第二章吸收ABS1

目录1蒸馏2吸收3液-液萃取4干燥第2章吸收2.1气体吸收的相平衡关系2.2传质机理与吸收速率2.3吸收塔的计算2.4吸收系数2.5脱吸及其他条件下的吸收2.6填料塔利用气体混合物中各组分在液体溶剂（吸收剂）中溶解度的差异来分离气体混合物的操作称为吸收。溶质A惰性组分B吸收剂S2.1气体吸收的相平衡关系什么是吸收？AA+BS（气体）（液体）1．制取产品例如，用水吸收SO3气体制取98%硫酸，用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸，用氨水吸收CO2生产碳酸氢铵等。2．从气体中回收有用的组分例如，用硫酸从煤气中回收氨生成硫胺；用洗油从煤气中回收粗苯等。3．除去有害组分以净化气体主要包括原料气净化和尾气、废气的净化以保护环境。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2等。吸收目的多组分吸收单组分吸收非等温吸收等温吸收化学吸收物理吸收吸收分类吸收与蒸馏的区别（1）产生两个相的方法不同；（2）温度不同；（3）传质方向不同；（4）吸收仅是间接分离手段。填料塔板式塔吸收剂吸收尾气吸收塔混合气吸收液逆流吸收操作示意图气体溶剂1n被吸收气体吸收液板式塔气体溶剂填料被吸收气体吸收液填料塔吸收设备-----塔设备AA+BS（气体）（液体）根据相律可知，相平衡时自由度数2cF3223所有独立变量：温度、总压、气相组成、溶解度等AApPTfc,,在压力不是很大、温度一定条件下，AApfc或AAcgp2.1.1溶解度Ac气液达到相平衡时，溶质在液相中达到饱和，此时的溶质浓度称为溶解度用Ac表示(对双组分气体)1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1pA，atmO2CO2pA=723cApA=25.5cASO2NH3pA=0.36cApA=0.0136cA0123456789101110ncA，kmol/m3O2n=3，CO2n=2，SO2n=1，NH3n=0几种气体在20℃水中的溶解度曲线难溶体系易溶体系溶解度适中体系说明：（1）不同气体的溶解度差异很大（2）对于稀溶液，有亨利定律E是物性常数，通常由实验测定。可从有关手册中查得。E越大，表明溶解度越小，不易溶E随温度变化而变化，一般地，T，E1.pi--xi关系iiExp*亨利系数，Pa2.1.2亨利定律HcpiiiiiimxxPEPpy相平衡常数，无因次2.pi--ci关系H越大，表明溶解度越大；H随温度变化而变化，T，H，m越大，表明溶解度越小；m随温度、总压变化而变化，T，m，P，m3.xi--yi关系溶解度系数--kmol/Pa.2.1.3吸收剂的选择1．溶解度对溶质组分有较大的溶解度2．选择性对溶质组分有良好的选择性，即对其它组分基本不吸收或吸收甚微3．挥发性应不易挥发4．粘性粘度要低5．其它无毒、无腐蚀性、不易燃烧、不发泡、价廉易得，并具有化学稳定性等要求。AA+BS（气体）（液体）4.Xi--Yi关系iimXYXi，Yi为摩尔比浓度惰性气体的摩尔数溶质在气相中的摩尔数溶剂的摩尔数溶质在液相中的摩尔数iYXi相界面水p气相主体pi液相主体传质方向cic空气+氨气吸收--------相际间传质的最终状态相平衡2.2传质机理与吸收速率与热平衡不同之处：▲达到相平衡时，一般两相浓度不相等。▲达到相平衡时，传质过程仍在进行，只不过通过相界面的某一组分的净传质量为零，因此属动态平衡。dzdcDJAABA扩散通量，kmol/m2s表示扩散方向与浓度梯度方向相反A在B中的扩散系数m2/s菲克定律2.2.1分子扩散与菲克定律菲克定律的其它表达形式：dzdpRTDdzRTpdDdzdxCDJAABAABAABzA,BA说明：（1）JA是物质A在Z方向上的分子扩散通量（2）DA,B是物性之一),,(BA,xTPfDDA,B（气）10-5m2/sDA,B（液）10-9m2/sDA,B（固）10-10m2/sPTD75.1TD对于两组分气体扩散系数的估算，通常用较简单的由福勒（Fuller）等提出的公式23/13/175.1)()(110101.0BABAvvPMMTD（低压，室温）对于很稀的非电解质溶液（溶质A+溶剂B），其扩散系数常用Wilke-Chang公式估算：6.02/115104.7ABABVTMD固体中的扩散系数须靠实验确定。扩散系数的估算：常数特点：BANN常数BAJJzcDzcDBBAAABddddzczcBAddddDDDBAAB2.2.2气相中的稳态分子扩散1．等分子反向扩散NA、NB分别指单位时间通过单位面积的A、B的物质量pA1pA2AB12∞∞cA1cA2yA1yA2边界条件：21,,AAAAcczzccz021AACCAzAcDzNdd0dzcDJNAdAA阻力推动力DzcccczDNAAAAA2121cA1cA2相界面z2121AAAAAppRTzDyyzcDN或上式即为稳态等分子反向的传质速率方程式。所谓单向扩散是指组分A通过停滞（或不扩散）组分B的分子扩散。ABANNNNNNB,0,特点：NB=0NAA相界面单向扩散常数BAJJDDDBAABAAAANxJN2．