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1、第五章 吸收（传质理论之一）1 概述 一、 传质：物质从一相转移到另一相的过程。 如：吸收、蒸馏、萃取、结晶、吸附、蒸发、干燥、冷冻、升华、凝华等。,二、吸收：用某种液体(吸收剂S)处理气体混合物，使其中某个目标组分(吸收质A)得到分离的过程，不能被吸收的组分统称为惰性组分B。 吸收 解吸 互为逆过程。,三、吸收的应用：制取产品，净化气体，回收有用组分。四、吸收分类：,利用混合气体中各组分溶解度的差异分离气体,物理吸收:,特点：弱结合、游离、可逆、易解吸 速率：g l扩散速率 极限：达g l相平衡,化学吸收：AS发生化学反应而分离气体,特点：强结合，不可逆 速率：反应或扩散速率 极限：化学平衡
2、,(本章只讨论物理吸收),五、吸收流程： 在连续操作的立式吸收塔中，气，液逆流接触进行传质。,3 要分离和回收A：则采用吸收解吸 联合流程。,1 要使气相中A被吸收完全-净化气体：则采用单程(单塔或多塔)吸收。 2 希望液相A的浓度高-制取产品：则采用液相循环吸收。,吸收 解吸 联合流程,喷淋塔： 气相连续 液膜塔(填料塔)：气相连续 鼓泡塔： 液相连续,4 吸收塔,（1）喷淋塔,（2）填料塔,（3）鼓泡塔,六、吸收剂的选取原则：,高选择性、 低蒸气压、 低粘度、 低价格、 无毒无污染。,七、要解决的问题： 1. 吸收极限相平衡理论 2. 吸收速率双膜理论。 3. 填料塔吸收面积的计算。 4.
3、 强化吸收的途径。八、常见的吸收体系溶解度,易溶：NH3, SO3, NO2, HClH2O 中等： SO2 , Cl2 , H2S H2O 难溶：O2, H2, CO, CO2 H2O,2 吸收相平衡 当物理吸收达到两相平衡A(g) A(l)时，溶质A在气液两相中的浓度不变，且服从亨利定律关系。,NA(gl)=NA(lg) (NAmolA/molS),亨利定律：在温度一定、总压不太高(5 atm)时, 大多数中等或难溶体系吸收平衡时的液相浓度与其气相分压成正比。,气液两相浓度有多种表示法， 亨利定律有多种形式。,1、 以pA xA表示的亨利定律 pA*=E xA 或 xA*=pA/ E 即
4、xA*pA pA*A的气相平衡分压(与浓度为xA的液相平衡)， xA液相A的摩尔分数 (实际浓度)。 xA*A的液相平衡浓度(与分压为pA的气相平衡)， pA气相A的分压 (实际浓度) 。 E亨利系数Pa或atm, E, xA*, 即吸收体系的亨利系数越大, 气体越难溶。附表九可查E值。,2 、 以pA CA表示的亨利定律 p*A= CA/ H 或 C*A= H pA 即 C*A pA CA液相A的物质的量浓度(实际浓度)kmol/m3 （ CA = nA /V ）. C*A液相A的平衡浓度(与分压为pA的气相平衡),H溶解度系数kmol/(m3*Pa) or kmol/(m3*atm), H
5、, CA*,即吸收体系的溶解度系数越大，气体越易溶。 对一定的吸收体系(质A，剂S确定)，E和H为常数，都反映A在S中的溶解度大小。EH关系？先找CAxA关系：,即E1/ H ，E，H，气体在该吸收剂中越难溶。,xACA关系：,-,3 、 以yA xA表示的亨利定律A的气相摩尔分数 yA=pA/p总 = nA/ n总 y*A=p*A/P=(ExA)/P=mxA 或 x*A= yA/m 即 x*AyA m=E/P相平衡系数(无因次)，E, m,气体越难溶。,例5-1 解：空气-水体系，已知p空气=P总和E，求液相平衡浓度(以x*A 和cm3/100g水溶液表示) x*A=pA/E=101325/
