化工基礎(chǔ)武漢大學(xué)第5章課件

第五章吸收

吸收操作——利用組成混合氣體各組分在溶劑中溶解度不同，來分離氣體混合物的操作，稱為吸收操作。

在吸收過程中，吸收所用的溶劑稱為吸收劑；被吸收劑吸收溶解的組分稱為吸收質(zhì)；不被吸收的組分稱為惰性組分或載體；吸收了溶質(zhì)后的溶液則稱為吸收液?！?化工生產(chǎn)中的吸收操作1-1吸收操作的類型

吸收的工業(yè)應(yīng)用（1）分離混合氣體。是最主要的應(yīng)用。（2）氣體凈化。例如某廠放空氣體中含有有毒有害氣體A，不符合環(huán)境保護(hù)的排放標(biāo)準(zhǔn)，則選用合適溶劑將有害氣體吸收，使該廠放空氣體達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。（3）制備液體產(chǎn)品。例如用水吸收氯化氫氣體制備鹽酸，用93%硫酸吸收SO3制備硫酸等等。吸收過程的氣、液接觸方式

1-2吸收操作

吸收操作流程

通常的吸收過程都采用逆流操作，即液體從上到下，氣體從塔底通入，這樣可以保證全塔的平均推動(dòng)力最大，與傳熱時(shí)兩流體以逆流流動(dòng)的平均溫度差最大的原理相同。吸收操作效率高的條件：1．選擇合適的吸收劑；2．提供適宜的傳質(zhì)設(shè)備；3．吸收劑的再生。溶解度即在溫度T，總壓P和氣、液相組成共四個(gè)變量中，有三個(gè)自變量，另一個(gè)是它們的函數(shù)：§2氣液相平衡關(guān)系氣液平衡時(shí)，溶質(zhì)在單位液體體積或質(zhì)量中的溶解度稱為平衡溶解度，而溶質(zhì)在氣相中的分壓則稱為平衡分壓或飽和分壓。在平衡狀態(tài)下，溶質(zhì)組分在兩相中的濃度服從相平衡關(guān)系。

物質(zhì)量比的定義為：液相：氣相：式中：Y*A，XA——平衡狀態(tài)時(shí)，溶質(zhì)A在氣相、液相中的物質(zhì)的量的比；y*A，xA——平衡狀態(tài)時(shí)溶質(zhì)A在氣相中、液相中的摩爾分?jǐn)?shù)；p*A——溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓；cA——平衡狀態(tài)下溶質(zhì)A在液相中的物質(zhì)的量濃度。物質(zhì)的量比與摩爾數(shù)之間的關(guān)系：說明：(1)不同氣體的溶解度差異很大(2)對(duì)于稀溶液，有E是物性，通常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定?？蓮挠嘘P(guān)手冊(cè)中查得。E越大，表明溶解度越大，越易溶。E隨溫度變化而變化，一般地，T，E。

2-2亨利定律

p*A為溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓；E稱為亨利系數(shù)；xA為溶質(zhì)在溶液中所占的摩爾分率。亨利定律還可寫成：比例系數(shù)H愈大，表明同樣分壓下的溶解度愈大。H可稱為溶解度系數(shù)，cA為單位體積溶液中溶質(zhì)A的物質(zhì)的量濃度［mol·m-3］。亨利定律最常用的是下列形式：

m為相平衡常數(shù)（亦稱亨利常數(shù)），量綱為1。m是溫度與壓強(qiáng)的函數(shù)，易溶氣體m值小；難溶氣體m值大。亨利定律的其他形式：E越大，表明溶解度越小，E隨溫度變化而變化，T，E。m越大，表明溶解度越小，m隨溫度變化而變化，

T，m，P，m。若以比摩爾分?jǐn)?shù)表示吸收質(zhì)在氣、液兩相的濃度，則：代入：得：對(duì)于稀溶液，有：2-3相平衡與吸收過程的關(guān)系1.用相平衡判斷過程進(jìn)行的方向

吸收過程：如A1點(diǎn)，在平衡線的上方，yA>yA*，溶質(zhì)應(yīng)從氣相到液相。

解吸過程：如A2點(diǎn)，在平衡線的下方，yA*>yA，溶質(zhì)應(yīng)從液相到氣相。2．用相平衡確定過程進(jìn)行的極限在一定的溫度與壓力的條件下，當(dāng)氣、液傳質(zhì)達(dá)到平衡時(shí)，凈傳質(zhì)速率為零。在逆流操作時(shí)，含溶質(zhì)為yA，1的混合氣體從塔底送出，組成為Xa，2的吸收劑自塔頂淋下。塔很高，吸收劑用量很少，吸收液最終濃度XA，1也不會(huì)無限增大，其極值只與氣相濃度yA，1呈平衡的液相濃度xA，1*?！?吸收速率方程

吸收過程中吸收速率是指單位時(shí)間內(nèi)、在單位相際傳質(zhì)面積上被吸收的溶質(zhì)量。吸收速率可以表示為：3-1分吸收速率方程

分子擴(kuò)散——流體內(nèi)某一組分存在濃度差時(shí)，則由于分子運(yùn)動(dòng)使組分從濃度高處傳遞至濃度低處，這種現(xiàn)象稱為分子擴(kuò)散。費(fèi)克定律——單位時(shí)間通過單位面積物質(zhì)的擴(kuò)散量與濃度梯度成正比。1．兩相間有物質(zhì)傳遞時(shí)，相界面兩側(cè)各有一層極薄的靜止膜，傳遞阻力都集中在這里。

