化學(xué)分離工程第三章-吸收-課件

3吸收3.1吸收過程在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用√3.2吸收過程的設(shè)計(jì)變量和對(duì)工藝生產(chǎn)的適應(yīng)性√3.3氣液相平衡√3.4傳質(zhì)理論3.5傳質(zhì)速率和傳質(zhì)系數(shù)3.10塔高√13吸收1、吸收的基本原理

吸收是利用液體處理氣體混合物，根據(jù)氣體混合物中各組分在液體中溶解度的不同，而達(dá)到分離目的傳質(zhì)過程。吸收是一個(gè)分離過程，且分離的是氣體混合物，分離的介質(zhì)是某一種液體溶劑稱之為吸收劑，被吸收的氣體混合物稱為溶質(zhì)。吸收是一個(gè)從氣相往液相的傳質(zhì)過程。被吸收的氣體通過適當(dāng)?shù)姆椒ㄅc吸收液分離的過程稱為解吸過程，對(duì)吸收液而言，則成為再生。應(yīng)用：常用于獲得產(chǎn)品、分離氣體混合物、凈化原料氣以及脫除尾氣中的有毒有害物質(zhì)。23吸收2、流程圖33吸收3、吸收操作的分類

依據(jù)吸收的機(jī)理可分成物理吸收（甲醇-CO2）化學(xué)吸收（K2CO3-CO2）★物理吸收的特點(diǎn)：所溶組分與吸收劑不起化學(xué)反應(yīng)

極限：溶解平衡=f(T,P)★化學(xué)吸收的特點(diǎn)：所溶組分與吸收劑起化學(xué)反應(yīng)

極限：相平衡=f(T,P,反應(yīng)組分B)

43吸收4、吸收過程的特點(diǎn)

吸收與精餾操作的相同點(diǎn)：☆平衡分離過程☆熱、質(zhì)同傳過程，由MESH方程求解吸收與精餾的不同點(diǎn)：①原理不同：

吸收是根據(jù)各組分溶解度不同進(jìn)行分離的。精餾利用組分間相對(duì)揮發(fā)度不同使組分分離。②塔式不同③傳質(zhì)形式不同吸收過程：單向傳質(zhì)，氣相傳質(zhì)到液相，需外加吸收劑；精餾過程：雙向傳質(zhì)，液相傳質(zhì)到汽相，汽相傳質(zhì)到液相，不需加質(zhì)量分離劑。51.吸收劑不需要再生的吸收裝置使用對(duì)象：主要用于制備液相產(chǎn)品，如硫酸吸收SO3吸收制硫酸、水吸收HCl制鹽酸、吸收甲醛制福爾馬林液、堿液吸收CO2或SO2制碳酸氫鹽或亞硫酸鹽等。流程特點(diǎn)：吸收劑不再生，且循環(huán)操作。

3.1.1吸收裝置的工業(yè)流程63.1.1吸收裝置的工業(yè)流程典型實(shí)例：硫酸吸收SO3吸收制硫酸72.吸收劑需要解吸的吸收裝置使用對(duì)象：氣體的凈化或回收；流程特點(diǎn)：至少有兩個(gè)塔（多了一個(gè)再生過程）。減壓冷再生：通過改變P，改變相平衡，使溶質(zhì)解吸。適用：高壓下化學(xué)吸收液的初脫。氣提冷再生：用惰性氣體降低溶質(zhì)在氣相的分壓促使解吸；適用：溶質(zhì)不必回收的場(chǎng)合或稀釋溶質(zhì)在氣相的含量。

間接蒸汽熱再生：利用間接蒸汽，升高溫度，改變液面上活性組分的平衡分壓，加速解吸速率；適用：化學(xué)吸收。

3.1.1吸收裝置的工業(yè)流程83.1.1吸收裝置的工業(yè)流程(1)吸收劑不重復(fù)利用的裝置典型實(shí)例：氯氣吸收93.1.1吸收裝置的工業(yè)流程(2)減壓冷再生流程典型實(shí)例：CO2吸收-再生(3)氣提冷再生流程典型實(shí)例：脫除H2S吸收-再生103.1.1吸收裝置的工業(yè)流程(4)間接蒸汽熱再生流程典型實(shí)例：熱鉀堿法脫碳流程113.1.2吸收過程的應(yīng)用1.獲得產(chǎn)品將氣體中的有效成分用吸收劑吸收下來得到產(chǎn)品。如硫酸吸收SO3制濃硫酸，水吸收HCl制鹽酸。2.氣體混合物的分離吸收劑選擇性吸收氣體中的某一組分達(dá)到分離目的。如用有機(jī)溶劑吸收煤氣中的苯，用丙酮吸收天然氣裂解氣中的乙炔。3.氣體凈化用吸收劑將氣體中的有害組分吸收以達(dá)到氣體凈化目的。如天然氣的脫硫，生產(chǎn)尾氣的SO2脫除。4.回收有價(jià)值組分為防止有價(jià)值組分從氣相流失，用吸收劑將其吸收下來達(dá)到回收的目的。如一些易揮發(fā)溶劑的回收。123.2吸收過程的設(shè)計(jì)變量