6、6.73*109=1.51*10-5 (mol空气/mol水) 即水中空气含量0.00151 mol空气/100 mol H2O 即100mol(1800g)水中含空气0.00151mol 0.0015*22.4*103cm3=33.6 cm3(标态) 故水中空气含量33.6 cm3/1800g=1.86(标态) cm3/100g水,例5-2解：SO2-水体系,20时溶液的浓度为2.5%(质量百分比),求气相SO2的平衡分压,查附表九知：E= 0.36107 Pa，将质量百分比xA 。,p*A=ExA=0.36*107*0.00716=25.78 kPa,例5-3：含NH320%(yA1)的N
7、H3-空气混合气体100m3, 用水恒温吸收至混合体中含氨5%(yA2),求NH3被吸收的体积。 解：由于吸收前后混合气体总体积变化，以吸收前混合气体总体积100m3为基准计算： VNH3吸收=VNH3前-VNH3后 吸收前：VNH3前=V总前*20 %(yA1)=100*20% = 20 m3 吸收后：VNH3后=V总后(无法求得)*5% (yA2) 而: VB =V空气=100-20 =80 m3 (吸收前后VB不变),VNH3后=VB*(VNH3后/VB),若能求出每份惰性组分空气含NH3的分数VNH3残/ V空气，则吸收后残存的VNH3残可求。 而 VNH3后/ V空气= (VNH3残
8、/V后总)/ (V空气/V后总)=yA2/ yB2 =yA2/(1-yA2)=5%/(1-5%)=5/95 (份NH3/份空气) VNH3后=5/95*80=4.2 m3 VNH3吸收=20-4.2=15.8m3,上例中利用惰性气体量在吸收前后不变的特点，求出吸收后惰性气体中吸收质A的含量分率，再乘以惰气的量(vB-m3B, or nB-molB)，即可求吸收后气体中残存A的量，进而求A被吸收的量。,惰性气体B中吸收质A的含量分率：,吸收前1：nA1/nB=(nA1/n总1)/(nB/n总1)= yA1/yB1 =YA1 = yA1/(1-yA1) 吸收后2：nA2/nB=(nA2/n总2)/
9、(nB/n总2)= yA2 /yB2 =YA2 = yA2/(1-yA2) 由此提示我们：要求A被吸收的量，要用到A在惰性气体B中A的含量分率yA/yB，令为YA。 定义： YA 摩尔比/比摩尔分数(率),上例用比摩尔分率计算： VNH3VB(YA1-YA2) 吸收前： YA1= yA1/yB2=yA1/(1-yA1 )=0.2/0.8=0.25 吸收后：YA2=yA2/yB2=yA2/(1-yA2)=0.05/0.95=0.053 被吸收NH3的体积： VNH380*(0.25-0.053) =15.8 m3,YA:每mol惰气中所含A的mol数。起始时-YA1,终了时-YA2,4 、 以Y
10、AXA比摩尔分率表示的亨利定律,XA：每mol吸收剂中所含A的mol数。吸收从XA1XA2,即:,或:,YA*=mXA,XA*=YA/m,由y*A=mxA得：,注意：1 吸收达平衡时：YA*=mXA或 XA*= YA/m，但两方程的意 义不同，YA*与YA不同。2 yA=nA/nT YA=yA/yB=nA/nB xA=nA/nT XA=xA/xS=nA/nS 3 溶解度 mAg(A)/100g(S) xA、CA、XA与mA的关系： xA= nA/ nT= (mA/MA)/( mA/MA+100/MS) XA=nA / nS= (mA/MA)/(100/MS) CA= nA/VT= T（溶液）
11、mA/(100+mA)/MA kmol/m3,4 长期放置的吸收体系是平衡体系，在平衡体系中引入气 体或溶液, 平衡将被破坏, 可能再吸收(pAp*A或xAx*A)。,例5-4 已知总压P=101.325 kPa及 PAmA (mAg(A)/1000g(S)的关系，求YAXA关系： 解：先转变成 yAxA关系： yA=nA/n总= pA/ p xA=nA/n总=(mA/MA)/( mA/MA+1000/MS) 再转化成YAXA关系： YA= yA/(1- yA) XA= xA/ (1- xA) 亦可直接求： YA=pA/pB=pA/ (pT-pA ) XA=nA/nS=(mA/MA)/ (10
