化工原理吸收

第2章吸收一、吸收及其依據(jù)1、吸收：2、吸收依據(jù)：分離氣體混合物的傳質(zhì)單元操作。各組份在液相中的溶解度不同。二、吸收過程吸收質(zhì)（溶質(zhì)）A；惰性組分（載體）B；吸收劑（溶劑）S；吸收液（A＋S）；尾氣B＋A。三、應(yīng)用1、分離氣體混合物，獲得某一組分；2、凈化氣體；3、制備溶液。四、吸收分類1、物理吸收；2、化學(xué)吸收；3、單組分吸收；4、多組分吸收；5、等溫吸收；6、非等溫吸收。五、吸收機理1、方向與限度取決于平衡關(guān)系氣pAA＋B液xASApA>pA*時pA*與xA呈平衡2、與蒸餾比較1）同為分離均相物系的氣－液傳質(zhì)操作；2）第二個物系蒸餾：產(chǎn)生氣相直接得A、B。吸收：外界引入氣相不能直接得A、B，需二次分離。3）蒸餾：雙向傳質(zhì)吸收：單相傳質(zhì)B、S停滯組份。六、脫吸：當(dāng)pA>pA*時，進(jìn)行著吸收逆過程－脫吸。2.1氣體吸收的相平衡關(guān)系2.1.1氣體的溶解度一、溶解度：A、BSACA*T、P一定，氣體在液體中的飽和濃度。表明吸收過程可能達(dá)到的極限程度。二、溫度對溶解度的影響單組份、組分?jǐn)?shù)C＝3、（A、B、S）、相數(shù)Φ＝2。相律：F＝C－Φ＋2＝3－2＋2＝3CA*＝f(t、P總、PA）低壓下,t一定CA*＝f(PA）三、不同氣體溶解度差異（同一溶劑）舉例：NH3、SO2、O2在水中的溶解度與pA*之間關(guān)系。溶液濃度一定，易溶氣體pA*難溶氣體pA*同種溶質(zhì)，T而溶解度結(jié)論：加壓、降溫對吸收有利。2.1.2亨利定律一、亨利(Henry)定律P總不高，T一定，p*=Ex(2-1)說明：1、p*、x、E（亨利系數(shù)，壓強單位）xp*實際濃度平衡分壓2、適用于t一定，理想溶液。E為該t下純?nèi)苜|(zhì)p°;3、用于難溶、較難溶氣體（或易溶稀溶液）；4、難溶氣體，E為常數(shù)；5、E由實驗測定，查手冊（P78）；6、E＝f（T），TE（即TCA*),因此,難溶E,而易溶E二、Henry定律的其它形式1、說明：①C為體積摩爾濃度［kmol/m3]；②H為溶解度系數(shù)[kmol/kN.m］；③H～E關(guān)系：推導(dǎo)：1m3：溶質(zhì)［kmol/m3]溶劑則④H=f（T）TH易溶H難溶H2、y*=mx(2-5)說明：①m相平衡常數(shù)，無因次；②m～E：與y*=mx比較：③m實驗值m=f(T)TP總m(x)不利。3、B、S摩爾量不變（基準(zhǔn)）代入y*=mx：低濃度：XYp*=Ex(2-1)y*=mx(2-5)2.1.3吸收劑的選擇1、溶解度；2、選擇性；3、揮發(fā)度；4、粘性；5、其它。2.1.4相平衡關(guān)系在吸收過程中的應(yīng)用1、判斷傳質(zhì)進(jìn)行的方向傳質(zhì)方向為：氣相液相吸收反之，傳質(zhì)方向為：液相氣相脫收總之，溶質(zhì)傳遞的方向是趨于平衡的方向。2、確定傳質(zhì)的推動力3、指明傳質(zhì)過程進(jìn)行的極限2.2吸收機理與吸收速率吸收glA擴散分子擴散渦流擴散:流體分子無規(guī)則的熱運動而傳遞物質(zhì)。（靜止或滯流）：靠流體質(zhì)點的湍動和旋渦而傳遞物質(zhì)的。（湍流）2.2.1分子擴散與菲克（Fick）定律一、分子擴散1、概念在單相內(nèi)部有濃度差的條件下，分子的無規(guī)則熱運動而造成的物質(zhì)傳遞現(xiàn)象。簡稱擴散。2、舉例AB傳遞方向：A、B各自沿著濃度降低的方向傳遞。推動力：濃度差。二、菲克（Fick）定律JA－物質(zhì)A在Z方向上的擴散通量，kmol/(m2.s);－A的濃度梯度，kmol/m4;DAB－物質(zhì)A在介質(zhì)B中的分子擴散系數(shù)。負(fù)號－表明擴散是沿著物質(zhì)A濃度降低的方向進(jìn)行的。A、B在Z方向互為相反值：而且，根據(jù)Fick定律：作業(yè)：P150－1、22.2.2氣相中的穩(wěn)定分子擴散一、等分子反向擴散pA1