和對(duì)生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性吸收過程的重要因素(1)設(shè)備條件設(shè)備形式、尺寸、內(nèi)部構(gòu)件等，都與傳質(zhì)效率有關(guān)。同等處理規(guī)模下，效率越高，設(shè)備投資越少。(2)吸收劑選擇性是關(guān)鍵，解吸條件也非常重要。(3)操作條件溫度：溫度越高，越不利于吸收；壓力：壓力越高，越有利于吸收。133.2.1設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)分析(1)吸收塔的直徑(2)再生塔的直徑(3)再生塔的壓強(qiáng)(4)貧液和回流液的溫度(5)各種換熱器的熱負(fù)荷(6)吸收塔和再生塔的高度143.2.2吸收過程對(duì)生產(chǎn)工藝的適應(yīng)性(1)操作壓強(qiáng)壓力高利于吸收，但操作費(fèi)用將增加，通常選擇氣體來時(shí)的壓力。特殊情況可考慮增壓操作。(2)溶質(zhì)的氣相濃度關(guān)鍵是控制吸收塔出口氣中的溶質(zhì)指標(biāo)。(3)毒性這里指的是對(duì)吸收劑的毒性，即產(chǎn)生沉淀、使吸收劑分解、或生成不可還原的產(chǎn)物等。(4)能耗主要是吸收劑再生的能耗，應(yīng)充分回收利用。153.3氣液相平衡氣液相平衡的概念

氣液相平衡主要是指氣相組分溶解于液相，使氣相組分與液相中的相同組分達(dá)到平衡的狀態(tài)。而汽液相平衡則主要是指液相組分揮發(fā)到汽相形成的平衡。兩種平衡盡管過程方向不同，但相平衡原理卻是相同的：163.3.1物理溶解時(shí)的相平衡(1)氣液平衡常數(shù)mi式中，、分別為i組分在氣相的逸度系數(shù)和在液相的活度系數(shù)；p為氣相總壓，為純i組分液相在體系溫度和壓力下的逸度。(2)二元組分溶解的氣液平衡關(guān)系式中，x0是在溶液中吸收劑的摩爾分率，x0=1-xi；Hi為亨利系數(shù)，kPa；A是與溫度和壓力有關(guān)的一個(gè)常數(shù)。此式適合于任何濃度的電解質(zhì)溶液和很低濃度的非電解質(zhì)溶液。(3-11)173.3.1物理溶解時(shí)的相平衡對(duì)式(3-11)，在理想溶液時(shí)，A=0，于是：在低壓下，可用平衡分壓取代，得到亨利定律的表達(dá)形式：再以濃度取代摩爾分率：cM為溶液的總摩爾濃度，H只和溫度有關(guān)，隨溫度升高而增大(見表3-2)，與溶液的總壓和組成無關(guān)。與溫度的關(guān)系為：式中的Ci、φi是常數(shù)，與物系有關(guān)。18當(dāng)系統(tǒng)壓力較大時(shí)，體系偏離理想狀態(tài)較遠(yuǎn)，按上述方法計(jì)算的偏差較大?？紤]到液體體積通常隨壓力變化不大，此時(shí)，可用以下式子來計(jì)算氣相逸度。式中，pi為純組分的蒸汽壓；Hi為亨利常數(shù)；為組分的偏摩爾體積，即無限大混合物體積中加入1mol組分時(shí)所引起的體積變化，當(dāng)混合氣體服從道爾頓分壓定律時(shí)，保持體積的加和性，即就是1mol氣體在溫度T和壓強(qiáng)p時(shí)所占有的體積。3.3.1物理溶解時(shí)的相平衡19例3-1計(jì)算乙烷在溫度為293K，壓強(qiáng)為2000kPa下與同系物組成理想溶液時(shí)的相平衡常數(shù)mi值。已知乙烷的臨界溫度tc=305.1K，臨界壓力pc=4900kPa，飽和蒸汽壓pis=3900kPa(在293K時(shí))，以及在3900kPa下的密度ρ=350kg/m3。20解例3-1①計(jì)算系統(tǒng)壓強(qiáng)下氣態(tài)乙烷的逸度先計(jì)算293K，2000kPa下的對(duì)比溫度和壓強(qiáng)。對(duì)比溫度：對(duì)比壓強(qiáng)：查圖3-8得：逸度計(jì)算：②計(jì)算293K下乙烷飽和蒸汽壓的逸度對(duì)比溫度：對(duì)比壓強(qiáng)：查圖3-8得：逸度計(jì)算：21解例3-1③計(jì)算液相乙烷的逸度對(duì)于溫度為T，飽和蒸汽壓為的純液體組分的逸度應(yīng)等于飽和蒸汽的逸度。而當(dāng)壓強(qiáng)為p時(shí)，液相逸度可近似用下式計(jì)算：式中，Vi為在一定p和T時(shí)，組分i的摩爾體積：計(jì)算：所以：22解例3-1④計(jì)算相平衡常數(shù)對(duì)于理想溶液，，則相平衡常數(shù)為：23亨利定律不適用化學(xué)吸收的相平衡，化學(xué)吸收的氣液平衡，既要服從溶解時(shí)的相平衡又要服從化學(xué)反應(yīng)時(shí)的相平衡關(guān)系.3.3.2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收相平衡243.3.2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收相平衡則反應(yīng)平衡常數(shù)為：理想溶液時(shí)，Kγ=1，則：因?yàn)槿芙馄胶怅P(guān)系服從亨利定律：用(3-21)解出CA，代入上式得：∵(CA)物＞(CA)化，∴

