第五章-吸收課件

第五章吸收第一節(jié)概述第二節(jié)吸收的相平衡第三節(jié)吸收速率第四節(jié)填料吸收塔的計算第五節(jié)填料塔1感謝你的欣賞2019-8-9第一節(jié)概述3)吸收劑：收吸收質(zhì)的液體。一、吸收的一些相關(guān)概念：1)吸收：也叫氣體吸收，是利用適當?shù)囊后w來處理氣體混合物，使其中一種或多種組分由氣相轉(zhuǎn)入液相的操作。2)吸收質(zhì)：混合氣體中被吸收的氣體組分?；旌蠚怏w由吸收質(zhì)和惰性氣體組成；如用水來吸收混合氣體中的CO2：

CO2為吸收質(zhì)，水為吸收劑。2感謝你的欣賞2019-8-9二、吸收的應(yīng)用：1)制取產(chǎn)品用吸收劑吸收氣體中某些組分而獲得產(chǎn)品。2)分離混合氣體吸收劑選擇性地吸收氣體中某些組分以達到分離目的。98.1%的硫酸吸收SO3制98.5%的濃硫酸；水吸收甲醛制福爾馬林溶液；用氨水吸收CO2制碳酸氫氨等；從焦爐氣或城市煤氣中分離苯；從石油催化裂解氣中分離丁二烯等；3感謝你的欣賞2019-8-93)氣體凈化4）作為環(huán)境保護和職業(yè)保健的重要手段原料氣的凈化：如合成氨原料氣脫H2S、脫CO2等；尾氣處理：如燃煤鍋爐煙氣，冶煉廢氣等脫除SO2等。用氨水來吸收制硫酸的尾氣中SO2—?NH4HSO3工藝氣的凈化：如硫酸生產(chǎn)中HF、As2O3、SO3的水洗脫除等；4感謝你的欣賞2019-8-9物理吸收：吸收過程溶質(zhì)與溶劑不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可視為單純的氣體溶解于液相的過程?；瘜W(xué)吸收：溶質(zhì)與溶劑有顯著的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。三、吸收的類型用水吸收二氧化碳用水吸收乙醇或丙醇蒸汽用吸收油吸收芳烴等

用氫氧化鈉或碳酸鈉溶液吸收二氧化碳用稀氨水吸收硫酸生產(chǎn)尾氣中的SO2等物理吸收可逆熱效應(yīng)小極限：溶解度推動力小速率小化學(xué)吸收不可逆熱效應(yīng)大化學(xué)平衡推動力大速率大兩類吸收特性的比較：5感謝你的欣賞2019-8-9單組分吸收：混合氣體中只有單一組分被液相吸收，其余組分因溶解度很小其吸收量可忽略不計。多組分吸收：有兩個或兩個以上組分被吸收。解吸：與吸收相反的過程，即溶質(zhì)從液相中分離而轉(zhuǎn)移到氣相的過程。6感謝你的欣賞2019-8-9吸收劑應(yīng)有良好的選擇性2)吸收劑的蒸汽壓應(yīng)盡量低。3)盡量選用無毒、難燃、腐蝕性較小的吸收劑。4)吸收劑粘度要低。5)化學(xué)穩(wěn)定性好，在吸收條件下不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。四、吸收劑的選擇對氣體中要吸收的組分有大的溶解度對其余組分的溶解度要小。6)易得、廉價、易再生或再次使用，并不污染環(huán)境。7感謝你的欣賞2019-8-9五、吸收的操作條件工業(yè)上，吸收一般在吸收塔中進行，如圖所示。吸收是氣液間的傳遞過程，為提高其傳遞速率和吸收率，應(yīng)注意以下方面：１.采用連續(xù)操作。２.氣液間一般采用逆流操作。３.盡量增大氣液間的有效界面。４.增大相際的湍動程度——降低傳質(zhì)阻力。8感謝你的欣賞2019-8-9第二節(jié)吸收的相平衡氣液的相平衡關(guān)系是指當時條件下吸收質(zhì)在溶液中的溶解度，決定了吸收的極限。一、亨利定律1、氣液的相平衡關(guān)系

溶解平衡是動態(tài)的

平衡分壓p*：處于相互平衡的氣液兩相中溶質(zhì)在氣相中的分壓。

平衡濃度x*：處于相互平衡的氣液兩相中溶質(zhì)在液相中的濃度。9感謝你的欣賞2019-8-92、以摩爾分數(shù)x表示：當總壓不太高時，一定溫度下的稀溶液中溶質(zhì)的溶解度與其在氣相中的分壓成正比。式中：p*——溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓，kPa

x——溶質(zhì)在液相中的摩爾分數(shù)