>pA2,pB2

>pB1兩容器T、P相同。精餾傳遞速率NA：在任意固定的空間位置上，單位時間通過單位面積的物質(zhì)量A［kmol/m2.s]。NA不涉及傳遞形式。推導(dǎo)NA計算式：1、現(xiàn)象2、傳遞速率NA(傳質(zhì)速率）NA＝JA穩(wěn)定過程，NA為常數(shù)。因而也是常數(shù)，故pA～Z為直線關(guān)系。（2－15）0pA1ZpA2二、一組分通過另一停滯組分的擴散1、過程分析①JA＝－JB（分子擴散）②總體流動：A、B兩種物質(zhì)并行的遞補運動。③單向擴散與等分子反向擴散的區(qū)別等分子反向擴散：NA＝JA單向擴散：NA＝JA＋總體流動2、NA計算式N－總體流動的通量，［A、B總物質(zhì)量／m2.s］；其中，A、B的通量各為：若擴擴散散在在氣氣相相：：積分分:0zpB1pB2解得得：：故則：：式中中：：1、、2兩兩截截面面上上物物質(zhì)質(zhì)B分分壓壓的的對對數(shù)數(shù)平平均均值值，，kpa。。－漂流流因數(shù)數(shù)，無無因次次。說明：：①與(2-16)比比較,多P/PBm,使NA(pB)③(2-16)式式適于于精餾餾；（（2－20））式適適于吸吸收。。pAP≈pBm總體流流動≈0②pA2.2.3液液相相中的的穩(wěn)定定分子子擴散散2.2.4擴擴散系系數(shù)一、D物物理意意義單位濃濃度梯梯度下下的擴擴散通通量。。反映映某組組分在在介質(zhì)質(zhì)中擴擴散的的快慢慢。二、復(fù)復(fù)雜之之處①至至少有有兩種種物質(zhì)質(zhì),有有多種種配合合方式式；②隨隨溫度度變化化較大大；③與與總壓壓（氣氣體））或濃濃度（（液體體）有有關(guān)；；④文文獻(xiàn)中中數(shù)據(jù)據(jù)不全全，應(yīng)應(yīng)用時時常估估算。。三、擴擴散系系數(shù)D（（P90）2.2.5對對流傳傳質(zhì)1、渦渦流擴擴散憑籍流流體質(zhì)質(zhì)點的的湍動動和旋旋渦來來傳遞遞物質(zhì)質(zhì)的現(xiàn)現(xiàn)象。。式中：：D——分分子子擴散散系數(shù)數(shù)，m2／s；；DE一渦渦流擴擴散系系數(shù)，，m2／s；；dcA/dz一一沿沿z方方向的的濃度度梯度度，kmol／／m4；J——擴擴散通通量，，kmol／(m2·s)。DE不是物物性，，與湍湍動程程度有有關(guān)。。2、對對流傳傳質(zhì)氣相：：液相：：作業(yè)：：復(fù)習(xí)習(xí)所講講。2.2.6吸吸收過過程的的機理理1、雙雙膜理理論(1)目的的：建建立傳傳質(zhì)速速率方方程。。(2)雙膜膜理論論①傳質(zhì)過程程②雙膜理論論基本論點點：1）相界面面，滯流膜膜層，分子子擴散；2）相界面面處達(dá)于平平衡；3）流體主主體為湍流流，膜層內(nèi)存在在也稱雙阻力力理論。吸收為通過過兩膜層的的傳質(zhì)。2.2.7吸吸收速率方方程式1)吸收收速率NA：單位相際際傳質(zhì)面積積上，單位位時間內(nèi)吸吸收的溶質(zhì)質(zhì)量。2)NA所能解決的的問題：1）一定吸吸收任務(wù)，，所需設(shè)備備尺寸；2）核算混混合氣體通通過指定設(shè)設(shè)備所能達(dá)達(dá)到的吸收收程度。3)吸收收速率方程程式：濃度差1／吸收系系數(shù)吸收速率＝＝吸收收系數(shù)×推動力4)膜吸吸收速率（（指單一相相）N氣膜N液膜穩(wěn)定操作：：N氣膜＝N液膜氣膜吸收速速率N氣膜＝氣膜吸收收系數(shù)（ｋｋ）×推動力液膜吸收速速率N液膜＝液膜吸收收系數(shù)（ｋｋ）×推動力1、氣膜吸吸收速率方方程式氣相主體相界面一定條件下下：故令：(1)kG—氣膜吸收收系數(shù)，kmol/(m2.s.kpa)1／kG為氣膜阻力力，＊1／kG與（p-pi)相對應(yīng)。。