化工原理第五章吸收(传质理论之一)超详细讲解

第五章吸收（传质理论之一）§1概述一、传质：物质从一相转移到另一相的过程。如：吸收、蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发、干燥、冷冻、升华、凝华等。二、吸收：用某种液体(吸收剂—S)处理气体混合物，使其中某个目标组分(吸收质—A)得到分离的过程，不能被吸收的组分统称为惰性组分—B。吸收解吸互为逆过程。三、吸收的应用：制取产品，净化气体，回收有用组分。四、吸收分类：利用混合气体中各组分溶解度的差异分离气体物理吸收:特点：弱结合、游离、可逆、易解吸速率：gl扩散速率极限：达gl相平衡化学吸收：A—S发生化学反应而分离气体特点：强结合，不可逆速率：反应或扩散速率极限：化学平衡(本章只讨论物理吸收)五、吸收流程：在连续操作的立式吸收塔中，气↑，液↓逆流接触进行传质。3要分离和回收A：则采用吸收—解吸联合流程。1要使气相中A被吸收完全-净化气体：则采用单程(单塔或多塔)吸收。2希望液相A的浓度高-制取产品：则采用液相循环吸收。吸收—解吸联合流程喷淋塔：气相连续液膜塔(填料塔)：气相连续鼓泡塔：液相连续4吸收塔（1）喷淋塔（2）填料塔（3）鼓泡塔六、吸收剂的选取原则：高选择性、低蒸气压、低粘度、低价格、无毒无污染。七、要解决的问题：1.吸收极限—相平衡理论2.吸收速率—双膜理论。3.填料塔吸收面积的计算。4.强化吸收的途径。八、常见的吸收体系溶解度易溶：NH3,SO3,NO2,HCl—H2O中等：SO2,Cl2,H2S—H2O难溶：O2,H2,CO,CO2—H2O§2吸收相平衡当物理吸收达到两相平衡A(g)A(l)时，溶质A在气液两相中的浓度不变，且服从亨利定律关系。NA(g→l)=NA(l→g)(NA—molA/molS)亨利定律：在温度一定、总压不太高(＜5atm)时,大多数中等或难溶体系吸收平衡时的液相浓度与其气相分压成正比。∵气液两相浓度有多种表示法，∴亨利定律有多种形式。1、以pA～xA表示的亨利定律pA*=ExA或xA*=pA/E即xA*∝pApA*—A的气相平衡分压(与浓度为xA的液相平衡)，xA—液相A的摩尔分数(实际浓度)。xA*—A的液相平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)，pA—气相A的分压(实际浓度)。E—亨利系数—Pa或atm,E↑,xA*↓,即吸收体系的亨利系数越大,气体越难溶。附表九可查E值。2、以pA～CA表示的亨利定律p*A=CA/H或C*A=HpA即C*A∝pACA—液相A的物质的量浓度(实际浓度)—kmol/m3（CA=nA/V）.C*A—液相A的平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)H—溶解度系数—kmol/(m3*Pa)orkmol/(m3*atm),H↑,CA*↑,即吸收体系的溶解度系数越大，气体越易溶。对一定的吸收体系(质A，剂S确定)，E和H为常数，都反映A在S中的溶解度大小。E～H关系？先找CA～xA关系：即E∝1/H，E↑，H↓，气体在该吸收剂中越难溶。xA～CA关系：AASSAAExxHMρHCp===*-3、以yA～xA表示的亨利定律∵A的气相摩尔分数yA=pA/p总=nA/n总∴y*A=p*A/P=(ExA)/P=mxA或x*A=yA/m即x*A∝yAm=E/P——相平衡系数(无因次)，E↑,m↑,气体越难溶。例5-1解：空气-水体系，已知p空气=P总和E，求液相平衡浓度(以x*A和cm3/100g水溶液表示)x*A=pA/E=101325/6.73*109=1.51*10-5(mol空气/mol水)即水中空气含量≈0.00151mol空气/100molH2O即100mol(1800g)水中含空气0.00151mol0.0015*22.4*103cm3=33.6cm3(标态)故水中空气含量33.6cm3/1800g=1.86(标态)cm3/100g水例5-2解：SO2-水体系,20℃时溶液的浓度为2.5%(质量百分比),求气相SO2的平衡分压,查附表九知：E=0.36×107Pa，将质量百分比ω→xA。