吸收概述及相平衡關(guān)系

1、氣體吸收概述氣體吸收概述 & 相平衡原理相平衡原理Introduction of Gas Adsorption & Gas-Liquid Equlibrium氣體吸收氣體吸收主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容一一.氣體吸收概述氣體吸收概述1. 一般介紹一般介紹2. 吸收過程吸收過程三三.氣液相平衡原理氣液相平衡原理1.相律相律2.氣液相平衡關(guān)系氣液相平衡關(guān)系3. 吸收劑的選擇吸收劑的選擇作業(yè)：習(xí)題8-1四四. 例題例題二二.吸收設(shè)備吸收設(shè)備一一.氣體吸收概述氣體吸收概述1. 一般介紹一般介紹吸收過程在化工生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。吸收過程在化工生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用。2. 吸收過程吸收過程a

2、. 氣液接觸方式：逐級接觸、連續(xù)微分接觸氣液接觸方式：逐級接觸、連續(xù)微分接觸b. 吸收操作流程：并流、逆流吸收操作流程：并流、逆流c. 吸收過程示例吸收過程示例3. 吸收劑的選擇吸收劑的選擇1）溶解度大）溶解度大2）選擇性好）選擇性好3）操作溫度下的蒸汽壓低，不易揮發(fā)）操作溫度下的蒸汽壓低，不易揮發(fā)4）粘度低）粘度低5）再生容易）再生容易6）盡可能無毒、不易燃、腐蝕性小、價(jià)格低廉）盡可能無毒、不易燃、腐蝕性小、價(jià)格低廉二二.吸收設(shè)備吸收設(shè)備氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類：氣液傳質(zhì)設(shè)備的分類：按接觸方式可分為連續(xù)（微分）接觸式（按接觸方式可分為連續(xù)（微分）接觸式（填料塔填料塔）和逐級接觸式（和逐級接觸式（板

3、式塔板式塔）兩大類）兩大類在吸收和蒸餾操作中應(yīng)用極廣在吸收和蒸餾操作中應(yīng)用極廣 。填料塔填料塔在圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，在圓柱形殼體內(nèi)裝填一定高度的填料，液體液體: : 經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料層頂部上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流經(jīng)填料層依靠重力作用沿填料表面自上而下流經(jīng)填料層后自塔底排出；后自塔底排出；氣體氣體: : 則在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過填料層的空隙，由則在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過填料層的空隙，由塔的一端流向另一端。塔的一端流向另一端。氣液在氣液在填料表面填料表面接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，兩相的組成沿塔高連續(xù)變化。兩相的組成沿塔高

4、連續(xù)變化。 溶劑填料塔氣體散裝填料散裝填料塑料鮑爾環(huán)填料塑料鮑爾環(huán)填料規(guī)整填料規(guī)整填料 塑料絲網(wǎng)波紋填料塑料絲網(wǎng)波紋填料 散裝填料塑料階梯環(huán)填料散裝填料金屬環(huán)矩鞍填料板式塔板式塔在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設(shè)置若在圓柱形殼體內(nèi)按一定間距水平設(shè)置若干層塔板，液體靠重力作用自上而下流干層塔板，液體靠重力作用自上而下流經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保經(jīng)各層板后從塔底排出，各層塔板上保持有一定厚度的流動(dòng)液層；氣體則在壓持有一定厚度的流動(dòng)液層；氣體則在壓強(qiáng)差的推動(dòng)下，自塔底向上依次穿過各強(qiáng)差的推動(dòng)下，自塔底向上依次穿過各塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液塔板上的液層上升至塔頂排出。氣、液在塔內(nèi)逐板接觸

5、進(jìn)行質(zhì)、熱交換，故兩在塔內(nèi)逐板接觸進(jìn)行質(zhì)、熱交換，故兩相的組成沿塔高呈階躍式變化。相的組成沿塔高呈階躍式變化。板式塔板式塔溶劑溶劑氣體氣體DJ DJ 塔盤塔盤 新型塔板、填料新型塔板、填料2）一定溫度下，氣體溶）一定溫度下，氣體溶解度隨氣相分壓增加而解度隨氣相分壓增加而增大；增大；3）稀溶液的溶解度曲線為直線。）稀溶液的溶解度曲線為直線。1.氣液相平衡關(guān)系氣液相平衡關(guān)系a. 溶解度曲線溶解度曲線1）同樣溫度、壓力下，）同樣溫度、壓力下，不同物質(zhì)的溶解度不同；不同物質(zhì)的溶解度不同；加壓對吸收過程有利。加壓對吸收過程有利。二二.氣液相平衡原理（氣液相平衡原理（265頁頁）隨溫度的升高，氣相濃度增加