2．物質(zhì)通過雙膜的傳遞過程為穩(wěn)態(tài)過程，沒有物質(zhì)的積累。即，

總阻力=氣膜阻力+液膜阻力當(dāng)濃度很稀時(shí)，KX=cM+KLKX——以物質(zhì)的量比差表示的總推動(dòng)力的液相傳質(zhì)系數(shù)。當(dāng)kG＞＞Kl，為氣膜控制當(dāng)kG＜＜Kl，為液膜控制3.假定氣—液界面處無傳質(zhì)阻力，且界面處的氣—液組成達(dá)于平衡。填料與分離的物系性質(zhì)有關(guān)。某溶劑對(duì)某溶質(zhì)的溶解度越大，越易吸收，填料高度會(huì)越小。這與分子間的力有關(guān)，即物系的相平衡關(guān)系。與傳質(zhì)相界面的面積有關(guān)。單位體積填料提供的有效傳質(zhì)面積越大，達(dá)到相同分離要求的填料高度會(huì)越小。此即與填料的形狀有關(guān)。衡量填料形狀的因素，可用傳質(zhì)速率與傳質(zhì)系數(shù)表達(dá)。若物系相同，填料形狀亦相同，但處理的原料氣量（V）和原料氣的進(jìn)出口組成（y1和y2）不同，所以填料又與V，L，y1，y2，x1有關(guān)，此即與物料衡算有關(guān)。下面將分相平衡關(guān)系、傳質(zhì)速率、物料衡算等三個(gè)方面來展開吸收過程。

4-1吸收塔的物料衡算和操作線方程

對(duì)吸收塔作物料衡算。從塔頂畫衡算范圍得：

進(jìn)塔=出塔

上述兩式均可看作吸收塔的物料衡算方程，或稱為吸收塔操作線方程。操作線方程式與操作線

在逆流操作線內(nèi)任取一平面，M-N，從該面到頂部作物料衡算：同理，也可以從底部到所選平面做物料衡算；上述兩個(gè)方程都稱為吸收操作線方程。其斜率為塔內(nèi)的氣、液比，表明單位惰性氣體處理量mol與所選用吸收劑的量mol。該直線通過A，B兩點(diǎn)。平衡線為YA*=f（XA）

關(guān)于操作線：操作線的端點(diǎn)B表示塔底氣、液組成（XA,1，YA,1），相對(duì)與全塔，它是最高點(diǎn)，稱為濃端；A點(diǎn)表示塔頂氣液組成（XA,2，YA,2），是氣、液組成最低點(diǎn)，稱為稀端。操作線上任何一點(diǎn)表示對(duì)應(yīng)的氣、液兩相組成；如M點(diǎn)，它的YA-YA*表示氣相推動(dòng)力，XA*-XA表示液相推動(dòng)力。操作線與平衡線相距越遠(yuǎn)，傳質(zhì)推動(dòng)力越大。吸收操作線只與氣、液兩相的流量和組成有關(guān)，而與系統(tǒng)的平衡關(guān)系、操作溫度、壓強(qiáng)等因素?zé)o關(guān)。吸收操作位于平衡線的上方，解吸線位于平衡線的下方。

4-2吸收劑用量的確定，最小液氣比在一般的吸收計(jì)算中，是給定的。對(duì)于式當(dāng)qn，C下降，亦下降，表示塔底出口濃度上升。

不能再下降時(shí)的極限值，此時(shí)的液氣比稱為最小液氣比。4-3吸收塔塔徑的計(jì)算

塔徑的大小是由生產(chǎn)能力與氣體的空塔氣速所決定的；

4-4填料層高度基本計(jì)算式

對(duì)截面積為S，高為dH的微元填料層作物料衡算得:達(dá)到平衡時(shí)，氣體中溶質(zhì)的減少量等于液體中溶質(zhì)的增加量；并等于被吸收的溶質(zhì)量。

對(duì)上式進(jìn)行積分可得：

I

II

上式為計(jì)算填料的基本方程式。

α為單位體積填料內(nèi)有效接觸面積。因其不易求解，常將之與KX及KY的乘積進(jìn)行計(jì)算，稱為總體積吸收系數(shù)傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)其中的單位是M稱為傳質(zhì)單元高度，用表示HoG。HOG==填料層高度=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)=

傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算

1.對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法當(dāng)平衡線為直線時(shí)，因操作線也是直線，操作線與平衡線在任何一截面上的垂直距離與YA顯線性關(guān)系，于是。為過程的氣相平均推動(dòng)力，等于吸收塔兩端以氣相組成差表示的對(duì)數(shù)平均值。

2．?dāng)?shù)學(xué)分析法

其實(shí)質(zhì)是一種解析積分法，當(dāng)平衡線過原點(diǎn)時(shí)，逆流吸收塔的操作方程為：

式中：為解吸因數(shù)，它對(duì)確定吸收塔的尺寸具有重要意義，一般它都小于1，在0.7-0.8之間。

同理得：式中：為吸收因數(shù)，吸收因數(shù)值愈大，愈有利于吸收過程的進(jìn)行。3.圖解積分法

當(dāng)平衡線為曲線時(shí)，一般用下列二式求算填料層高度H：傳質(zhì)單元數(shù)和只能用圖解積分法求解。

圖形積分的步驟：繪出平衡線與操作線由操作線和平衡線求出若干點(diǎn)與YA對(duì)應(yīng)的YA-YA*，計(jì)算對(duì)應(yīng)的1/YA-YA*以YA為橫座標(biāo)，1/YA-YA*為縱座標(biāo)作圖，求出曲線下的面積，就是NOG。吸收與解吸

為溶解、吸收

為