∴p*A=ExA=0.36*107*0.00716=25.78kPa例5-3：含NH320%(yA1)的NH3-空气混合气体100m3,用水恒温吸收至混合体中含氨5%(yA2),求NH3被吸收的体积。解：由于吸收前后混合气体总体积变化，以吸收前混合气体总体积100m3为基准计算：VNH3吸收=VNH3前-VNH3后吸收前：VNH3前=V总前*20%(yA1)=100*20%=20m3吸收后：VNH3后=V总后(无法求得)*5%(yA2)而:VB=V空气=100-20=80m3(吸收前后VB不变)VNH3后=VB*(VNH3后/VB)若能求出每份惰性组分空气含NH3的分数VNH3残/V空气，则吸收后残存的VNH3残可求。而VNH3后/V空气=(VNH3残/V后总)/(V空气/V后总)=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=5%/(1-5%)=5/95(份NH3/份空气)∴VNH3后=5/95*80=4.2m3VNH3吸收=20-4.2=15.8m3上例中利用惰性气体量在吸收前后不变的特点，求出吸收后惰性气体中吸收质A的含量分率，再乘以惰气的量(vB-m3B,ornB-molB)，即可求吸收后气体中残存A的量，进而求A被吸收的量。惰性气体B中吸收质A的含量分率：吸收前1：nA1/nB=(nA1/n总1)/(nB/n总1)=yA1/yB1=YA1=yA1/(1-yA1)吸收后2：nA2/nB=(nA2/n总2)/(nB/n总2)=yA2/yB2=YA2=yA2/(1-yA2)由此提示我们：要求A被吸收的量，要用到A在惰性气体B中A的含量分率yA/yB，令为YA。定义：YA–摩尔比/比摩尔分数(率)上例用比摩尔分率计算：VNH3＝VB(YA1-YA2)吸收前：YA1=yA1/yB2=yA1/(1-yA1)=0.2/0.8=0.25吸收后：YA2=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=0.05/0.95=0.053被吸收NH3的体积：VNH3＝80*(0.25-0.053)=15.8m3YA:每mol惰气中所含A的mol数。起始时--YA1,终了时--YA24、以YA~XA比摩尔分率表示的亨利定律XA：每mol吸收剂中所含A的mol数。吸收从XA1→XA2即:AAAAAAXXxxxX1111AAAAAAyYYyyYAAAAAAAAAAAmXYmXYmXXYXmXYY*****)1()1(11AAAAAAAAAmXXmmXYmXYmXXY稀溶液)1(1)1(***或:YA*=mXAXA*=YA/m由y*A=mxA得：注意：1吸收达平衡时：YA*=mXA或XA*=YA/m，但两方程的意义不同，YA*与YA不同。2yA=nA/nTYA=yA/yB=nA/nBxA=n`A/n`TXA=xA/xS=n`A/nS3溶解度mA—g(A)/100g(S)xA、CA、XA与mA的关系：xA=n`A/n`T=(mA/MA)/(mA/MA+100/MS)XA=n`A/nS=(mA/MA)/(100/MS)CA=n`A/VT=[ρT（溶液）×mA/(100+mA)]/MAkmol/m34长期放置的吸收体系是平衡体系，在平衡体系中引入气体或溶液,平衡将被破坏,可能再吸收(pAp*A或xAx*A),也可能解吸(pAp*A或xAx*A)。例5-4已知总压P=101.325kPa及PA～mA(mA—g(A)/1000g(S))的关系，求YA～XA关系：解：先转变成yA～xA关系：yA=nA/n总=pA/pxA=nA`/n总`=(mA/MA)/(mA/MA+1000/MS)再转化成YA～XA关系：YA=yA/(1-yA)XA=xA/(1-xA)亦可直接求：YA=pA/pB=pA/(pT-pA)XA=nA`/nS=(mA/MA)/(1000/MS)作业：P1857练习：P1856§5-3吸收速率吸收速率决定吸收达到平衡的时间，决定吸收操作的生产强度，是吸收设备选型和设备设计的重要依据。