E——亨利系數(shù)，kPa。

亨利系數(shù)的值隨物系的特性及溫度而異；物系一定，E值一般隨溫度的上升而增大；

E值的大小代表了氣體在該溶劑中溶解的難易程度；同一溶劑中，難溶氣體E值很大，易溶氣體E值很??；10感謝你的欣賞2019-8-93、以物質(zhì)的量濃度c表示:

式中:H為溶解度系數(shù)，其值隨溫度升高而降低。因為則

H的單位：kmol?m3?Pa-1

當溶液很稀時：11感謝你的欣賞2019-8-94、用摩爾分數(shù)表示：

P為氣相的總壓。

y為與組成為x的液相相互平衡的氣相中溶質(zhì)的摩爾分數(shù)；

m=E/P,相平衡系數(shù)，無量綱；

m也是亨利系數(shù)的另一種形式。12感謝你的欣賞2019-8-913感謝你的欣賞2019-8-9由上式可得：代入相平衡關(guān)系得：5、用摩爾比表示的相平衡關(guān)系

在低濃度氣體吸收計算中，通常采用基準不變的比摩爾分數(shù)Y（或X）表示組成。對于稀溶液，X的值較小，則有：14感謝你的欣賞2019-8-9例含氨為φ氨

=0.20的氨-空氣混合氣100m3，用水吸收至混合氣中含氨為φ氨

=0.05。設(shè)吸收過程中有中間冷卻使前后溫度不變，試求氨被吸收的體積數(shù)，并用摩爾比的計算作對比。解：吸收前氨100×20%=20m3

空氣100×80%=80m3吸收后空氣比例降為95%，且氨只占5%，氨的體積為若以摩爾比計算，則y1=0.20，y2=0.05吸收的氨為：吸收的氨為：20-4.21=15.79m315感謝你的欣賞2019-8-9以分壓及摩爾分數(shù)x表示：以物質(zhì)的量濃度c表示:用摩爾分數(shù)表示：用摩爾比表示:16感謝你的欣賞2019-8-9二、氣體在液體中的溶解度1、溶解度很小難溶氣體，E很大，~109如：O2、H2、N2、CO等2、溶解度中等可溶氣體，E較大，~107如：CO2、SO2、Cl2、H2S等3、溶解度很大易溶氣體，E較小，~103如：HCl、NH3等17感謝你的欣賞2019-8-918感謝你的欣賞2019-8-9第三節(jié)吸收速率

吸收操作的推動力是偏離平衡的濃度差或分壓差，吸收速率可寫成：式中：N——單位時間傳遞的吸收質(zhì)的量

Δ——吸收過程的推動力。

K——過程的傳質(zhì)系數(shù)。19感謝你的欣賞2019-8-9一、雙膜理論1、吸收過程中吸收質(zhì)的傳遞

氣相主體

?通過氣相邊界層?氣液界面氣相側(cè)?氣液界面液相側(cè)?通過液相邊界層?液相主體20感謝你的欣賞2019-8-92、雙膜理論的基本觀點：(1)相互接觸的兩流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各存在著一個很薄(等效厚度分別為1和2)的流體膜層。溶質(zhì)以分子擴散方式通過此兩膜層。(2)相界面沒有傳質(zhì)阻力，即溶質(zhì)在相界面處的濃度處于相平衡狀態(tài)。(3)在膜層以外的兩相主流區(qū)由于流體湍動劇烈，傳質(zhì)速率高，傳質(zhì)阻力可以忽略不計，相際的傳質(zhì)阻力集中在兩個膜層內(nèi)。21感謝你的欣賞2019-8-93、雙膜理論評價

該理論提出的雙阻力概念，認為傳質(zhì)阻力集中在相接觸的兩流體相中，而界面阻力可忽略不計的概念，在傳質(zhì)過程的計算中得到了廣泛承認，是傳質(zhì)過程及設(shè)備設(shè)計的依據(jù)。按雙膜理論，傳質(zhì)系數(shù)與擴散系數(shù)成正比，這與實驗所得的關(guān)聯(lián)式的結(jié)果相差較大；由此理論所得的傳質(zhì)系數(shù)計算式形式簡單，但等效膜層厚度1和2以及界面上濃度pi