(PA)物＞(PA)化

(3-21)253.3.2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收相平衡1.被吸收組分與溶劑相互作用（1）溶質(zhì)A與溶劑B反應(yīng)生成M若其反應(yīng)關(guān)系為：溶液中A組分的初始濃度可寫成：而反應(yīng)平衡常數(shù)為：則：總平衡又服從物理溶解時(shí)的亨利定律，因此：(3-26)263.3.2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收相平衡273.3.2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收相平衡（2）生成物M發(fā)生離解若反應(yīng)生成物發(fā)生離解：此時(shí)，氣液平衡不按反應(yīng)平衡計(jì)算而按離解平衡計(jì)算。離解平衡常數(shù)為：若忽略水的離解，則有：，因此：而溶液中A的初始濃度可表示為：聯(lián)立求解以上方程，得：其中，所以：

(3-33)(3-29)(3-30)283.3.2伴有化學(xué)反應(yīng)的吸收相平衡2.被吸收組分與溶劑中活性組分的作用若其反應(yīng)關(guān)系為：當(dāng)平衡反應(yīng)率為R時(shí)：由氣液平衡得：其中：，將上兩式聯(lián)立求解，可得：若物理溶解量可以忽略不計(jì)時(shí)，有：(3-36)A(g)

ka

A(aq)+B(aq) M(aq)29例3-3

P113~P114α是化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)與物理吸收平衡常數(shù)（亨利系數(shù)）的比值。>1，以化學(xué)吸收為主；<1，以物理吸收為主。注意觀察表中數(shù)據(jù)。303.3.3相平衡曲線比較物理吸收遵循：化學(xué)吸收遵循：(3-37)(3-14)313.3.3相平衡曲線比較①物理吸收，溶質(zhì)的濃度ci～氣相中的平衡分壓pi呈線形關(guān)系，不存在濃度界限；（適宜高壓或高濃度氣體的脫除）②化學(xué)吸收，ci↑有極限，pi急劇升高而超過同濃度下的物理溶解之平衡分壓；適用于低壓、低濃度下高凈化度的吸收過程；③當(dāng)α>1，化學(xué)吸收優(yōu)于物理吸收；④當(dāng)α

<1，物理吸收優(yōu)于化學(xué)吸收。⑤溶質(zhì)濃度過高會(huì)降低氣體在溶液中的溶解度常數(shù)(H’↑），降低凈化度。323.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例1.K2CO3溶液吸收CO2其反應(yīng)關(guān)系為：定義溶液碳化度為：其中：分析：當(dāng)氣相近似看作理想氣體①當(dāng)液相為理想溶液時(shí)，且液相近似看作稀溶液，②當(dāng)液相為非理想溶液時(shí)，可看作稀溶液，該體系的相平衡關(guān)系如何？333.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)為：因此：由相平衡關(guān)系可知，理想氣體服從亨利定律：對(duì)稀溶液，可看作恒定值，所以令：則：343.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例用表示溶液中CO2的總摩爾濃度(包括碳酸鹽和碳酸氫鹽)，表示氧化鉀的總摩爾濃度(K2CO3的起始濃度)，根據(jù)碳化度的定義，則有：其中：將上式變化為：因此：

353.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例將上式代入CO2的分壓計(jì)算式，得：所以有：碳酸鉀溶液的K‘可從文獻(xiàn)查得，可見，液面上CO2的平衡分壓將取決于碳化度的變化。測(cè)得碳酸鉀的碳化度就能求得液面上CO2的平衡分壓；或測(cè)得液面上CO2的平衡分壓可求得碳酸鉀的碳化度。若溶液為理想溶液，Kγ=1，K‘可進(jìn)一步簡化。

