化工基础武汉大学第5章课件

第五章吸收

吸收操作——利用组成混合气体各组分在溶剂中溶解度不同，来分离气体混合物的操作，称为吸收操作。

在吸收过程中，吸收所用的溶剂称为吸收剂；被吸收剂吸收溶解的组分称为吸收质；不被吸收的组分称为惰性组分或载体；吸收了溶质后的溶液则称为吸收液。§1化工生产中的吸收操作1-1吸收操作的类型

吸收的工业应用（1）分离混合气体。是最主要的应用。（2）气体净化。例如某厂放空气体中含有有毒有害气体A，不符合环境保护的排放标准，则选用合适溶剂将有害气体吸收，使该厂放空气体达到排放标准。（3）制备液体产品。例如用水吸收氯化氢气体制备盐酸，用93%硫酸吸收SO3制备硫酸等等。吸收过程的气、液接触方式

1-2吸收操作

吸收操作流程

通常的吸收过程都采用逆流操作，即液体从上到下，气体从塔底通入，这样可以保证全塔的平均推动力最大，与传热时两流体以逆流流动的平均温度差最大的原理相同。吸收操作效率高的条件：1．选择合适的吸收剂；2．提供适宜的传质设备；3．吸收剂的再生。溶解度即在温度T，总压P和气、液相组成共四个变量中，有三个自变量，另一个是它们的函数：§2气液相平衡关系气液平衡时，溶质在单位液体体积或质量中的溶解度称为平衡溶解度，而溶质在气相中的分压则称为平衡分压或饱和分压。在平衡状态下，溶质组分在两相中的浓度服从相平衡关系。

物质量比的定义为：液相：气相：式中：Y*A，XA——平衡状态时，溶质A在气相、液相中的物质的量的比；y*A，xA——平衡状态时溶质A在气相中、液相中的摩尔分数；p*A——溶质A在气相中的平衡分压；cA——平衡状态下溶质A在液相中的物质的量浓度。物质的量比与摩尔数之间的关系：说明：(1)不同气体的溶解度差异很大(2)对于稀溶液，有E是物性，通常由实验测定。可从有关手册中查得。E越大，表明溶解度越大，越易溶。E随温度变化而变化，一般地，T，E。

2-2亨利定律

p*A为溶质A在气相中的平衡分压；E称为亨利系数；xA为溶质在溶液中所占的摩尔分率。亨利定律还可写成：比例系数H愈大，表明同样分压下的溶解度愈大。H可称为溶解度系数，cA为单位体积溶液中溶质A的物质的量浓度［mol·m-3］。亨利定律最常用的是下列形式：

m为相平衡常数（亦称亨利常数），量纲为1。m是温度与压强的函数，易溶气体m值小；难溶气体m值大。亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度越小，E随温度变化而变化，T，E。m越大，表明溶解度越小，m随温度变化而变化，

T，m，P，m。若以比摩尔分数表示吸收质在气、液两相的浓度，则：代入：得：对于稀溶液，有：2-3相平衡与吸收过程的关系1.用相平衡判断过程进行的方向

吸收过程：如A1点，在平衡线的上方，yA>yA*，溶质应从气相到液相。

解吸过程：如A2点，在平衡线的下方，yA*>yA，溶质应从液相到气相。2．用相平衡确定过程进行的极限在一定的温度与压力的条件下，当气、液传质达到平衡时，净传质速率为零。在逆流操作时，含溶质为yA，1的混合气体从塔底送出，组成为Xa，2的吸收剂自塔顶淋下。塔很高，吸收剂用量很少，吸收液最终浓度XA，1也不会无限增大，其极值只与气相浓度yA，1呈平衡的液相浓度xA，1*。§3吸收速率方程

吸收过程中吸收速率是指单位时间内、在单位相际传质面积上被吸收的溶质量。吸收速率可以表示为：3-1分吸收速率方程

分子扩散——流体内某一组分存在浓度差时，则由于分子运动使组分从浓度高处传递至浓度低处，这种现象称为分子扩散。费克定律——单位时间通过单位面积物质的扩散量与浓度梯度成正比。1．两相间有物质传递时，相界面两侧各有一层极薄的静止膜，传递阻力都集中在这里。