(2)氣相相組成以摩摩爾分率表表示時：y-溶質(zhì)A在氣相主主體中的摩摩爾分率；；yi-溶質(zhì)A在在相界面處處的摩爾分分率。(3)kG～ky關(guān)系P總壓不高時，p=Py及及pi=Pyiky=PkG(2-35)ky-氣膜吸收收系數(shù)［［kmol/(m2.s)]1／ky為氣膜阻力力，＊1／ky與（y-yi)相對應(yīng)。。2、液膜吸吸收速率方方程式令kL—液膜吸收收系數(shù)，kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。1／kL為液膜阻力力，＊1／kL與（ci-c)相對對應(yīng)。(1)(2)液相相組成以摩摩爾分率表表示時：(3)kL～kx關(guān)系因為kx—液膜吸收收系數(shù)，kmol/(m2.s)1／kx為液膜阻力力，＊1／kx與（xi-x)相對對應(yīng)。3、界面濃濃度(1)界面面處氣液濃濃度符合平平衡關(guān)系；；(2)穩(wěn)定定情況下：：液相濃度氣相分壓oEpcA斜率Icipi4、總吸收收系數(shù)及其其相應(yīng)的吸吸收速率方方程式(3)求出出界面濃度度(1）為避避開界面濃濃度，仿效效間壁傳熱熱的處理方方法。用主體濃度度差表示推推動力。(2）與傳傳熱不同點點：p與x不能相減減，即使y與x也不不能相減。。(3）吸收收過程的總總推動力＝＝任一相主主體濃度與與平衡濃度度差。1)以(p-p*)表示示總推動力力的吸收速速率方程式式p*與c成成平衡，，p為氣相主主體分壓。。若系統(tǒng)服從從亨利定律律：根據(jù)雙膜理理論：氣相速率方方程式改寫成兩式相加，，得：令則說明：①KG氣相總吸收收系數(shù)[kmol/m2.s.kpa];②(p-p*)為總總推動力；；③1/KG為總阻力,由1/kL、1／kG兩部分；④易溶氣體體H當(dāng)kL≈kG時則KG≈kG氣膜控制氣膜控制(看圖)：：氣膜控制液膜控制2)以（（c*-c）表示總總推動力的的吸收速率率方程式c*與p成成平衡，若系統(tǒng)服從從亨利定律律：將上兩式代代入則說明：①KL液相總吸收收系數(shù)[kmol/m2.s.kmol/m3];②(p-p*)為總總推動力；；也稱液相總吸收收速率方程程式；③1/KL為總阻力,由1/kL、H／kG兩部分；④難溶氣體體H當(dāng)kL≈kG時則KL≈kL⑤液膜控制制，（看圖圖）中等溶解度度的氣體吸吸收過程，，氣膜阻力力與液膜阻阻力均不可可忽略。3)以（（Y-Y＊）表示總總推動力力的吸收收速率方方程式若操作總總壓P，則p=Py又知故同理（Y＊與X成平平衡）簡化：令則說明：①KY氣相總吸吸收系數(shù)數(shù)[kmol/m2.s]；；②(Y-Y*)為總推推動力；；也稱氣相總吸吸收速率率方程式式；③1/KY為總阻力力,為兩兩膜總阻阻力；④當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)在氣相相中濃度度很小時時，Y和Y＊都很小，，于是KY≈KGP4)以以（X＊-X）表表示總推推動力的的吸收速速率方程程式（X＊與Y成平平衡）又知故同理代入簡化：令則說明：①KX液相總吸吸收系數(shù)數(shù)[kmol/m2.s]；；②(X*－X）為為總推動動力；也也稱液相總吸吸收速率率方程式式；③1/KX為總阻力力,為兩兩膜總阻阻力；④當(dāng)溶質(zhì)質(zhì)在液相相中濃度度很小時時，X＊和X都都很小小，于是KX≈KLC5、小小結(jié)1、兩類類吸收速速率方程程式膜系數(shù)相相對應(yīng)的的速率式式總系數(shù)相相對應(yīng)的的速率式式膜吸收速速率方程程式方程式吸收系數(shù)數(shù)膜系數(shù)：：kG［kmol/(m2.s.kpa)］推動力kL［kmol/(m2.s.kmol/m3)或m/s。