第5章吸收-1、2、3

1、第5章 吸收 5.1概述概述 5.2氣液相平衡氣液相平衡 5.3吸收過程的傳質(zhì)速率吸收過程的傳質(zhì)速率 5.4吸收塔的計算吸收塔的計算 5.5填料塔填料塔5.1概述概述1、吸收操作的概念、吸收操作的概念 利用氣體混合物中各組分在利用氣體混合物中各組分在液體中液體中溶解度的差異溶解度的差異使氣體中不使氣體中不同組分同組分分離的一種單元操作。分離的一種單元操作。 2、氣體吸收過程示意圖、氣體吸收過程示意圖 溶質(zhì)溶質(zhì)A ：能溶解的組分能溶解的組分惰性氣體惰性氣體B ：不被溶解的組分：不被溶解的組分吸收劑吸收劑S ：吸收所用的溶劑：吸收所用的溶劑吸收液：吸收所得的溶液吸收液：吸收所得的溶液尾氣：塔頂排出

2、的氣體尾氣：塔頂排出的氣體合適的溶劑合適的溶劑什么是吸收操作的三要素？什么是吸收操作的三要素？ 溶劑的再生溶劑的再生合適的傳質(zhì)設備合適的傳質(zhì)設備3、氣體吸收的目的、氣體吸收的目的凈化原料氣和精制氣體產(chǎn)品凈化原料氣和精制氣體產(chǎn)品分離氣體混合物以獲得所需的目的組分分離氣體混合物以獲得所需的目的組分制取液體產(chǎn)品或半成品制取液體產(chǎn)品或半成品治理有害氣體，保護環(huán)境治理有害氣體，保護環(huán)境4吸收與解吸流程吸收與解吸流程 吸收與解吸流程吸收與解吸流程含苯煤氣含苯煤氣脫苯煤氣脫苯煤氣洗油洗油苯苯水水過熱蒸汽過熱蒸汽加熱器加熱器冷卻器冷卻器解吸過程：溶質(zhì)從吸收液中分離出的操作，稱為解吸。解吸過程：溶質(zhì)從吸收液中分

3、離出的操作，稱為解吸。解吸目的：獲得所需較純的溶質(zhì)；溶劑再生循環(huán)使用。解吸目的：獲得所需較純的溶質(zhì)；溶劑再生循環(huán)使用。5、吸收的分類、吸收的分類按組分數(shù)分按組分數(shù)分 單組分吸收單組分吸收 多組分吸收多組分吸收按濃度分按濃度分 低濃度吸收低濃度吸收 高濃度吸收高濃度吸收按溫度分按溫度分 等溫吸收等溫吸收非等溫吸收非等溫吸收 按化學變化分按化學變化分 化學吸收化學吸收 物理吸收物理吸收5.2氣液相平衡氣液相平衡一、溶解度一、溶解度 1、氣體在液體中溶解度的概念、氣體在液體中溶解度的概念氣體在液相中的溶解度氣體在液相中的溶解度 ： 表明一定條件下吸收過程可能達到的極限程度。表明一定條件下吸收過程可能

4、達到的極限程度。 2、溶解度曲線、溶解度曲線 氣體在液體中的飽和濃度氣體在液體中的飽和濃度 *AC對于單組分物理吸收，由相律知對于單組分物理吸收，由相律知 FC 2=32+2=3吸收劑、溫度吸收劑、溫度T、P 一定時，一定時，不同物質(zhì)的溶不同物質(zhì)的溶解度不同解度不同 溫度、溶液的濃度一定時，溫度、溶液的濃度一定時，溶液上方分壓越溶液上方分壓越大的物質(zhì)越難溶大的物質(zhì)越難溶對于同一種氣體，分壓一定時，對于同一種氣體，分壓一定時，溫度溫度T越高越高，溶解度越小，溶解度越小對于同一種氣體，溫度對于同一種氣體，溫度T一定時，一定時，分壓分壓P越大越大，溶解度越大，溶解度越大加壓和降溫對吸收操作有利加壓和