6、，液相濃度降低。b. 亨利定律亨利定律稀溶液的溶解度關(guān)系可以用稀溶液的溶解度關(guān)系可以用Henry定律表示：定律表示：*ApE x式中，式中，*:AAApEHenryx溶質(zhì) 在溶液表面的平衡分壓；：系數(shù)；：溶質(zhì) 在溶液中的摩爾分?jǐn)?shù)實(shí)驗(yàn)證明實(shí)驗(yàn)證明:a）對稀溶液而言，）對稀溶液而言，E只是溫度的函數(shù)，溫度上升，只是溫度的函數(shù)，溫度上升，E增加，溶解度下降；增加，溶解度下降；b）難溶氣體的）難溶氣體的E大，易溶氣體的大，易溶氣體的E小。小。c. Henry 定律的其他形式定律的其他形式a)p-c關(guān)系關(guān)系* /AAAAcH ppcH或 b)y-x關(guān)系關(guān)系 AAym xH稱為溶解度系數(shù)，稱為溶解度系數(shù)，

7、kmol/(m3Pa)m為相平衡常數(shù)，無量綱為相平衡常數(shù)，無量綱c)Y-X關(guān)系關(guān)系隨著吸收過程的進(jìn)行，氣相的總摩爾量下降，液相隨著吸收過程的進(jìn)行，氣相的總摩爾量下降，液相總摩爾量增加；氣相惰性組分和吸收劑的量可以認(rèn)總摩爾量增加；氣相惰性組分和吸收劑的量可以認(rèn)為不變，因此在吸收計(jì)算中一般采用摩爾比。為不變，因此在吸收計(jì)算中一般采用摩爾比。11 1111 (1)AAAAAAAAAAYXXmYXYm Xm XYmX 11AAAAAAYXyxYX當(dāng)溶液濃度很稀時(shí)，分母中的（當(dāng)溶液濃度很稀時(shí)，分母中的（1-m）XA項(xiàng)可以忽略，有：項(xiàng)可以忽略，有：AAYm Xd.平衡關(guān)系式的轉(zhuǎn)換平衡關(guān)系式的轉(zhuǎn)換課下自行推

8、導(dǎo)如下平衡常數(shù)間的關(guān)系：課下自行推導(dǎo)如下平衡常數(shù)間的關(guān)系：EH, Em, 。e. 吸收過程的方向、推動(dòng)力和極限吸收過程的方向、推動(dòng)力和極限氣液相平衡時(shí)，相間凈傳質(zhì)為零，據(jù)此可以確定吸收氣液相平衡時(shí)，相間凈傳質(zhì)為零，據(jù)此可以確定吸收過程的方向、極限。過程的方向、極限。a）吸收過程的方向：趨向氣液平衡）吸收過程的方向：趨向氣液平衡當(dāng)當(dāng)yAyA*（或（或 xA*xA）時(shí)，即氣相溶質(zhì)濃度）時(shí)，即氣相溶質(zhì)濃度大于與液相溶質(zhì)濃度相平衡的氣相溶質(zhì)濃度時(shí)，大于與液相溶質(zhì)濃度相平衡的氣相溶質(zhì)濃度時(shí)，溶質(zhì)從氣相被液相吸收溶質(zhì)從氣相被液相吸收,為吸收過程。為吸收過程。相反為解吸過程。相反為解吸過程。b） 吸收過程的

9、推動(dòng)力：吸收過程的推動(dòng)力：yA yA yA*（或（或 x x xA*xA）c） 吸收過程的極限：達(dá)到氣液相平衡，即吸收過程的極限：達(dá)到氣液相平衡，即yAyA*（或（或 xA*xA）由于相間傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，采用由于相間傳質(zhì)過程的復(fù)雜性，采用數(shù)學(xué)模型法數(shù)學(xué)模型法處理。處理。介紹簡單、實(shí)用的介紹簡單、實(shí)用的雙膜理論模型雙膜理論模型。模型要點(diǎn)：模型要點(diǎn)：ZP p pi C ci c相界面相界面氣膜氣膜液膜液膜氣相主體氣相主體液相主體液相主體GL 在相界面兩側(cè)，分別存在在相界面兩側(cè)，分別存在 呈層流流動(dòng)的氣膜、液膜，呈層流流動(dòng)的氣膜、液膜， 其厚度隨流體流動(dòng)狀態(tài)變其厚度隨流體流動(dòng)狀態(tài)變 化，溶質(zhì)連續(xù)通

