化工原理第三版第五章 吸收

1第二节气液相平衡第五章气体吸收第一节概述第三节吸收过程的传质速率第四节吸收塔的计算第五节填料塔2第一节概述一、吸收操作的应用二、吸收过程与设备三、吸收过程分类四、吸收剂的选择3一、气体操作的应用（1）分离混合气体以获得一定的组分。（2）除去有害组分以净化或精制气体。（3）制备某种气体的溶液。（4）工业废气的治理。吸收的依据混合物各组分在某种溶剂中溶解度的差异。利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来分离气体混合物的操作称为吸收。4二、吸收过程与设备5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6（1）物理吸收和化学吸收（2）单组分吸收和多组分吸收（3）等温吸收和非等温吸收（4）高浓度吸收和低浓度吸收（1）溶解度大；三、吸收过程的分类四、吸收剂的选择7（2）选择性高；（3）再生容易；（4）挥发性小；（5）粘度低；（6）化学稳定性高；（7）腐蚀性低；（8）无毒、无害、价廉等。选择原则：经济、合理。8第二节气液相平衡一、平衡溶解度二、亨利定律三、气液相平衡关系在吸收中的应用9一、平衡溶解度平衡状态：一定压力和温度，一定量的吸收剂与混合气体充分接触，气相中的溶质向溶剂中转移，长期充分接触后，液相中溶质组分的浓度不再增加，此时，气液两相达到平衡。平衡溶解度：平衡时溶质在液相中的浓度。平衡分压：平衡时气相中溶质的分压。101120℃下SO2在水中的溶解度12几种气体在水中的溶解度曲线13讨论：（2）温度、y一定，总压增加，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（1）总压、y一定，温度下降，在同一溶剂中，溶质的溶解度x随之增加，有利于吸收。（3）相同的总压及摩尔分数，cO2cCO2cSO2cNH3氧气等为难溶气体，氨气等为易溶气体14（一）亨利定律总压不高时，在一定温度下，稀溶液上方气相中溶质的平衡分压与溶质在液相中的摩尔分数成正比，其比例系数为亨利系数。Exp*A二、亨利定律15讨论：1）E的影响因素：溶质、溶剂、T物系一定，ET2）E大的，溶解度小，难溶气体E小的，溶解度大，易溶气体3）E的来源：实验测得；查手册*Ap——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——亨利常数，单位同压强单位。161）HcpA*A（二）亨利定律其它形式H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）cA——摩尔浓度，kmol/m3；H与E的关系：xHcccHcpA*AHcE17SSASL)1(MxMxMMcSSHMEH的讨论：1）H大，溶解度大，易溶气体2）P对H影响小，HT2）mxy*m——相平衡常数，无因次。18m与E的关系：**ApypExpy*pEmm的讨论：1）m大，溶解度小，难溶气体2）mTmp19mXY*3）xXX1yYY1XXmYY1*1*由得整理得对于低组成吸收1mX简化得mXY*XmmXY11*120三、相平衡关系在吸收中的应用（一）判断过程进行的方向yy*或x*x或A*Acc*AAppA由气相向液相传质，吸收过程*AApp平衡状态*AAppA由液相向气相传质，解吸过程吸收过程：21（二）指明过程进行的极限过程极限：相平衡。y·Pyx··ABCxy*y*y22（1）逆流吸收，塔高无限，2*2min2,mxyyLV，y2V，y1L，x2L，x1（2）逆流吸收，塔高无限，myxL1max,1（三）确定过程的推动力（1）吸收过程推动力的表达式*AAppy-y*或x*-x或A*Acc23（2）在x～y图上·APyy*xx*24两个基本问题：一是过程的极限，取决于吸收的相平衡关系；另一是过程的速率。气液传质过程:三个基本步骤①溶质由气相主体相界面，（相内传质）②溶质组分在界面上发生溶解进入液相。