363.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例2.用檸檬酸鈉(Na2cit)溶液吸收SO2其反應(yīng)系列為：從后三個(gè)反應(yīng)式可以看出，由于檸檬酸的多級(jí)電離平衡，可吸收大量的H+離子，使pH維持在一定的范圍，有利于SO2的溶解。373.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例令為達(dá)到氣液平衡時(shí)溶液中SO2的總摩爾濃度，則：其中，為物理溶解濃度，為反應(yīng)溶解濃度。假定在常壓下氣體可視為理想氣體，并忽略亞硫酸的二級(jí)電離，則物理溶解符合亨利定律：SO2在水中的反應(yīng)和寫成：和H2SO3的一級(jí)電離常數(shù)為：其中，H*為亨利常數(shù)，α為活度。383.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例實(shí)際上，在溶液中：，因此：以γ表示溶液中亞硫酸氫根的活度系數(shù)，合并分壓式和電離平衡式得：其中，當(dāng)溶液吸收SO2后，溶液的pH值隨溶液中亞硫酸氫根的濃度呈線性變化，即：

其中，β和β0分別為溶液和檸檬酸濃度為1M的溶液的緩沖容量；pHS為SO2吸收前的pH值。393.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例由于，所以：將其代入分壓式，得：

在溫度為35~85℃，SO2的分壓為400~6665Pa的范圍內(nèi)，氣相中的SO2分壓與溶液中的亞硫酸氫根無關(guān)，K的值符合以下線性關(guān)系：

將其代入上式，得：403.3.4工業(yè)應(yīng)用實(shí)例令，，用檸檬酸吸收SO2體系的相平衡數(shù)學(xué)模型可寫為：

其中的E1、E2和E3為模型參數(shù)，在一定的溫度T下，測(cè)得平衡時(shí)氣相中SO2的分壓和液相中亞硫酸氫根的濃度，即可求得模型參數(shù)。413.4傳質(zhì)理論物質(zhì)傳遞的機(jī)理（1）分子擴(kuò)散由分子熱運(yùn)動(dòng)引起的相互碰撞導(dǎo)致物質(zhì)遷移。（2）對(duì)流在外力(如壓強(qiáng)差、密度差等)作用下發(fā)生物質(zhì)主體流動(dòng)而產(chǎn)生遷移。（3）湍流混合流體流動(dòng)時(shí)，流體微團(tuán)在慣性力作用下產(chǎn)生遷移。

描述傳質(zhì)理論比較常用的模型有：雙膜論、滲透論和表面更新論三種。423.4.1雙膜論1.理論要點(diǎn)①流動(dòng)狀態(tài)氣液接觸界面兩側(cè)有一層穩(wěn)定的滯流膜，它不同于流體力學(xué)的滯流邊界層。②傳遞方式在膜兩側(cè)的主體流動(dòng)區(qū)內(nèi)物質(zhì)的濃度趨于一致，滯流膜內(nèi)的傳質(zhì)方式以分子擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)，傳質(zhì)阻力由氣相主體、氣膜、界面、液膜和液相主體的阻力疊加而成，但主要集中在氣膜和液膜層。③界面狀況界面無阻力，氣液兩相在界面立即達(dá)到平衡。穩(wěn)態(tài)的物理模型，模型直觀，用起來方便。433.4.1雙膜論2.存在的問題①往往傳質(zhì)設(shè)備的內(nèi)構(gòu)件已不能使氣液相接觸形成相對(duì)固定的相界面。如噴射式、鼓泡型。②無法形成穩(wěn)定的膜，也就無法建立穩(wěn)定的濃度梯度。③即使存在相對(duì)穩(wěn)定的膜，但膜厚度也是無法測(cè)量和猜測(cè)。④界面阻力通常很難小到可以忽略的程度，除非界面非常清潔。443.4.2滲透論1.理論要點(diǎn)①傳質(zhì)前，兩相主體中的濃度是均勻的；傳質(zhì)速率隨時(shí)間增加而降低，膜內(nèi)是非穩(wěn)態(tài)的傳質(zhì)。②液相主體中的任一微元都有可能被主體內(nèi)的流動(dòng)帶到氣液相界面上，并假定所有被帶到界面的微元在界面的停留時(shí)間相同，并參與到不穩(wěn)定傳質(zhì)過程中，直到被帶回主體為止。③界面無阻力，氣液兩相在界面達(dá)到平衡。2.主要問題①液相微元在界面的停留時(shí)間無法定量獲得。②液相微元在氣液相界面上的停留時(shí)間不可能相同。453.4.3表面更新論理論要點(diǎn)：傳質(zhì)是非穩(wěn)態(tài)的①在界面上的每一個(gè)微元具有不同的暴露時(shí)間(壽命)，但它們被另一微元置換的機(jī)會(huì)均等。②無論氣相或液相都可能發(fā)生被旋渦攜帶的過程，所以表面是不斷更新的。③每個(gè)進(jìn)入界面的微元均按瞬變傳質(zhì)的規(guī)律向液膜內(nèi)滲透，微元在界面的停留時(shí)間符合壽命分布的規(guī)律。缺點(diǎn)：表面更新率S無法確定，但該理論最完善。463.5傳質(zhì)速率與傳質(zhì)系數(shù)變量符號(hào)說明