10、過兩膜；化，溶質(zhì)連續(xù)通過兩膜； 相界面溶解阻力很小，認(rèn)為相界面溶解阻力很小，認(rèn)為 氣、液在此達(dá)相平衡狀態(tài)；氣、液在此達(dá)相平衡狀態(tài)； 兩膜以外的氣、液相主體充分湍流，無濃度梯度。兩膜以外的氣、液相主體充分湍流，無濃度梯度。ZP p pi C ci c相界面氣膜液膜氣相主體液相主體GL雙膜理論的局限性：雙膜理論的局限性： 由于流體湍流擾動(dòng)（尤其在板式塔中），不可能保持固由于流體湍流擾動(dòng)（尤其在板式塔中），不可能保持固 定的相界面；定的相界面； 沒有考慮氣、液兩相的相互影響。沒有考慮氣、液兩相的相互影響。G虛擬滯流層（或稱有效膜），全部傳質(zhì)推動(dòng)力虛擬滯流層（或稱有效膜），全部傳質(zhì)推動(dòng)力(p-pi)，

11、 即全部阻力都集中在有效膜內(nèi)。即全部阻力都集中在有效膜內(nèi)。這可以按有效膜內(nèi)的分子擴(kuò)散速率寫出有氣相到相界面的對這可以按有效膜內(nèi)的分子擴(kuò)散速率寫出有氣相到相界面的對流擴(kuò)散速率關(guān)系，即流擴(kuò)散速率關(guān)系，即)(RiBMGGApppTPDN同樣，對液相側(cè)同樣，對液相側(cè)如以傳熱中如以傳熱中Newton冷卻定律的形式表述，則冷卻定律的形式表述，則)(iLAcckN氣膜氣膜液膜液膜)(iGAppkN)(RiBMLLAcccTCDN)(iLAcckN)(iGAppkNkL液液相對流傳質(zhì)分系數(shù)（以液膜兩端濃度差為推動(dòng)相對流傳質(zhì)分系數(shù)（以液膜兩端濃度差為推動(dòng) 力），力），kL=DLC/(L cBM ) ，m/skG

12、氣相對流傳質(zhì)分系數(shù)（以氣膜兩端分壓差為推動(dòng)氣相對流傳質(zhì)分系數(shù)（以氣膜兩端分壓差為推動(dòng) 力），力），kG=DGP/(RTG pBM) ，kmol/m2.s.kpa 提出有效膜概念后，可以用分子擴(kuò)散速率方程描述對流提出有效膜概念后，可以用分子擴(kuò)散速率方程描述對流 擴(kuò)散速率，但是由于擴(kuò)散速率，但是由于G與與L是虛擬量是虛擬量難以確定，所難以確定，所 以以kG 、 kL不能由定義式算出不能由定義式算出 可以像在傳熱中處理可以像在傳熱中處理一樣，實(shí)驗(yàn)測定一樣，實(shí)驗(yàn)測定kG 、 kL ，歸納成，歸納成 經(jīng)驗(yàn)式。經(jīng)驗(yàn)式。另僻新徑另僻新徑相間傳質(zhì)。相間傳質(zhì)。 但是，與但是，與不同（導(dǎo)熱壁分開），不同（導(dǎo)熱壁分

13、開）， kG 、 kL由多由多變的相截面分開，有交互作用，難以測定變的相截面分開，有交互作用，難以測定iALiLi()()()ccNkcckCkxxxCCiAGi()()()GtittppNkppkPkyyyPP前已述及，氣液濃度通常采用摩爾分率表示，有：前已述及，氣液濃度通常采用摩爾分率表示，有：有：有：GtkykP同樣：同樣：有：有：LkxkC氣、液相傳質(zhì)速率方程：氣、液相傳質(zhì)速率方程：阻力推動(dòng)力阻力推動(dòng)力LiiLAGiiGA/1)(/1)(kcccckNkppppkN其中界面組成其中界面組成 pi、ci 難以測定，下面用雙膜理論模型處理。難以測定，下面用雙膜理論模型處理。 Henry定律