5、降溫對吸收操作有利二、亨利定律二、亨利定律1、亨利定律、亨利定律 Exp * E亨利常數(shù)亨利常數(shù)，單位與壓強單位一致，單位與壓強單位一致 E值取決于物系的特性及溫度；溫度值取決于物系的特性及溫度；溫度T上升，上升，E值增大值增大 在同一溶劑中，在同一溶劑中，E值越大的氣體越難溶值越大的氣體越難溶2、亨利定律的其他表示形式、亨利定律的其他表示形式 1）用溶質(zhì)）用溶質(zhì)A在溶液中的摩爾濃度和氣相中的分壓表示的在溶液中的摩爾濃度和氣相中的分壓表示的亨利定律亨利定律 Hcp *H溶解度系數(shù)溶解度系數(shù) ，單位：單位：kmol/m3kPa或或kmol/m3atm H是溫度的函數(shù)，是溫度的函數(shù)，H值隨溫度升高

6、而減小值隨溫度升高而減小易溶氣體易溶氣體H值大，難溶氣體值大，難溶氣體H值小值小H與與E的關(guān)系的關(guān)系設溶液的密度為設溶液的密度為 3/mkg，濃度為濃度為 3/mkmolC總，則則 MC總SSAAxMxMM對于稀溶液，對于稀溶液， SSMM,ECH總EMss 2) 氣液相中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)表示的亨利定律氣液相中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)表示的亨利定律mxy *m相平衡常數(shù)相平衡常數(shù) ，是溫度和壓強的函數(shù)。是溫度和壓強的函數(shù)。 溫度升高、總壓下降則溫度升高、總壓下降則m值變大值變大，m值越大，表明氣體的溶解度越小。值越大，表明氣體的溶解度越小。 m與與E的關(guān)系：的關(guān)系： yPp由分壓定律知由分壓定律知 ：Pp

7、y*xEp*由亨利定律：由亨利定律： xPEyPEm 即：即：3）用摩爾比）用摩爾比Y和和X分別表示氣液兩相組成的亨利定律分別表示氣液兩相組成的亨利定律a) 摩爾比定義：摩爾比定義： 液相中溶劑的摩爾數(shù)液相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)Xxx1數(shù)氣相中惰性組分的摩爾氣相中溶質(zhì)的摩爾數(shù)Yyy1YYyXXx1,1由 ,*得mxy xmxYY11*xmmxY)1 (1*當溶液濃度很低時，當溶液濃度很低時，X0， 上式簡化為：上式簡化為：mXY*亨利定律的幾種表達形式也可改寫為亨利定律的幾種表達形式也可改寫為HPcEPx* ,mYXmyx* , 三、氣液相平衡在吸收中的應用三、氣液相平衡在吸收中的應用 1、判斷過程的

8、方向、判斷過程的方向 YY*或或XX*吸收過程吸收過程Y=Y*或或X=X*平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)YX*解吸過程解吸過程2、計算過程的推動力、計算過程的推動力 3、確定過程的極限、確定過程的極限 2、計算過程的推動力、計算過程的推動力 當氣液相的組成均用摩爾分數(shù)表示時，吸收的推動當氣液相的組成均用摩爾分數(shù)表示時，吸收的推動力可表示為：力可表示為： ：*yy 以氣相組成差表示的吸收推動力；以氣相組成差表示的吸收推動力； ：xx *以液相組成差表示的吸收推動力。以液相組成差表示的吸收推動力。 3、確定過程的極限、確定過程的極限 所謂過程的極限是指兩相充分接觸后，各相組成變化的所謂過程的極限是指兩相充分接觸