和ci

都難以確定；對具有自由相界面或高度湍動的兩流體間的傳質(zhì)體系，相界面是不穩(wěn)定的，因此雙膜理論假設(shè)的界面兩側(cè)存在穩(wěn)定的等效膜層以及物質(zhì)以分子擴散方式通過此兩膜層等都難以成立；因此出現(xiàn)了如“對流擴散”、“界面動力狀態(tài)”等其它一些吸收傳質(zhì)理論。22感謝你的欣賞2019-8-9二、分子擴散定律——菲克定律分子擴散是吸收質(zhì)在靜止或滯流流體中的擴散。分子擴散服從菲克定律，擴散速率可以表示為：式中：N——傳質(zhì)速率，單位mol/s；

A——相間傳質(zhì)接觸面積，單位m2；

δ——擴散距離，即膜的厚度，單位m；

c——吸收質(zhì)的濃度，單位mol/m3；

D——擴散系數(shù)，單位為m2/s。1、菲(費)克定律23感謝你的欣賞2019-8-92、擴散系數(shù)D單位：m2?s-1物理意義：濃度梯度為1mol?m-4時，1m2面積上1s所傳遞的物質(zhì)的量。D是物質(zhì)的物理性質(zhì)之一，表明其擴散能力的大小。D的影響因素擴散質(zhì)和擴散介質(zhì)的種類：分子小，D大氣體壓力：壓力小，D大溫度：溫度高，D大24感謝你的欣賞2019-8-9定態(tài)條件下，將上式積分，菲克定律為：對氣體：則：當擴散質(zhì)A通過靜止的惰性氣體B進行穩(wěn)定擴散時：在液相中，擴散質(zhì)A通過溶劑層進行穩(wěn)定擴散時：3、斯特藩（Stephan)定律25感謝你的欣賞2019-8-9三、吸收速率方程1、分吸收速率方程(1)、氣膜分吸收速率方程kg為氣膜吸收分系數(shù)，單位：mol?Pa-1?m-2?s-1kg中δ難測，kg值來源：測定值或按經(jīng)驗公式、特征數(shù)關(guān)系式計算。26感謝你的欣賞2019-8-9(2)、液膜分吸收速率方程kl為液膜吸收分系數(shù)，單位：m?s-1kl中δ難測，kl值來源：測定值或按經(jīng)驗公式、特征數(shù)關(guān)系式計算。c0為溶液總濃度，cs為吸收劑濃度，單位：mol?m-327感謝你的欣賞2019-8-9(3)、吸收推動力間的關(guān)系c、ci、c*、c0、csp、pi、p*、P0、pB28感謝你的欣賞2019-8-92、總吸收速率方程(1)、氣相總吸收速率方程由分吸收速率方程：整理得：將亨利定律c=Hp*代入：由得：兩式相加：29感謝你的欣賞2019-8-9

這就是氣相總吸收速率方程。KG為氣相總吸收系數(shù)，單位：kmol?Pa-1?m2?s-1。

為氣相總吸收阻力(液相部分已折算)

當氣體為容易溶氣體時，H很大，KG≈kg，吸收為氣膜控制。30感謝你的欣賞2019-8-9由氣相分吸收速率方程：整理得：將亨利定律p=c*/H代入：由得：兩式相加：(2)、液相總吸收速率方程31感謝你的欣賞2019-8-9KL為液相總吸收系數(shù)，單位：m?s-1。

為液相總吸收阻力(氣相部分已折算)

當氣體為難溶氣體時，H很小，KL≈kl，吸收為液膜控制。32感謝你的欣賞2019-8-9(3)、總吸收速率方程的推動力氣相推動力：p-p*液相推動力：c*-c(4)、兩個總吸收總系數(shù)的關(guān)系即：或33感謝你的欣賞2019-8-93、用比摩爾分率表示的總吸收速率方程(1)、用Y表示的氣相總吸收速率方程由得：

KY為以Y表示的氣相總吸系數(shù)，單位：mol?m-2?s-1

KY=

當氣相中的吸收質(zhì)較少時，Y、Y*都很小，KY≈KG?P

若再是易溶氣體，KY≈KG?P≈kg?P(氣膜控制)34感謝你的欣賞2019-8-9(2)、用X表示的液相總吸收速率方程由得：

KX為以X表示的液相總吸系數(shù)，單位：mol?m-2?s-1

對于難溶氣體的稀溶液，KX≈KL?c0≈kl?c0(液膜控制)