14、適于氣、液相平衡的情況定律適于氣、液相平衡的情況據(jù)相平衡知識據(jù)相平衡知識 p*=c/H據(jù)雙膜模型要點(diǎn)據(jù)雙膜模型要點(diǎn)pi=ci/H代入液相傳質(zhì)速率方程式代入液相傳質(zhì)速率方程式NA=kL(ci-c)=kLH(pi-p*)在穩(wěn)態(tài)下在穩(wěn)態(tài)下iGA*iLAppkNppHkN兩式相加兩式相加GL*A11kHkppNKG氣相傳質(zhì)總系數(shù)，氣相傳質(zhì)總系數(shù)，kmol/m2.s.kpaKL液液相傳質(zhì)總系數(shù)，相傳質(zhì)總系數(shù)，m/sKG=HKL NA=KG(p-p*)LGL11kkHKGLG1 11kkHK令得總傳質(zhì)速率方程式得總傳質(zhì)速率方程式同理同理 NA=KL(c*-c) 總傳質(zhì)速率方程的分析總傳質(zhì)速率方程的分析 傳

15、質(zhì)推動(dòng)力的圖示傳質(zhì)推動(dòng)力的圖示HcpcckNppkN/)()(iiiLAiGAGLiikkccpp由點(diǎn)由點(diǎn)(p,c)已知已知 kL,kGpi,ciNAA平衡線平衡線pc-kL/kGppic ci氣膜液膜平衡線平衡線pcAPp*c c*氣相液相HcpccKNppKN/)()(*LA*GA 平衡線上方的平衡線上方的A A點(diǎn)離平衡線近點(diǎn)離平衡線近總推動(dòng)力總推動(dòng)力由氣由氣 到液到液; ; A A點(diǎn)在平衡線上點(diǎn)在平衡線上總推動(dòng)力總推動(dòng)力=0;=0; A A點(diǎn)在平衡線下方點(diǎn)在平衡線下方總推動(dòng)力總推動(dòng)力00傳質(zhì)由液到氣。傳質(zhì)由液到氣。 傳質(zhì)阻力與過程的控制步驟傳質(zhì)阻力與過程的控制步驟LGLLGG11111k

16、kHKHkkK已知已知與與(p-p*)對應(yīng)的總阻力對應(yīng)的總阻力 1/KG 氣膜阻力氣膜阻力 1/kG 液膜阻力液膜阻力 1/HkL與與(c*-c)對應(yīng)的總阻力對應(yīng)的總阻力 1/KL 氣膜阻力氣膜阻力 H/kG 液膜阻力液膜阻力 1/kL 其中其中kG 、kL對一定設(shè)備變化范圍不大（對一定設(shè)備變化范圍不大（10-410-5左右），左右）， 但溶解度系數(shù)但溶解度系數(shù)H對不同物系相差很大。對不同物系相差很大。 溶解度很大的氣體溶解度很大的氣體易溶氣體，如水吸收易溶氣體，如水吸收NH3、HCl等，等， 其其H很大很大1/HkL1/kGKGkG氣膜阻力控制。氣膜阻力控制。xyy*yAii*GyiyiGi

17、GA11)(,)()()(kmkKyyKNmxymxyPkkyykPpPpPkppkNKx=mKy 以上總傳質(zhì)系數(shù)式僅適于平衡線服從以上總傳質(zhì)系數(shù)式僅適于平衡線服從Henry定律定律(直線直線)的情的情 況，如為曲線，則通常采用分傳質(zhì)系數(shù)和界面濃度計(jì)算。況，如為曲線，則通常采用分傳質(zhì)系數(shù)和界面濃度計(jì)算。xyx*xAii*LxixiLiLA111)(,)()()(kmkKxxKNmxymxyCkkxxkCcCcCkcckN 溶解度很小的氣體溶解度很小的氣體難溶氣體，如水吸收難溶氣體，如水吸收O2、CO2等，等， 其其H很小很小 H/kG 1/kLKLkL液膜阻力控制。液膜阻力控制。 控制步驟的確