9、后，各相組成變化的最大可能性。最大可能性。 組成為組成為y1的混合氣的混合氣 增加塔高增加塔高 減少吸收劑用量減少吸收劑用量 塔底塔底 x1增加增加 極限極限 myxx1*1max1組成為：組成為：組成為組成為y1的混合氣的混合氣增加塔高增加塔高 增加吸收劑用量增加吸收劑用量 塔頂塔頂y2降低降低極限極限 組成為：組成為：2*2min2mxyy吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個步驟：吸收過程涉及兩相間的物質(zhì)傳遞，包括三個步驟：溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即溶質(zhì)由氣相主體傳遞到兩相界面，即氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞氣相內(nèi)的物質(zhì)傳遞；溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相轉(zhuǎn)入液相，即溶質(zhì)在相界面上的溶解，由氣相

10、轉(zhuǎn)入液相，即界面上發(fā)生界面上發(fā)生的溶解過程；的溶解過程；溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即溶質(zhì)自界面被傳遞至液相主體，即液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞液相內(nèi)的物質(zhì)傳遞。單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機理單相內(nèi)物質(zhì)傳遞的機理分子擴散分子擴散 湍流擴散湍流擴散5.3吸收過程的傳質(zhì)速率吸收過程的傳質(zhì)速率 一、分子擴散與費克定律一、分子擴散與費克定律 1、分子擴散：、分子擴散： 一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子一相內(nèi)部有濃度差異的條件下，由于分子的無規(guī)則熱運動而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。的無規(guī)則熱運動而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。AB2費克定律費克定律 1）擴散通量）擴散通量 ：J單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳遞的物質(zhì)量單位面積上單位時間內(nèi)擴散傳

11、遞的物質(zhì)量 ，單位：單位：kmol/(m2.s) 。zcDJddAABAJA組分組分A擴散速率（擴散通量），擴散速率（擴散通量）， kmol/（m2s） 組分組分A在擴散方向在擴散方向z上的濃度梯度（上的濃度梯度（kmol/m3）/mzcddA DAB組分組分A在在B組分中的擴散系數(shù)，組分中的擴散系數(shù)，m2/s負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿負號：表示擴散方向與濃度梯度方向相反，擴散沿 著濃度降低的方向進行著濃度降低的方向進行 2）費克定律）費克定律 二、穩(wěn)態(tài)分子擴散二、穩(wěn)態(tài)分子擴散 1等摩爾反向擴散等摩爾反向擴散1）等摩爾反向擴散）等摩爾反向擴散 等摩爾逆向擴散：等摩爾逆向擴散：

12、任一截任一截面處兩個組分的擴散速率面處兩個組分的擴散速率大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。 JA=JB zpRTDJddAABAzpRTDJddBBABBpppA總壓一定總壓一定 zpddA=zpddB JA=JB DAB=DBA=D 2）傳遞速率）傳遞速率 在任一固定的空間位置上，單位時間通過單位面積的在任一固定的空間位置上，單位時間通過單位面積的A物質(zhì)量，稱為物質(zhì)量，稱為A的傳遞速率，以的傳遞速率，以NA表示。表示。 dzdcDJNAAAdzdpRTDA分離變量并進行積分，積分限為：分離變量并進行積分，積分限為： 11 0AAppz22 AAppzz210AAPpAzAdpRTDdz

13、N)(12AAAppRTDzN傳質(zhì)速率為：傳質(zhì)速率為：)(12AAAppzRTDN2、一組分通過另一停滯組分的擴散、一組分通過另一停滯組分的擴散 12JAJBNMcA/cNMcB/cNMNA整體移動：因溶質(zhì)擴散到界面溶解于溶劑中，整體移動：因溶質(zhì)擴散到界面溶解于溶劑中，造成界面與主體的微小壓差，使得混合物向界面造成界面與主體的微小壓差，使得混合物向界面處的流動。處的流動。氣相：氣相：)(A2A1BmAppRTzpDpN B1B2B1B2Bmlnppppp S1S2S1S2Smlnccccc )(A2A1SmAcczcDcN液相：液相：BmppSmcc、漂流因子漂流因子，無因次，無因次 漂流因子