（相际传质）③由界面液体主体传递。（相内传质）溶解过程易进行的，其阻力很小。通常认为界面上气液两相的溶质浓度满足平衡关系。总传质过程速率将由相内传质速率所决定溶质气体是凭借扩散完成吸收的。扩散=分子扩散+涡流扩散。第三节吸收过程的传质速率25（1）分子扩散---费克定律（Fick）1.分子运动向各方向是无规则的2.分子微观运动的结果3.在浓度高处的分子向浓度低方向扩散，和浓度梯度有关，表现为数量大，效率高a.分子扩散是在相内部因浓度梯度的存在，由于分子的无规则热运动而产生的物质传质现象一、分子扩散与菲克定律扩散速率：单位时间内通过单位面积扩散的物质量，J表示，kmol/(m2·s)。26b.费克定律Fick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。与傅立叶定律相似dZdcDJAABA只要存在浓度差，必然会产生分子扩散是描述分子扩散的基本规律JA—组分A沿Z方向的扩散通量kmol/m2·s；CA—组分A在混合物中摩尔浓度kmol/m3;DAB—组分A在A、B混合物中的扩散系数，m2/s。负号－扩散方向沿A浓度降低的方向进行27由A、B组成均相混合物中，若维持各点T,p,C=constant,当其内部存在A、B组分浓度分布时，则就会发生A、B两组分的等摩尔逆向扩散.二、等摩尔逆向扩散TPpA2pB2TPpA1pB11228其扩散速率：JA=-JB对双组分混合物，稳定扩散条件下：因混合物中各点总浓度不变：Cm=CA+CBDAB=DBA=D双组分物系中当各处的浓度相等时，有A的扩散，必然伴有B的分子扩散，二者扩散速率相等，方向相反。扩散方向上没有流体的宏观运动，通过扩散面的净物质量为零。前提：气液界面能等速率地向气相提供组分B29体现在精馏过程中：1molA气液1molB液气对于稳态扩散则有：21AAAAACCZDdZdCDJNRTPC21AAAppRTZDNBBAANJNJ传质速率的大小主要是分子扩散的贡献。对于气相：302）组分的浓度与扩散距离z成直线关系。3）等分子反方向扩散发生在蒸馏过程中。ppB1pA1pA2pB2扩散距离z0zp3112JAJBNMcA/cNMcB/cNMNA（1）整体移动：因溶质Ａ扩散到界面溶解于溶剂中，造成界面与主体的微小压差，使得混合物向界面处的流动。（2）整体移动的特点：1）因分子本身扩散引起的宏观流动。2）A、B在整体移动中方向相同，流动速度正比于摩尔分数。三、组分A通过静止组分B的扩散32cNNcAAMMcNNcBBMMccNJNAMAABBBM0cNJNczcccDcNddAAA——微分式AAAAMMMBcccNJNNNccc111AMABMABMBAABNcNJNccdcDZcdZ33在气相扩散RTpcAARTpczpppRTDpNdd)(AAAB1B2AlnppRTzDpN——积分式)(A2A1BmAppRTzpDpN——积分式B1B2B1B2Bmlnppppp34B2B1BmB2B1lncccccAA1A2Bm()DcNcczc——积分式液相：（4）讨论1）组分A的浓度与扩散距离z为指数关系Bmpp2）Bmcc、——漂流因子，无因次35漂流因子意义：其大小反映了整体移动对传质速率的影响程度，其值为总体流动使传质速率较单纯分子扩散增大的倍数。1BmppBm1cc漂流因子的影响因素：浓度高，漂流因数大，总体流动的影响大。低浓度时，漂流因数近似等于1，总体流动的影响小。3）单向扩散体现在吸收过程中。36扩散系数的意义：单位浓度梯度下的扩散通量，反映某组分在一定介质中的扩散能力，是物质特性常数之一；D，m2/s。D的影响因素：A、B、T、P、浓度D的来源：查手册；半经验公式；测定四、分子扩散系数37（1）气相中的D范围：10-5～10-4m2/s经验公式DpDTpTDpTfD)(75.1，（2）液相中的D范围：10-10～10-9m2/sDDTTDTfD)(，38五、单相内的对流传质涡流扩散：流体作湍流运动时，若流体内部存在浓度梯度，流体质点便会靠质点的无规则运动，相互碰撞和混合，组分从高浓度向低浓度方向传递，这种现象称为涡流扩散。