12、00/MS),作业： P185 7,练习： P185 6,5-3 吸收速率 吸收速率决定吸收达到平衡的时间，决定吸收操作的生产强度，是吸收设备选型和设备设计的重要依据。,二、扩散 1、分子扩散：物质以分子热运动方式穿过静止或滞流流体的传递过程特点：传递速率慢。 2 、对流扩散：物质以相对运动方式穿过湍流流体的传递过程特点：传递速率快。,一、吸收速率定义：NA= dnA/d 对于稳定吸收过程：NA=nA/ mol(A)/s 吸收过程是物质的相转移过程，通过扩散方式进行。,三、费克分子扩散定律 如图:,单位时间内穿过面积为A，厚度为的扩散层的吸收质A的物质的量,D扩散系数 m2/s,分子扩散模型,
13、四、吸收机理双膜理论,实际吸收过程一般在喷淋塔、填料塔、鼓泡塔中进行。无论采用那种吸收塔，吸收过程都存在气液相界面，类比间壁传热提出了双膜理论以导出吸收速率。 如图：,1 气液两相主体因湍流使A以对流扩散方式传递，传递速率快, 浓度一致，忽略湍流主体中对流扩散的阻力。 2 相界面两侧存在滞流的气膜和液膜，双膜中A以分子扩散方式传递，传递速率慢，浓度下降很快，整个传质过程的阻力全部集中在双膜中。,3 到达相界面的A能无阻力地瞬时溶于液相，且界面上气液两相达平衡, 即：pi = ci / H 。,双膜理论要点：,将对流给热视为壁附近滞流层的热传导过程付立叶定律,将吸收视为A穿过相界面附近滞流双膜的
14、分子扩散过程费克定律,传热过程,吸收过程,理论实质,1-高温流体传热膜(分)系数2-低温流体传热膜(分)系数,kg-气膜吸收分系数 kl -液膜吸收分系数,五、费克分子扩散定律的应用当A分子通过分子热运动的碰撞而传递时，其传递速率：,g ,l 气膜、液膜厚度, 由于在膜层中有部分对流传质, 真正的分子扩散距离g, l。 对气膜：用pB/pT对g加以较正：,=kgA(p-pi),T,T,kg-气膜吸收分系数,对液膜：用CS /(CA+CS)=CS /CT 对l 加以较正：,=klA(Ci-C),所以，可用界面附近气膜中的扩散速率： NA=kgA(p-pi) 或液膜中的扩散速率： NA=klA(C
15、i-C) 计算吸收速率。,kl -液膜吸收分系数,作业： P185 12、13,kg、ky分别以分压pA、气相摩尔分率 yA 表示的气膜吸收分系数。,2 液膜吸收分速率方程,kl、kx分别以物质的量浓度cA 、摩尔分数xA表示的液膜吸收分系数。,六、吸收速率方程1 气膜吸收分速率方程,或表示为:,或表示为：,ky=kgpT,3 气相吸收总速率方程pi、Ci 、yi、xi 难求,设法消去,p-pi 气相主体与界面上A的分压差。 ci-c 界面上与液相主体中A的浓度差。,吸收过程中，气相浓度，用某处的实际分压与该气相能下降到的最低值之差表示推动力，而气相所能降到的最低分压是与该气相相接触的液相达平
16、衡的平衡分压pA*。,NA=kgA(p-pi)=klA(ci-c)=klAH(pi-p),H,H,H,H,p*是与液相主体浓度C平衡的分压,KG, Ky, KY -以分压,摩尔分率yA,比摩尔分率YA表示推动力的气相吸收总系数。,1/KG = 1/kg + 1/klH,T,T,T,T,T,4 液相吸收总速率方程,KL,Kx,KX以c, x, X表示推动力的液相吸总系数。,H,H,H,H,H,注意：以不同浓度表示推动力，其数值和单位各不相同，但NA总是相同的，单位molA/s，通过K、k (吸收总系数和分系数)来调节NA的数值和单位。,七、强化传质吸收的途径和措施 吸收速率 NA=KA,即：总阻力=气膜阻力+液膜阻力,1/KG=1/kg+1/klH,1/KL=H/kg+