14、意義漂流因子意義：其大小反映了整體移動對傳質(zhì)速：其大小反映了整體移動對傳質(zhì)速率的影響程度，其值為總體流動使傳質(zhì)速率較單率的影響程度，其值為總體流動使傳質(zhì)速率較單純分子擴散增大的倍數(shù)。純分子擴散增大的倍數(shù)。 1Bm pp1Sm cc漂流因子的影響因素：漂流因子的影響因素： 濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大濃度高，漂流因數(shù)大，總體流動的影響大低濃度，漂流因數(shù)近似等于低濃度，漂流因數(shù)近似等于1，總體流動的影響小，總體流動的影響小單向擴散體現(xiàn)在吸收過程中單向擴散體現(xiàn)在吸收過程中三、擴散系數(shù)三、擴散系數(shù) 分子擴散系數(shù)簡稱擴散系數(shù)，它是物質(zhì)的特性常數(shù)之分子擴散系數(shù)簡稱擴散系數(shù)，它是物質(zhì)的特性常數(shù)之一。

15、同一物質(zhì)的擴散系數(shù)隨一。同一物質(zhì)的擴散系數(shù)隨介質(zhì)的種類介質(zhì)的種類、溫度溫度、壓強壓強及及濃濃度度的不同而變化。物質(zhì)在不同條件下的擴散系數(shù)一般需要的不同而變化。物質(zhì)在不同條件下的擴散系數(shù)一般需要通過實驗測定。通過實驗測定。擴散系數(shù)的意義：擴散系數(shù)的意義：單位濃度梯度下的擴散通量，反映某組單位濃度梯度下的擴散通量，反映某組分在一定介質(zhì)中的擴散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一；分在一定介質(zhì)中的擴散能力，是物質(zhì)特性常數(shù)之一；D，m2/s。四、單相內(nèi)對流傳質(zhì)四、單相內(nèi)對流傳質(zhì) 1、渦流擴散、渦流擴散 憑借流體質(zhì)點的流動和旋渦來傳遞物質(zhì)的憑借流體質(zhì)點的流動和旋渦來傳遞物質(zhì)的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。擴散通量擴散通量 ：dzdc

16、DDJAE)(2、對流傳質(zhì)、對流傳質(zhì) 流動流體與兩相界面之間的質(zhì)量傳遞。流動流體與兩相界面之間的質(zhì)量傳遞。TTWtWt熱流體熱流體冷流體冷流體pAGpAicAicAL氣相氣相液相液相zTztzGzLE單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程單相內(nèi)對流傳質(zhì)過程1）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機理僅為分）靠近相界面處層流內(nèi)層：傳質(zhì)機理僅為分 子擴散，溶質(zhì)子擴散，溶質(zhì)A的濃度梯度較大，的濃度梯度較大，pA隨隨z的的 變化較陡。變化較陡。 2）湍流主體：渦流擴散遠遠大于分子擴散，）湍流主體：渦流擴散遠遠大于分子擴散， 溶質(zhì)濃度均一化，溶質(zhì)濃度均一化，pA隨隨z的變化近似為水的變化近似為水 平線。平線。 3）過渡區(qū)：分子擴散）

17、過渡區(qū)：分子擴散+渦流擴散，渦流擴散，pA隨隨z的的 變化逐漸平緩。變化逐漸平緩。有效膜模型有效膜模型 單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)單相對流傳質(zhì)的傳質(zhì)阻力阻力全部集中在一層全部集中在一層虛虛擬的膜擬的膜層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式層內(nèi)，膜層內(nèi)的傳質(zhì)形式僅為分子擴散僅為分子擴散 。3、氣相傳質(zhì)速率方程、氣相傳質(zhì)速率方程 有效膜厚有效膜厚zG由層流內(nèi)層濃度梯度線延長線與流由層流內(nèi)層濃度梯度線延長線與流體主體濃度線相交于一點體主體濃度線相交于一點E，則厚度，則厚度zG為為E到相界到相界面的垂直距離。面的垂直距離。AAGAiGBmDpN(pp)RTz p )(iAAGGAppkN GGBmDpkRTz p 以分壓差表