NA—吸收過程中溶質(zhì)A的傳質(zhì)速率，kmol/(m2.s)；

kx、ky，kl、kg—以界面為基準(zhǔn)的液相和氣相傳質(zhì)分系數(shù)，kmol/(m2.s)；Kx、Ky，KL、KG—以平衡為基準(zhǔn)的液相和氣相總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2.s)；

HG、HL，NG、NL—以界面為基準(zhǔn)的傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)；HOG、HOL，NOG、NOL—以平衡為基準(zhǔn)的總傳質(zhì)單元高度和總傳質(zhì)單元數(shù)；

H‘—亨利常數(shù)；m—稀溶液時(shí)的亨利常數(shù)；α—填料的比表面積，m2/m3。473.5.1物理吸收傳質(zhì)速率1.稀溶液的吸收速率由雙膜理論可知：當(dāng)總壓一定時(shí)：當(dāng)總摩爾濃度一定時(shí)：由于界面上的分壓和濃度難以測(cè)定，所以，也采用與主體濃度平衡的組成或分壓、濃度表示：

yAe→xAl，xAe→yAgpAe→cAl，cAe→pAg483.5.1物理吸收傳質(zhì)速率2.傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)阻力由于吸收的相平衡關(guān)系可線性化為：

因此，氣、液相的傳質(zhì)阻力可表示為：

聯(lián)立求解得：49當(dāng)H’A很大，吸收組分A為難溶氣體時(shí)，kl很小，

于是：，——屬液膜控制；相反，屬氣膜控制。結(jié)論：氣膜控制的條件是：液膜控制的條件是：

3.5.1物理吸收傳質(zhì)速率503.5.1物理吸收傳質(zhì)速率3.傳質(zhì)單元高度與傳質(zhì)單元數(shù)吸收的傳質(zhì)高度為：或傳質(zhì)單元高度為：總傳質(zhì)單元高度為：傳質(zhì)單元數(shù)為：總傳質(zhì)單元數(shù)為：

其中，G和L分別為氣體和溶液通過塔截面的摩爾流速，kmol/m2.s。513.5.1物理吸收傳質(zhì)速率4.稀溶液的傳質(zhì)阻力與傳質(zhì)單元高度若稀溶液服從亨利定律：則傳質(zhì)阻力為：以單位比表面積表示：所以：由于傳質(zhì)設(shè)備中的實(shí)際相接觸界面很難測(cè)定，工程設(shè)計(jì)中往往將比表面積α與傳質(zhì)系數(shù)kg，kl合在一起，(3-61)和(3-62)常轉(zhuǎn)換成：523.5.2化學(xué)吸收傳質(zhì)速率

與增強(qiáng)因子物理吸收：A在液膜中的溶解速率服從費(fèi)克定律：其濃度梯度為DE表示的虛線，在x=0和x=δ處，傳質(zhì)速率相等。53有化學(xué)反應(yīng)時(shí)，濃度分布為DE表示的曲線，在x=0和x=δ處傳質(zhì)速率不相等：x=0處：A的擴(kuò)散通量=膜內(nèi)擴(kuò)散量+膜內(nèi)反應(yīng)量x=δ處：3.5.2化學(xué)吸收傳質(zhì)速率

與增強(qiáng)因子54如果擴(kuò)散系數(shù)為恒定值，則濃度梯度（斜率）就可間接表示為吸收速率的量度。在界面處：DD’斜率—對(duì)應(yīng)化學(xué)吸收的速率DE斜率—對(duì)應(yīng)物理吸收的速率3.5.2化學(xué)吸收傳質(zhì)速率

與增強(qiáng)因子553.5.2化學(xué)吸收傳質(zhì)速率

與增強(qiáng)因子

化學(xué)吸收的增強(qiáng)因子

當(dāng)兩種吸收的推動(dòng)力相同時(shí)，化學(xué)吸收速率與物理吸收速率之比就稱為化學(xué)吸收的增強(qiáng)因子：通常情況下，563.5.2化學(xué)吸收傳質(zhì)速率

與增強(qiáng)因子化學(xué)吸收傳質(zhì)速率與傳質(zhì)阻力

利用增強(qiáng)因子，可將化學(xué)吸收速率用物理吸收速率的方式處理，將化學(xué)吸收速率看作物理吸收速率的β倍。則有：

相應(yīng)的傳質(zhì)阻力(系數(shù))為：57問：１、β對(duì)傳質(zhì)總系數(shù)的影響如何？２、化學(xué)反應(yīng)的存在，是否只對(duì)液膜傳質(zhì)有影響，而對(duì)氣膜傳質(zhì)無影響呢？

3.5.2化學(xué)吸收傳質(zhì)速率

與增強(qiáng)因子583.5.3傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式59液膜傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式（Norman）:

