推动力力大小。S（Y2一定）NOGZ4）S<1。。S＝0.7~0.85）>20，，及S≤0.75时使使用。（2）对数数平均推动动力法∆Ym－对数平均均推动力液相：当3）梯级图图解法（也也称Baker法））适用于：平平衡线为直直线或弯曲曲程度不大大。OEY2X2TBY1X1T*AS*B*NMFF*S梯级数=NOG2.3.5理理论板层数数的计算(1)理论论板nyxy与x互互成平衡。。(2)塔塔高塔高＝理论论板层数×等板高高度填料塔：板式塔：塔高＝理论论板层数／／全塔效率率×板间距距A＊1、梯级图图解法求理理论板层数数说明：1、、可用于高高、低浓度度气体吸收收，脱吸；；2、浓度表表示方法：：X、Y；；p、c。。2、解析法法求理论板板层数（略略）P1262.4吸吸收收系数数获取途径：：①实验测定定；②经验验公式；③③准数关联联式。2.4.1吸吸收系数数的测定平衡线为直直线时：测：V、L、Y1、Y2、X1、X2。计算：∆Ym从而求出出：KYa根据其中中一膜系系数（如如kGa）求另另一膜系系数(kLa)。2.4.2吸吸收系数数的经验验公式1、用水水吸收氨氨属易溶气气体吸收收，为气气膜控制制。