］］ky［kmol/(m2.s)]Kx［kmol/(m2.s)］］總吸收速速率方程程式總系數(shù)：：KG[kmol/m2.s.kpa]KL[kmol/m2.s.kmol/m3];KY[kmol/m2.s]KX[kmol/m2.s]2、任何何系數(shù)的的單位都都是［kmol/(m2.s.單位推動動力］；3、推動動力與阻阻力對應(yīng)應(yīng)關(guān)系：：例：表示總推推動力時時，1／kG為氣膜阻阻力，1/HkL為液膜阻阻力。表示總推推動力時時，1/kL為液膜阻阻力。H／kG為氣膜阻阻力，4、膜系系數(shù)與總總系數(shù)之之間關(guān)系系5、吸收收速率方方程式適適用于，，穩(wěn)定吸吸收的吸吸收塔內(nèi)內(nèi)任意截截面上（（不是全全塔）。。在整個吸吸收過程程所涉及及的濃度度范圍內(nèi)內(nèi)，平衡衡關(guān)系為為直線。。作業(yè)：P151－7、82.3吸吸收塔塔的計算算實現(xiàn)傳質(zhì)質(zhì)過程板式塔填料塔：氣液逐逐級接觸觸；：氣液連連續(xù)接觸觸。一、填料料塔二、填料料1、拉西西環(huán)2、槽鞍鞍填料3、金屬屬鮑耳環(huán)環(huán)4、塑料料鮑耳環(huán)環(huán)5、金屬屬環(huán)聚鞍鞍6、規(guī)整整填料三、塔內(nèi)內(nèi)流體流流動方式式：1、逆流流2、并流流四、吸收收塔工藝藝計算內(nèi)內(nèi)容吸收劑用用量；塔徑；塔塔有效段段高度（（填料層層高度））。2.3.1吸吸收塔塔的物料料衡算和和操作線線方程1、物料料衡算V—惰性性氣體量量，kmol(B)／／s；L—溶劑劑量，kmol(S)／s；；Y1、Y2—溶質(zhì)組組分的摩摩爾比，，kmol(A)／kmol(B)；X1、X2—液相溶溶質(zhì)組分分的摩爾爾比，kmol(A)/kmol(S)；；注意：下下標(biāo)“1”為塔塔底，下下標(biāo)“2”為塔塔頂。一般情況況下，吸吸收任務(wù)務(wù)規(guī)定：：V、Y1；如果已知知L、、X2、溶質(zhì)回回收率（（吸收率率）則：因此，可可求得吸吸收液濃濃度X1。2、吸收收塔的操操作線方方程與操操作線m-n截截面與塔塔底端作作A物料料衡算：：m-n截截面與塔塔頂端作作A物料料衡算：：以上兩式式稱為逆逆流吸收收塔的操操作線方方程式。。OY2YY1TBAYXXX2X12、并流流也用同同樣方法法推導(dǎo)；；3、因p>p*,所所以BT線在在OE線線上方。。脫吸在在下方。。說明：1、B稱稱之為““濃端端”，，T稱稱之為““稀端端”；；4、操作作線方程程是由物物料衡算算而來，，與平衡衡關(guān)系無無關(guān)，與與操作條條件以及及設(shè)備結(jié)結(jié)構(gòu)無關(guān)關(guān)。E2.3.2吸吸收劑用量量的決定工藝給定：V、Y1、Y2。X2由工藝條件決決定（或設(shè)計計者選定）。。L由設(shè)計者決決定。一、液氣比操作線斜率稱為“液氣氣比”。L／V反映單單位氣體處理理量的溶劑消消耗量的大小小。LB點右移，X1推動力LB點左移，X1推動力B1二、最小液氣氣比但操作費用增增大。TB*線斜率率為因V一定，Lmin1、2、非正常曲曲線3、符合亨利利定律Y*＝＝mX三、實際液氣氣比指出：須保證證填料表面充充分潤濕，有時可加大倍倍數(shù)。2.3.3塔塔徑徑的計計算u－空塔氣速速m/s；；Vs－操作條件下下，混合氣體體的體積流量量，m3/s。（以塔塔底為準(zhǔn)）。。2.3.4填填料料層高度度的計計算1、填料層高高度的基本計計算式(1)分析吸收負(fù)荷平衡關(guān)系物料衡算傳質(zhì)速率三式的應(yīng)用。。(2)推導(dǎo)導(dǎo)Z取微元高度dZ：微元體dY(dX)很很小，可認(rèn)為為NA為定值。式中：dA——微元填料層層的傳質(zhì)面積積，m2；a—單位體積積填料層所提提供的有效傳傳質(zhì)面積，m2／m3；Ω—塔截面積，，m2。