化工原理第五章 吸收

20.6.25第五章吸收一、吸收的有关概念二、吸收在工业上的应用三、吸收的分类四、吸收的流程和溶剂五、相组成表示方法第一节概述20.6.25传质过程：物质在相际间的转移——物质传递过程传质过程的依据：混合物中各组分在两相间平衡分配不同。以传质过程为特征的单元操作在化工升中应用甚广。如：(1)气体吸收：依据气体组分在液相中的溶解度差别来处理气体混合物。(2)液体蒸馏:加热液体混合物，利用混合物不同组分挥发性的差异，使得液体混合物得以分离。(3)液液萃取：液体组分在溶剂中的溶解度差别来分离液体混合物。(4)固体干燥：对含有一定湿份（液体）的固体提供一定的热量，使之汽化，从固体的表面或内部转入气相。一、吸收的有关概念20.6.25混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分溶解在该液体内形成溶液，不能够溶解的组分则保留在气相中，这样使得原混合气体得以分离。这种利用各组分溶解度不同而分离气体混合物的操作称为吸收。混合气体中能溶解的组分称为溶质，以A表示；不被吸收的组分称为惰性组分，以B表示；吸收操作所用的溶剂称为吸收剂，以S表示。20.6.25二、吸收在工业上的应用1.分离混合气体以获得一定的组分;（液态烃处理裂解气回收其中的乙烯、丙烯等）2.除去有害组分以净化或精制气体;（用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳）3.制备某种气体的溶液;（用水吸收氯化氢制取盐酸、用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等）4.工业废气的治理。（工业废气中含有的SO2、NOx等有害成分需在排放前进行处理）20.6.25三、吸收的分类1.物理吸收和化学吸收；溶质与溶剂是否有明显的化学反应发生2.单组分吸收和多组分吸收；被吸收的组分的数目3.等温吸收和非等温吸收；热效应是否显著或设备散热状况4.高浓度吸收和低浓度吸收。混合物中气体的浓度20.6.25四、吸收的流程、溶剂的选择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20.6.251.溶解度：对溶质组分应具有较大的溶解度2.选择性高：对混合气体中的其他组分基本不吸收3.挥发性小：减少溶剂的用量，避免引入新杂质4.黏度低：便于运输；比热小：再生时节能；发泡性低：减少设备的尺寸。5.腐蚀性低：减少设备费用。6.化学稳定性高；7.无毒、无害、价廉、易于再生等。溶剂选择要求：总的选择原则是：经济、合理。20.6.25五、相组成表示法1、质量分数与摩尔分数质量分数：在混合物中某组分的质量占混合物总质量的分数。mmwAA摩尔分数：在混合物中某组分的摩尔数占混合物总摩尔数的分数。20.6.25气相：nnyAA液相：nnxAA质量分数与摩尔分数的关系：1NBAyyy1NBAxxxNNBBAAAAAA////MmwMmwMmwMmwnnxNNBBAAAA////MwMwMwMw20.6.252、质量比与摩尔比质量比：混合物中某组分A的质量与惰性组分B（不参加传质的组分）的质量之比。AABmwm摩尔比：混合物中某组分的摩尔数与惰性组分摩尔数之比。BAAnnY气相：BAAnnX液相：20.6.25质量分数与质量比的关系：AAA1AAA1-摩尔分数与摩尔比的关系：XXx1xxX1YYy1yyY120.6.253、质量浓度与摩尔浓度质量浓度：单位体积混合物中某组分的质量。-3AA(kgm)mCV摩尔浓度：单位体积混合物中某组分的摩尔数。