適用于公稱10-50mm的拉西環(huán)和13-38mm的鞍型填料。氣膜傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式（Charpentier）:適用于公稱尺寸大于15cm的填料。恩田等建立的傳質(zhì)系數(shù)與傳質(zhì)單元高度關(guān)聯(lián)式。對(duì)于化學(xué)吸收的傳質(zhì)系數(shù)值，則以物理吸收為基礎(chǔ)，全力求出β值就可以了。3.5.3傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式603.6化學(xué)吸收與增強(qiáng)因子化學(xué)吸收的三個(gè)控制環(huán)節(jié)（1）氣膜擴(kuò)散：氣相主體中的溶質(zhì)向氣-液相界面上擴(kuò)散（2）液膜擴(kuò)散：進(jìn)入氣-液相界面的溶質(zhì)向液相主體擴(kuò)散（3）化學(xué)反應(yīng)：氣相溶質(zhì)進(jìn)入相界面后與液相組分發(fā)生反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)對(duì)吸收的影響（1）加大了推動(dòng)力：有利于被吸收組分向液相主體擴(kuò)散；有利于氣相主體中的被吸收組分向液面擴(kuò)散。（2）提高了傳質(zhì)速率：由于氣相傳質(zhì)推動(dòng)力和液相傳質(zhì)推動(dòng)力都加大，使整個(gè)吸收過程的傳質(zhì)速率大大提高。613.6.1化學(xué)吸收的分類1.化學(xué)反應(yīng)可忽略反應(yīng)量<<擴(kuò)散量623.6.1化學(xué)吸收的分類632.慢反應(yīng)3.6.1化學(xué)吸收的分類64

令:慢反應(yīng):M<<1對(duì)慢反應(yīng)液膜中的反應(yīng)量小于擴(kuò)散量，化學(xué)反應(yīng)擴(kuò)散到液相主體中進(jìn)行.3.6.1化學(xué)吸收的分類653.快反應(yīng)3.6.1化學(xué)吸收的分類

液膜反應(yīng)量＞＞液膜擴(kuò)散量

664.中速反應(yīng)3.6.1化學(xué)吸收的分類675.瞬間反應(yīng)3.6.1化學(xué)吸收的分類683.7設(shè)計(jì)擇要3.7.1吸收率（1）吸收率其中，y1和y2分別為被吸收組分的進(jìn)出塔濃度。（2）吸收效率其中，y2e為氣相出口處與吸收劑中x2平衡的氣相濃度。GLx2y2y1x1693.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向1.吸收設(shè)備的四種流動(dòng)情況GLx2y2y1x1GLx1y1y2x2GLx1y1y2x2GLx1y1y2x2LG逆流并流錯(cuò)流全混流703.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向2.吸收過程的傳質(zhì)單元數(shù)對(duì)吸收全過程的物料衡算為：在操作線相應(yīng)的范圍內(nèi)，平衡線可線性化為：則，吸收效率為：相應(yīng)的氣相總傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算式為：其中，，A為吸收因子：713.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向3.逆流吸收過程將物料衡算式和吸收效率計(jì)算式代入氣相總傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算式，得：則，吸收效率計(jì)算為：723.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向733.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向4.并流吸收過程將物料衡算式和吸收效率計(jì)算式代入氣相總傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算式，得：則，吸收效率計(jì)算為：743.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向753.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向5.四種流動(dòng)情況的NOG與φ的關(guān)系比較(1)763.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向5.四種流動(dòng)情況的NOG與φ的關(guān)系比較(2)773.7.2傳質(zhì)設(shè)備的流向6.結(jié)論（1）在相同的NOG和A下，φ逆流>φ錯(cuò)流>φ并流>φ全混流。（2）在相同的φ和NOG下，L逆流<L錯(cuò)流<L并流<L全混流。(A=L/mG)（3）當(dāng)A>1時(shí)，若NOG足夠大，溶質(zhì)的吸收也會(huì)足夠大，這是因?yàn)長/G>m。（4）當(dāng)A>10時(shí)，表明吸收液量很大，不同流向的φ趨于接近，兩相的流向顯得不重要。（5）當(dāng)A<<1時(shí)，表明吸收液量嚴(yán)重不足，吸收液趨于飽和，各種流向的φ都趨于很低。783.7.3最小液體流率對(duì)逆流吸收，根據(jù)全塔物料衡算有：即這里的(L/G)稱為液氣比，也就是單位氣體流量的液體流率。當(dāng)吸收液出口溶質(zhì)含量與進(jìn)口氣溶質(zhì)含量達(dá)到平衡時(shí)：此時(shí)的液體流率就是最小液體流率：

通常實(shí)際液體流率為最小液體流率1.1~2.0倍。對(duì)并流吸收，情況又如何？793.10.1低濃度氣體吸收的填料層高度特點(diǎn)：G，L是常量；吸收過程是等溫的；傳質(zhì)系數(shù)為常量3.10塔高GLx2y2y1x1GydhGy-d(Gy)Lx+d(Lx)Lx803.10.1