KX=35感謝你的欣賞2019-8-9分吸收速率方程總吸收速率方程36感謝你的欣賞2019-8-937感謝你的欣賞2019-8-938感謝你的欣賞2019-8-9作業(yè)：P185起3，5，7，839感謝你的欣賞2019-8-9第四節(jié)填料吸收塔的計算設(shè)計型計算：按給定的生產(chǎn)任務(wù)和工藝條件來設(shè)計滿足任務(wù)要求的單元設(shè)備。操作型計算：根據(jù)已知的設(shè)備參數(shù)和工藝條件來求算所能完成的任務(wù)。計算依據(jù)：物系的相平衡、傳質(zhì)速率和物料衡算。

以吸收為例說明填料塔填料層高度的計算方法。在吸收中，填料塔為最常用的塔型。40感謝你的欣賞2019-8-9一、填料層高度的計算1、以氣相推動力表示的計算式：接觸面dA傳質(zhì)量dN濃度變化dYY2Y1

在吸收塔中的任一微分截面吸收速率方程為：若惰氣流量為qn(V),

氣相中吸收質(zhì)含量的變化為dY，則有綜合以上兩式，得：整理得：41感謝你的欣賞2019-8-9在連續(xù)定態(tài)操作條件下，設(shè)KY在過程中為定值，積分得：設(shè)填料層的高度為H，空塔截面積為A0，單位體積填料的有效表面積為a，則

這即為氣相推動力表示的填料層高度的計算式。

吸收塔兩截面間的吸收質(zhì)濃度變化等于這個范圍的吸收推動力時，這樣的一個區(qū)域就稱為一個傳質(zhì)單元。

nG稱為氣相傳質(zhì)單元數(shù)

hG稱氣相傳質(zhì)單元高度，42感謝你的欣賞2019-8-9通過與上面類似推導(dǎo)，以液相推動力表示的計算式：

上式即為液相推動力表示的填料層高度的計算式；

qn(L)為通過吸收塔的吸收劑流量，mol/s，kmol/s；

nL稱為液相傳質(zhì)單元數(shù)；

hL稱為液相傳質(zhì)單元高度。2、以液相推動力表示的計算式：43感謝你的欣賞2019-8-9二、吸收塔中的物料衡算——操作線方程1、操作線方程取傳質(zhì)面積微元dA，對吸收質(zhì)作物料衡算：qn(V)qn(L)Y+dYY2Y1X2X1X+dXYX↑↓

↓

↑定態(tài)條件下，qn(L)、qn(V)為定值，積分：44感謝你的欣賞2019-8-9

操作線為一條直線，斜率為qn(L)/qn(V)；

操作線上任意一點表示吸收塔某一截面上氣液組成關(guān)系。

操作線僅是物料衡算關(guān)系，與其它因素?zé)o關(guān)。

操作線與平衡線間的距離即為傳質(zhì)推動力。Y-Y*X*-X

對全塔進行物料衡算：YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X45感謝你的欣賞2019-8-9V,Y1V,Y2L,X2L,X1V,YL,X對氣、液兩相并流操作作物料衡算，可得并流時的操作線方程，其斜率為-qn(L)/qn(V)

。YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X并流操作線方程46感謝你的欣賞2019-8-92、吸收劑用量的確定(1)液氣比：處理單位惰性氣體的吸收劑用量：YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2Bqn(L)/qn(V)Y-Y*A’X1’[qn(L)/qn(V)]’X1,max[qn(L)/qn(V)]

MC不同液氣比qn(L)/qn(V)下的操作線圖為操作線的斜率。47感謝你的欣賞2019-8-9（2）最小液氣比[qn(L)/qn(V)]M隨液氣比的減小，操作線將與平衡線相交或者相切，此時對應(yīng)的液氣比稱為最小液氣比，YXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1,max=X1*(L/V)minCYXoY*=f(X)Y1X2Y2BX1*(L/V)minCX1,max