二、扩散1、分子扩散：物质以分子热运动方式穿过静止或滞流流体的传递过程——特点：传递速率慢。2、对流扩散：物质以相对运动方式穿过湍流流体的传递过程——特点：传递速率快。一、吸收速率定义：NA=dnA/dτ对于稳定吸收过程：NA=nA/τmol(A)/s吸收过程是物质的相转移过程，通过扩散方式进行。三、费克分子扩散定律如图:AAACADNAACAN单位时间内穿过面积为A，厚度为δ的扩散层的吸收质A的物质的量D—扩散系数m2/s322NmolmmmACsmmols分子扩散模型四、吸收机理——双膜理论实际吸收过程一般在喷淋塔、填料塔、鼓泡塔中进行。无论采用那种吸收塔，吸收过程都存在气—液相界面，类比间壁传热提出了双膜理论以导出吸收速率。如图：1气液两相主体因湍流使A以对流扩散方式传递，传递速率快,浓度一致，忽略湍流主体中对流扩散的阻力。2相界面两侧存在滞流的气膜和液膜，双膜中A以分子扩散方式传递，传递速率慢，浓度下降很快，整个传质过程的阻力全部集中在双膜中。3到达相界面的A能无阻力地瞬时溶于液相，且界面上气液两相达平衡,即：pi=ci/H。双膜理论要点：将对流给热视为壁附近滞流层的热传导过程—付立叶定律将吸收视为A穿过相界面附近滞流双膜的分子扩散过程—费克定律传热过程吸收过程理论实质()()()giBglASiSlDPAppRTpDACNDCCACCC1122()()TwTtwtATtAtAttα1--高温流体传热膜(分)系数α2--低温流体传热膜(分)系数kg-气膜吸收分系数kl-液膜吸收分系数五、费克分子扩散定律的应用当A分子通过分子热运动的碰撞而传递时，其传递速率：δg,δl—气膜、液膜厚度,由于在膜层中有部分对流传质,真正的分子扩散距离δ＜δg,δl。对气膜：用pB/pT对δg加以较正：()BgggAiggBpPDApDPNAppRTRTp=kgA(p-pi)BgggpRTPDkTTkg-气膜吸收分系数对液膜：用CS/(CA+CS)=CS/CT对δl加以较正：=()SSllSATlAlTiSlSlTCCCCCDACDCNACCCCC=klA(Ci-C)SlTllCCDk所以，可用界面附近气膜中的扩散速率：NA=kgA(p-pi)或液膜中的扩散速率：NA=klA(Ci-C)计算吸收速率。kl-液膜吸收分系数作业：P18512、13kg、ky—分别以分压pA、气相摩尔分率yA表示的气膜吸收分系数。2液膜吸收分速率方程kl、kx—分别以物质的量浓度cA、摩尔分数xA表示的液膜吸收分系数。六、吸收速率方程1气膜吸收分速率方程或表示为:或表示为：)(k)(k)(kyggiiTiAyyAyyApppANky=kg×pT3气相吸收总速率方程——pi、Ci、yi、xi难求,设法消去p-pi—气相主体与界面上A的分压差。ci-c—界面上与液相主体中A的浓度差。吸收过程中，气相浓度↓，用某处的实际分压与该气相能下降到的最低值之差表示推动力，而气相所能降到的最低分压是与该气相相接触的液相达平衡的平衡分压pA*。NA=kgA(p-pi)=klA(ci-c)=klAH(pi-p﹡)HHHHp*是与液相主体浓度C平衡的分压KG,Ky,KY---以分压,摩尔分率yA,比摩尔分率YA表示推动力的气相吸收总系数。1/KG=1/kg+1/klHTTTTT4液相吸收总速率方程KL,Kx,KX—以c,x,X表示推动力的液相吸总系数。AENccccAEccAppANgAiiliigAk)(k/)(k)(kgANccAilk）（lgk1kEANccAllAKccAccAKEccAN/1k/1k/lg）（）（）（HHHHH注意：以不同浓度表示推动力△，其数值和单位各不相同，但NA总是相同