-3AA(kmolm)ncV质量浓度与质量分数的关系：AACw摩尔浓度与摩尔分数的关系：cxcAA20.6.254、气体总压与理想气体中组分的分压总压与某组分分压之间的关系:摩尔比与分压之间的关系:AAApYPp摩尔浓度与分压之间的关系:RTpVncAAAAApPy20.6.25第五章吸收一、气体的溶解度二、亨利定律三、气液相平衡与吸收过程的关系第二节气液相平衡20.6.25一、气体的溶解度1、气体在液体中溶解度的概念气体在液相中的溶解度：表明一定条件下吸收过程可能达到的极限程度。2、溶解度曲线气体在液体中的饱和浓度*Ac对于单组分物理吸收，由相律知2fc322320.6.25**(,,)(,,)AAAAcfTPpxfTPy在总压不高，P5atm时**(,)(,)AAAAcfTpxfTy总压不高、一定温度下液相组成是气相组成的单值函数**(),()AAAAcfpxfy同理，一定温度下的气相平衡分压是液相组成的函数：**(),()AAAApFcyFx20.6.2520.6.2520.6.2520.6.25吸收剂、温度T、P一定时，不同物质的溶解度不同。对于同一种气体，分压一定时，温度T越高，溶解度越小。对于同一种气体，温度T一定时，分压P越大，溶解度越大。加压和降温对吸收操作有利。20.6.25二、亨利定律1、亨利定律——稀溶液*AApExE——亨利常数，单位与压力单位一致。E值取决于物系的特性及温度；对于一定的气体和一定的溶剂，温度T上升，E值增大，溶解度下降；在同一溶剂中，E值越大的气体越难溶。2、亨利定律的其他表示形式1）用溶质A在溶液中的摩尔浓度和气相中的分压表示的亨利定律20.6.25*AAcpHH——溶解度系数，单位：kmol/m3·Pa或kmol/m3·atm。H是温度的函数，H值随温度升高而减小。易溶气体H值大，难溶气体H值小。溶解度系数H与亨利系数E间的关系设溶液的密度为3/mkg，浓度为3/Ckmolm，则CMSSAAxMxMM**,,AAAAAAccCppExxEHCH20.6.25对于亨利定律适用的稀溶液，SSMM,HCEEMss2)用气液相中溶质的摩尔分数表示的亨利定律mxy*m——相平衡常数，无量纲，是温度和压强的函数。温度升高、总压下降则m值变大，m值越大，表明气体的溶解度越小。20.6.25相平衡常数m与亨利系数E的关系yPp由分压定律知：*pyPxEp*由亨利定律：xPEyPEm即：20.6.253）用摩尔比Y和X分别表示气液两相组成的亨利定律a)摩尔比定义：液相中溶剂的摩尔数液相中溶质的摩尔数Xxx1数气相中惰性组分的摩尔气相中溶质的摩尔数Yyy1,11XYxyXY20.6.25*1(1)mXYmX当溶液浓度很低时，X≈0，上式简化为：mXY*由,*得mxy**11YmXYX20.6.25亨利定律的各种表达式所描述的都是互成平衡的气液两相组成间的关系，他们既可以用来根据液相组成计算平衡的气相组成，同样可用来根据气相组成来计算平衡的液相组成，于是上述几种表达式可改写为：**,AAAApxcHpEmYXmyx**,20.6.25例：在常压及20℃下，测得氨在水中的平衡数据为：0.5gNH3溶于100gH2O形成的稀氨水溶液，溶液上方的平衡分压为400Pa，在该浓度范围下相平衡关系可用亨利定律表示，试求亨利系数E，溶解度系数H，及相平衡常数m。（氨水密度可取为1000kg/m3）20.6.25∴亨利系数为*pEx00527.0400Pa41059.7∴相平衡常数00527.000395.0m75.0Hcp*10001005.017/5.0c3/293.0mkmol解：由亨利定律表达式知：**ppExEx18/10017/5.017/5.0x00527.0又mxy*，而Ppy*51001.140000395.020.6.25∴溶解度系数为：400293.0HPamkmol34/1033.7或由各系数间的关系求出其它系数ssHEM181059.710004437.3210/kmolmPaPEm437.5910101.3100.7520.6.25三、气液相平衡与吸收过程的关系1、判断过程的方向例：在101.3kPa，20℃下,稀氨水的气液相平衡关系为：xy94.0*，若含氨0.094摩尔分数的混合气和组成05.0Ax的氨水接触,确定过程的方向。