兩線在Y1處相交時，X1,max=X1*；兩線在中間某個濃度處相切時，X1,max<X1*

。48感謝你的欣賞2019-8-949感謝你的欣賞2019-8-9最小液氣比的計算式：對于滿足亨利定律的體系：

最小液氣比時，吸收液濃度最大，吸收劑用量最少；

最小液氣比時，吸收推動力最小，傳質(zhì)面積極大；

吸收仍能進行，但達不到預(yù)期的效果，；（3）實際液氣比綜合考慮，實際液氣比一般為最小液氣比的1.15~1.5倍。一般常用50感謝你的欣賞2019-8-9三.傳質(zhì)單元數(shù)的計算傳質(zhì)單元數(shù)nG和nL可由平衡線和操作線求算。常用的是圖解積分法，在特殊情況下可用解析法。1、圖解積分法圖解積分法的基本原理為（以nG為例）以Y對作圖，在Y1至Y2的范圍內(nèi)，曲線下面的面積為，計算該面積的值，即為傳質(zhì)單元數(shù)。51感謝你的欣賞2019-8-9圖解積分法其步驟為：1)在操作線和平衡線上得若干組與Y相應(yīng)的

1/(Y-Y*)值；YXoY*=f(X)AY1X1X2Y2BYXX*Y*PY-Y*X*-X52感謝你的欣賞2019-8-92)在Y1到Y(jié)2的范圍內(nèi)作Y~1/(Y-Y*)曲線；YoY1Y21/(Y-Y*)

計算曲線下陰影面積，此面積的值即為傳質(zhì)單元數(shù)nG。53感謝你的欣賞2019-8-92、解析法條件：解析法適用于氣液平衡關(guān)系服從亨利定律，即在處理的變化范圍內(nèi)平衡線為直線或接近直線。將傳質(zhì)推動力(Y-Y*)用傳質(zhì)推動力對數(shù)平均值ΔYm計算，以氣相推動力表示時：式中：——氣相傳質(zhì)推動力的對數(shù)平均值。54感謝你的欣賞2019-8-9以液相推動力表示的計算式：式中：55感謝你的欣賞2019-8-9例發(fā)酵法生產(chǎn)酒精時所排出的氣體中含有乙醇，其余為二氧化碳、氮、氧等惰性氣體。乙醇含量為φ(乙醇)=0.01，在常壓和40℃下，用回收的水吸收氣體中的乙醇，回收水中含乙醇x=0.0001。要求乙醇回收率達90%，水的用量為最小液氣比的1.4倍。氣液平衡關(guān)系可近似的用Y=1.068X表示。試求吸收所需的傳質(zhì)單元數(shù)。解：求進出口氣液組成y1=0.01，η=0.90，x2=0.0001,56感謝你的欣賞2019-8-9最小液氣比：實際液氣比為最小液氣比的1.4倍：57感謝你的欣賞2019-8-9四、傳質(zhì)單元高度的求算傳質(zhì)單元高度為：

式中或是由生產(chǎn)要求確定的；其中或可以根據(jù)(kg，k1)或(KG，K1)求取。a由選用的填料和液體噴淋量確定；

A0根據(jù)塔中允許的流體流速確定；kg、kl根據(jù)特征數(shù)關(guān)系及經(jīng)驗公式求算。58感謝你的欣賞2019-8-9例：有一吸收塔，直徑880mm,所用填料為50mm拉西環(huán)。每小時處理混合氣體量2000m3（25C,1atm），其中丙酮含量5％，用水作吸收劑，塔頂送出的廢氣含丙酮0.263%，塔底送出的溶液含丙酮61.2g/kg，Ky·a=188kmol/mh,在操作條件下的平衡關(guān)系為Y*＝2X，空塔橫截面積A＝0.554m2。求每小時可回收多少丙酮？所需的填料層高度？y1=0.05y2=0.00263x2=0x1=61.2g/kg解：由題意得59感謝你的欣賞2019-8-9每小時回收的丙酮為：即每小時可回收3.9kmol丙酮,所需的填料層高度為5.31米。60感謝你的欣賞2019-8-918，21，23，24，26，28，31作業(yè)：61感謝你的欣賞2019-8-9第五節(jié)填料塔一、填料1、對填料的要求(1)、比表面要大，δ大(2)、空隙率要大，ε大(3)、價廉易得；(4)、輕質(zhì)高強；(5)、耐腐蝕，化學(xué)性能穩(wěn)定；2、填料的材質(zhì)鋼、不銹鋼、陶瓷、塑料、木材、焦炭、石英沙；62感謝你的欣賞2019-8-93、填料的類型實體填料絲網(wǎng)填料拉西環(huán)鮑爾環(huán)θ環(huán)十字環(huán)米字環(huán)階梯環(huán)鞍形填料波紋填料鞍形網(wǎng)θ形網(wǎng)三角線圈填料弧鞍環(huán)矩鞍環(huán)

填料的填裝方式分為整砌和亂堆