一组分通过另一停滞组分的扩散单向扩散AAAJNx)1(zcDAddJAJBN=NA在1,Ac0，2,Acz范围内积分得：21,AACCAAzzAccdccDzN0d1212lnln,BBAAzAcczcDcccczcDN引入截面1、2上cB的对数平均值1212lnBBBBBcccccm，得：阻力推动力cDzccccccczDNBAABBBzAm2121m,或写成21112,AABmzAyyyzzcDN)()(2112,AABmzApppPzzRTDN式中)/ln(1212BBBBBmyyyyy，)/ln(1212BBBBBmppppp阻力推动力cDzccccccczzDNmmBAABBBzA212112,漂流因数（均1）代表总体流动的影响上三式均称为一组分通过另一停滞组分的扩散传质速率方程NB=0NAA相界面单向扩散21AAAcczDN思考：混合气中A组分的浓度愈高，漂流因数则愈如何变化？为什么？NBBNAA相界面等分子反向扩散2112,AABzAcccczzDNm漂流因数（1）代表总体流动的影响对照等分子反向扩散2121AAAAppRTzDyyzcD行传质的方式靠流体质点的脉动来进：在湍流流动中，的方式靠分子运动来进行传质流流动的流体中，分子扩散：静止的或层传质方式涡流扩散传质方式2.2.5对流传质传质系数的确定：类比法边界层积分解边界层分析解解析法实验方法影响对流传质系数的因素：流体物性、流动状况、界面几何形状等因素。传质系数对流传质通常指运动流体与界面（固体壁面或流体界面）间由于涡流或脉动作用的涡流扩散与分子扩散两种传质作用的总和，是相际间传质的基础。AiAGAAiLAppkcckN对流传质方程：ppi传质方向ci气相主体液相主体czGzLz距离双膜模型组成1.双膜理论模型要点：(1)相界面两侧流体的对流传质阻力全部集中在界面两侧的两个停滞膜内，膜内传质方式为稳定的分子扩散。(2)相界面上没有传质阻力，即可认为所需的传质推动力为零，或气液两相在相界面处达到平衡。2.2.6吸收过程的机理气膜液膜气膜液膜ppi传质方向ci气相主体液相主体czGzLz距离双膜模型组成AiABmGAAAsmLApppRTzDpNccczcDNi面的对流传质速率关系溶质由气相主体至相界对流传质速率关系：在液相中溶质的双膜模型缺陷：①只适用与有固定相界面的情形；②由smLcczDkL知DkL，与实际不符③界面阻力不计，这是一个尚有争议的问题界面cAi234cA010距界面距离经推导，得DkL，与实验结果相吻合。特点：强调形成稳定浓度梯度的过渡阶段（即靠近相界面处为不稳定的分子扩散）缺陷：认为各批旋涡与气相接触的时间相同2.溶质渗透模型希格比（Higbie）1935年提出，相界面微团cAic0Ac3.表面更新模型由丹克沃茨（Danckwerts）1951年提出，是溶质渗透模型的修正。认为液体表面是由具有不同暴露时间（年龄）的液体微元构成，表面液体微元的暴露时间由年龄分布函数确定。双膜理论模型kD1溶质渗透模型kD0.5表面更新模型kD0.5气膜液膜ppi传质方向c气相主体液相主体czGzLz距离双膜模型组成GiiGAkppppkN1AAAALiiLAkcccckN1AAAA2.2.7吸收速率方程式LiGiAkcckppN11AAAAxiyiAkxxkyyN11AAAA类似地：------分吸收速率方程分传质阻力分推动力NAGNALNAG=NAL1.分吸收速率方程式假设气液相平衡关系满足亨利定律，则HcpAiAi又根据膜模型的假定，可知iiHpcLGAAAHkkppN11GAAKpp1----以分压差为推动力的气相总吸收速率方程气膜液膜ppi传质方向ci气相主体液相主体czGzLz距离双膜模型组成总传质阻力总推动力LGGHkkK111Ap2.总吸收速率方程式HcpAA*xyAAAkmkyyN1xyAAAkmkxxN11yAAKyy1xAAKxx1气膜液膜PApia传质方向cia气相主体液相主体cAzGzLz距离双膜模型组成------以摩尔浓度差为推动力的气相总吸收速率方程-----以摩尔分率差为推动力的气相总吸收速率方程LAAGLAAAKcckHkccN11**类似地气膜液膜PApi传质方向ci气相主体液相主体CAZGZLz距离双膜模型组成xyykmkK11mkkKyxx111LGGHkkK111LGLkkHK11xykmk1LGHkk11气膜控制（易溶体系）：故GGkK11yykK11气膜液膜cApi传质方向ci气相主体液相主体cAZLZGz距离双膜模型组成yxmkk11GLkHk1液膜控制（难溶体系）：故LLkK11xxkK11xyykmkK11mkkKyxx111LGGHkkK111LGLkkHK11双膜控制：气膜阻力和液膜阻力均不可忽略，称其为双膜控制。气膜液膜pApi传质方向ci气相主体液相主体ciAZGZLz距离双膜模型组成xyykmkK11mkkKyxx111LGGHkkK111LGLkkHK11影响传质阻力的因素：气液流动状况如降膜湿壁塔、圆盘塔等：kGG0.75，kLL0.7，填料塔：kLL0.750.95操作条件（温度、压力）物性（扩散系数、粘度等）xyykmkK11mkkKyxx111LGGHkkK111LGLkkHK11气膜液膜pApi传质方向ci气相主体液相主体cAzGzLz距离双膜模型组成