低濃度氣體吸收的填料層高度在塔內(nèi)取一微元高度進(jìn)行物料衡算，流出微元體時(shí)液相中溶質(zhì)增加的量應(yīng)等于微元體中傳入液相的溶質(zhì)量：氣相同理：分離變量積分，可得：低濃度氣體吸收，G，L近似不變，傳質(zhì)系數(shù)為常量于是：GLx2y2y1x1GydhGy-d(Gy)Lx+d(Lx)Lx81氣體濃度(>10%)時(shí)，可看成高濃度氣體吸收。特點(diǎn)：G，L沿塔高是變化的；吸收過程是非等溫的；傳質(zhì)系數(shù)與濃度有關(guān)。3.10.2高濃度氣體吸收時(shí)的填料高度823.10.2高濃度氣體吸收時(shí)的填料高度假設(shè)氣體和液體中不隨吸收改變的惰性部分為G‘和L’，則有：因此，有：

相應(yīng)的填料層高度計(jì)算變?yōu)椋?/p>

833.10.2高濃度氣體吸收時(shí)的填料高度取塔內(nèi)任一截面上惰性氣體和惰性液體的平均含量為：

這樣就可將塔內(nèi)氣相和液相的流量用惰性流量來表示。而這部分流量基本不隨塔高而變化，可視為常量與積分部分無關(guān)，因此：

對(duì)塔的上半部分做物料衡算，可得已知一端狀況的操作線方程：(3-279)843.10.3多組分逆流吸收塔的填料高度

（吸收因子法）

吸收因子法推導(dǎo)思路：是一種能計(jì)算塔的進(jìn)出口組成和理論級(jí)的近似計(jì)算法。采用具有N塊理論板的吸收塔，排列順序由塔頂開始。對(duì)公式的推導(dǎo)采用逐一法進(jìn)行分析85吸收因子法

吸收塔用

表示任一組分i的氣相和液相流率；A定義為吸收因子86吸收因子法對(duì)組分i作全塔物料平衡：假定：l0=0(吸收劑中不含有被吸收組分)

87吸收因子法88有二種平均方法:(1)平均吸收因子法(低濃度吸收)吸收因子法89(2)有效平均吸收因子法(高濃度吸收)吸收因子法90吸收因子法解吸塔91吸收因子法1、吸收塔計(jì)算實(shí)際過程中吸收劑循環(huán)使用，所以吸收劑中可能含有被吸收組分既92(1)理論板N吸收因子法93(2)吸收劑量L0吸收因子法942．解吸塔計(jì)算解吸是為了回收被吸收組分的溶質(zhì)，同時(shí)吸收劑能循環(huán)使用。通常有四種方法：1．加熱升溫2．減壓閃蒸3．精餾4．用惰性氣體解吸吸收因子法95吸收因子法96(1)理論板N吸收因子法97(2)提餾劑量G0吸收因子法98吸收因子法3、計(jì)算步驟：已知：；求：（1）確定關(guān)鍵組分的未吸收率在多組分吸收過程中，只能確定一個(gè)對(duì)分離起關(guān)鍵作用的組分，由關(guān)鍵組分的分離要求，求未吸收分率，而其它組分的未吸收分率就隨之被確定。（2）由求：1）由確定∵由全塔的平均溫度、壓力確定99吸收因子法2）實(shí)際；3）由用公式計(jì)算(3)其它組分未吸收率的確定各組分在同一塔內(nèi)吸收，非關(guān)鍵組分具有相同的理論板數(shù)和液氣比

或

100吸收因子法(4)求尾氣的組成及量當(dāng)時(shí)，(5)吸收液的量及組成以及應(yīng)加入的吸收劑量101課程簡介第1章緒論第2章精餾第3章吸收第4章液液萃取第5章分離過程的節(jié)能第6章界面現(xiàn)象及其調(diào)控第7章新分離方法第8章化工流程模擬系統(tǒng)簡介102分離過程

SeparationProcesses

課程簡介先修課程：物理化學(xué)、化工熱力學(xué)、傳遞過程、化工原理。同時(shí)進(jìn)行的課程：化工工藝學(xué)教材：鄧修，吳俊生.化工分離工程.科學(xué)出版社，2012.參考書：劉家祺主編.分離過程.化學(xué)工業(yè)出版社,2002.陳洪紡劉家祺.化工分離過程.化學(xué)工業(yè)出版社,1995.JDSeeder,EJHenley.SeparationProcessPrinciples.化學(xué)工業(yè)出版社，2002.103第1章緒論

Chapter1Introduction1.1概述1.2分離因子1.3過程開發(fā)及方法1.4分離方法的選擇104基本要求：1)了解分離操作在化工生產(chǎn)中的重要性;2)熟悉分離過程的分類;3)掌握分離因子的概念及意義;4)了解分離方法的選擇;1051.什么是分離過程？純組分變成混合物，是熵增自發(fā)過程，反之，混合物變成純凈物則需作功?；旌衔铮狻⒁?、固）分離過程產(chǎn)品1產(chǎn)品2產(chǎn)品n能量分離劑ESA物質(zhì)分離劑MSA借助一定的分離劑，實(shí)現(xiàn)混合物中的組分分級(jí)（Fractionalization）、濃縮（Concentration）、富集（Enrichment）、純化（Purification）、精制（Refining）與隔離（Isolation）等的過程稱為分離過程。1.1