18、示推動力的以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)氣膜傳質(zhì)系數(shù)， kmol/（m2skPa）。）。 Gk=傳質(zhì)系數(shù)傳質(zhì)系數(shù)吸收的推動力吸收的推動力 AN氣相對流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：氣相對流傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：)(iAAGGAppkN )(AiyyykN yk以氣相摩爾分率表示推動力的氣膜傳以氣相摩爾分率表示推動力的氣膜傳 質(zhì)分系數(shù)，質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2s）；）； 各氣相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系：各氣相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系： pyp AGiipyp AGpkky 帶入上式帶入上式)(iAAGGAppkN 與與)(AiyyykN 比較比較AAiALLBm()D cNccz c)(ALiA

19、LAcckN LLBmD ckz c 液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：液相傳質(zhì)速率方程有以下幾種形式：)(AxxkNix )(ALiALAcckN 4、液相傳質(zhì)速率方程、液相傳質(zhì)速率方程kL以液相組成摩爾濃度表示推動力的液膜以液相組成摩爾濃度表示推動力的液膜 對流傳質(zhì)系數(shù)，對流傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2skmol/m3）；）； xk以液相組成摩爾分率表示推動力的液膜以液相組成摩爾分率表示推動力的液膜 對流傳質(zhì)分系數(shù)，對流傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/（m2s）；）； 各液相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系：各液相傳質(zhì)分系數(shù)之間的關(guān)系： Lckkx 注意：注意： 對流傳質(zhì)系數(shù)對流傳質(zhì)系數(shù)=f (操作條件、流動狀態(tài)、

20、物性）操作條件、流動狀態(tài)、物性）五、兩相間傳質(zhì)五、兩相間傳質(zhì)雙膜理論雙膜理論 相互接觸的氣液兩相間有一個穩(wěn)定的界面，相互接觸的氣液兩相間有一個穩(wěn)定的界面，界面上界面上沒有沒有傳質(zhì)阻力，傳質(zhì)阻力，氣液兩相處于平衡狀態(tài)氣液兩相處于平衡狀態(tài)。界面兩側(cè)分別存在著兩層膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫界面兩側(cè)分別存在著兩層膜，氣膜和液膜。氣相一側(cè)叫氣膜，液相一側(cè)叫液膜氣膜，液相一側(cè)叫液膜 ，這兩層膜均很薄，這兩層膜均很薄，膜內(nèi)的流體是膜內(nèi)的流體是滯流流動，溶質(zhì)以分子擴散的方式進行傳質(zhì)滯流流動，溶質(zhì)以分子擴散的方式進行傳質(zhì)。 膜外的氣液相主體中，膜外的氣液相主體中，流體流動的非常劇烈，溶質(zhì)的濃流體流動的非常劇烈，

21、溶質(zhì)的濃度很均勻，度很均勻，傳質(zhì)的阻力可以忽略不計，傳質(zhì)阻力集中在兩傳質(zhì)的阻力可以忽略不計，傳質(zhì)阻力集中在兩層膜內(nèi)。層膜內(nèi)。 1、氣相傳質(zhì)速率方程氣相傳質(zhì)速率方程 )(*AAGAppKN )(*AyyKNy GK以氣相分壓差表示推動力的氣相總傳質(zhì)以氣相分壓差表示推動力的氣相總傳質(zhì) 系數(shù)，系數(shù)，kmol/（m2skPa）；）； yK以氣相摩爾分率差表示推動力的氣相以氣相摩爾分率差表示推動力的氣相 總傳質(zhì)系數(shù)，總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；）；)(*AYYKNY YK以氣相摩爾比差表示推動力的氣相以氣相摩爾比差表示推動力的氣相 總傳質(zhì)系數(shù)，總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/（m2s）；）；六、總傳質(zhì)速率方程六、總傳質(zhì)速率方程2、液相總傳質(zhì)速率方程、液相總傳質(zhì)速率方程 )(A*