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xASApApA*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pApA*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、2)-(2Hcp*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kmolMMc-ssA则x溶质＋溶剂溶质MMc-ccSA)M-c(MMcASS)M-c(McMEp*ASS)M-c(MMEH1ASS4)-(2EMHS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：yPp*yPp*:xEp*代入xEy*PxPEy*总与y*=mx比较：6)-(2PEm总③m实验值m=f(T)TP总m(x)不利。3、B、S摩尔量不变（基准）]kmolSkmolA[x-1xXX1Xx]kmolBkmolA[y-1yYY1Yy代入y*=mx：X1Xm*Y1*Ym)X-(11XmY*10)-(2xmY*低浓度：XYp*=Ex(2-1)2)-(2Hcp*y*=mx(2-5)10)-(2xmY*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**iiyyiixx　　或　若传质方向为：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iixx**iiyy　　或　推动力为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11)-(2dZdC-DJAABAJA－物质A在Z方向上的扩散通量，kmol/(m2.s);dZdCA－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：12)-(2dZdC-dZdCBA而且，BA-JJ根据Fick定律：dZdC-DJAABAdZdC-DJBBAB13a)-(2-DDBAAB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pA1pA2,pB2pB1两容器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＝JAdZdC-DAdZdpRTD-A稳定过程，NA为常数。因而dZdpA也是常数，故pA～Z为直线关系。（2－15）dZdpRTD-dZNAA0pA1ZpA216)-(2)P-(PRTZDNA2A1A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：；CcNyNAACcNyNBB17)-(2CcNJNAAA18)-(2CcNJN:BBB同理0NBCcNJ-BBCcNJBA即CcNCcNNABAANN11)-(2dZdC-DJAABA17)-(2CcNJNAAACcNdzdcDNAAA－dzdcDCcNNAAAA－－dzdcDCc(1NAAA－）－dzdcCcCDNAAA－－dzdcc-CDCAA－若扩散在气相：RTpcAARTPC19)-(2dzdppPPRTDNAAA－－19a)2dzPdpRTDPNBBA－（或积分:BBAPdpRTDPdzN0zpB1pB2解得：B1B2APplnRTzDPNB2A2B1A1pppp故B1B2A1A1pppp－－则：)-ppp-p(PplnRTzDPNB1B2A2A1B1B2A)-ppp-p(PplnRTzDPNB1B2A2A1B1B2AB1B2B1B2A2A1Ppln)p-(pRTz)p-(pDP20)-(2)-p(ppPRTzDA2A1BmB1B2B1B2BmPplnp-pp式中：1、2两截面上物质B分压的对数平均值，kpa。BmpP－漂流因数，无因次。说明：①与(2-16)比较,多P/PBm,1pPBm使NA16)-(2)P-(PRTZDNA2A1A(pB)BmpP③(2-16)式适于精馏；（2－20）式适于吸收。pAP≈pBm1pPBm总体流动≈0②pA2.2.3液相中的稳定分子扩散90A2A1Sm''Ap22)-(2)c-(czcCDN2.2.4扩散系数一、D物理意义dzdcJDAA单位浓度梯度下的扩散通量。反映某组分在介质中扩散的快慢。二、复杂之处①至少有两种物质,有多种配合方式；②随温度变化较大；③与总压（气体）或浓度（液体）有关；④文献中数据不全，应用时常估算。