18、定為強(qiáng)化過程提供了依據(jù)。控制步驟的確定為強(qiáng)化過程提供了依據(jù)。 以摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的傳質(zhì)速率方程以摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的傳質(zhì)速率方程工程上常以摩爾分?jǐn)?shù)表示濃度，下面作轉(zhuǎn)換。工程上常以摩爾分?jǐn)?shù)表示濃度，下面作轉(zhuǎn)換。20濃度為濃度為0.02(摩爾分率摩爾分率)的稀氨水平衡分壓為的稀氨水平衡分壓為1.666kPa，氨水上方的總壓強(qiáng)為，氨水上方的總壓強(qiáng)為2.026105Pa(絕對絕對)。試求：。試求： 氨的氨的Henry系數(shù)系數(shù)E、H和和m各為多少？各為多少？ 若氨水濃度、上方總壓與上例相同，而氨水溫度升至若氨水濃度、上方總壓與上例相同，而氨水溫度升至50，已知此時(shí)氨水上方氨平衡分壓為，已知此時(shí)氨水上方

19、氨平衡分壓為5.838kPa，各，各Henry系數(shù)有何變化？系數(shù)有何變化？例題：例題：解：解：由由pe=Ex可得：可得：E=pe/x=1.666/0.02=83.3kPa 取取1kmol氨水為基準(zhǔn)，其中含氨水為基準(zhǔn)，其中含0.98kmol水和水和0.02kmol氨，氨，總摩爾體積為：總摩爾體積為：kmol/m02. 098. 03NHOH32MMV氨水的總摩爾濃度為氨水的總摩爾濃度為:3NHOHMkmol/m6 .551702. 01898. 0100002. 098. 0132MMVc氨的摩爾濃度氨的摩爾濃度 c=cMx由由pe=c/H可得：可得：kN.m/kmol5 . 16 .553 .

20、831MMeecExcpcpHH=0.667 kmol/kN.m氣相中氨的摩爾分率為：氣相中氨的摩爾分率為：353NH1022. 810026. 210666. 13Ppy41. 002. 01022. 83xym或或41. 010026. 2103 .8353PEm 若氨水濃度、上方總壓與上例相同，而氨水溫度升至若氨水濃度、上方總壓與上例相同，而氨水溫度升至50，已知此時(shí)氨水上方氨平衡分壓為，已知此時(shí)氨水上方氨平衡分壓為5.838kPa，各，各Henry系數(shù)有何變化？系數(shù)有何變化？根據(jù)定義可得：根據(jù)定義可得：kPa9 .29102. 010838. 53NH3xpEkmol/kN.m190.

21、 09 .2916 .55MEcH88. 23 .1019 .291PEm Henry系數(shù)系數(shù)E、H只取決于溫度，而相平衡常數(shù)只取決于溫度，而相平衡常數(shù)m還與總還與總壓強(qiáng)有關(guān)。因此，當(dāng)提到壓強(qiáng)有關(guān)。因此，當(dāng)提到m時(shí)，必須指明系統(tǒng)的總壓強(qiáng)時(shí)，必須指明系統(tǒng)的總壓強(qiáng) 由氣液相平衡關(guān)系和物料衡算關(guān)系聯(lián)立求解，可求出由氣液相平衡關(guān)系和物料衡算關(guān)系聯(lián)立求解，可求出CO2在水中的極限濃度和剩余氣體總壓。在水中的極限濃度和剩余氣體總壓。在常壓在常壓(101.3kPa)和和25下，下，1m3CO2 -空氣混合氣體空氣混合氣體(CO2體體積分率為積分率為20%)與與1m3清水在清水在2m3的密閉容器中接觸傳質(zhì)。的

22、密閉容器中接觸傳質(zhì)。假設(shè)空氣不溶于水中，試求假設(shè)空氣不溶于水中，試求CO2在水中的極限濃度在水中的極限濃度(摩爾分摩爾分率率)及剩余氣體的總壓及剩余氣體的總壓。 已知操作條件下氣液平衡關(guān)系服從已知操作條件下氣液平衡關(guān)系服從Henry定律，定律，Henry系數(shù)系數(shù)E=1.662105kPa。解：解：氣液平衡方程：氣液平衡方程：p*=1.662105x 物料衡算：物料衡算：氣相中失去的氣相中失去的CO2為：為：)2 . 0(*1pPRTVn液相中獲得液相中獲得CO2為：為：xxxcVn56.551181000L2則則 0.00818-0.0000404p*=55.56x 聯(lián)立、，可得：聯(lián)立、，可得