解：用相平衡关系确定与实际气相组成094.0y成平衡的液相组成94.0/*yx1.020.6.25将其与实际组成比较：1.005.0*xx∴气液相接触时，氨将从气相转入液相，发生吸收过程。或者利用相平衡关系确定与实际液相组成成平衡的气相组成xy94.0*05.094.0047.0将其与实际组成比较：047.0094.0*yy∴氨从气相转入液相，发生吸收过程。若含氨0.02摩尔分数的混合气和x=0.05的氨水接触，则021.094.0/02.094.0/*yx20.6.25021.005.0*xx气液相接触时，氨由液相转入气相，发生解吸过程。此外，用气液相平衡曲线图也可判断两相接触时的传质方向具体方法：已知相互接触的气液相的实际组成y和x，在x-y坐标图中确定状态点，若点在平衡曲线上方，则发生吸收过程；若点在平衡曲线下方，则发生解吸过程。20.6.252、吸收过程的推动力3、确定过程的极限所谓过程的极限是指两相充分接触后，各相组成变化的最大可能性。对于吸收(脱吸)而言，其极限为气液相平衡。*AApp、y-y*、x*-x、A*Acc、Y-Y*·APYY*XX*20.6.25组成为y1的混合气塔高无限减少吸收剂用量L塔底x1增加myxx1*1max1极限组成为：组成为y1的混合气塔高无限增加吸收剂用量L塔顶y2降低极限组成为：2*2min2mxyyV，y2V，y1L，x2L，x120.6.25第五章吸收一、分子扩散与菲克定律二、气相中的稳定分子扩散三、扩散系数四、对流传质五、吸收机理——双膜理论六、吸收速率方程式第三节传质机理与吸收速率20.6.25吸收过程涉及两相间的物质传递，包括三个步骤：•溶质由气相主体传递到两相界面，即气相内的物质传递；•溶质在相界面上的溶解，由气相转入液相，即界面上发生的溶解过程；•溶质自界面被传递至液相主体，即液相内的物质传递。单相内物质传递的机理分子扩散：分子无规则的热运动而传递物质涡流扩散：流体的湍动和漩涡而传递物质20.6.25一、分子扩散与菲克定律1、分子扩散：在静止或滞流流体内部，若某一组分存在浓度差，则因分子无规则的热运动使该组分由浓度较高处传递至浓度较低处，这种现象称为分子扩散。20.6.252）菲克定律：温度、总压一定，组分A在扩散方向上任一点处的扩散通量与该处A的浓度梯度成正比。AAABdcJDdz单位面积上单位时间内扩散传递的物质量，单位：kmol/(m2.s)。2．菲克定律——用来描述扩散速率的规律1）扩散通量：DAB——组分A在B组分中的扩散系数，m2/s。理想气体：RTpcAAzcddAzpRTdd1A=zpRTDJddAABA20.6.25二、气相中的稳定分子扩散1．等摩尔相互扩散1）等摩尔相互扩散例如精馏过程JAJBTppA2pB2TppA1pB11220.6.25等摩尔相互扩散：任一截面处两个组分的扩散速率大小相等，方向相反。zpRTDJddAABAzpRTDJddBBABBAppp总压一定zpddA=zpddBJA=－JBDAB=DBA=D20.6.252）传质速率单位时间通过单位固定截面的A物质量，称为A的传递速率，以NA表示。单位：kmol/(m2·s)AAAdcNJDdzAdpDRTdz（气相）分离变量并进行积分，积分限为：110AAppz22AAppzz20.6.25210AAPpAzAdpRTDdzN)(12AAAppRTDzN传质速率为：12()AAADNppRTz对于液相则有传质速率为：AA1A2BB1B2(),()DDNccNcczzNA=zcDJddAABA同理，B传质速率为为：12()BBBADNppNRTz20.6.253）讨论（1）2A1AAppN（2）组