概述106CriticalseparationsinhumanbodyKidney:theperfectultrafilter腎小球靜脈動(dòng)脈輸尿管107InIndustry工程應(yīng)用需要純物質(zhì)（如半導(dǎo)體材料）；Needforpurematerialinengineeringapplication(semiconductors)?原料提純；Preparationofrawmaterialsintotheircomponents?材料加工需要純物質(zhì)；Needforpurematerialformaterialsprocessing

?有毒有害物質(zhì)或非活性物質(zhì)的去除（如藥物）；Needtoremovetoxinsorinactivecomponentsfromsolution(drugs)?測(cè)試或檢測(cè)用超純標(biāo)準(zhǔn)品；Needforultrapuresamplesfortesting?混合物組成檢測(cè)（如DNA檢測(cè)）；Needforanalysisofthecomponentsofthemixture(DNAtesting)?……1082、分離過程的分類（一）分離過程的分類級(jí)數(shù)：相態(tài)：有無傳質(zhì)發(fā)生：單級(jí)、多級(jí)固—固、固—液、固—?dú)?、氣—液、液—液、氣—?dú)鈾C(jī)械分離、傳質(zhì)分離處理兩相以上的混合物如過濾、沉降、離心分離等。處理均相混合物109按物理化學(xué)原理的不同，傳質(zhì)分離可分為：（二）傳質(zhì)分離過程的分類平衡分離過程：速率分離過程：借助分離劑使均相混合物變成兩相系統(tǒng)，再利用混合物中各組分在處于相平衡的兩相中的不等同分配而實(shí)現(xiàn)分離。在某種推動(dòng)力（濃度差、壓力差、溫度差、電位差等）的作用下，利用各組分?jǐn)U散速率的差異實(shí)現(xiàn)分離。如精餾、吸收、萃取、結(jié)晶、吸附等。如微濾、超濾、反滲透、電滲析等。1101）平衡分離過程過程名稱原料分離劑產(chǎn)品分離原理蒸發(fā)蒸餾吸收萃取結(jié)晶吸附干燥浸取離子交換液體液體氣體液體液體氣體或液體濕物料固體液體熱熱不揮發(fā)性液體不互溶液體冷或熱固體吸附劑熱溶劑固體樹脂液體+蒸汽液體+蒸汽液體+氣體液體+液體液體+固體固體+液體或氣體固體+蒸汽固體+液體液體+固體蒸汽壓不同蒸汽壓不同溶解度不同溶解度不同過飽和吸附力不同濕組分蒸發(fā)溶解度不同離子的可交換性1112）速率控制分離過程過程名稱原料分離劑產(chǎn)品分離原理氣體擴(kuò)散熱擴(kuò)散電滲析電泳反滲透超過濾氣體氣體或液體液體液體液體液體壓力梯度和膜濕度梯度電場(chǎng)和膜電場(chǎng)壓力梯度和膜壓力梯度和膜氣體氣體或液體液體液體液體+液體液體+液體多孔膜中擴(kuò)散的速率差異熱擴(kuò)散速率差異

膜對(duì)不同離子的選擇性滲透膠質(zhì)在電場(chǎng)下的遷移速率差異溶質(zhì)溶解度與溶劑在膜中的擴(kuò)散速率分子大小差異112化工生產(chǎn)2.分離過程的地位煉油、石油化工：石油煉制工業(yè)通過煉油過程把原油加工為汽油、噴氣燃料、煤油、汽油、燃料油、潤滑油、石蠟油、石油瀝青、石焦油和各種石油化工原料等；石油化學(xué)工業(yè)以上述原料生產(chǎn)種類極多、范圍極廣的各種化學(xué)品，例如塑料、合成纖維、合成橡膠、合成洗滌劑、溶劑、涂料、農(nóng)藥、染料等；煉油和石油化工過程緊密結(jié)合，各種分離操作是其生產(chǎn)過程必不可少的組成部分。113蒸餾是煉油和石油工業(yè)中最主要的分離操作過程之一。常壓蒸餾和減壓蒸餾按照沸程不同進(jìn)行石油產(chǎn)品分離；除此以外，萃取用于溶劑脫蠟，潤滑油精制，溶劑脫瀝青和芳烴抽提等；吸附用于分子篩脫蠟、C8芳烴分離、烯烴和烷烴的分離等。114醫(yī)藥工業(yè)：分離技術(shù)在保證藥物生產(chǎn)及其質(zhì)量中起著關(guān)鍵作用；抗生素等發(fā)酵類醫(yī)藥產(chǎn)品的生產(chǎn)中，大量應(yīng)用著過濾、萃取、吸附、膜分離、離子交換、結(jié)晶、干燥等分離技術(shù)；在