2．物质通过双膜的传递过程为稳态过程，没有物质的积累。即，

总阻力=气膜阻力+液膜阻力当浓度很稀时，KX=cM+KLKX——以物质的量比差表示的总推动力的液相传质系数。当kG＞＞Kl，为气膜控制当kG＜＜Kl，为液膜控制3.假定气—液界面处无传质阻力，且界面处的气—液组成达于平衡。填料与分离的物系性质有关。某溶剂对某溶质的溶解度越大，越易吸收，填料高度会越小。这与分子间的力有关，即物系的相平衡关系。与传质相界面的面积有关。单位体积填料提供的有效传质面积越大，达到相同分离要求的填料高度会越小。此即与填料的形状有关。衡量填料形状的因素，可用传质速率与传质系数表达。若物系相同，填料形状亦相同，但处理的原料气量（V）和原料气的进出口组成（y1和y2）不同，所以填料又与V，L，y1，y2，x1有关，此即与物料衡算有关。下面将分相平衡关系、传质速率、物料衡算等三个方面来展开吸收过程。

4-1吸收塔的物料衡算和操作线方程

对吸收塔作物料衡算。从塔顶画衡算范围得：

进塔=出塔

上述两式均可看作吸收塔的物料衡算方程，或称为吸收塔操作线方程。操作线方程式与操作线

在逆流操作线内任取一平面，M-N，从该面到顶部作物料衡算：同理，也可以从底部到所选平面做物料衡算；上述两个方程都称为吸收操作线方程。其斜率为塔内的气、液比，表明单位惰性气体处理量mol与所选用吸收剂的量mol。该直线通过A，B两点。平衡线为YA*=f（XA）

关于操作线：操作线的端点B表示塔底气、液组成（XA,1，YA,1），相对与全塔，它是最高点，称为浓端；A点表示塔顶气液组成（XA,2，YA,2），是气、液组成最低点，称为稀端。操作线上任何一点表示对应的气、液两相组成；如M点，它的YA-YA*表示气相推动力，XA*-XA表示液相推动力。操作线与平衡线相距越远，传质推动力越大。吸收操作线只与气、液两相的流量和组成有关，而与系统的平衡关系、操作温度、压强等因素无关。吸收操作位于平衡线的上方，解吸线位于平衡线的下方。

4-2吸收剂用量的确定，最小液气比在一般的吸收计算中，是给定的。对于式当qn，C下降，亦下降，表示塔底出口浓度上升。

不能再下降时的极限值，此时的液气比称为最小液气比。4-3吸收塔塔径的计算

塔径的大小是由生产能力与气体的空塔气速所决定的；

4-4填料层高度基本计算式

对截面积为S，高为dH的微元填料层作物料衡算得:达到平衡时，气体中溶质的减少量等于液体中溶质的增加量；并等于被吸收的溶质量。

对上式进行积分可得：

I

II

上式为计算填料的基本方程式。

α为单位体积填料内有效接触面积。因其不易求解，常将之与KX及KY的乘积进行计算，称为总体积吸收系数传质单元高度与传质单元数其中的单位是M称为传质单元高度，用表示HoG。HOG==填料层高度=传质单元高度×传质单元数=

传质单元数的计算

1.对数平均推动力法当平衡线为直线时，因操作线也是直线，操作线与平衡线在任何一截面上的垂直距离与YA显线性关系，于是。为过程的气相平均推动力，等于吸收塔两端以气相组成差表示的对数平均值。

2．数学分析法

其实质是一种解析积分法，当平衡线过原点时，逆流吸收塔的操作方程为：

式中：为解吸因数，它对确定吸收塔的尺寸具有重要意义，一般它都小于1，在0.7-0.8之间。

同理得：式中：为吸收因数，吸收因数值愈大，愈有利于吸收过程的进行。3.图解积分法

当平衡线为曲线时，一般用下列二式求算填料层高度H：传质单元数和只能用图解积分法求解。

图形积分的步骤：绘出平衡线与操作线由操作线和平衡线求出若干点与YA对应的YA-YA*，计算对应的1/YA-YA*以YA为横座标，1/YA-YA*为纵座标作图，求出曲线下的面积，就是NOG。吸收与解吸

为溶解、吸收

为