微元填料層的的吸收速率方方程式可寫為為：及對于穩(wěn)定操作作的吸收塔，，當(dāng)Y、X很很小時，L、、V、a皆不不隨時間及位位置而改變。。KY、KX為常數(shù)。0Y2ZY10ZX2X1由此得到低濃濃度氣體吸收收計算填料層層高度的基本本關(guān)系式，即即：說明：a稱稱有效比表面面積。a＝f(填填料形狀、尺尺寸、充填狀狀況、流體物物性、流動狀狀況等）∴a難難于直接測定定。KYa－氣相總體體積吸收系數(shù)數(shù)kmol/m3s；KXa－液相總體體積吸收系數(shù)數(shù)kmol/m3s。物理意義：推推動力為一個個單位時，單單位時間單位位體積吸收的的溶質(zhì)量。2、傳質(zhì)單元元高度和傳質(zhì)質(zhì)單元數(shù)(1)傳質(zhì)質(zhì)單元高度kmol/skmol/m3s·m2=mHOG稱氣相總傳質(zhì)質(zhì)單元高度HOGZ表示吸收的難難易程度。(2)傳傳質(zhì)單元數(shù)數(shù)值（倍數(shù)））。認(rèn)為它代表所所需填料層高高度Z相當(dāng)于于氣相總傳質(zhì)質(zhì)單元高度HOG的倍數(shù)。NOG氣相總傳質(zhì)單單元數(shù)。NOG＝HOG越大（dY大大），越難吸吸收；(3)填料料層高度ZZ＝HOGNOG或Z＝HOLNOL還可用膜系數(shù)數(shù)與相應(yīng)推動動力表示：Z＝HGNGZ＝HLNL(4)HOG、NOG意義填料層高度＝＝傳質(zhì)單元高高度×傳質(zhì)單元數(shù)數(shù)若NOG＝1則Z＝HOGX2X1YY＊是過程條件件決定的。。KYa反映傳質(zhì)質(zhì)阻力的大大小、填料料性能的優(yōu)優(yōu)劣、潤濕濕性能的好好壞等。3、傳質(zhì)單單元數(shù)的求求法1)圖解解積分法適用于平衡衡關(guān)系的各各種情況。。圖解步驟：：（1）（2）找出出若干（（Y－Y*）；（3）計算算出1／（（Y－Y*）；（4）標(biāo)繪繪1／（Y－Y*））；（5）積分分值（計算算面積）。。YY2Y12)解解析法（1）脫吸吸因數(shù)法：：適用于Y*＝mX+b令則：積分并整理理：說明：1、S為為脫吸因素素；2、右圖1）單對數(shù)數(shù)坐標(biāo)；2）吸收程度Y1一定，要求求吸收率高高（Y2）小，S一定，NOG3）參數(shù)，反應(yīng)推動力力大小。S（Y2一定）NOGZ4）S<1。。S＝0.7~0.85）>20，，及S≤0.75時使使用。（2）對數(shù)數(shù)平均推動動力法?Ym－對數(shù)平均均推動力液相：當(dāng)3）梯級圖圖解法（也也稱Baker法））適用于：平平衡線為直直線或彎曲曲程度不大大。OEY2X2TBY1X1T*AS*B*NMFF*S梯級數(shù)=NOG2.3.5理理論板層數(shù)數(shù)的計算(1)理論論板nyxy與x互互成平衡。。(2)塔塔高塔高＝理論論板層數(shù)×等板高高度填料塔：板式塔：塔高＝理論論板層數(shù)／／全塔效率率×板間距距A＊1、梯級圖圖解法求理理論板層數(shù)數(shù)說明：1、、可用于高高、低濃度度氣體吸收收，脫吸；；2、濃度表表示方法：：X、Y；；p、c。。2、解析法法求理論板板層數(shù)（略略）P1262.4吸吸收收系數(shù)數(shù)獲取途徑：：①實驗測定定；②經(jīng)驗驗公式；③③準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)聯(lián)式。2.4.1吸吸收系數(shù)數(shù)的測定平衡線為直直線時：測：V、L、Y1、Y2、X1、X2。計算：?Ym從而求出出：KYa根據(jù)其中中一膜系系數(shù)（如如kGa）求另另一膜系系數(shù)(kLa)。2.4.2吸吸收系數(shù)數(shù)的經(jīng)驗驗公式1、用水水吸收氨氨屬易溶氣氣體吸收收，為氣氣膜控制制。