三、扩散系数D（P90）2.2.5对流传质1、涡流扩散凭籍流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。26)-(2dzdc)DD(-JAE式中：D—分子扩散系数，m2／s；DE一涡流扩散系数，m2／s；dcA/dz一沿z方向的浓度梯度，kmol／m4；J—扩散通量，kmol／(m2·s)。DE不是物性，与湍动程度有关。2、对流传质27)-(2)p-(pk)p-(ppPRTzDNiGiBmGA气相：液相：28)-(2c)-(ckc)-(ccCzDNiLismL'A作业：复习所讲。2.2.6吸收过程的机理1、双膜理论(1)目的：建立传质速率方程。(2)双膜理论①传质过程②双膜理论基本论点：1）相界面，滞流膜层，分子扩散；2）相界面处达于平衡；3）流体主体为湍流，，0dzdcA膜层内存在。dzdcA也称双阻力理论。吸收为通过两膜层的传质。2.2.7吸收速率方程式1)吸收速率NA：单位相际传质面积上，单位时间内吸收的溶质量。2)NA所能解决的问题：1）一定吸收任务，所需设备尺寸；2）核算混合气体通过指定设备所能达到的吸收程度。3)吸收速率方程式：阻力推动力速率＝浓度差1／吸收系数吸收速率＝吸收系数×推动力4)膜吸收速率（指单一相）N气膜N液膜稳定操作：N气膜＝N液膜气膜吸收速率N气膜＝气膜吸收系数（ｋ）×推动力液膜吸收速率N液膜＝液膜吸收系数（ｋ）×推动力1、气膜吸收速率方程式气相主体相界面)p-(ppPRTzDNiBmGA一定条件下：可视为常数，pPRTzDBmG故令：GBmGkpPRTzD＝33)-(2)p-(pkNiGA(1)33a)-(2k1p-pGikG—气膜吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)1／kG为气膜阻力，＊1／kG与（p-pi)相对应。(2)气相组成以摩尔分率表示时：34)-(2)y-(ykNiyAy-溶质A在气相主体中的摩尔分率；yi-溶质A在相界面处的摩尔分率。(3)kG～ky关系P总压不高时，p=Py及pi=Pyi33)-(2)p-(pkNiGAky=PkG(2-35)ky-气膜吸收系数［kmol/(m2.s)]1／ky为气膜阻力，＊1／ky与（y-yi)相对应。2、液膜吸收速率方程式c)-(ccCzDNismL'A令LsmL'kcCzD）－（372c)-(ckNiLA37a)-(2k1c-cLikL—液膜吸收系数，kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。1／kL为液膜阻力，＊1／kL与（ci-c)相对应。(1)(2)液相组成以摩尔分率表示时：38)-(2x)-(xkNixA(3)kL～kx关系因为x)C(cxCciiLxkCkkx—液膜吸收系数，kmol/(m2.s)1／kx为液膜阻力，＊1／kx与（xi-x)相对应。3、界面浓度(1)界面处气液浓度符合平衡关系；(2)稳定情况下：)p-(pkNiGAc)-(ckiL40)-(2kk-c-cp-pxLii液相浓度oEpcA斜率kk-xLIcipi4、总吸收系数及其相应的吸收速率方程式(3)求出界面浓度(1）为避开界面浓度，仿效间壁传热的处理方法。用主体浓度差表示推动力。(2）与传热不同点：p与x不能相减，即使y与x也不能相减。(3）吸收过程的总推动力＝任一相主体浓度与平衡浓度差。1)以(p-p*)表示总推动力的吸收速率方程式p*与c成平衡，p为气相主体分压。若系统服从亨利定律：Hcp*根据双膜理论：Hcpii:c)-(ckNiLA得代入p*)-H(pkNiLA*p-pkHNiLA或气相速率方程式)p-(pkNiGA改写成iGAp-pkN两式相加，得：41)-(2*p-p)k1kH1(NGLA令41a)-(2k1kH1K1GLG则42)-(2p*)-(pKNGA说明：①KG气相总吸收系数[kmol/m2.s.kpa];②(p-p*)为总推动力；③1/KG为总阻力,由1/kL、1／kG两部分；④易溶气体H当kL≈kG时GLk1kH1则KG≈kG气膜控制气膜控制(看图)：ip-pp*-p气膜控制液膜控制2)以（c*-c）表示总推动力的吸收速率方程式c*与p成平衡，若系统服从亨利定律：Hcp*H*cp*p-p)k1Hk1(NGLA将上两式代入43)-(2-c*c)kHk1(NGLA43a)-(2K1kHk1LGL令则44)-(2-c)*(cKNLA说明：①KL液相总吸收系数[kmol/m2.s.kmol/m3];②(p-p*)为总推动力；也称液相总吸收速率方程式；③1/KL为总阻力,由1/kL、H／kG两部分；④难溶气体H当kL≈kG时GLkHk1则KL≈kL⑤液膜控制，（看图）c-c