zcDJeeddA,A39eJ,A——涡流扩散速率，kmol/(m2·s)；eD——涡流扩散系数，m2/s。注意：涡流扩散系数与分子扩散系数不同，不是物性常数，其值与流体流动状态及所处的位置有关。总扩散速率：既有分子扩散又有涡流扩散zc)D(DJeddAA40TTWtWt热流体冷流体pAGpAicAicAL气相液相zTztzGzLE（一）单相内对流传质的有效膜模型单相内对流传质过程411）靠近相界面处层流内层：传质机理仅为分子扩散，溶质A的浓度梯度较大，pA随z的变化较陡。2）湍流主体：涡流扩散远远大于分子扩散，溶质浓度均一化，pA随z的变化近似为水平线。3）过渡区：分子扩散+涡流扩散，pA随z的变化逐渐平缓。42有效膜模型要点：a.气液相间有稳定的相界面，在界面处气液浓度成平衡，可用相平衡关系描述pi=f(ci)b.相界面两侧各有一停滞膜（虚拟膜或者有效膜）（气膜和液膜），膜内传质以分子扩散方式进行c.传质阻力全部集中在虚拟膜内，膜外主体高度湍流，传质阻力为0。43AAGAiGBmDpN(pp)RTzp)(iAAGGAppkNGGBmDpkRTzp——以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol/（m2·s·kPa）。Gk=传质系数×吸收的推动力AN（二）气相传质速率方程44气相对流传质速率方程有以下几种形式：)(iAAGGAppkN)(AiyyykNyk——以气相摩尔分数表示推动力的气膜传质系数，kmol/（m2·s）；各气相传质分系数之间的关系：pypAGiipypAGpkky带入上式)(iAAGGAppkN与)(AiyyykN比较45'AAiALLBm()DcNcczc)(ALiALAcckN'LLBmDckzc液相传质速率方程有以下几种形式：)(AxxkNix)(ALiALAcckN（二）液相传质速率方程46kL——以液相组成摩尔浓度表示推动力的液膜传质系数，kmol/（m2·s·kmol/m3）；xk——以液相组成摩尔分率表示推动力的液膜传质系数，kmol/（m2·s）；各液相传质系数之间的关系：Lckkx注意：传质系数=f(操作条件、流动状态、物性）47六、两相间传质的双模理论相际对流传质三大模型：双膜模型溶质渗透模型表面更新模型（一）双膜理论pAGpAicAicAL气相液相zGzLE48双膜模型的基本论点（假设）（1）气液两相存在一个稳定的相界面，界面两侧存在稳定的气膜和液膜。膜内为层流，A以分子扩散方式通过气膜和液膜。（2）相界面处两相达平衡，无扩散阻力。（3）有效膜以外主体中，充分湍动，溶质主要以涡流扩散的形式传质。双膜模型也称为双膜阻力模型49（一）气相传质速率方程)(*AAGAppKN)(*AyyKNyGK——以气相分压差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s·kPa）；yK——以气相摩尔分率差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；)(*AYYKNYYK——以气相摩尔比差表示推动力的气相总传质系数，kmol/（m2·s）；七、总传质速率方程50（二）液相总传质速率方程)(A*ALAccKN)(*AXXKNXLK——以液相浓度差表示推动力的液相总传质系数，kmol/m2·s·kmol/m3）；xK——以液相摩尔分率差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；)(*AxxKNxXK——以液相摩尔比差表示推动力的液相总传质系数，kmol/（m2·s）；51GLG111kHkKGLL11kHkKLGHKKxyykmkK11yxxmkkK111xyKmK根据双膜理论（三）总传质系数与单相传质分系数之间的关系系统服从亨利定律或平衡关系在计算范